7 radiatia gamma
DESCRIPTION
...TRANSCRIPT
156
DETERMINAREA COEFICIENTULUI DE ATENUARE AL
RADIAŢIILOR GAMA ÎN DIFERITE METALE
1. Scopul lucrării
Scopul acestei lucrării este de-a determinarea coeficientului de
atenuare al radiaţiilor gama pentru diferite materiale, respectiv a
coeficientului masic de atenuare cât şi-a energiei acestor radiaţii.
2. Teoria lucrării
În timpul dezintegrării de tip a şi b, nucleele atomice efectuează
tranziţii dintr-o stare excitată pe o stare mai puţin excitată (inferioară)
sau pe starea fundamentală. În urma acestor tranziţii se emit radiaţii
electromagnetice numite radiaţii gama (g). Nivelele energetice ale
nucleului fiind discrete, aceste radiaţii prezintă un spectru de linii.
Frecvenţele cuantelor g sunt legate de diferenţa energiilor prin condiţia
lui Bohr a frecvenţelor.
Totalitatea radiaţiilor g provenite din cosmos formează fondul
cosmic. În ultimii 50 de ani au fost mai multe teorii cu privire la sursele
ce emite aceste radiaţii precum şi la locul în care s-ar afla în univers. Ei
bine, în anul 2001 cu ajutorul telescoapelor Habble şi Ceandra s-a ajuns
la concluzia că aceste radiaţii sunt emise la marginea universului, în
momentul naşterii şi morţii unei stele, fenomene ce au loc frecvent în
acest loc, constatându-se în acelaşi timp că ele sunt emise în impulsuri
cu durata extrem de scurtă şi că au energii foarte, foarte mari.
Radiaţiile g au o mică putere de ionizare şi deci o mare putere
de pătrundere în diverse substanţe.
La trecerea radiaţiilor gama prin substanţă, în funcţie de energia
fotonilor (100 KeV – 3 MeV) şi numărul atomic Z al materialului, pot
157
avea loc trei procese principale de interacţiune dintre radiaţie şi
substanţă:
1. Efectul fotoelectric,
2. Formarea de perechi electron-pozitron,
ambele efecte contribuind în principal la absorbţia de energie,
3. Efectul Compton, care este în principal un fenomen de difuzie şi
contribuie numai parţial la absorbţia de energie.
Efectul global de absorbţie se obţine prin acumularea efectelor
celor trei procese care predomină la diferite energii: efectul fotoelectric
caracterizat printr-un coeficient h, predomină la energiile cuprinse între
100 – 300 KeV, efectul Compton caracterizat printr-un coeficient s,
predomină la energii cuprinse între 200 KeV – 2 MeV, iar efectul
generator de perechi caracterizat printr-un coeficient t, predomină la
energii mai mari de 2 MeV.
Considerând un strat de grosime dx pe suprafaţa căruia cade
normal un fascicul de radiaţii gama, cu intensitatea I, experienţa ne arată
că variaţia intensităţii se exprimă prin relaţia:
IdxdI m-= (1)
unde m este coeficientul de atenuare al substanţei exprimat ca sumă a
celor trei coeficienţi m = h + s + t; 11 -= cmSIm
Separând variabilele şi integrând relaţia (1) obţinem legea atenuării:xeII m-= 0 (2)
unde: - I0 este intensitatea incidentă a radiaţiei,
- I este intensitatea radiaţiei transmisă,
- x este grosimea stratului străbătut (fig. 1).
Din relaţia (2) se observă că m este inversul grosimii pentru care
intensitatea scade de e ori. Valorile lui m depind de energia radiaţiei
precum şi de natura materialului (fig. 2).
Raportul dintre coeficientul de atenuare şi densitatea materialului, adică
158
rm se numeşte coeficient de atenuare masică şi se exprimă în gcm2 .
Fig. 1 Fig. 2
În practică se măsoară în locul intensităţii de radiaţie (I) viteza de
numărare R (numărul de fotoni recepţionaţi de un detector în unitatea de
timp). În această situaţie expresia (2) ia forma:xeRR m-= 0 (3)
unde 0R este viteza de numărare a impulsurilor create de fluxul incident,
iar R viteza de numărare a impulsurilor create de fluxul transmis.
