РАБОТА № 5 я.

РАБОТА № 5 я.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ АКТИВНОСТИ ПРИРОДНОГО РАДИОАКТИВНОГО ПРЕПАРАТА АБСОЛЮТНЫМ МЕТОДОМ

Приборы и материалы: 1. Счетчик секундомер электронный ССЭШ.

2. Индикатор ионизирующих частиц ( ИИЧ 0 со счетчиком

СБМ-20.

3. Соль калия (КCl ).

4. Секундомер.

Цель работы: научиться распределять активность препарата абсолютным методом.

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ.

Основной количественной характеристикой радиоактивного препарата является его активность А. Активностью радиоактивного препарата называется число распадов, происходящих в препарате за единицу времени, т. е. скорость радиоактивного вещества:

А = dNрасп/ dt (1)

Количество распавших ядер ( dNрасп. ) прямо пропорционально как числу имеющих ядер N, так и промежутку времени dt:

dNрасп. = -λ Ndt (2)

где λ – постоянная распада ( знак минус указывает на убывание числа ядер). Из выражения 1, 2, можно получить:

А = dNрасп/ dt = -λ N (3)

т. е. активность препарата А пропорционально постоянной распада λ и количеству радиоактивных ядер N, содержащихся в препарате. Постоянная распада связана с периодом полураспада Т ( см. работу №3 ).

λ = ln2/ Т^½ (4)

Активность радиоактивного препарата в системе единиц СИ измеряется в Боккерелях (БК).

Беккерель – активность радиоактивного препарата, у которого скорость распада равна одному распаду в секунду:

[ А ]= 1Бк = с^-1 (5)

Внесистемнная единица активности – Кюри (Ки).

1Ки = 3, 7 * 10¹⁰ 1/с,

При работе с радиоактивными веществами человек подвергается внешнему облучению, которое ионизируют живую ткань, вызывая биологическое воздействие на человеческий организм. Степень облучения зависит от активности радиоактивного препарата и энергии, поглощаемой веществом (поглощенная доза).

Поглощенной дозой Дп называется энергия ионизирующего излучения, поглощенная единицей массы облучаемого вещества. За единицу поглощенной дозы излучения в СИ принята поглощенная доза излучения, равная 1 Дж на 1кг облученного вещества, т. е. тогда 1кг вещества поглощает энергию 1Дж – эта единица называется Грей (Гр).

Дп = 1Гр = 1 Дж/кг = 1 м²/с² (6)

Внесистемной единицей поглощения дозы является РАД:

1рад. = 0, 01Дж/кг = 0, 01Гр

(см. вставку)

В связи с измерением доза облучения используется экспозиционная доза излучения – мера излучения, основанная на его ионизирующей способности. За единицу экспозиционной дозы 1 рентген (р) принята такая доза излучения, которая в 1 см³ воздуха при нормальных условиях производит ионы, несущие заряд каждого знака. равный 3, 33 *10^-10 Кл.

В пересчете на поглощенную дозу в воздухе 1р=89*10^-4 Гр, в живой ткани 1р = 93 *10^-4 Гр.

Первичное биологическое действие радиоактивных излучений определяется сложным комплексом биофизических и биохимических процессов, возникающих в результате ионизации и возбуждения молекул ткани при прохождении заряженных частиц. Эти процессы нарушают нормальную жизнедеятельность клеток и могут принести к их поражению и гибели как непосредственно в момент воздействия, так и при истечении некоторого промежутка времени после излучения. Все это приводит иногда к тяжелым заболеваниям т даже к смерти. Дозы в пределах 50 – 100 рентген ( 1 Гр ) вызывают заболевание лучевой болезнью, а доза порядка 600 рентген (6 Гр) являются смертельными.

Безопасной или предельно допустимой дозой излучения считается 0, 017 р. за семичасовой рабочий день ( или 15, 61 *10^-5 Гр ).

Для уменьшения действия - излучения при работе в лаборатории необходимо проводить работы с источником малой активности, малое время и увеличить расстояние до радиоактивных источников, т. к. доза поглощения зависит от активности ( А ), расстояния R и времени (τ _)

Д = К Аτ / R² (7)

где К - ионизационная постоянная радиоактивного препарата.

При работе с препаратом большей активности применяют защитные экраны, ослабляющие действие, интенсивность излучения:

I = I₀e^-^{μ d} ( 8)

где I₀ – интенсивность падающего излучения, I - интенсивность излучения после ослабления, d - толщина защитного слоя экрана, μ - коэффициент ослабления (или поглощения).

