10 Měření Intenzity A Absorpce Jaderného Záření Teorie

10. měření intenzity a absorpce jaderného záření ================================================ teorie radioaktivní záření se zv

10. Měření intenzity a absorpce jaderného záření
================================================
Teorie
Radioaktivní záření
Se zvýšenou úrovní radioaktivního záření se můžeme setkat v praxi na
některých územích, kde dochází k významnému úniku radonu z podloží a
kde je třeba navrhnout vhodná protiradonová opatření. S radioaktivním
zářením se můžeme setkat také např. na medicínských pracovištích či v
průmyslových ozařovnách. Při projektování takovýchto objektů je třeba
zajistit jejich dostatečné odstínění, aby se co nejvíce a s využitím
rozumných nákladů zajistila ochrana osob.
Cílem úlohy je seznámení se dvěma základními metodami ochrany před
škodlivými účinky radioaktivního (ionizujícího) záření: s ochranou
vzdáleností a ochranou stíněním.
Počet protonů v atomovém jádře určuje protonové (atomové) číslo Z. V
elektricky neutrálním atomu se počet elektronů rovná počtu protonů.
Všechny atomy daného chemického prvku mají stejné protonové číslo Z,
ale mohou mít různé nukleonové (hmotnostní) číslo A, které určuje
počet protonů a neutronů v jádře. Atomy se stejným protonovým číslem,
ale různými nukleonovými čísly se nazývají izotopy. Izotopy jsou
stabilní a radioaktivní, které rozpadem jádra přecházejí na jiný
prvek. Například uhlík C s protonovým číslem Z = 6 má dva stabilní
izotopy s nukleonovými čísly A = 12, 13 ( ). Izotopy uhlíku s
nukleonovými čísly A = 10, 11, 14, 15 ( ) jsou radioaktivní.
Při přeměně jader radioaktivních izotopů (radioizotopů) vzniká
radioaktivní záření. Radioaktivní záření je ionizujícím zářením, tzn.
je schopno vyrážet elektrony z elektronového obalu a tím látku
ionizovat. Přirozené radioizotopy mohou být zdrojem α nebo β záření.
Záření α i β bývá často doprovázeno zářením γ.
Zářením α nazýváme proud jader izotopu helia ( ). Alfa částice
se vzhledem ke své hmotnosti a velikosti náboje pohybují poměrně
pomalu a mají malou pronikavost (mohou být odstíněny i listem papíru),
ale mají silné ionizační účinky na okolí.
Zářením β nazýváme proud elektronů (β-, e-, vzniká přeměnou neutronu
na proton) nebo pozitronů (β+, e+, vzniká přeměnou protonu na
neutron). V porovnání s α částicemi se pohybují velmi rychle a mají
větší pronikavost, protože jejich hmotnost je daleko menší a jejich
náboj je poloviční. Mohou pronikat materiály s nízkou hustotou nebo
malou tloušťkou, k jejich zastavení stačí vrstva vzduchu silná 1 m
nebo kovu o tloušťce přibližně 1 mm.
Záření γ je elektromagnetické záření o vysoké energii (fotony), které
vzniká pří přechodu atomového jádra z vyššího (vybuzeného) do nižšího
energetického stavu. Průchod látkou je pro tuto částici bez náboje
velmi snadný, proto je dosah tohoto záření daleko větší než u záření
β. I když je záření γ méně ionizující než α i β, je pro živé organismy
včetně člověka nebezpečné. Způsobuje podobná poškození jako rentgenové
záření: popáleniny, rakovinu a genové mutace.
Ke zjišťování přítomnosti radioaktivního záření a k měření jeho
intenzity jsou využívány detektory, které pracují s odlišným principem
detekce i způsobem vyhodnocení.
Používané jednotky a veličiny
Aktivita zářiče A – počet rozpadů jader za jednotku času. Jednotka se
nazývá bequerel, značka Bq, rozměr jednotky je s-1. V praxi jsou
používány násobky této jednotky MBq, GBq.
Intenzita záření I – je počet detektorem (počítačem) naměřených
impulzů ΔN za časový interval Δt

Při průchodu β (γ) záření látkou nastává jeho absorpce. Pokles
intenzity záření v závislosti
na tloušťce absorbátoru lze vyjádřit ve formě absorpčního zákona

kde I0 je intenzita záření (počet detektorem registrovaných elektronů
nebo fotonů γ záření za jednotku času) před absorbátorem pro d = 0 cm,
I je intenzita záření po průchodu absorbátorem o tloušťce d a μ je
lineární absorpční koeficient [m-1]. Tloušťka vrstvy absorbátoru,
která sníží intenzitu dopadajícího záření na polovinu, se nazývá
polotloušťka D. Na základě předchozí rovnice lze polotloušťku vyjádřit
jako

Zářením pozadí nazýváme počet impulzů za jednotku času, které detektor
registruje, i když v jeho bezprostřední blízkosti není žádný zjevný
zdroj záření. Příčinou těchto impulzů bývá kosmické záření, záření
materiálu, ze kterého je počítač vyroben, záření radioaktivních látek
v zemské kůře nebo záření zářičů z okolí počítače.
Při detekci počtu vyzářených částic z radioaktivního izotopu zjistíme,
že za stejné časové úseky je počet registrovaných částic (impulzů)
různý. Příčina této skutečnosti spočívá v tom, že radioaktivní rozpad
má statistický charakter a počet impulzů je proto náhodnou veličinou.
Přesnost měření bude tím vyšší, čím větší bude počet naměřených
impulzů. U zářičů s malou aktivitou velký počet impulzů zaznamenáme
tak, že dostatečně prodloužíme dobu měření.
Úkoly
1.
Pro zvolený typ zářiče (β nebo γ) určete závislost intenzity
záření na vzdálenosti od zdroje.
2.
Pro zářič stanovte závislost absorpce na tloušťce stínícího
materiálu. Vypočtěte odpovídající lineární absorpční koeficient a
polotloušťku materiálu.
3.
Stanovte závislosti absorpce záření na druhu stínícího materiálu
(na jeho protonovém čísle) a určete lineární absorpční koeficienty
měřených materiálů.
Pomůcky
1.
Zdroj záření v kovovém pouzdru s otočným krycím pláštěm
2.
Plochý kovový držák s otvory – stativ
3.
Měřicí sonda v šedém plastovém obalu
4.
Spojovací kabel.
5.
Čítač pulsů v černém plastovém obalu.
6.
Měděné plechy různé tloušťky, plech cínový, hliníkový, olověný, a
železný, permanentní magnet typu podkova.
Postup
1.
Ke stanovení záření pozadí v místnosti se používá 10
stosekundových měření bez zářiče ze soupravy (zářič musí být
vzdálen od měřicí sondy minimálně 50 cm).
2.
Při stanovení intenzity záření v závislosti na vzdálenosti od
zdroje se používá 10 desetisekundových měření zvoleného typu
zářiče (β nebo γ) bez stínění, přičemž zářič se postupně umísťuje
do všech možných poloh stativu (sonda je přitom v krajním velkém
otvoru). Vzdálenosti zdroje od detektoru v jednotlivých polohách
jsou rovny 2 cm, 4 cm, 10 cm, 14 cm.
3.
Při stanovení závislosti absorpce záření na tloušťce stínícího
materiálu a stanovení lineárního absorpčního koeficientu (nutného
pro výpočet polotloušťky materiálu) se používá zářič  umístěný do
otvoru ve stativu nejbližšího sondě a do drážky mezi nimi se
vkládají kombinace měděných desek tak, aby byly proměřeny všechny
různé tloušťky materiálu dosažitelné kombinací desek, které jsou k
dispozici.
4.
Při stanovení závislosti absorpce záření na druhu stínícího
materiálu (na jeho protonovém čísle) a určení lineárních
absorpčních koeficientů měřených materiálů se používá zářič 
(výjimečně, na pokyn vyučujícího, zářič ) umístěný do otvoru ve
stativu nejbližšího sondě a do drážky mezi nimi se vkládají
postupně plechy stejné tloušťky, ale různých druhů materiálu (Al,
Fe, Sn, Pb).
5.
V závěru je provedena diskuse výsledků a vynesených grafických
závislostí, výsledky výpočtu polotlouštěk srovnat s tabulkovými
hodnotami.
3