РБ_лаб_практикум

Министерство по чрезвычайным ситуациям Республики Беларусь

Государственное учреждение образования «Командно-инженерный институт»

Кафедра естественных наук

А.В. ИЛЬЮШОНОК

Р А Д И А Ц И О Н Н А Я Б Е З О П А С Н О С Т Ь

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

Учебно-методическое пособие

Минск 2006

УДК 614.87 И 48

Рекомендовано к изданию редакционно-издательским советом Команд- но-инженерного института МЧС Республики Беларусь.

Рецензент: заведующий кафедрой радиоэкологии МГЭУ им. А.Д.Сахарова, кандидат физ.-мат. наук, доцент А.И.Тимощенко.

Ильюшонок А.В.

И 48 Радиационная безопасность. Лабораторный практикум:

Учеб.-метод. пособ. – Мн.: КИИ МЧС Республики Беларусь, 2006. – 39 с.

Предназначено для оказания помощи курсантам и слушателям при вы- полнении лабораторного практикума по курсу “Радиационная безопасность”.

Предлагается курсантам инженерного факультета и слушателям факультета заочного обучения.

УДК 614.87

©Ильюшонок А.В., 2006

©КИИ МЧС Республики Беларусь, 2006.

ВВЕДЕНИЕ

Настоящее учебно-методическое пособие предназначено для оказания

помощи курсантам и слушателям при выполнении лабораторного практикума по курсу “Радиационная безопасность”. Оно содержит описание шести лабораторных работ. Описание каждой лабораторной работы включает теоретическую и экспериментальную части и контрольные вопросы. Наличие в описании работы

теоретической части позволяет использовать данное пособие при подготовке к практическим занятиям по соответствующим разделам курса.

Перед началом лабораторного практикума рекомендуем Вам внимательно ознакомиться с описанием всех работ и составить представление о том, какой теоретический материал содержится в каждой работе. Это поможет Вам уточнять

необходимые вопросы теории в процессе подготовки к выполнению конкретной работы.

Обращаем Ваше внимание на то, что первые четыре работы выполняются на подобных лабораторных установках, поэтому во избежание повторений

подробное описание экспериментальной техники содержится только в первой работе.

В процессе подготовки и выполнения лабораторной работы рекомендуется придерживаться следующего порядка:

∙ознакомиться с целью работы и содержанием ее теоретической части;

∙изучить рассматриваемую в работе тему, используя Ваш конспект лекций и учебные пособия, указанные в списке литературы;

∙законспектировать в рабочую тетрадь ответы на контрольные вопросы;

∙изучить описание лабораторной установки и порядок выполнения работы;

∙начертить в рабочей тетради таблицы, в которые Вы будете записывать

результаты измерений.

При оформлении отчета по работе необходимо придерживаться следующих правил:

∙указать название лабораторной работы;

∙указать, кем выполнена работа;

∙кратко сформулировать цель работы;

∙привести блок-схему установки;

∙привести расчетные формулы с пояснениями;

∙начертить таблицы с результатами измерений;

∙произвести контрольные расчеты;

∙произвести, если требуется, расчет погрешностей;

∙начертить, если требуется, графики на миллиметровой бумаге;

∙сделать выводы по результатам работы.

3

Лабораторная работа № 1

ДЕТЕКТОРЫ ЯДЕРНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ. ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ СЦИНТИЛЛЯЦИОННОГО СЧЕТЧИКА

Цель работы: ознакомиться с методами регистрации и основными видами детекторов ядерного излучения, изучить устройство сцинтилляционного счетчика, измерить счетную характеристику счетчика, выбрать рабочее напряжение фото- умножителя.

1. Теоретическая часть

Практически все методы регистрации ядерных частиц основаны на их спо- собности производить ионизацию и возбуждение атомов среды. Приборы для ре- гистрации называются детекторами частиц. Существующие детекторы подразделяются на следовые детекторы и счетчики.

В следовых детекторах заряженная частица оставляет след, называемый тре- ком, который тем или иным способом фиксируется. Следовые детекторы дают бо- гатейшую информацию о направлении движения частицы, процессах ее столкновений с другими частицами, распаде и целом ряде характеристик частицы. К следовым детекторам относятся камеры Вильсона, пузырьковые камеры, тол- стослойные (ядерные) фотоэмульсии, искровые камеры. Эти устройства очень до- роги и сложны в обращении, и поэтому в дозиметрах и радиометрах они не применяются.