Особенно разрушительное действие на кожу, слизистые оболочки и роговицу глаз оказывает β - излучение. Человек подвергается непрерывному облучению космическими лучами, а также излучениями естественных радиоактивных изотопов, входящих в состав человеческого тела ₈C¹⁴, ₁₉K⁴⁰, ₈₈Ka²² имеющиеся в окружающей нас среде: предметах, воздухе, воде, почве.

Поглощенная доза от всех источников ионизирующей радиации составляет около 10 Грей в год, т. е. ~мбэр. Поскольку человеческий организм формировался в условиях естественного уровня облучения и в процессе эволюции приспособился к нему, то дозу около 10^-3 Грей можно считать безопасной. Радиоактивные препараты с суммарной активностью 3, 7 *10⁵ Бк безопасны в работе и не требуют специальных мер защиты.

ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ И МЕТОДИКИ ИЗМЕРЕНИЙ

Излучения, испускаемые естественными радиоактивными ядрами, дают возможность с помощью специальных счетчиков с пересчетных схем определять их активность. Лучшим объектом подобных исследований являются соли калия поскольку энергия β - частиц, возникающих при распаде входящего в его состав калия – 40 (рис. 1), достаточно велика, благодаря чему их сравнительно просто регистрировать.

Возбужденный уровень ____________________________ ₁₃К⁴⁰ max. энергия спектра

ядра Е β ^-19

__________ 11%

Т_1\2=1, 25*10⁹мт 1, 83 М₉В

1, 46М₉В 89%

₁₈Аr _____________________ ___________________ ₂₀Са⁴⁰

Рис. Схема распада изотопа ₁₉К⁴⁰.

ξ – электронный захват,

β – электронный бета – распад.

Калий – 40 является одним из самых распространенных естественных радиоактивных элементов. В заметных количествах он содержится в земной коре и почве, входят в состав тканей растений и животных. бета – излучение калия является одним из основных источников естественного радиоактивного фона. В организме человека калия содержится

0, 2 % от массы человека.

Для точных измерений активности бета – радиоактивных препаратов и для регистрации бета частиц с малыми энергиями применяются торцевые счетчики. Можно применять и цилиндрические счетчики.

Работа счетчика Гейгера – Мюллира основана на явлении ионизации газа, находящегося в объеме счетчика, при прохождении ионизирующих частиц 9 электронов ). Вследствие чего на каждую попавшую в рабочий объем счетчика частицу он отвечает коротким импульсом тока.

Вследствии хаотичности процесса радиоактивного распада из точечного радиоактивного источника частицы вылетают во всех направлениях равномерно и. следовательно, счетчик зарегистрирует только те частицы, которые вылетят в направлении счетчика и сумеют долететь до него, не поглотившись в промежуточных средах. Поэтому в счетчике один импульс возникает не на каждый распад какого – нибудь радиоактивного атома в препарате, а в среднем на какое – то определенное число распадов.

Для точного определения активности важно знать и количественно учитывать условия измерений, расстояние между препаратом и счетчиком, их размеры, способы приготовления препарата и т. д.

Сущность абсолютного метода измерений активности сводится к определению полного числа распадов, происходящих в препарате в единицу времени, путем умножения на ряд поправочных коэффициентов измеренной скорости счета Nβ, т. е. числу импульсов в единицу времени с учетом фона счетчика.

В работе определяется β – активность толстого препарата соли калия КСl (хлорид калия), т. к. активность тонких препаратов из КСl не превышает естественный фон счетчика и становится трудно измеримой. При этом вводятся поправки: 1) на фон счетчика Nф; 2) на геометрию образца (ω ): 3) на поглощение излучений Кп в среде между препаратом и рабочим объектом счетчика: 4) на отражение от подложки (q): 5) на самопоглощение и саморассеяние в препарате (r_с).

Поправка на разрешающее время счетчика не вводится до скорости счета примерно 100имп/с, а эффективность торцового счетчика для β – частиц равна 100%.

Расчет бета – активности препарата производится по формуле:

А = NpKп/ω qr_c (9)

Таким образом, для определения активности необходимо определить число импульсов в единицу времени, даваемое счетчиком от радиоактивного препарата Nβ, найти поправку ω, Кп, q, r_c, а затем по формуле (9) вычислить активность.

Величина Nβ =N-Nф

__________

ИИЧ

________________

______ ССЭШ ________ ________________

220В вход ВУП –2 ______

______ вкл. ________ +____________ ______ ~ 220В

- ____________ 350 В

________________ __________ ________________

Рис. 2. Блок – схема экспериментальной установки.