Logaritmând expresia (3), se obţine:
xRR m-= 0lnln (4)
iar dacă exprimăm în logaritmi zecimali vom avea:
xRR m4343,0lglg 0 -= (5)
Această relaţie este tocmai ecuaţia unei drepte în coordonate lg R
şi x (fig. 3).
Fig. 3
Ordonata la origine este lg R0, iar panta dreptei este: m = 0,4343m.
159
3. Dispozitivul experimental
Schema dispozitivului de măsurare este prezentată în fig. 4 şi
conţine următoarele părţi componente:
Fig. 4
1) Sursa de radiaţii gama (S.R.), constituită dintr-o capsulă ce
conţine un preparat de Co 60, este ecranată cu un “castel” de plumb care
asigură protecţia contra efectului nociv al radiaţiilor. Fasciculul de radiaţii
trece prin orificiul unui colimator de plumb (C).
2) Instalaţia de măsurare este constituită dintr-un detector Geiger -
Müler (C.G.M.) şi un numărător electronic (N.E.).
3) Plăcuţe (P) din Fe, Al şi Cu care se aşează între colimator şi
detector şi pentru care se măsoară coeficient de atenuare.
4. Modul de lucru
În tot timpul lucrării sursa de radiaţie şi detectorul rămân fixe,
deoarece numărul de cuante care ajung la detector depinde de unghiul
solid sub care cade fluxul de radiaţii pe detector. De asemenea, tensiunea
aplicată detectorului trebuie să rămână constantă.
Pentru efectuarea măsurătorilor se procedează astfel:
a) Se determină viteza de măsurare pentru fondul cosmic rf, sursa
fiind ecranată cu ajutorul unui ecran de Pb.
b) Se descoperă sursa de radiaţii şi se determină viteza de
numărare (r0) a radiaţiei incidente, proporţională cu 0I .
c) Se aşează treptat una, două şi trei plăcuţe absorbante de aceeaşi
160
grosime (= 1mm) din materiale diferite şi apoi se determină viteza de
numărare (r) proporţională cu intensitatea radiaţiei transmise (I).
d) Vitezelor de numărare obţinute r0 şi r se aplică corecţii datorită
timpului mort al instalaţiei (timpul de rezoluţie: sT 2102 -×= ) şi datorită
fondului cosmic rf. Deoarece activitatea sursei este mare, vitezele de
numărare corectate se vor determina folosind relaţiile:
1) pentru sursa liberă: TrrrR f ×+-= 2000
2) pentru sursa ecranată cu plăci absorbante: TrrrR f ×+-= 2
e) Valorile R0 şi R determinate se introduc în relaţia (5) şi se face
reprezentarea grafică pe hârtie milimetrică, punând în abscisă grosimea
plăcilor atenuatoare (în cm), iar în ordonată lg R. Se va obţine o dreaptă
asemănătoare cu cea din figura 3.
f) Se determină panta m a acestei drepte, care în valoare absolută
conform relaţiei (5) este:
m4343,0=m (6)
Din această relaţie se determină coeficientul de atenuare exprimat în1-cm :
)(3,24343,0
1-== cmmmm (7)
g) Se calculează coeficientul de atenuare masicărm exprimat în
gcm2 . Se cunoaşte densitatea materialelor utilizate:
39,7 cmgFe =r 37,2 cmgAl =r
39,8 cmgCu =r
h) Cu ajutorul valorii obţinute pentru coeficientul de atenuare şi al
curbei ( )Ef=m se determină energia E a cuantelor emise de sursa de
radiaţie.
i) Rezultatele obţinute se trec în tabelul 1 de mai jos.
j) Se vor fac observaţii asupra coeficientului de atenuare al
materialelor folosite.
161
Nr.
crt.fr 0R )(cmx R ( )1-cmm ( )gcm2rm ( )MeVE
1
2
3
Observaţii:
1. Dependenţa coeficientului de atenuare de energia radiaţiilor,
permite determinarea într-o primă aproximaţie a energiei radiaţiilor gama
emise de diferite surse. Pentru aceasta se foloseşte figura 2.
2. Coeficientul de atenuare este definit astfel:
rssm ××=×=N
Nn A
unde: - s este secţiunea eficace de împrăştiere,
- NA, numărul lui Avogadro,
- N, numărul de nuclee ţintă,
- r, densitatea materialului.