Harvard Natural Sciences Lecture Demonstrations
Was es zeigt
Die Wechselwirkungen der verschiedenen Strahlungen mit der Materie sind einzigartig und bestimmen ihre Durchdringbarkeit durch die Materie und folglich die Art und den Umfang der für den Strahlenschutz erforderlichen Abschirmung. Da Gammastrahlen elektrisch neutral sind, ist die Wechselwirkung mit Materie ein statistischer Prozess und hängt von der Art des Absorbers und der Energie der Gammastrahlung ab. Die Wahrscheinlichkeit, dass eine Gammastrahlung eine bestimmte Dicke des absorbierenden Materials durchdringt, ist immer endlich. Im Gegensatz zu geladenen Partikelstrahlen, die im Absorber eine maximale Reichweite haben, bei der alle unabhängig von der Stärke der Quelle gestoppt werden, werden einige Gammastrahlen immer durchdringen, und bei einer ausreichend starken Quelle können viele durchdringen.
Wie es funktioniert
Diese Demo wird normalerweise in Verbindung mit der Quellen- und Detektions-Demo präsentiert; Details über die hier verwendeten Radionuklide und Detektoren finden sich auch in dieser Anleitung.
(1) Alphateilchen interagieren mit Materie hauptsächlich durch Coulomb-Kräfte zwischen ihrer positiven Ladung und der negativen Ladung der atomaren Elektronen im Absorber. Der Bereich der Alphateilchen einer bestimmten Energie ist eine ziemlich einzigartige Größe in einem bestimmten Absorbermaterial. Bei einer gegebenen Energie sind Alphateilchen viel langsamer als Betateilchen, was zu größeren Impulsen führt. Außerdem hat ein Alphateilchen aufgrund seiner doppelten Ladung (+2e) eine sehr hohe Energieverlustrate in der Materie, was es zu einer stark ionisierenden Strahlung macht. Folglich ist die Eindringtiefe von Alphateilchen im Vergleich zu den anderen Strahlungen sehr gering. Bei Materialien mit geringer Dichte liegt die Reichweite von 5,5 MeV-Alphateilchen (von Am-241) zwischen 4,5 und 5 mg/cm2; bei Materialien mit höherer Dichte liegt die Reichweite zwischen 5 und 12 mg/cm2. The table below gives some specific values.
| Absorber | Density | Alpha Range | |
|---|---|---|---|
| air (STP) | 1.2 mg/cm3 | 3.7 cm | – |
| paper (20lb) | 0.89 g/cm3 | 53 µm | one sheet = 89 µm |
| water (soft tissue) | 1.0 g/cm3 | 45 µm | will not penetrate skin |
The thickness of a single sheet of paper (0.0035″) is enough to stop all the alphas.
(2) Beta particles also interact through Coulomb forces with the atomic electrons. Betas have much higher speeds due to their smaller mass, and smaller impulses are involved in collisions. Ihr Eindringen in die Materie ist daher wesentlich größer als das von Alphateilchen, aber aufgrund der Art der Coulomb-Kraft-Wechselwirkungen werden auch Betateilchen (im Vergleich zu Gammateilchen) von sehr wenig Materie aufgehalten. Da ihre Masse mit der der streuenden Elektronen identisch ist, sind große Abweichungen auf dem Weg der Betateilchen möglich, und selbst dünne Absorber schwächen Betateilchen ab, da sie leicht aus dem direkten Strahl herausgestreut werden. Ein weiterer Unterschied, der den Vergleich erschwert, besteht darin, dass Betateilchen im Gegensatz zu monoenergetischen Alphateilchen ein kontinuierliches Energiespektrum aufweisen, wobei die durchschnittliche Energie etwa 1/3 des Maximums beträgt. Die niederenergetischen Betateilchen werden schnell abgeschwächt.
