Министерствообразования РФ.
НовгородскийГосударственный Университет им. Ярослава Мудрого.
Кафедра ОиЭФ.
“Особенностиработы счетчиков излучения”
Курсовая работа поучебной дисциплине:
“Прикладная физика”
Руководитель:
проф. Кафедры ОиЭФ
д.ф.- м.н.
Данильчук Л.Н.
Выполнили:
студенты ФТФ группы 8121
Круглова Е.А.
и Удальцов Я.М.
Великий Новгород
2002 год.
Содержание
I. Радиоактивныеизлучения и их свойства
II.Основной закон радиоактивного распада. Единицы измерения радиоактивности
III.Физическая доза излучения, мощность физической дозы и единицы их измерения
IV.Газоразрядные счётчики ионизирующих частиц
V.Счётчик Гейгера с высоковольтным питанием от преобразователя постоянногонапряжения на полупроводниковом триоде
VI.Счётчик СТС-5
VII.Схема удвоения напряжения
VIII.Счётчик слабого бета- излучения СТБ-13
IX.Разработка микросхемы для счётчика слабого бета-излучения
X. Применениесчётчика
I РАДИОАКТИВНЫЕ ИЗЛУЧЕНИЯ И ИХ СВОЙСТВА
Радиоактивные распады ядер неустойчивых изотоповхимических элементов принято определять по виду создаваемых ими излучений. Косновным видам радиоактивного распада относятся альфа-распад и бета-распад.
Альфа-распад сопровождается вылетом из ядраальфа-частицы, представляющей собой быстролетящее ядро изотопа гелия Нe(А=4,Z=2).Радиоактивные вещества, обладающие альфа- распадом, принято называть альфа- активнымивеществами.
Бета-распад сопровождается вылетом из ядра бета-частицы,представляющей собой электрон или позитрон.
Позитроны — элементарные частицы, обладающие массойэлектрона и имеющие положительный заряд, по абсолютной величине равный зарядуэлектрона. Вещества, создающие бета-излучение, принято называть бета- активными.
В большинстве случаев после вылета бета- илиальфа-частицы ядро нового атома остается в возбужденном состоянии, иначеговоря, оно обладает избытком энергии. Избыточная энергия возбужденного ядраизлучается в виде кванта (порции) электромагнитной энергии, получившей названиегамма- кванта.
Радиоактивные изотопы, у которых бета-распадсопровождается излучением гамма- квантов, принято называть бета-, гамма- активными.
Альфа-излучение. Альфа- активные изотопы относятся ктяжелым элементам с порядковым номером больше атомного номера свинца (Z>82).Неустойчивость ядер таких элементов может быть объяснена чрезмерно большим числомпротонов в ядре, взаимное электростатическое отталкивание между которымиослабляет действие особых ядерных сил притяжения между протонами и нейтронами,обуславливающих прочность ядра.
При испускании альфа-частицы исходный атом превращаетсявновый атом с уменьшенным на 2 единицы зарядом (Z) и на 4 единицы Рис. 1 Графикраспада массовым числом (А). Так, например, атомы изотопа плутония-239 альфа-активного изотопа- путем альфа — распада превращаются в атомы изотопаурана-235. плутония-239 (Pu )
Схему распада можно представить символами элементовследующим образом:
/>
Распад радиоактивных ядер удобно изображать такжеграфиком (рис.1), в котором каждому энергетическому состоянию ядра (исходного ивновь образованного) соответствует горизонтальная линия, а переход из одногоэнергетического состояния в другое (т. е. распад) изображается в виде стрелки.
/>
Направление стрелки соответствует направлению измененияпорядкового номера изотопа (Z) при распаде. При альфа- распаде порядковый номерэлемента уменьшается на 2, поэтому стрелка на рис. 1 имеет направление влево.
На таком графике указываются обычно энергия частиц,излучаемых при распаде, и другие данные, характеризующие свойства изотопов.