Экспериментальная установка состоит из счетчика-секундомера электронного ССЭШ, индикатора излучений ИИЧ со счетчиком СБМ-20, блока питания ВУП-2 и радиоактивного препарата ( соль КСl). На передней панели ССЭШ расположены два зажима. Обозначенные «вход»; две кнопки: 1-сброс, 2-пуск тумблер-включатель сети, у ручки которого отмечено «вкл. » - включенное положение прибора; 3 – сигнальная лампочка; переключатель на три фиксированных положения, который должен устанавливаться при счете импульсов в положении « эл. импульсы», и три декатрона, шкалы которых сверху имеют отметки «*1», «*0, 1» и «*0, 01». При работе прибора ССЭШ в режиме счета импульсов декатрон с отметкою « 0, 01» показывает единицы, декатрон « 0, 1! – десятки и декатрон «*1» - сотни импульсов.

Для подготовки установки к работе необходимо собрать схему на рис. 2 включить в сеть 220 В приборы ССЭШ и ВУП –2. Затем включить тумблер ССЭШ в положение «ВКЛ» и нажать кнопку «сброс». Все индикаторы декатронов должны в этом случае устанавливаться в положении «0». Прибор ССЭШ начнет фиксировать импульсы излучения радиоактивного фона. Для определения числа импульсов фона одновременно включить секундомер и нажать кнопку «сброс» ССЭШ. Измерить число импульсов фона за 5 мин. опыт повторить 5 раз. Определить среднее число импульсов за 1 сек Nф и рассчитать погрешность измерения.

Аналогично измерить число импульсов N от радиоактивного препарата КСl, помещенного в близи счетчика. После окончания измерений включить установку не разбирая цепь.

ПРЕДОСТЕРЕЖЕНИЕ!!! Категорически запрещается прикасаться к счетчику при

включенном напряжении – это опасно ( напряжение 400 В ).

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОПРАВОК.

1. Поправка на телесный угол ( ω ) определяется как отношение числа частиц, испускаемых в направлении объема счетчика ( Nω ) к полному числу частиц ( Nп ), испускаемых препаратом во всех направлениях ω =Nω /Nп. Величина ω зависит от размеров счетчика, расстояние от препарата до объема счетчика и размеров препарата. Строгий расчет поправки ω в случае цилиндрического счетчика затруднен. Приближенные вычисления приводит к величине ω =0, 02.

2. Поправка на поглощения ( Кп ) представляет собой отношение числа частиц вылетавших в направлении объема счетчика ( Nω ), к числу частиц постигших его ( Nβ ), т. е.

Кп = Nω /Nβ

По закону поглощения β - излучение в веществе ( см. работу я/ф №4 )

Nβ = Nω е^{-μ d}= Nω е^{-μ /ρ}ρ d ( 10 )

Удобно ввести в рассмотрение величину слоя половинного поглощения. Очевидно, что при Δ =ρ d Nβ =½ Nω . Следовательно, ½ =e^{-μ /ρ Δ}. Отсюда: μ /ρ =ln2/Δ. Тогда закон поглощения можно преобразовать к виду:

Ν β =Nω l^-^ln2/^Δρ d=Nω *2^{-ρ d/Δ} ( 11 )

Толщина слоя половинного поглощения β – излучения в веществе определяется величиной максимальной энергии бета β - спектра и для рассматриваемого случая составляет:

Δ =81мл/см²

Так как поглощение происходит в массе вещества, то толщина слоя поглощения (ρ d ) определяется выражением:

ρ d=(ρ d)_лат+(ρ d)_возд ( 12 )

для латуни ρ =8, 6г/см³, для воздуха – 1, 23 мг\см³. Учитывая, что толщина латунных стенок счетчика 0, 1 мм, а расстояние от препарата до счетчика примерно равно 1, 5 см, по формуле (12) легко определить толщину слоя поглощения:

ρ d≈ 86мг/см²+2мг/см²=88мг/см²

Теперь на основе формулы (11) легко рассчитать величину

Кп = 2 ^pd/Δ (13)

если воспользоваться приведенными числовыми данными для pd и Δ.

3. Поправка на самопоглощение и саморассеяние ( r_c ) зависит от энергии бета – излучения, толщины препарата, телесного угла, атомного номера препарата и подложки.

При увеличении толщины слоя КСl активность образцов будет возрастать, пока не достигнет определенного уровня, который не изменяется т. к. при определенных размерах слоя ( насыщенный слой ) частицы, испускаемые самым низким слоем, не достигнут поверхности вследствие поглощения в вышележащих слоях.

Для « бесконечно точных» препаратов, толщина которых pd> 3Δ, величина поправки на самоглощение ( r_c ) может быть найдена из экспериментальной приближенной формулы:

r_c=Δ /pd*1, 5

При pl< 3Δ поправку на отражение от подложки можно не вносить, т. к. отражение от подложки бета – излучения практически полностью поглощается в самом препарате, q=1.

