Описание экспериментальной установки
Схема лабораторной установки изображена на рис.1. Она состоит из трех основных узлов, закрепленных на подставке: блока дозиметра, блока установки радиоактивного препарата и блока установки образцов защитных материалов.
В установке используется бытовой дозиметр типа АНРИ–01–02 со счетчиком Гейгера, который расположен на оси установки. Дозиметр измеряет мощность Р экспозиционной дозы в мР/ч.
В основе работы счетчика Гейгера-Мюллера лежит свойство быстрых заряженных частиц ионизировать газовую среду. Счетчик имеет форму тонкостенного проводящего цилиндра, заполненного газом (воздух, азот, аргон, водород и др.) при пониженном давлении (рис.2). По оси цилиндра натянута тонкая металлическая нить, играющая роль анода.
Катодом
служит сам цилиндр. Между катодом и
анодом создается напряжение в 300-400 В.
Анод счетчика соединен с положительным
полюсом источника тока через сопротивление
R 109
Ом.
Рис. 2. Схема счетчика Гейгера-Мюллера
Поскольку газ в цилиндре является диэлектриком, тока в счетчике нет. При попадании в пространство между электродами счетчика заряженной β-частицы, она ионизирует атомы газа, образуя на своем пути положительно заряженные ионы и электроны. Благодаря приложенному к электродам счетчика напряжению образующиеся ионы и электроны устремляются к электродам; возникает кратковременный импульс тока. Механизм регистрации γ-квантов несколько иной. Пролетающие через счетчик γ-фотоны выбивают из катода быстрые электроны (фотоэффект). Эти так называемые «вторичные электроны», в свою очередь, вызывают ионизацию атомов газа. Возникшие ионы и электроны так же, как и при прохождении β-частицы, образуют импульс тока. Число прошедших через счетчик импульсов тока пропорционально интенсивности падающего излучения. Для измерения числа импульсов счетчик через конденсатор С подключен к пересчетному устройству, позволяющему отсчитывать до нескольких тысяч проходящих через счетчик частиц в секунду.
Источники β- и γ-излучения установлены на подвижной планке (см. рис.1). Передвижение планки осуществляется вращением зубчатого колеса. Под планкой закреплена линейка, по которой отсчитывается расстояние между источником и счетчиком Гейгера-Мюллера. На указателе, с помощью которого снимается отсчет, обозначен номер исследуемого источника (№1 соответствует источнику γ-излучения, №2 – источнику β-излучения). Источники излучения радиационно безопасны.
Блок образцов из железа, свинца и текстолита состоит из трех дисков с 6 окнами в каждом. В 5 окнах диска закреплены образцы, окно 1 на всех дисках свободно.
Для установки перед счетчиком Гейгера-Мюллера определенного образца диск поворачивают до совмещения метки с соответствующим номером окна с неподвижной риской на корпусе прибора. Другие диски при этом устанавливаются в положение 1 (пустые окна). Материал образца и его толщина указаны вблизи номера окна.
Измерения и обработка результатов
Упражнение 1. Измерение радиоактивного фона.
В упражнении используется установка с источником β-излучения. Полностью выдвиньте вправо планку с радиоактивным препаратом. Установите диски с образцами материалов в положение 6, при котором толщина образцов максимальна. Включите дозиметр. Нажмите правую кнопку на дозиметре. После регистрации импульсов в счетчике Гейгера-Мюллера в течение 20 с дозиметр выдаст на цифровое табло мощность экспозиционной дозы фонового излучения в мР/ч. Запишите показания прибора и повторите измерения еще 4 раза. Вычислите среднее значение мощности фонового излучения (обозначим его Рф). Результаты сведите в табл, 1:
Таблица 1
Измерение мощности фонового излучения
№ измерения |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
Р, мкР/ч |
|
|
|
|
|
Рф = Рср , мкР/ч |
|
||||
Выразите экспозиционную дозу фонового излучения в миллирентгенах в час и по формуле
определите мощность эквивалентной дозы фонового излучения в миллизивертах в час, а также в миллизивертах в год и сравните полученный результат с предельно допустимой дозой облучения человека.
Упражнение 2. Сравнение проникающих способностей β- и γ-излучений.
