РБ_лаб_практикум

	A =	A	;	A =	A
		V			S .
	V			S

Удельная массовая активность Am в системе СИ измеряется в Бк/кг, удельная объемная активность AV – в Бк/м3, AS – в Бк/м2. Наряду с этими единицами часто применяют внесистемные. Например, удельную поверхностную активность AS

измеряют в Kи/км2.

1 Kи/км2 = 3,7·104 Бк/м2 = 37 кБк/м2.

Удельная поверхностная активность используется для характеристики радиоактивного загрязнения территории (плотности радиоактивного загрязнения).

Удельная и удельная объемная активность используются для характеристики радиоактивного загрязнения пищевых продуктов, воды, кормов и др. Удельную активность пищевых продуктов и питьевой воды для изотопов 137Cs и 90Sr регламентируют “Республиканские допустимые уровни содержания радионуклидов цезия-137 и стронция-90 в пищевых продуктах и питьевой воде

(РДУ - 99)” (табл. 4.1).

Таблица 4.1. РДУ-99
Наименование продукта	Am (AV),
	Бк/кг (Бк/л)
Для цезия-137
Вода питьевая	10
Молоко и цельномолочная продукция	100
Мясо и мясные продукты, в том числе:
Говядина, баранина и продукты из них	500
Свинина, птица и продукты из них	180
Картофель	80
Хлеб и хлебобулочные изделия	40
Овощи и корнеплоды	100
Специализированные продукты детского питания в	37
готовом для употребления виде
Для стронция-90	0,37
Вода питьевая
Молоко и цельномолочная продукция	3,7
Хлеб и хлебобулочные изделия	3,7
Картофель	3,7
Специализированные продукты детского питания в	1,85
готовом для употребления виде

Совокупность методов измерения активности радиоактивного источника называется радиометрией, а прибор для проведения таких измерений – радиометром. В соответствии с типом регистрируемых частиц говорят о гамма-, бета-, альфа-радиометрах.

21

Методы измерения активности делятся на абсолютные и относительные.

При абсолютном методе активность источника находится по числу зарегистрированных частиц, значению телесного угла, под которым источник “видит” детектор, и эффективности регистрации. Определение последних двух величин для объемного источника является трудоемкой задачей. Это

обстоятельство и необходимость учета ряда поправок затрудняет широкое распространение абсолютного метода. В относительном методе активность Ax изучаемого образца сравнивается с известной активностью AЭ эталонного источника той же геометрии и близкого состава. Если nx – число частиц, зарегистрированных от изучаемого образца, а nЭ – от эталонного источника, то

Ax = AЭ nx . nЭ

Для реализации как абсолютного, так и относительного метода необходимы

предварительные сведения о радиоизотопном составе исследуемых образцов и схемах распада радиоактивных ядер, входящих в образцы. В данной работе используется сцинтилляционный гамма-радиометр для определения удельной активности пробы, содержащей изотоп 137Сs, относительным методом.

2.Экспериментальная часть

2.1.Описание лабораторной установки

Блок-схема экспериментальной установки РИС (радиометр импульсный сцинтилляционный) представлена на рис. 4.1, подробное описание подобной уста- новки приведено в лабораторной работе № 1.

			2
		NaI(Tl)2	3		4
		ФЭУ-85			5
	1	Высоковольт-	±12	+5	Пересчетное устройство
		ный блок пи-				~220 В
			В	В	(ПСО)
		тания
			Рис. 4.1

Защитный контейнер 1 предназначен для уменьшения потока ионизирующих частиц, попадающих в детектор от внешних (фоновых) источников излучения. Сцинтилляционный блок детектирования 3 предназначен для регистрации ионизирующих частиц, испущенных при распаде радионуклидов, содержащихся в пробе 2. Низковольтные блоки питания 4 вырабатывают

напряжения для питания электронных схем блока детектирования и блока

22

высокого напряжения. Пересчетное устройство 5 измеряет число электрических импульсов, поступивших с выхода блока детектирования за фиксированный временной интервал (время экспозиции).

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 100 с.