С учетом поправки на самопоглощение ( 15 ), формула ( 14 ) для определения активности препарата примет вид:

А = Аμ ρ dKп/ω *1, 5Δ ( 16 )

Для удельной бета – активности ( активность 1 г образца ) получим выражение:

Ауд. =А/m=А/pdS=Nβ Кп/1, 5ω Δ S ( 17 )

где S- площадь излучаемой поверхности препарата

Nβ – скорость счета бета – частиц

Nβ =N –Nф

Nф – скорость счета фона

N – скорость счета от препарата и фона.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ.

1. Ознакомиться со счетчиком-секундомером электронным и проверить его работоспособность.

2. Собрать схему рис. 3.

3. Установить тумблер ВУП-2 в положение «ВКЛ».

4. Измерить фон 5 раз по 5 мин и рассчитать его среднее значение ( Nф ) за единицу времени.

5. Поместить образец ( КСl ) под счетчик на расстоянии от него 1, 5 см и измерить число импульсов за 5 мин, повторяя измерения не менее 5 раз. Вычислить N за единицу времени. Измерить площадь поверхности препарата ( S ).

6. По формуле ( 13 ) определить поправку на поглощение ( КСl ).

7. Используя выражение ( 17 ), определить удельную бета–активность соли калия (КСl), а затем вычислить удельную активность природного калия ( хлор нерадиоактивен). Затем определить А ₁₉К⁴⁰ в организме человека ( А чел).

8. Определить поглощенную дозу за год, обусловленную бета–активностью природного калия, содержащегося в тканях человеческого организма. Среднюю энергию бета – частиц изотопа калия ₁₉К⁴⁰ можно принять равной 0, 6 МэВ. Сделайте заключение о степени опасности внутреннего излучения, создаваемого природным калием, для здоровья человека.

Ачел=Ауд*m_чел*0, 002.

ТАБЛИЦА ИЗМЕРЕНИЙ И ВЫЧИСЛЕНИЙ.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.

1. Дать определение активности радиоактивного препарата, единицы ее измерения.

2. Что такое доза облучения (излучения), поглощенная доза и каковы единицы их измерения?

3. Что такое эквивалентная доза и ед. ее измерения?

4. Какого влияние радиоактивного излучения на человека?

5. Какого значение безопасных доз излучения для человека?

6. Что нужно сделать для уменьшения действия радиоактивного облучения на человека?

7. Что такое бета – распад? Всегда ли бета – распад сопровождается испусканием гамма – квантов? Нарисуйте схему распада изотопа ₁₉К⁴⁰ и объясните правила смещения при бета – распаде.

8. На основе закона поглощения сделать вывод формулы (11).

9. Перечислите основные поправки при измерении бета – активности толстых препаратов и объясните их методы определения.

10. Почему при измерении активности «бесконечно толстых» препаратов не вводится поправка на отражение от подложки?

ЛИТЕРАТУРА.

1. Ю. М. Широков и Н. П. Юдин. Ядерная физика. «Наука», М., 1972 г, гл. У111 §3, 6; 1Х §2, 4.

2. И. В. Савельев. Курс по ядерной физики. т. 3 «Наука», М., 1979г, §70, 75.

3. О. Ф. Кабардин. Практикум по ядерной физики. Изд-во! Просвещение», М, 1965 г, гл. 2 работы 1-5.

ВСТАВКА.

При одинаковых поглощенных дозах ( Дп ) различные виды радиации ( рентгеновское и - излучение, потоки ускоренных электронов, α - частиц и т. д. ) производят не одинаковое биологическое действие на организм человека и животных. Обусловлено это тем, что более тяжелая частица производит на единицы пути в живой ткани больше ионов, чем легкая. Для учета этого эффекта введено понятие эквивалентной дозы ( Дэ ), которая определяется соотношением:

Дэ=КДп ( 6^, )

где К – безразмерный коэффициент, называемой относительной биологической эффективностью или коэффициентом качества.

Для рентгеновского, - и β - излучения К=1. Для тепловых нейтронов К=5; для быстрых нейтронов и протонов К=10. Для α - частиц К=20.

Единицей измерения Дэ в СИ является 1 Зиверт (Зв), который равен эквивалентной дозе, при которой произведение поглощенной дозы в биологической ткани стандартного состава на коэффициент качества равно 1 Дж/кг.

Внесистемной единицей Д служит 1 бэр ( биологический эквивалент рада ). При этом 1 бэр = К*1; 1 Зв =100 бэр.

_________________________________________________

0-76, 2%; С – 11, 1%; Н – 10, 1%; N – 2, 6%.