Альфа-частицы, испускаемые ядрами одного изотопа, имеютравные энергии. Большинство альфа-активных изотопов излучает частицы сначальными энергиями в пределах от 4 до 8 Мэв, что соответствует начальнойскорости их движения порядка 109 — 2 • 109 см/сек (скорость распространениясвета составляет 3∙1010 см/сек). Проходя через вещество, альфа-частицы,обладающие относительно большим электрическим зарядом (Z=2), эффективновзаимодействуют с электронами, вызывая ионизацию и возбуждение атомов и молекулсреды. Хотя в каждом акте взаимодействия с электронами расходуется лишьнебольшая доля начальной энергии альфа-частиц, однако большое число актов взаимодействияна единице пути пробега обуславливает быстрое замедление альфа-частицы исравнительно короткий путь пробега. Таким образом, альфа-излучение, т. е. потокальфа-частиц, обладает высокой ионизирующей и малой проникающей способностью.
Ионизирующая способность радиоактивных излученийхарактеризуется плотностью ионизации, т. е. числом пар ионов, создаваемым на 1см пути в поглощающей среде. Плотность ионизации зависит от энергийальфа-частицы и свойств среды. На рис. 2 приведена зависимость плотностиионизации, создаваемой альфа-частицей с начальной энергией Е = 7 Мэв в воздухе,от пройденного пути. На протяжении большей части пути плотность ионизациипрактически постоянна, однако в конце его, когда энергия частицы и скорость еедвижения уменьшаются, ионизирующая способность увеличивается. Средняя плотностьионизации воздуха альфа-частицей имеет величину 30000 пар ионов на 1 см пути.
Общее число пар ионов, создаваемых альфа-частицей дополной ее остановки, зависит от начальной энергии частицы и средней работы,затрачиваемой на образование одной пары ионов. Так, например, при среднейработе образования одной пары ионов в воздухе, равной приблизительно 33 эй,альфа-частица с начальной энергией Е = 5 Мэв = 5 000 000 эВ создаст в воздухе (5000000/33)=150000пар ионов и будет иметь длину пробега порядка (150000/30000)=5cм.
С увеличением плотности среды увеличивается число атомови электронов в единице объема, поэтому плотность ионизации альфа-частицейвозрастает, а длина пробега частиц уменьшается. Так, в алюминии альфа-частицы сэнергией 7 Мэв имеют длину пробега порядка 0,0041 мм (4,1 микрона). Обычнаятонкая бумага полностью поглощает альфа-частицы естественных альфа- активныхизотопов.
Бета-излучение. Источниками бета — излучения являетсяподавляющее большинство радиоактивных изотопов. Образование бета-частицы прирадиоактивном распаде происходит за счет превращения одного из нейтронов ядра впротон (электронный бета-распад) или протона к нейтрону (позитронныйбета-распад). При бета-распаде массовое число атома (А) не изменяется, так какобщее число нуклонов (т. е. протонов и нейтронов) остается в ядре неизменным;заряд ядра увеличивается на единицу при электронном распаде и уменьшается наединицу при позитронном распаде. Примеры электронного и позитронногобета-распадов приведены на рис. 3.
/>
Характерным для бета-распада является то, что ядра одногои того же радиоактивного изотопа испускают бета-частицы с различными начальнымиэнергиями. Наибольшее значение начальной энергии бета-частиц для каждогорадиоактивного изотопа имеет строго определенную величину и называетсямаксимальной энергией бета- излучения (Eβ max). У большинстварадиоактивных изотопов максимальная энергия бета-излучения имеет величину впределах от нескольких десятков килоэлектронвольт до 3 Мэв.
Бета-излучение с максимальной энергией меньше 0,5 Мэвусловно считается «мягким»; чем больше энергия, тем более «жестким» считаетсяизлучение.
Типовое распределение частиц по энергиям длябета-излучения (энергетический спектр) приведено на рис. 4. Средняя энергиябета-частиц обычно составляет ⅓ максимальной. Прохождение бета-частицчерез вещество сопровождается их взаимодействием с электронами оболочек атома иядрами. Это взаимодействие, так же как и у альфа-частиц, имеет электрическую природу,а сопровождается, в зависимости от переданной энергии, либо ионизацией молекули атомов среды, либо их возбуждением. Общее число пар ионов, которое создаетсяодной бета-частицей в облучаемой среде, определяется ее начальной энергией исредней работой, затрачиваемой на образование пары ионов в облучаемой среде (33эВ для воздуха). Чем больше начальная энергия бета-частиц, тем большее число,пар ионов она образует на всем своем пути пролета в облучаемой среде.