6.Произведите калибровку установки:

1)5 раз измерьте число импульсов nФ, создаваемых фоновым излучением, и

рассчитайте среднее арифметическое значение фона nФ ; результаты занеси- те в табл. 4.2;

2)установите в измерительный блок образец (эталон 1), содержащий 137Сs, с известной удельной массовой активностью Аm1; 5 раз измерьте число им- пульсов nСФ1, создаваемых источником и фоном; рассчитайте nСФ1 ; найдите

значение числа импульсов, создаваемых первым эталоном: n1 = nСФ1 − nФ ; результаты занесите в табл. 4.2, 4.3;

3)повторите подпункт 2) для второго эталонного образца с известной удель- ной массовой активностью Аm2 и определите n2 ;

4)рассчитайте активности A1 и A2 эталонных образцов (значения массы и удельной активности указаны на образце); постройте калибровочный график

(см. рис. 4.2);

n
n2
n1
А1	А2	А, Бк

Рис. 4.2 5) рассчитайте пересчетный коэффициент для установки:

C =		A1		,	C	2	=		A2
1	n1							n2

23

и найдите его среднее значение C ;

6)рассчитайте удельные объемные активности AV1 и AV2 эталонных образцов (объем образца 250 см3);

Таблица 4.2

№ п/п

Фон

Эталон 1 Эталон 2

Проба

1

…

5

Среднее

7.Определите активность пробы:

1)установите в измерительный блок пробу c неизвестной активностью; 5 раз измерьте число импульсов nXФ, создаваемых пробой и фоном; определите среднее значение nXФ ; рассчитайте nX = nXФ − nФ ;

2)определите активность пробы по формуле AX =C×nX ;

3)рассчитайте удельную Am и удельную объемную AV активности пробы;

4)рассчитайте активности A1 и A2 эталонных образцов (значения массы и удельной активности указаны на образце);

5)по калибровочному графику определите активность пробы АГРАФ.;

8.Результаты расчетов занесите в табл. 4.3.

										Таблица 4.3
АГРАФ. =	Бк;				=			Бк/имп.
			C
Образец	m, кг	V, л							А, Бк	Аm, Бк/кг	АV, Бк/л
							nС
Эталон 1
Эталон 2
Проба

9. Полученные результаты по измерению удельной активности пробы сравните с РДУ-99.

Контрольные вопросы

1. Активность радиоактивного источника. 2. Зависимость активности от времени. 3. Удельная активность. 4. РДУ-99. 5. Радиометрия. 6. Абсолютный и относительный методы измерения активности.

24

Лабораторная работа № 5

БЕТА-РАДИОМЕТРИЯ

Цель работы: ознакомиться с процессом бета-распада и его видами, свойст- вами бета-активных радионуклидов; определить удельную объемную активность образцов и компонент образца из смеси радионуклидов.

1. Теоретическая часть

Бета-распадом называется процесс самопроизвольного превращения радиоактивного ядра в изобарное (имеющее то же самое массовое число, но иное зарядовое) с испусканием электрона или позитрона. Известны три вида бета- распада: электронный (β−-распад) и позитронный (β+-распад) распады и электронный захват (К-захват). В первых двух процессах из ядра вылетают электрон (позитрон) и нейтральная частица электронное антинейтрино (электронное нейтрино). Схемы этих распадов записываются следующим образом:

β− :	Z X ¾¾® Z+1Y + e		-	+ν e ,
	A	A		~
β+:	AZ X ¾¾® ZA-1Y + e+ +ν e .

Здесь А – массовое число, z – заряд ядра (его порядковый номер в Периодической таблице элементов), Х и Y - символы химических элементов, e-, e+ – символы

электрона и позитрона, νe и ν~e – символы нейтрино и антинейтрино. При

электронном захвате ядро поглощает один из электронов атомной оболочки (чаще всего К-оболочки, отсюда название К-захват):

e- + AZ X ¾¾® ZA-1Y +ν e .

Таким образом, при всех видах β-распада массовое число A остается неизменным, а заряд ядра z изменяется на ±1. Периоды полураспада β-активных ядер лежат в широком интервале времени от 10-2 с до 1015 лет.

Бета-распад обусловлен не ядерными и не электромагнитными силами, а третьим из четырех типов взаимодействий – слабым взаимодействием. Бета- распад процесс не внутриядерный, а внутринуклонный, т.е. в ядре распадается одиночный нуклон. Вылетающие при распаде электрон и нейтрино рождаются во время распада нуклона. Бета-активным является и свободный нейтрон, распадающийся на протон, электрон и антинейтрино в результате электронного бета-распада:

n¾¾® p + e- +ν~e

спериодом полураспада 11,7 мин. Свободный протон стабилен. При позитронном распаде он распадается в ядре:

p ¾¾® n + e- +νe .