Счетчики регистрируют прохождение частицы через определенною область пространства (занимаемую счетчиком) в определенный момент времени. Кроме того, в различных типах счетчиков могут определяться и некоторые характеристи- ки частицы, например, энергия. К счетчикам относятся импульсные ионизацион- ные камеры, пропорциональные счетчики, счетчики Гейгера-Мюллера, сцинтилляционные счетчики, черенковские счетчики, полупроводниковые счетчи- ки.

Основными характеристиками счетчиков всех типов являются эффектив- ность регистрации и разрешающее время.

Эффективность регистрации – отношение (обычно в процентах) числа за- регистрированных частиц к полному числу частиц, попавших в счетчик.

Разрешающее время – минимальный интервал времени, который должен разделять две следующие друг за другом частицы, чтобы они не были сосчитаны за одну.

Работа ионизационных камер, пропорциональных счетчиков и счетчиков Гейгера-Мюллера основана на эффекте ионизации атомов и молекул газа, запол- няющего счетчик. Из указанных видов ионизационных счетчиков в дозиметриче- ской аппаратуре наибольшее распространение получили счетчики Гейгера-

4

Мюллера, которые относительно дешевы, просты в эксплуатации, надежны. Эф- фективность регистрации такими счетчиками заряженных частиц близка к 100%. Однако при регистрации g-квантов эффективность гейгеровских счетчиков не пре- вышает 1 – 3%. Разрешающее время этих счетчиков составляет 10-3 – 10-5 с.

Принцип действия сцинтилляционного (люминесцентного) счетчика осно- ван на том, что в ряде веществ (сцинтилляторов), проходящие ядерные частицы вызывают испускание видимого света (сцинцилляции). Обычно в качестве сцин- тилляторов используются кристаллы некоторых неорганических (ZnS, NaI, CsI) или органических (антрацен, нафталин) веществ. Для регистрации возникающих в кристалле сцинтиллятора световых вспышек применяется фотоэлектронный ум- ножитель (ФЭУ), который преобразует слабые световые вспышки в электрические импульсы.

Основными достоинствами сцинтилляционных счетчиков являются: высокая эффективность регистрации, равная практически 100% для заряженных частиц и ~30% для g-квантов, малое разрешающее время (до 10-8 – 10-9 с), возможность из- мерения энергий частиц из-за пропорциональности между амплитудой электриче- ского импульса на выходе ФЭУ и энергией первичной частицы, попавшей в сцинтиллятор.

2.Экспериментальная часть

2.1.Описание лабораторной установки

Блок-схема экспериментальной установки для изучения работы сцинтилляционного счетчика представлена на рис. 1.1. Установка состоит из:

Þсцинтилляционного блока детектирования, включающего в себя

сцинтилляционный счетчик на базе сцинтиллятора NaI(Тl)2, имеющего вид цилиндра диаметром 25 мм и толщиной 40 мм, и ФЭУ-85;

Þпересчетного устройства ПСО;

Þблока питания низковольтного +5, ±12 В (вмонтированного в ПСО);

Þблока питания высоковольтного (вмонтированного в блок детектора);

Þблока регулировки высокого напряжения;

Þисточника гамма-излучения (на основе изотопа Cs-137).

Гамма-излучение, испускаемое радиоактивным источником 1 на базе изотопа Cs-137, взаимодействуя с веществом сцинтиллятора 2 NaI(Tl)2, теряет свою энергию на возбуждение атомов. Фотоны, излучаемые атомами при переходе в основное состояние, регистрируются фотоэлектронным умножителем 3.

Импульсы напряжения с выхода ФЭУ поступают на вход пересчетного устройства ПСО 5. Питание фотоэлектронного умножителя осуществляется от высоковольтного блока 4, напряжение к которому поступает от блока низковольтного питания 6. Регулировка высокого напряжения производится блоком 7.