Используя установку № 1, определите, во сколько раз уменьшается мощность экспозиционной дозы β-излучения при прохождении через образцы текстолита, железа или свинца толщиной d=1 мм. Для этого установите планку с радиоактивным препаратом в крайнее левое положение и проведите трехкратное измерение с помощью дозиметра мощности экспозиционной дозы Р при отсутствии образцов и при их толщине, равной 1 мм. Найдите среднее значение (Рср) в каждом случае. Разность Рср -Рф дает мощность дозы Рпр радиоактивного препарата. Найдите отношение k мощности экспозиционной дозы, обусловленной радиоактивным препаратом, на входе в образец, к мощности на выходе из него. Результаты измерений сведите в табл. 2:
Таблица 2
Исследование проникающей способности β-излучения
|
d = 0 |
d = 1 мм |
k |
||||||||
Р1 |
Р2 |
Р3 |
Рср |
Рпр |
Р1 |
Р2 |
Р3 |
Рср |
Рпр |
||
Тексто- лит |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Fe (или Pb) |
|
|
|
|
|
|
|||||
Аналогичные измерения проведите для γ-излучения, используя установку № 2. Результаты измерений и вычислений занесите в табл. 3:
Таблица 3
Исследование проникающей способности γ-излучения
|
d = 0 |
d = 1 мм |
k |
||||||||
Р1 |
Р2 |
Р3 |
Рср |
Рпр |
Р1 |
Р2 |
Р3 |
Рср |
Рпр |
||
Тексто- лит |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Fe (или Pb) |
|
|
|
|
|
|
|||||
Сделайте сравнительный анализ проникающих способностей β- и γ-излучений.
Упражнение 3. Исследование ослабления γ-излучения при удалении от источника.
Исследование проводится на установке № 2, в которой в качестве радиоактивного препарата используется источник γ-излучения.
Установите все диски блока 2 в положение 1 (пустые окна), а планку с радиоактивным препаратом в крайнее левое положение. Расстояние r между источником излучения и счетчиком Гейгера-Мюллера будет при этом равно 6 см.
Измерьте мощность экспозиционной дозы при различных расстояниях r, равных 6, 8, 12 и 20 см. Повторите каждое измерение 5 раз. Вычислите среднее значение (Рср) и мощность дозы, обусловленную препаратом: Рпр = Pср - Pф. Результаты измерений и вычислений занесите в табл. 4:
Таблица 4
Мощность дозы γ-излучения при различных расстояниях от источника
r, м |
1/r2, м-2 |
Р, мкР/ч |
Рср , мкР/ч |
Рпр , мкР/ч |
||||
№ измерения |
||||||||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Постройте график зависимости мощности дозы γ-излучения радиоактивного препарата Рпр от 1/r2.
Какой вывод следует из полученного графика?
Упражнение 4. Исследование ослабления γ-излучения защитными материалами.
Исследование проводится на установке № 2.
Установите планку с радиоактивным препаратом в крайнее левое положение. Диски с образцами защитных материалов установите так, чтобы суммарная толщина слоя железа была максимальной и равной 17 мм. Измерьте мощность Р экспозиционной дозы γ-излучения на выходе из выбранного слоя железа. Измерения Р проведите 5 раз и вычислите среднее значение (Рср). Найдите мощность дозы, обусловленную радиоактивным препаратом: Рпр = Pср - Pф. Величина мощности экспозиционной дозы радиоактивного препарата при отсутствии защитного слоя (d = 0) известна Вам из упр. 2. Найдите, во сколько раз данный слой железа ослабляет γ-излучение. Вычисление соответствующего коэффициента k производится по формуле:
Аналогичные измерения проведите в условиях, когда защитным слоем является свинец толщиной 17 мм.
Результаты измерений и вычислений занесите в табл. 5:
Таблица 5
Прохождение γ-излучения через железо и свинец
|
Pпр (d=0) |
Pпр (d=17 мм) |
k |
||||||
P1 |
P2 |
P3 |
P4 |
P5 |
Pср |
Pпр |
|||
Fe |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Pb |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Сопоставьте результаты, полученные для железа и свинца.