25

При β-распаде из ядра вылетают не одна, а две частицы. Поэтому энергетические соотношения для β-распада характеризуются не только общей энергией, выделяющейся при распаде, но и распределением этой энергии между вылетающими частицами (энергия отдачи ядра сравнительно мала и ею обычно можно пренебречь). В силу статистического характера явления радиоактивности при одиночном акте, например, β--распада соотношение энергий электрона и антинейтрино может быть любым, т.е. кинетическая энергия электрона может иметь любое значение – от нуля до максимально возможной энергии Еm, равной полной энергии, выделяющейся при распаде. Характеризуя β-активные радионуклиды, обычно указывают максимальную энергию электронов Еm. Значение этой энергии изменяется от 18 кэВ для 3H до 16,6 МэВ для 12N. Если после β-распада дочернее ядро оказывается в возбужденном состоянии, то, переходя в основное состояние, оно излучает избыток энергии в виде γ-квантов, т.е. β-распад может сопровождаться γ-излучением.

				1940 K Т1/2 = 1,4·109 лет
	К-захват
11 %						β– 88,8 %
				β+ 0,16 %		Em = 1321 кэВ
	γ
Е = 1459 кэВ
			4018 Ar				2040 Ca
				Рис. 5.1
Типичные представители β-активных ядер:						калий-40 (40K), стронций-90

(90Sr), цезий-137 (137Cs). Первый из этих радионуклидов естественного происхождения, два других – следствие ядерных взрывов и Чернобыльской аварии.

13755 Cs

Т1/2 = 30 лет

β– 95 %

β– 5 %

Em = 520 кэВ

Em

= 1200 кэВ

γ

Е = 661 кэВ

13756 Ba

40К

Рис. 5.2

Схема

распада

приведена

на рис. 5.1.

Его период полураспада

Т1/2 = 1,4·109

лет сравним со временем жизни солнечной системы (4,6·109 лет),

поэтому этот изотоп

до

сих пор присутствует в

заметных количествах в

26

природной смеси изотопов калия. Основной канал распада (его доля 88,8 %) – электронный бета-распад в основное состояние 40Cа с максимальной энергией электронов Еm = 1321 кэВ. Содержание изотопа 40К в природном калии составляет

0,012 %, удельная β-активность природного калия около 3·104 Бк/кг, а КСl – 1,6·103 Бк/кг. При распаде 137Cs (рис. 5.2) наряду с электронами с Еm = 520 кэВ

испускаются γ-кванты с энергией					661 кэВ.				Бета-распад 90Sr (рис. 5.3) не
сопровождается испусканием γ-квантов.
	9038 Sr			Т1/2 = 29 лет
				β–
	90 Y		Em = 546 кэВ					Т1/2	= 64 час
39
				β–
	Em = 2274 кэВ					4090 Zr

Рис. 5.3

Проходя через вещество, β-электроны взаимодействуют с атомными элек- тронами и ядрами. При столкновении с электронами атомов β-частица передает им часть своей энергии, вследствие чего атомы среды ионизируются или возбуж- даются, а энергия β-электрона уменьшается. Такие потери энергии называются ионизационными. В процессе столкновения изменяются направление движения и скорость β-электрона, т.е. он приобретает ускорение. Заряженная частица, движу- щаяся с ускорением, излучает электромагнитные волны. Поэтому при столкнове- ниях β-электроны испускают электромагнитные волны. Это излучение (его длина волны находится в рентгеновской области) называется тормозным. Потери энер- гии β-частицы на тормозное излучение называются радиационными.

Истратив всю кинетическую энергию вследствие ионизационных и радиа- ционных потерь, β-электрон останавливается. Расстояние от точки его входа в ве- щество до точки остановки называется пробегом R. В воздухе пробеги β-частиц могут достигать 20 м. Минимальная толщина поглотителя, при которой полно- стью задерживаются все β-частицы данной энергии, называется максимальным пробегом Rmax. Потери энергии β-частицы на единицу пути пропорциональны чис- лу электронов в единице объема вещества n = z·N (z - атомный номер, N - число атомов в единице объема), т.е. плотности вещества ρ. Поэтому максимальные пробеги (и толщину поглотителя) принято выражать в виде произведения плотно- сти на длину:

Rmax* = Rmax × ρ

и измерять в кг/м2 (г/см2). Значения R*max и соответствующая им толщина алюми- ниевого поглотителя приведены в таблице 5.1.

27

		Таблица 5.1
E, Мэв	Rmax* , мг/см2	Толщина алюминие-
		вой фольги, мм
0,14 – 0,20	25 –50	0,1
0,30 – 0,40	100	0,4
0,50 – 0,70	150 – 200	0,6
0,80 – 1,0	300 – 400	1,1
1,5	700	2,6
2,0	950	3,5
2,5	1200	4,4

Наиболее распространенные детекторы бета-частиц – торцевые (с тонким слюдяным окошком) или тонкостенные цилиндрические счетчики Гейгера- Мюллера и сцинтилляционные счетчики с органическим сцинтиллятором. Реже используются полупроводниковые детекторы. Эффективность регистрации бета- частиц близка к 100 %.

