Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Министерство Российской Федерации по атомной энергии
Северскнй технологический институт
Томского политехнического университета
Утверждаю
Зав. кафедрой ФЭУ
доцент,________ В.И. Бойко
“__”__________2012г.
Ю.А.Соловьев
АБСОРБЦИОННЫЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ МАКСИМАЛЬНОЙ ЭНЕРГИИ
БЕТА-СПЕКТРА РАДИОНУКЛИДА
Практическое руководство
Томск 2012
Утверждено ОМС
"5" мая 1999г.
УДК 539.12.08.075.8
Соловьев Ю.А. Определение максимальной энергии бета-спектра радионуклида: Руководство к лабораторной работе. - Северск: Северский технологический институт ТПУ, 1999.-14 с.
В руководстве рассмотрены методы идентификации радионукли дов с помощью определения максимальной энергии излучения.
Руководство предназначено для выполнения лабораторных ра бот.
Одобрено на заседании кафедры ЭАФУ (протокол от 19 июня
1997г.)
Рецензент доцент, к.т.н. В.Д,Каратаев
Редактор Г.Н. Ларкина
Подписано к печати
Формат бумаги 60*84/16 Заказ
Тираж 25 экз. Объем 0,6 пл.
Отпечатано на RICON СТИ ТПУ.
Содержание
Введение
1 Теоретические сведения……………………………………………… 4
1.1 Ослабление потока – частиц…………………….………………. 5
Литература………………………………………..………………………....14
Введение
Бета-распадом называется процесс самопроизвольного превра щения нестабильного ядра в ядро-изобар с зарядом, отличным на единицу, в результате испускания электрона (позитрона) или его за хвата.
Известны три вида бета-распада: -распад, + -распад и Е-захват, т.е. захват электрона ядром с одной из ближайших к ядру обо лочек:
(-распад);
(-распад);
4Ве7+ ( Е-захват).
Электроны и позитроны не находятся в ядре, а рождаются в мо мент -распада при переходе нуклона из одного состояния в другое.
Измерения энергетических спектров электронов и позитронов -распада показали, что в процессе распада испускаются электроны (позитроны) всех энергий от нуля до некоторой максимальной кине тической энергии Емакс, которую обычно называют верхней границей -спектра.
Непрерывность энергетического спектра -распада объясняется тем, что нестабильное ядро распадается на три частицы: ядро – продукт, электрон и антинейтрино. Система уравнений, соответствующая зако нам сохранения энергии и импульса, в этом случае не приводит к од нозначному решению для кинетических энергий образовавшихся частиц. Энергия процесса распределяется между тремя частицами ве роятностным образом. Верхняя граница спектра электронов (позитронов) -распада соответствует тому случаю, когда вся энергия перехода уносится электроном (позитроном).
В отличие от и -распадов, при Е-захвате энергия перехода распределяется между двумя частицами: ядром и нейтрино. Спектр нейтрино при этом должен быть монохроматическим, причем, нейтри но уносит практически всю энергию перехода.
Форма -спектра и время жизни -излучающих ядер существен но зависят от величины полного момента количества движения, уно симого излучаемыми частицами. При -распаде спин ядра I изменяется на целое число h, т.е. I=0,1,2,3,... В общем случае I равно сумме орбитальных и спиновых моментов электрона и антинейтрино. Наиболее вероятными -переходами являются те, при которых орбитальный момент L, уносимый электроном и нейтрино, равен нулю. При этом полный момент количества движения электрона и нейтрино, равный изменению спина ядра, может быть либо 0 (спины электрона и антинейтрино антипараллельны), либо 1 (при параллельных спинах). Такие переходы называются разрешенными -переходами. С увеличением L на единицу вероятность перехода уменьшается приблизительно в 100 раз.
Кроме того, время жизни -излучающего изотопа сильно зависит от энергии перехода. Чем больше энергия перехода, тем более вероятен переход, а время жизни изотопа меньше.
Часто оказывается, что энергетические условия делают возможным -переход не только в основное, но и в возбужденное состояния ядра-продукта. Если -распад в основное состояние ядра-продукта является запрещенным, но энергетически возможен разрешенный переход в одно из возбужденных состояний ядра, то преобладающим по вероятности будет переход в возбужденное состояние.
Ядро-продукт будет переходить в основное или более низкое возбужденное состояние путем излучения -кванта. Возможно также, что -распад нестабильного ядра одновременно будет происходить на основной и на один или несколько возбужденных уровней ядра продукта. Тогда получаемый в опыте -спектр представляет собой сумму парциальных -спектров с различными максимальными энергиями.
Форма спектра зависит от того, является ли -переход разрешенным или запрещенным. Кроме того, на форму спектра влияет кулоновское взаимодействие электрона распада с полем заряда ядра-продукта.
1 Ослабление потока -частиц
В результате процессов упругого и неупругого рассеяния даже параллельный моноэнергетический пучок электронов при выходе из поглотителя оказывается не параллельным и не моноэнергетическим. Поглощение ядерных -частиц с непрерывным спектром можно характеризовать значением пробега R, соответствующим пробегу в веществе -излучения. Пробег не следует смешивать с истинной длиной траектории электронов в веществе. Пробег измеряется в единицах толщины поглотителя (сантиметрах или граммах на квадратный сантиметр).
На практике различают три вида пробегов электронов в веществе: средний, максимальный и экстраполированный (или практический). Максимальный пробег Rмакс моноэнергетических электронов определяется толщиной слоя вещества, при которой ни один из падающих нормально электронов не вылетает из него. Вследствие очень сильного рассеяния медленных электронов максимальный пробег моноэнергетических электронов несколько меньше, чем истинная длина пути электрона в веществе, но очень близок к ней. Однозначное определение максимального пробега не представляется возможным, поэтому на практике экстраполируют линейную часть кривой поглощения или ослабления (зависимости относительного числа электронов, выходящих из поглотителя, от толщины поглотителя) к оси абсцисс. Толщину слоя вещества, соответствующую точке пересечения с осью, называют экстраполированным пробегом моноэнергетических электронов в веществе Rэ (рисунок 1).
Кривая ослабления асимптотически приближается к оси абсцисс и пересекает ее при некоторой толщине , называемой максимальным пробегом -частиц с граничной энергией .
Значения и практически совпадают при энергии более 100 кэВ.
Средний пробег или просто пробег электронов в веществе определяется по формуле:
,
где ()=, - средние ионизационные потери энергии на единицу длины пути в веществе или тормозная способность вещества, - средние потери энергии электронов на тормозное излучение (радиационные потери). Существуют таблицы расчетных значений среднего пробега для различных энергий.
Рисунок 1- Кривая ослабления -частиц в веществе
Экспериментально пробег определяют измерением скорости счета (или активности) образца в зависимости от толщины поглотителя. Значение толщины поглотителя, при котором кривые ослабления пересекают ось абсцисс, определяет максимальный пробег электронов в веществе.
Обычно ослабление -частиц описывают экспоненциальной зависимостью:
,
где -массовый коэффициент ослабления, , d – толщина поглотителя, . Значения массовых коэффициентов ослабления приблизительно постоянны для различных поглощающих веществ. Связь между пробегом и энергией -частиц и моноэнергетических электронов, а также между массовым коэффициентом ослабления и энергией описывается рядом эмпирических формул.
При определении пробега -частиц в качестве поглощающего материала обычно используют алюминий, для которого выполняется следующее соотношение.
Формула Фламмерсфельда
,
справедлива для интервала энергий 0,05<< 3 МэВ. Здесь энергия Е в МэВ, а пробег в .
2 Определение максимального пробега и максимальной энергии - частиц методом полного поглощения
В простейшем случае процедура определения максимальной энергии -излучения методом полного поглощения (абсорбционным методом) сводится к нахождению максимального пробега -частиц в материале поглотителя (обычно в алюминии) и расчету с помощью той или иной эмпирической формулы. Метод прямого определения максимального пробега применим лишь для чистых -излучателей. Допустимый уровень фона, включая естественный фон, а также фон ядерного -излучения или тормозного излучения, должен составлять менее 0,5 % начальной регистрируемой активности. При этих условиях метод дает хорошо воспроизводимые результаты.
Обычно в качестве поглотителя применяются алюминиевые фильтры. Для измерения пользуются чаще всего торцовыми счетчиками.
Излучатель помещается на таком расстоянии от счетчика, чтобы между источником и счетчиком можно было свободно разместить слой поглотителя, полностью поглощающий данное излучение. Поглотители следует размещать по возможности ближе к счетчику.
Толщина употребляемых фильтров выбирается в зависимости от энергии -частиц. Чем больше энергия, тем толще фильтры. Они выбираются с таким расчетом, чтобы на кривой поглощения можно было получить не менее 10-15 экспериментальных точек. Например, для энергии 0,15-0,2 МэВ толщина алюминиевой фольги 0,01 мм; 0,50-0,70 МэВ-0,05 мм; 1,5-2 МэВ--0,2-0,3 мм.
Первое измерение проводят без поглотителя, последующие – с поглотителем. Толщину поглотителя увеличивают с каждым измерением, пока не наступит колебание регистрируемой скорости счета около некоторого значения, соответствующего фону. В случае необходимости в показания скорости счета, полученные на начальном участке кривой ослабления, вводят поправку на разрешающее время. Для уменьшения погрешности, связанной со статистическим характером радиоактивного распада, по мере снижения скорости счета продолжительности измерений следует увеличивать.
Кривые ослабления строят в полулогарифмическом масштабе, откладывая по оси абсцисс полную толщину поглотителя, а по оси ординат - логарифм регистрируемой активности I (см. рисунок 2). На графике через точки, соответствующие фону (Iф), проводят прямую. Из точки, где кривая ослабления касается этой прямой, пускают перпендикуляр на ось абсцисс. Пересечение его с осью дает значение максимального пробега
Рисунок 2 - Определение максимального пробега -частиц методом полного поглощения
Сложный -распад (также как и наличие смеси радионуклидов) обнаруживается по появлению точки перегиба на полулогарифмической кривой ослабления. На рисунке 3 приведен вид кривой ослабления для источника на основе 90Sr - 90Y.
1 -сложная кривая; 2-кривая для ; 3-кривая для .
Рисунок 3 - Разложение кривой ослабления - излучения смеси двух радионуклидов
Для определения максимальной энергии низкоэнергетического компонента суммарную кривую ослабления разлагают на составляющие. Через экспериментальные точки, лежащие на том участке кривой ослабления, где присутствуют оба компонента, проводят прямые, параллельные оси ординат, до пересечения с осью абсцисс. В точках пересечения этих прямых с экстраполированным участком прямой, характеризующей ослабление одного высокоэнергетического компонента, определяют значения lg и по каждому из этих значений находят вклад высокоэнергетического компонента в суммарную скорость счета при данной толщине поглотителя. Разности , характеризующие вклады низкоэнергетического компонента в суммарную скорость счета, логарифмируют и строят зависимость lg() при соответствующих значениях толщин.
3 Порядок работы
3.1 Абсорбционный метод
3.1.1 Познакомиться с работой установки и подготовить ее к работе.
3.1.2 Включить установку и прогреть в течение 5 минут.
3.1.3 Поместить на полку экспериментальной ячейки радиоактивный препарат. Расстояние между препаратом и детектором должно быть минимальным.
3.1.4 Установить между детектором и препаратом пластинку с диафрагмой и измерить скорость счета без поглотителя. На диафрагму поместить алюминиевую фольгу толщиной 0,1 мм и измерить скорость счета I. Добавить вторую фольгу и измерить и т.д. Увеличивать слой поглотителя до тех пор, пока при дальнейшем увеличении толщины алюминия не перестает заметно уменьшаться скорость счета. Для уменьшения статистической ошибки нужно при каждом измерении скорости счета набирать не менее 1000 отсчетов.
3.1.5 Результаты опыта занести в таблицу 1. По данным таблицы построить зависимость (рисунок 3) и определить толщину полного поглощения для исследуемого радионуклида. По соотношению Фаммерсфельда определить максимальную энергию исследуемого источника. В соответствии с рисунком 3 определить максимальные энергии высокоэнергетического и низкоэнергетического компонентов для исследуемого источника.
Таблица 1. - Результаты опыта
|
Массовая толщина, г/см2 |
, имп/с. |
ln |
Литература
1 Лукьянов В.Б., Симонов Е.Ф. Измерение и идентификация бета-радиоактивных препаратов. 2-Е изд., перераб. и доп.-М.: Энергоатомиздат, 1982- 136с.
2 Абрамов А. И., Казанский Ю.А., Матвеевич ЕА. Основы экспериментальных методов ядерной физики. 3-е изд., перераб. и доп. -М.: Энергоатомиздат, 1985. - 488с.