Бета-частицы обладают значительно меньшей по сравнению сальфа-частицей ионизирующей способностью; средняя плотность ионизациибета-частицей в воздухе составляет около 100 пар ионов на 1 см пути. Меньшая ионизирующаяспособность бета-частицы объясняется меньшей величиной ее электрического зарядаи значительно большими скоростями движения. Так же как и для альфа-частиц,плотность ионизации бета-частицами возрастает с уменьшением их скорости, т. е.к концу пролета бета-частиц.
Имея малую массу, бета-частицы значительно изменяютнаправление своего движения при случайном попадании в поле действияэлектрических сил ядра. Поэтому траектория движения бета-частиц в облучаемойсреде представляет ломаную линию, а длина пробега бета-частиц по направлениюпервоначального движения значительно меньше истинного ее пути. При прохождениибета-излучения через слой вещества число бета-частиц постепенно уменьшается(рис.5). Последнее объясняется тем, что длина пробега бета-частицы в средезависит от ее начальной энергии, а бета-излучение содержит частицы с широкимспектром начальных энергий от близких к нулевой до Е max.
/>
Максимальный пробег бета-частиц в среде Rmax определяетсяглубиной проникновения в нее бета-частиц с максимальной начальной энергией.Величина максимального пробега бета-частиц различных изотопов различна и можетбыть рассчитана по формулам;
/>
где Eβ max — максимальная энергия бета- излученияизотопов в Мэв;
ρ — плотность поглощающей среды в г/см3;
Rmax — максимальная длина пробега в см.
Так, например, в воздухе (ρ = 0,00129 г/см3) бета-излучение с Eβ max = 1 Мэв имеет максимальный пробег порядка 3 м, а сэнергией 3 Мэв— 11,5 м. в алюминии (ρ = 2,7 г/см) при тех же максимальныхэнергиях бета- излучения максимальный пробег примерно в 2000 раз меньше исоставляет 1,6 и 5,5 м соответственно.
Приведенный пример показывает, что проникающаяспособность бета-частиц значительно больше проникающей способностиальфа-частиц. Однако по абсолютному значению она невелика, поэтому защита отбета- излучения относительно проста. Необходимый для защиты слой вещества можноопределить по приведенным выше формулам.
Отличительной особенностью позитронного бета- излученияявляется короткий промежуток существования позитрона. В конце своего пробегазамедленный позитрон при взаимодействии с одним из электронов средыпреобразуется в два гамма- кванта с энергией 0,51 МэВ каждый. Такоепреобразование массы частиц в электромагнитную энергию называется реакцией анигиляции;оно доказывает единство материи и энергии.
Таким образом, позитронный бета-распад всегда приводит кпоявлению гамма-излучения.
Гамма-излучение. Гамма-излучение представляет собой потокквантов электромагнитной энергии, испускаемых возбужденными ядрамирадиоактивных элементов после бета- или альфа- распада.
Примеры схем радиоактивного распада ядер,сопровождающихся излучением гамма- квантов, приведены па рис. 6
Каждый радиоактивный изотоп излучает гамма- квантыопределенной энергии и в определенном количественном отношении к общему числураспадов. Так, радиоактивный кобальт-60 создает два гамма-кванта при каждомбета-распаде ядра, а у радиоактивного радня-226 излучение гамма-квантанаблюдается примерно в шести случаях из 100 распадающихся атомов.
По своей природе и свойствам гамма-излучение неотличается от рентгеновского. Обычно под термином рентгеновских лучейподразумевают излучения, создаваемые электронной оболочкой атома при егопереходе из возбужденного состояния в нормальное или в результате торможениябыстрых электронов, попадающих в поле действия электрических сил ядра(тормозное рентгеновское излучение); в отличие от этого гамма-кванты являютсяизлучениями возбужденного ядра.
Энергия гамма-квантов, излучаемых различнымирадиоактивными изотопами, лежит в пределах от сотых долей до несколькихмегаэлектронвольт.
Гамма-излучение в окружающем пространствераспространяется со скоростью света (3- 10'° см/сек) и обладает высокойпроникающей способностью.