Eine nützliche Faustregel für die maximale Reichweite von Elektronen ist, dass die Reichweite (in gm/cm2) der Hälfte der maximalen Energie (in Mev) entspricht. Dies wird natürlich durch die Dichte erschwert: Die Elektronenreichweite beträgt in Materialien mit geringer Dichte etwa 2 mm pro MeV und in Absorbern mittlerer Dichte etwa 1 mm pro MeV. For our Sr/Y-90 source (maximum beta energy = 2.27 MeV, average energy = 1.13 MeV), more precise beta ranges are tabulated below:
| Absorber | Density | Depth (2.3 MeV) | Depth (1.1 MeV) |
|---|---|---|---|
| air | 1.2 mg/cm3 | 8.8 m | 3.8 m |
| water (soft tissue) | 1.0 g/cm3 | 11 mm | 4.6 mm |
| plastic (acrylic) | 1.2 | 9.6 | 4.0 |
| glass (Pyrex) | 2.2 | 5.6 | 2.2 |
| aluminum | 2.7 | 4.2 | 2.0 |
| copper | 8.9 | 1.2 | 0.5 |
| lead | 11.3 | 1.0 | 0.4 |
C-14 gibt Betas mit einer maximalen Energie von 0,156 MeV und einer durchschnittlichen Energie von 0,049 MeV ab. Die maximale Reichweite von C-14-Betas beträgt nur 0,25 mm (0,01″) in Kunststoff. Wir haben beide Quellen und es ist schön, sie zu vergleichen. Ein Harvard-Ausweis ist etwa 0,8 mm dick und stoppt alle C-14-Betas. Anders sieht es aus, wenn man zur Sr-90-Quelle übergeht. Ein 9,6 mm dickes Stück Plastik ist erforderlich, um alle Sr-90-Betas zu stoppen.
(3) Die Wechselwirkung von Gammastrahlen mit Materie ist völlig anders als die von geladenen Teilchen. Da keine Ladung vorhanden ist, gibt es keine Coulomb-Wechselwirkungen, so dass die Gammastrahlen viel durchdringender sind. Die Wechselwirkungen, die auftreten, erfolgen über den photoelektrischen Effekt, die Compton-Streuung und die Paarbildung. Die Wahrscheinlichkeit für jedes dieser Ereignisse wird durch einen Wirkungsquerschnitt angegeben, und die linearen Schwächungskoeffizienten für Gammastrahlen werden durch diese Wirkungsquerschnitte definiert.
Da die linearen Schwächungskoeffizienten mit der Dichte des Absorbers variieren, selbst bei gleichem Absorbermaterial, ist der Masseschwächungskoeffizient μ/ρ (linearer Schwächungskoeffizient μ in 1/cm-1 geteilt durch die Dichte ρ in g/cm3) nützlicher, und das Dämpfungsgesetz wird wie folgt geschrieben
I = Ioe-(μ/ρ)ρt Gleichung (1)
wobei I die Intensität der Strahlung und t die Dicke ist. Das Produkt ρt ist der signifikante Parameter und die Einheiten (wie bei β- und α-Teilchen) sind mg/cm2, was den Exponenten in Gleichung (1) dimensionslos macht.
Im Gegensatz zu geladenen Teilchen wird immer ein gewisser Prozentsatz der Gammastrahlung den Absorber durchdringen, und es ist nützlich, die Halbwertdicke eines gegebenen absorbierenden Materials für die interessierenden Gammastrahlenenergien zu betrachten. Die Halbwertsdicken werden anhand von Gleichung (1) unter Verwendung der linearen Schwächungs- oder Massenschwächungskoeffizienten bestimmt, die in den nachstehenden Referenzen aufgeführt sind. Absorbers of these thicknesses attenuate the radiation reaching the detector by a factor of two and some of the common ones are tabulated below for Co-60 (1.33 and 1.17 MeV) and Cs-137 (662 keV).
| Absorber Material | Co-60 HVL (cm) | Cs-137 HVL (cm) | Co-60 1/10 VL (cm) | Cs-137 1/10 VL (cm) |
|---|---|---|---|---|
| water (soft tissue) | 13 | 9.5 | – | – |
| plastic (acrylic) | 11 | 7.9 | – | – |
| steel | 2.1 | 1.6 | 6.9 | 5.3 |
| lead | 1.0 | 0.6 | 4.0 | 2.1 |
Aufstellen
Eine Co-60-Quelle (mit der Bezeichnung #9) aus dem Labor Phys 191 ist die geeignetste Quelle für diese Demonstration in Bezug auf die Stärke (4 Mikro-Ci, Stand 2016 … Halbwertszeit ist 5,27 Jahre). Positionieren Sie die Quelle etwa 2,5 Zoll vor dem Geiger-Muller-Rohr. Ein 1/2 Zoll dickes Stück Blei reduziert die Zählrate um den Faktor zwei und ein 1,5 Zoll dickes Stück reduziert die Rate um den Faktor zehn.