5

4	Высоковольтный
	блок питания			6
3	ФЭУ-85			5
2	NaI(Tl)2	±12	+5	Пересчетное устройство	~220 В
	25x40 мм	В	В	(ПСО)
1	Источник			7
		Регулировка Uпит.
	γ-излучения
			Рис. 1.1

2.2.Порядок выполнения работы

1.Изучите инструкцию по работе с прибором счетным одноактным ПСО2-5.

2.Включите сетевой шнур ПСО в сеть.

3.Включите кнопку «СЕТЬ» прибора (она находится слева на задней стен- ке), при этом загораются индикаторы цифрового табло.

4.Установите переключатели, находящиеся на горизонтальной панели, в положения, отмеченные белыми точками.

5.Установите время экспозиции, равное 30 с. После прогрева установки в течение 5 – 10 минут можно приступать к измерениям.

6.Измерьте число импульсов от фонового излучения – nФ за 30 с. Для этого нажмите кнопку «СБРОС» ПСО. Цифровые индикаторы должны установиться в “0”. Нажмите кнопку «ПУСК». ПСО начнет считать импульсы, поступающие от счетчика. По истечении заданного времени измерения (экспозиции) счет автома-

тически прекратится и на цифровом табло отобразится результат измерения nФ.

Для повышения точности выполните измерения три раза и рассчитайте

3

ånФi

nФ	=	i=1		.
			3

7. Получите у преподавателя источник γ-излучения и установите его перед сцинтиллятором. В этом случае будет регистрироваться общее число импульсов

nСФ = nС + nФ,

где nС – число импульсов, регистрируемое за счет излучения источника .

8. Измерьте три раза nСФ и рассчитайте среднее значение nСФ . Найдите

nС = nСФ − nФ .

6

9. Повторите пункты 6 – 8 для других напряжений питания ФЭУ. После изменения напряжения питания начинайте измерения не ранее, чем через 30 с. Результаты измерений занесите в таблицу 1.1.

Таблица 1.1

UПИТ., В	n		n	Ф		n	С
	СФ

700

750

800

850

900

9. В радиометрических задачах рабочее напряжение питания сцинтилляци- онного счетчика выбирается в середине плато счетной характеристики. Для это- го строится график зависимости скорости счета импульсов nС от напряжения питания UПИТ., т.е. счетная характеристика, затем определяется область плато (наиболее горизонтальный участок графика) и посередине плато выбирается рабо- чее напряжение питания (см. рис. 1.2). Постройте счетную характеристику и опре- делите рабочее напряжение ФЭУ.

nC7.
6
5
4
3
2
1
0
Uпит., В	UРАБ.	UПИТ., В

Рис. 1.2

Контрольные вопросы

1. Типы следовых детекторов. 2. Типы счетчиков. 3. Эффективность регистрации и разрешающее время счетчика. 4. Газоразрядные счетчики и их характеристики. 5. Устройство и принцип работы сцинтилляционного счетчика. 6. Достоинства сцинтилляционных счетчиков.

7

Лабораторная работа № 2

ЗАКОН РАДИОАКТИВНОГО РАСПАДА. СТАТИСТИКА ИЗМЕРЕНИЙ ЯДЕРНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ

Цель работы: изучить закон радиоактивного распада, ознакомиться с рас- пределением Пуассона, проверить применимость распределения Пуассона для описания распределения фонового γ-излучения.

1. Теоретическая часть

Радиоактивный распад или радиоактивность – процесс самопроизвольного превращения одних атомных ядер в другие, сопровождающийся испусканием одной или нескольких частиц. Атомы, подверженные таким превращениям, называют радиоактивными или радионуклидами. Из общего числа (около 2000) известных ныне радионуклидов только около 300 являются природными, а остальные получены в результате человеческой деятельности (в ускорителях и ядерных реакторах). Вследствие этого различают естественную и искусственную радиоактивность. Основные виды радиоактивного распада – альфа (α), бета (β) и спонтанное деление ядер. Радиоактивный распад, как и другие процессы, происходящие в микромире, носит статистический характер. Нельзя предсказать, когда именно распадется данное ядро. Для описания подобных процессов используются вероятности тех или иных событий.

Важнейшей характеристикой радиоактивного распада является постоянная распада λ – вероятность распада ядра за единицу времени. Эта величина не зави- сит от внешних факторов (температуры, давления и т.д.) и времени. Атомные ядра в процессе своего существования ни в каком смысле не “стареют”. Смысл величи- ны λ состоит в том, что если взять большое число N одинаковых нестабильных ядер, то за единицу времени в среднем будет распадаться λN ядер. Следовательно, за малый промежуток времени dt распадется в среднем dN ядер:

dN = –λNdt .

(2.1)

Уравнение (2.1) называют законом радиоактивного распада в дифференци- альной форме. Знак минус означает, что общее число радиоактивных ядер умень- шается. Проинтегрировав уравнение (2.1), получим основной закон радиоактивного распада в интегральной форме:

N = N0e−λt ,

(2.2)

где N0 – число радиоактивных ядер в произвольно выбранный начальный момент времени (t = 0), N – число ядер, оставшихся спустя время t. Время, в течение кото- рого распадается половина ядер, называется периодом полураспада T1/2. Соглас-

но (2.2)

8

		N0	= N		0e−λT1 / 2 ,
	2
	следовательно,
	T = ln 2				≈	0,693
	1 / 2			λ		λ .

Периоды полураспада у различных радионуклидов могут быть весьма раз-

личными – от долей секунды до миллионов лет. Для 131I (иод-131) T1/2 = 8 дней,

90Sr (стронций-90) T1/2 = 29 лет, 137Cs (цезий-137) T1/2 = 30 лет, а для 239Pu (плуто-

ний-239) T1/2 = 24390 лет. Очевидно, что спустя время T1/2, 2T1/2, 3T1/2 от начально- го количества радионуклида будет оставаться 1/2, 1/4, 1/8 и т.д. часть.

При измерении периода полураспада важно знать, как сильно результаты эксперимента (наблюдаемое число распадов) могут отличаться от значений, предсказываемых законом радиоактивного распада (2.2). В общем случае статистика радиоактивного распада описывается биномиальным распределением. Однако, если в условиях эксперимента число радиоактивных ядер можно считать бесконечно большим, а вероятность распада для любого конкретного ядра ничтожно малой (это будет в том случае, если время измерения много меньше периода полураспада), то биномиальный закон распределения переходит в закон Пуассона:

p(k;k) = e−k k k	(2.3)
k! .

Распределение Пуассона выражает вероятность того, что случайная величи- на (число радиоактивных распадов) примет значение k , если ее среднее значение

k . Например, если в среднем за время наблюдения распадается 5 ядер ( k = 5), то вероятность зарегистрировать распад трех ядер (k = 3):

p(3;5) = e−5 53 0,14 . 3!

Интересным свойством распределения Пуассона является то, что при таком распределении дисперсия σ2 случайной величины совпадает с ее средним значением:

σ 2 = (k − k )2 = k .

Тогда относительная ошибка измерения случайной величины:

ε =	σ		=	1
		k					.
						k

9

2.Экспериментальная часть

2.1.Описание лабораторной установки

Блок-схема экспериментальной установки для регистрации фонового γ-излу- чения представлена на рис. 2.1, подробное описание подобной установки приведе- но в лабораторной работе № 1.

	Высоковольтный	Блок сцинтилляционного счетчика
	блок питания
	ФЭУ-85
	NaI(Tl)2
			Пересчетное устройство
					~220 В
	25x40 мм		(ПСО)

фоновое γ-излучение

Рис. 2.1

2.2.Порядок выполнения работы

1.Изучите инструкцию по работе с прибором счетным одноактным ПСО2-5.

2.Включите сетевой шнур ПСО в сеть.

3.Включите кнопку «СЕТЬ» прибора (она находится слева на задней стен- ке), при этом загораются индикаторы цифрового табло.

4.Установите переключатели, находящиеся на горизонтальной панели, в положения, отмеченные белыми точками.

5.Установите время экспозиции 1 с.

6.Измерьте число импульсов k, поступающих со сцинтилляционного детек- тора. Измерения проведите 250 раз (N = 250). Запись экспериментальных данных удобно вести в виде столбиковой диаграммы. На горизонтальной оси диаграммы откладывается измеренное число импульсов k, а точками по вертикальной – коли- чество измерений nk, в которых наблюдается данное число импульсов k.

7.На основании полученных данных рассчитайте:

среднее число импульсов k :

1 kmax

k = N åk=0 nk × k ;

10