Отсутствие массы покоя и электрического заряда у квантовгамма-излучения обуславливает особенности характера взаимодействия их свеществом.
К основным видам взаимодействия гамма-квантов с веществомотносятся: фотоэлектрическое поглощение гамма-квантов, комптоновский эффект(или рассеяние гамма-квантов) и образование электронно-позитронных пар.Условное схематическое изображение видов взаимодействия гамма-кванта с атомом иего электронами приведено на рис. 7.
При фотоэлектрическом поглощении гамма-квант полностьюпоглощается атомом вещества, в результате чего из атома вылетает электрон.Энергия гамма-кванта при этом процессе расходуется: небольшая часть — на отрывэлектрона с его оболочки, а остальная часть — на сообщение ему начальнойскорости.
Вырванный электрон (фотоэлектрон) движется под некоторым квантовс атомами и электронами углом к первоначальному направлению движениягамма-кванта и, подобно бета-частице, ионизирует атомы и молекулы окружающей среды.
Фотоэффект является преобладающим видом взаимодействиягамма-излучения с веществом при малой энергии квантов— меньше 0,1—0,5 Мэв.Нижняя граница соответствует средам с малым порядковым номером образующихэлементов (воздух, ткани живых организмов, пластмассы и т. д.), верхняя — длявеществ с большим порядковым номером элементов (железо, свинец и т. д.).
При комптоновском эффекте гамма-квант, взаимодействуя сэлектроном атома, передает ему только часть энергии; при этом квант суменьшенной энергией отклоняется от первоначального направления движения(рассеивается). Чем больше энергии передается электрону, тем больше отклоняетсяот первоначального направления (рассеивается) квант.
Рассеяние гамма-квантов происходит многократно и в концеконцов заканчивается фотоэлектрическим поглощением.
Поток рассеянных гамма-квантов образует так называемоерассеянное излучение, которое не имеет резко выраженной направленностираспространения, свойственной гамма-излучению. Электрон при комптоновскомэффекте, названный комптоновским, вылетает из атома также под некоторым углом кпервоначальному движению гамма-кванта и расходует свою энергию на ионизацию ивозбуждение молекул окружающей среды. Таким образом, особенностьюкомптоновского эффекта является наличие двух процессов: поглощение энергиигамма-излучения путем передачи ее электронам и рассеяние гамма-квантов.
Комптоновский эффект является преобладающим видомвзаимодействия для широкого диапазона средних энергий гамма-квантов: длявоздуха в диапазоне энергий от 0,1 до 20 Мэв; для свинца примерно от 0,5 до 5Мэв.
Эффект образования электронно-позитронных пар наблюдаетсяпри попадании гамма-квантов с энергией больше 1,02 Мэв в сильное электрическоеполе ядра атома вещества. В результате такого взаимодействия энергия гамма-квантарасходуется на образование массы электрона и позитрона (по 0,51 Мэв), а такжена сообщение им начальной скорости движения.
При движении в среде электрон и позитрон расходуют своюкинетическую энергию на ионизацию и возбуждение атомов и молекул среды; когдапозитрон уменьшит скорость своего движения, он взаимодействует с одним изсвободных электронов среды, в результате чего образуются два гамма-кванта.
Эффект образования пар играет существенную роль впоглощении энергии гамма-излучения в веществах с большим порядковым номеромобразующих элементов и при большой энергия гамма-квантов.
Перечисленные виды взаимодействия обуславливаютпостепенное ослабление интенсивности гамма-излучения по мере увеличения толщиныслоя вещества. Интенсивностью гамма-излучения называется энергия, которая переноситсяв единицу времени (обычно в секунду) потоком гамма-квантов, проходящим через 1см поверхности, расположенной перпендикулярно к направлению их движения. Еслигамма-излучение содержит гамма-кванты с одинаковой энергией, то оно называетсямонохроматическим. Интенсивность монохроматического гамма-излучения I равнапроизведению энергии гамма-квантов Е на их число, проходящее через 1 см поверхностив секунду, п:
/>
Ослабление параллельного пучка гамма-излучения происходитпо экспоненциальному закону, графически изображенному на рис. 8, и может бытьвыражено следующими формулами: