реферат, рефераты скачать Информационно-образоательный портал
Рефераты, курсовые, дипломы, научные работы,
реферат, рефераты скачать
реферат, рефераты скачать
МЕНЮ|
реферат, рефераты скачать
поиск
Особенности работы счетчиков излучения

Особенности работы счетчиков излучения

Министерство образования РФ.

Новгородский Государственный Университет им. Ярослава Мудрого.

Кафедра ОиЭФ.









“Особенности работы счетчиков излучения”

Курсовая работа по учебной 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. Радиоактивные излучения 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 постоянного напряжения 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. Применение счётчика


I РАДИОАКТИВНЫЕ ИЗЛУЧЕНИЯ И ИХ СВОЙСТВА


Радиоактивные распады ядер неустойчивых изотопов химических элементов принято определять по виду создаваемых ими излучений. К основным видам радиоактивного распада относятся альфа-распад и бета-распад.

Альфа-распад сопровождается вылетом из ядра альфа-частицы, представляющей собой быстролетящее ядро изотопа гелия Нe(А=4,Z=2). Радиоактивные вещества, обладающие альфа- распадом, принято называть альфа- активными веществами.

Бета-распад сопровождается вылетом из ядра бета-частицы, представляющей собой электрон или позитрон.

Позитроны — элементарные частицы, обладающие массой электрона и имеющие положительный заряд, по абсолютной величине равный заряду электрона. Вещества, создающие бета-излучение, принято называть бета- активными.

В большинстве случаев после вылета бета- или альфа-частицы ядро нового атома остается в возбужденном состоянии, иначе говоря, оно обладает избытком энергии. Избыточная энергия возбужденного ядра излучается в виде кванта (порции) электромагнитной энергии, получившей название гамма- кванта.

Радиоактивные изотопы, у которых бета-распад сопровождается излучением гамма- квантов, принято называть бета-, гамма- активными.

Альфа-излучение. Альфа- активные изотопы относятся к тяжелым элементам с порядковым номером больше атомного номера свинца (Z>82). Неустойчивость ядер таких элементов может быть объяснена чрезмерно большим числом протонов в ядре, взаимное электростатическое отталкивание между которыми ослабляет действие особых ядерных сил притяжения между протонами и нейтронами, обуславливающих прочность ядра.

При испускании альфа-частицы исходный атом превращаетсяв новый атом с уменьшенным на 2 единицы зарядом (Z) и на 4 единицы Рис. 1 График распада массовым числом (А). Так, например, атомы изотопа плутония-239 альфа- активного изотопа- путем альфа - распада превращаются в атомы изотопа урана-235. плутония-239 (Pu )

Схему распада можно представить символами элементов следующим образом:




Распад радиоактивных ядер удобно изображать также графиком (рис.1), в котором каждому энергетическому состоянию ядра (исходного и вновь образованного) соответствует горизонтальная линия, а переход из одного энергетического состояния в другое (т. е. распад) изображается в виде стрелки.











Направление стрелки соответствует направлению изменения порядкового номера изотопа (Z) при распаде. При альфа- распаде порядковый номер элемента 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, имеют равные энергии. Большинство альфа-активных изотопов излучает частицы с начальными энергиями в пределах от 4 до 8 Мэв, что соответствует начальной скорости их движения порядка 109 — 2 • 109 см/сек (скорость распространения света составляет 3∙1010 см/сек). Проходя через вещество, альфа-частицы, обладающие относительно большим электрическим зарядом (Z=2), эффективно взаимодействуют с электронами, вызывая ионизацию и возбуждение атомов и молекул среды. Хотя в каждом акте взаимодействия с электронами расходуется лишь небольшая доля начальной энергии альфа-частиц, однако большое число актов взаимодействия на единице пути пробега обуславливает быстрое замедление альфа-частицы и сравнительно короткий путь пробега. Таким образом, альфа-излучение, т. е. поток альфа-частиц, обладает высокой ионизирующей и малой проникающей способностью.

Ионизирующая способность радиоактивных излучений характеризуется плотностью ионизации, т. е. числом пар ионов, создаваемым на 1 см пути в поглощающей среде. Плотность ионизации зависит от энергий альфа-частицы и свойств среды. На рис. 2 приведена зависимость плотности ионизации, создаваемой альфа-частицей с начальной энергией Е = 7 Мэв в воздухе, от пройденного пути. На протяжении большей части пути плотность ионизации практически постоянна, однако в конце его, когда энергия частицы и скорость ее движения уменьшаются, ионизирующая способность увеличивается. Средняя плотность ионизации воздуха альфа-частицей имеет величину 30000 пар ионов на 1 см пути.

Общее число пар ионов, создаваемых альфа-частицей до полной ее остановки, зависит от начальной энергии частицы и средней работы, затрачиваемой на образование одной пары ионов. Так, например, при средней работе 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)=150000 пар ионов и будет иметь длину пробега порядка (150000/30000)=5cм.

С увеличением плотности среды увеличивается число атомов и электронов в единице объема, поэтому плотность ионизации альфа-частицей возрастает, а длина пробега частиц уменьшается. Так, в алюминии альфа-частицы с энергией 7 Мэв имеют длину пробега порядка 0,0041 мм (4,1 микрона). Обычная тонкая бумага полностью поглощает альфа-частицы естественных альфа- активных изотопов.

Бета-излучение. Источниками бета - излучения является подавляющее большинство радиоактивных изотопов. Образование бета-частицы при радиоактивном распаде происходит за счет превращения одного из нейтронов ядра в протон (электронный бета-распад) или протона к нейтрону (позитронный бета-распад). При бета-распаде массовое число атома (А) не изменяется, так как общее число нуклонов (т. е. протонов и нейтронов) остается в ядре неизменным; заряд ядра увеличивается на единицу при электронном распаде и уменьшается на единицу при позитронном распаде. Примеры электронного и позитронного бета-распадов приведены на рис. 3.


Характерным для бета-распада является то, что ядра одного и того же радиоактивного изотопа испускают бета-частицы с различными начальными энергиями. Наибольшее значение начальной энергии бета-частиц для каждого радиоактивного изотопа имеет строго определенную величину и называется максимальной энергией бета- излучения (Eβ max). У большинства радиоактивных изотопов максимальная энергия бета-излучения имеет величину в пределах от нескольких десятков килоэлектронвольт до 3 Мэв.

Бета-излучение с максимальной энергией меньше 0,5 Мэв условно считается «мягким»; чем больше энергия, тем более «жестким» считается излучение.

Типовое распределение частиц по энергиям для бета-излучения (энергетический спектр) приведено на рис. 4. Средняя энергия бета-частиц обычно составляет ⅓ максимальной. Прохождение бета-частиц через вещество сопровождается их взаимодействием с электронами оболочек атома и ядрами. Это взаимодействие, так же как и у альфа-частиц, имеет электрическую природу, а сопровождается, в зависимости от переданной энергии, либо ионизацией молекул и атомов среды, либо их возбуждением. Общее число пар ионов, которое создается одной бета-частицей в облучаемой среде, определяется ее начальной энергией и средней работой, затрачиваемой на образование пары ионов в облучаемой среде (33 эВ 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 с альфа-частицей ионизирующей способностью; средняя плотность ионизации бета-частицей в воздухе составляет около 100 пар ионов на 1 см пути. Меньшая ионизирующая способность бета-частицы объясняется меньшей величиной ее электрического заряда и 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 изменяют направление своего движения при случайном попадании в поле действия электрических сил ядра. Поэтому траектория движения бета-частиц в облучаемой среде представляет ломаную линию, а длина пробега бета-частиц по направлению первоначального движения значительно меньше истинного ее пути. При прохождении бета-излучения через слой вещества число бета-частиц постепенно уменьшается (рис.5). Последнее объясняется тем, что длина пробега бета-частицы в среде зависит от ее начальной энергии, а бета-излучение содержит частицы с широким спектром начальных энергий от близких к нулевой до Е max.



Максимальный пробег бета-частиц в среде Rmax определяется глубиной проникновения в нее бета-частиц с максимальной начальной энергией. Величина максимального пробега бета-частиц различных изотопов различна и может быть рассчитана по формулам;



где Eβ max - максимальная энергия бета- излучения изотопов 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 с энергией 3 Мэв— 11,5 м. в алюминии (ρ = 2,7 г/см) при тех же максимальных энергиях бета- излучения максимальный пробег примерно в 2000 раз меньше и составляет 1,6 и 5,5 м соответственно.

Приведенный пример показывает, что проникающая способность бета-частиц значительно больше проникающей способности альфа-частиц. Однако по абсолютному значению она невелика, поэтому защита от бета- излучения относительно проста. Необходимый для защиты слой вещества можно определить по приведенным выше формулам.

Отличительной особенностью позитронного бета- излучения является короткий промежуток существования позитрона. В конце своего пробега замедленный позитрон при взаимодействии с одним из электронов среды преобразуется в два гамма- кванта с энергией 0,51 МэВ каждый. Такое преобразование массы частиц в электромагнитную энергию называется реакцией анигиляции; оно доказывает единство материи и энергии.

Таким образом, позитронный бета-распад всегда приводит к появлению гамма-излучения.

Гамма-излучение. Гамма-излучение представляет собой поток квантов электромагнитной энергии, испускаемых возбужденными ядрами радиоактивных элементов после бета- или альфа- распада.

Примеры схем радиоактивного распада ядер, сопровождающихся излучением гамма- квантов, приведены па рис. 6

Каждый радиоактивный изотоп излучает гамма- кванты определенной энергии и в определенном количественном отношении к общему числу распадов. Так, радиоактивный кобальт-60 создает два гамма-кванта при каждом бета-распаде ядра, а у радиоактивного радня-226 излучение гамма-кванта наблюдается примерно в шести случаях из 100 распадающихся атомов.

По своей природе и свойствам гамма-излучение не отличается от рентгеновского. Обычно под термином рентгеновских лучей подразумевают излучения, создаваемые электронной оболочкой атома при его переходе из возбужденного состояния в нормальное или в результате торможения быстрых электронов, попадающих в поле действия электрических сил ядра (тормозное рентгеновское излучение); в отличие от этого гамма-кванты являются излучениями возбужденного ядра.

Энергия гамма-квантов, излучаемых различными радиоактивными изотопами, лежит в пределах от сотых долей до нескольких мегаэлектронвольт.

Гамма-излучение в окружающем пространстве распространяется со скоростью света (3- 10'° см/сек) и обладает высокой проникающей способностью.

Отсутствие массы покоя и электрического заряда у квантов гамма-излучения обуславливает особенности характера взаимодействия их с веществом.

К основным видам взаимодействия гамма-квантов с веществом относятся: фотоэлектрическое поглощение гамма-квантов, комптоновский эффект (или рассеяние гамма-квантов) и образование электронно-позитронных пар. Условное схематическое изображение видов взаимодействия гамма-кванта с атомом и его электронами приведено на рис. 7.

При фотоэлектрическом поглощении гамма-квант полностью поглощается атомом вещества, в результате чего из атома вылетает электрон. Энергия гамма-кванта при этом процессе расходуется: небольшая часть — на отрыв электрона с его оболочки, а остальная часть — на сообщение ему начальной скорости.

Вырванный электрон (фотоэлектрон) движется под некоторым квантов с атомами и электронами углом к первоначальному направлению движения гамма-кванта и, подобно бета-частице, ионизирует атомы и молекулы окружающей среды.

Фотоэффект является преобладающим видом взаимодействия гамма-излучения с веществом при малой энергии квантов— меньше 0,1—0,5 Мэв. Нижняя граница соответствует средам с малым порядковым номером образующих элементов (воздух, ткани живых организмов, пластмассы и т. д.), верхняя — для веществ с большим порядковым номером элементов (железо, свинец и т. д.).

При комптоновском эффекте гамма-квант, взаимодействуя с электроном атома, передает ему только часть энергии; при этом квант с уменьшенной энергией отклоняется от первоначального направления движения (рассеивается). Чем больше энергии передается электрону, тем больше отклоняется от первоначального направления (рассеивается) квант.

Рассеяние гамма-квантов происходит многократно и в конце концов заканчивается фотоэлектрическим поглощением.

Поток рассеянных гамма-квантов образует так называемое рассеянное излучение, которое не имеет резко выраженной направленности распространения, свойственной гамма-излучению. Электрон при комптоновском эффекте, названный комптоновским, вылетает из атома также под некоторым углом к первоначальному движению гамма-кванта и расходует свою энергию на ионизацию и возбуждение молекул окружающей среды. Таким образом, особенностью комптоновского эффекта является наличие двух процессов: поглощение энергии гамма-излучения путем передачи ее электронам и рассеяние гамма-квантов.

Комптоновский эффект является преобладающим видом взаимодействия для широкого диапазона средних энергий гамма-квантов: для воздуха в диапазоне энергий от 0,1 до 20 Мэв; для свинца примерно от 0,5 до 5 Мэв.

Эффект образования электронно-позитронных пар наблюдается при попадании гамма-квантов с энергией больше 1,02 Мэв в сильное электрическое поле ядра атома вещества. В результате такого взаимодействия энергия гамма-кванта расходуется на образование массы электрона и позитрона (по 0,51 Мэв), а также на сообщение им начальной скорости движения.

При движении в среде электрон и позитрон расходуют свою кинетическую энергию на ионизацию и возбуждение атомов и молекул среды; когда позитрон уменьшит скорость своего движения, он взаимодействует с одним из свободных электронов среды, в результате чего образуются два гамма-кванта.

Эффект образования пар играет существенную роль в поглощении энергии гамма-излучения в веществах с большим порядковым номером образующих элементов и при большой энергия гамма-квантов.

Перечисленные виды взаимодействия обуславливают постепенное ослабление интенсивности гамма-излучения по мере увеличения толщины слоя вещества. Интенсивностью гамма-излучения называется энергия, которая переносится в единицу времени (обычно в секунду) потоком гамма-квантов, проходящим через 1 см поверхности, расположенной перпендикулярно к направлению их движения. Если гамма-излучение содержит гамма-кванты с одинаковой энергией, то оно называется монохроматическим. Интенсивность монохроматического гамма-излучения I равна произведению энергии гамма-квантов Е на их число, проходящее через 1 см поверхности в секунду, п:



Ослабление параллельного пучка гамма-излучения происходит по экспоненциальному закону, графически изображенному на рис. 8, и может быть выражено следующими формулами:


где I0 — интенсивность гамма-излучения при входе в поглощающую среду;

I — интенсивность гамма-излучения после прохождения слоя толщиной d см;

d — слой половинного ослабления, т. е. толщина слоя данного материала, обеспечивающая ослабление интенсивности узкого пучка гамма-излучения в два раза;

Страницы: 1, 2, 3



© 2003-2013
Рефераты бесплатно, рефераты литература, курсовые работы, реферат, доклады, рефераты медицина, рефераты на тему, сочинения, реферат бесплатно, рефераты авиация, курсовые, рефераты биология, большая бибилиотека рефератов, дипломы, научные работы, рефераты право, рефераты, рефераты скачать, рефераты психология, рефераты математика, рефераты кулинария, рефераты логистика, рефераты анатомия, рефераты маркетинг, рефераты релиния, рефераты социология, рефераты менеджемент.