Plastik, Aluminium, Stahl, Blei und viele andere Absorber sind je nach Bedarf erhältlich. Ihre Dicke reicht von Hunderten von Mikrometern (Folien) bis zu mehreren Zentimetern. Der Absorber wird einfach über das dünne Endfenster des G-M-Rohrs gestülpt.
Wenn man eine einfache Demonstration nicht in eine langwierige Laborübung verwandeln will, ist es am besten, sich vorher zu überlegen, welche Merkmale man den Zuhörern vermitteln möchte, und die entsprechenden Absorber und Dicken zu verwenden, um den Punkt zu verdeutlichen.
AIP Physics Desk Reference, herausgegeben von E. Richard Cohen, David R. Lide, George L. Trigg, (Springer, New York, 2003)
G.F. Knoll, Radiation Detection and Measurement, 2nd ed, (Wiley, NY, 1989)
G.W. Morgan, Some Practical Considerations in Radiation Shielding, Isotopes Division Circular B-4, (U.S. Atomic Energy Commission, Oak Ridge)
CRC Handbook of Radioactive Nuclides, edited by Y. Wang, (Chemical Rubber Company, Ohio, 1969)
A.H. Wapstra, G.J. Nijgh, and R. Van Lieshout, Nuclear Spectroscopy Tables, (North Holland, Amsterdam, 1959)
X-ray Attenuation Coefficients from 10 keV to 100 MeV, National Bureau of Standards Circular No. 583
https://physics.nist.gov/PhysRefData/XrayMassCoef/tab3.html
https://physics.nist.gov/PhysRefData/XrayMassCoef/tab2.html
In der Tat wurden in den Anfängen der Strahlungsmessung Alphateilchenenergien indirekt gemessen, indem man die Absorberdicke bestimmte, die ihrer mittleren Reichweite entsprach.
Die Reichweite wird als (Dichte)×(Dicke) ausgedrückt, was als Masse/Flächeneinheit des Absorbers mit einer bestimmten Dicke geschrieben wird. Historisch gesehen sind die Einheiten mg/cm2. Die Dichte-Dicke (manchmal auch als Masse-Dicke bezeichnet) ist ein nützliches Konzept, wenn es um den Energieverlust von Alphas und Betas geht, denn bei Absorbermaterialien mit ähnlichem Neutronen/Protonen-Verhältnis trifft ein Teilchen beim Durchgang durch Absorber gleicher Dichte-Dicke auf etwa die gleiche Anzahl von Elektronen. Daher sind das Bremsvermögen und die Reichweite, wenn sie in diesen Einheiten ausgedrückt werden, für Materialien, die sich in Z nicht stark unterscheiden, ungefähr gleich.
Das Papier wiegt 4,77 gm/Blatt, was eine Dichte von 0,89 gm/cm3 und eine Dichte-Dicke von 7,9 mg/cm2 ergibt
Diese Faustregel gilt nur, wenn E > 0,8 MeV. Für andere Energiebereiche siehe Wang, S. 912.
Die Werte stammen von Y. Wang (Referenz). Eine weitere Faustregel besagt, dass der Halbwertsbereich etwa 1/7 des Maximalbereichs beträgt, aber zwischen 1/5 und 1/10 schwanken kann (je nach Beta-Energie und Absorberdichte).
Der Massenabsorptionskoeffizient hängt auch von der Energie der Strahlung ab. Um die Halbwertsschicht für ein bestimmtes Material und eine bestimmte Strahlungsenergie zu berechnen, muss man den „Massenenergie-Absorptionskoeffizienten“ im CRC Handbook oder AIP Physics Desk Reference nachschlagen, je nachdem, welches Nachschlagewerk gerade zur Hand ist.