Бета-радиометрия имеет свои особенности. Они обусловлены непрерывным энергетическим спектром бета-частиц и небольшой длиной их максимального пробега в жидких и твердых веществах. Для радиометрии наиболее типична си- туация, когда заранее известны радионуклиды, содержащиеся в пробе, и нужно измерить удельную активность конкретного изотопа.

Различие в схемах распада 40К и 137Cs (см. рис. 5.1, 5.2) приводит к различ- ным граничным энергиям бета-электронов для каждого изотопа: Еm(40К) > Еm(137Сs), а это, в свою очередь, к различным максимальным пробегам Rmax электронов в алюминиевом поглотителе. Для полного подавления бета- компоненты излучения 137Cs (Еm = 0,52 МэВ) достаточно алюминиевого фильтра толщиной 0,06 см. Подавление бета-компоненты излучения 40К таким же слоем алюминия лишь частичное с коэффициентом подавления k (0 < k < 1).

2.Экспериментальная часть

2.1.Описание лабораторной установки

Данная лабораторная работа выполняется с применением дозиметра- радиометра бытового “Сосна” (вариант “АНРИ-01-02”), поэтому внимательно изучите руководство по эксплуатации дозиметра-радиометра “Сосна”.

28

2.2.Порядок выполнения работы

1.Включите прибор, поставьте переключатель режима работы в положение “Т”. Закройте заднюю крышку. Положите прибор на кювету с исследуемым об- разцом. Нажмите кнопку “Пуск” и измерьте количество импульсов NФ (фон), обу-

словленных γ-излучением. Время измерения – 5 минут (засеките по своим часам). 2. На кювету с исследуемым образцом положите прибор с открытой задней

крышкой (детекторами точно на кювету). Выполните измерение числа импульсов NСФ (сигнал + фон) для исследуемого образца. Время измерения – 5 минут. Вы- числите число импульсов NС, обусловленных β-электронами:

NС = NСФ – NФ.
3. Рассчитайте удельную объемную активность AV образца:
AV = Ks·NC/t ,	(5.1)

где Ks = 300 Бк·мин/л – постоянная прибора, t – время измерения в минутах. Ре- зультаты занесите в таблицу 5.2.

							Таблица 5.2
№	Исследуемый	NФ	NСФ		NС			АV,
обр.	препарат		Без	С	Без	С		Бк/л
			фильт.	фильт.	фильт.	фильт.

1KCl

2Грибной порошок

3Смесь KCl и

грибного порошка

4. На кювету положите алюминиевый фильтр, сверху установите прибор с открытой крышкой. Выполните измерение числа импульсов NСФФ (сигнал + фон

при наличии фильтра) для исследуемого образца с алюминиевым фильтром. Вре- мя измерения – 5 мин. Рассчитайте

NСФ = NСФФ − NФ .

Результаты занесите в таблицу 5.2.

5. Повторите измерения (пункты 1 – 4) для двух других образцов. Убеди- тесь, что бета-излучение 137Сs, находящегося в образце 2 (грибной порошок), полностью поглощается алюминиевым фильтром, т.е. для этого образца NФСФ NФ. 6. Определите коэффициент подавления k бета-излучения 40К, находящегося в КCl (образец 1), алюминиевым фильтром:

	k =	NСФ (1)	,
		NС (1)

где NФС(1) – число импульсов от первого образца с фильтром, NС(1) – без фильтра.

29

7. Определенное Вами число импульсов без фильтра от смеси препаратов (образец 3):

NС(3) = N1 + N2 .			(5.2)
где N1 и N2 – число импульсов от каждой из компонент смеси. Число импульсов с
фильтром от смеси препаратов:
N Ф (3) = k × N	1	,	(5.3)
С

так как излучение от второй компоненты смеси (грибного порошка) практически полностью подавляется фильтром.

Используя определенные Вами значения NС(3), NФС(3) и значение коэффи- циента подавления k, рассчитанное в п. 6, решите уравнения (5.2) и (5.3) и найдите

N1 и N2.

					Таблица 5.3
№ обр.	Исследуемый препарат	N1	N2	k	АV1, Бк/л	АV2, Бк/л
3	Смесь KCl и грибного
	порошка

8. Рассчитайте объемные активности АV1 и АV2 каждой из компонент смеси (формула (5.1)). Результаты расчетов занесите в таблицу 5.3.

Контрольные вопросы

1. Бета-распад и его виды. 2. Распределение кинетической энергии бета- электронов. 3. Схемы распада 90Sr и 137Cs. 4. Взаимодействие бета-электронов с веществом. 5. Пробег и максимальный пробег. 6. Удельная объемная активность.

30