Harvard Természettudományi előadások
Mit mutat
A különböző sugárzásoknak az anyaggal való kölcsönhatásai egyediek, és meghatározzák az anyagon való áthatolásukat, következésképpen a sugárvédelemhez szükséges árnyékolás típusát és mennyiségét. Mivel elektromosan semlegesek, a gammasugarak anyaggal való kölcsönhatása statisztikai folyamat, és függ az abszorber jellegétől, valamint a gamma energiájától. Mindig van egy véges valószínűsége annak, hogy egy gamma áthatol egy adott vastagságú elnyelő anyagon, és így, ellentétben a töltött részecskesugárzással, amelynek van egy maximális tartománya az elnyelőben, ahol minden megáll, függetlenül a forrás erősségétől, néhány gamma mindig átjut, és egy elég erős forrás esetén sok is átjuthat.
Hogyan működik
Ezt a bemutatót általában a Források és detektálás bemutatóval együtt szokták bemutatni; az itt használt radionuklidokról és detektorokról szóló részletek szintén abban a leírásban találhatók.
(1) Az alfa-részecskék elsősorban a pozitív töltésük és az abszorberben lévő atomelektronok negatív töltése közötti Coulomb-erők révén lépnek kölcsönhatásba az anyaggal. Az adott energiájú alfák tartománya meglehetősen egyedi mennyiség egy adott abszorber anyagban. Adott energia esetén az alfa-részecskék sokkal lassabbak, mint a béta-részecskék, így nagyobb impulzusokat keltenek. Ezenkívül kettős töltése (+2e) miatt az alfa-részecskéknek nagyon nagy az energiaveszteségük az anyagban, így erősen ionizáló sugárzássá válnak. Következésképpen az alfa-részecskék behatolási mélysége nagyon kicsi a többi sugárzáshoz képest. Kis sűrűségű anyagok esetében az 5,5 MeV-os alfa-részecskék (Am-241-ből származó) tartománya 4,5 és 5 mg/cm2 között van; a nagyobb sűrűségű anyagok 5 és 12 mg/cm2 közötti tartományt adnak. 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. Az anyagba való behatolásuk így lényegesen nagyobb, mint az alfáké, de a Coulomb-erő kölcsönhatások természete miatt a bétákat is nagyon kevés anyag állítja meg (a gammákhoz képest). Mivel tömegük megegyezik a szóró elektronok tömegével, a béta-részecskék útjában nagy eltérések lehetségesek, és még a vékony abszorberek is csillapítják a bétákat, mivel azok könnyen szóródnak ki a közvetlen sugárból. Egy másik különbség, ami megnehezíti az összehasonlítást, hogy a monoenergetikus alfákkal ellentétben a béta-részecskék az energiák folyamatos spektrumában jelennek meg, az átlagos energia a maximum 1/3-át teszi ki. Az alacsony energiájú béták gyorsan csillapodnak.
Az elektronok maximális tartományára vonatkozó hasznos ökölszabály az, hogy a tartomány (gm/cm2-ben) a maximális energia (Mev-ben) fele. Ezt természetesen bonyolítja a sűrűség: az elektronok hatótávolsága alacsony sűrűségű anyagokban általában kb. 2 mm/meV, közepes sűrűségű abszorberekben pedig kb. 1 mm/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 bétát bocsát ki, amelynek maximális energiája 0,156 MeV, átlagos energiája pedig 0,049 MeV. A C-14 béták maximális tartománya mindössze 0,25 mm (0,01″) műanyagban. Mindkét forrással rendelkezünk, és jó szembeállítani őket. Egy harvardi személyi igazolvány körülbelül 0,8 mm vastag, és minden C-14 bétát megállít. Nem így van ez, ha átváltunk az Sr-90-es forrásra. Egy 3/8″ (9,6 mm) vastagságú műanyagdarab szükséges az összes Sr-90 béta megállításához.
(3) A gammasugarak anyaggal való kölcsönhatása teljesen más, mint a töltött részecskéké. A töltés hiánya kiküszöböli a Coulomb kölcsönhatásokat, és lehetővé teszi, hogy a gammasugarak sokkal áthatóbbak legyenek. A kölcsönhatások a fotoelektromos hatás, a Compton-szórás és a párképződés révén jönnek létre. Ezek közül bármelyik bekövetkezésének valószínűségét egy keresztmetszet határozza meg, és a gammasugarak lineáris csillapítási együtthatóit ezek a keresztmetszetek határozzák meg.
Mivel a lineáris csillapítási együtthatók az abszorber sűrűségének függvényében változnak, még azonos abszorberanyag esetén is, hasznosabb a μ/ρ tömegcsillapítási együttható (μ lineáris csillapítási együttható 1/cm-1-ben, osztva a ρ sűrűséggel g/cm3-ben), és a csillapítási törvény a következőképpen írható fel
I = Ioe-(μ/ρ)ρt (1. egyenlet)
ahol I a sugárzás intenzitása és t a vastagság. A ρt szorzata a szignifikáns paraméter, és a mértékegység (a β és α részecskékhez hasonlóan) mg/cm2 , így az (1) egyenletben szereplő exponens dimenziótlan.
A töltött részecskékkel ellentétben a gammasugárzás bizonyos százaléka mindig átjut az abszorberen, és hasznos az adott abszorbens anyag vastagságának felezőértékét figyelembe venni az érdeklődésre számot tartó gammasugárzási energiák esetén. A félérték vastagságokat az (1) egyenletből határozzuk meg az alábbi hivatkozásokban található lineáris csillapítási vagy tömegcsillapítási együtthatók segítségével. 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 |
Beállítás
A Phys 191 laborból származó Co-60 forrás (#9-es jelzéssel) a legmegfelelőbb forrás ehhez a demonstrációhoz az erősség szempontjából (4 micro Ci 2016-tól … a felezési idő 5,27 év). Helyezzük el körülbelül 2,5 hüvelyknyire a Geiger-Müller-cső előtt. Egy 1/2″ vastag ólomdarab kétszeresére csökkenti a számlálási sebességet, egy 1,5″ vastag darab pedig tízszeresére.
Műanyag, alumínium, acél, ólom és sok más abszorber áll rendelkezésre szükség szerint. Vastagságuk a több száz mikrontól (fóliák) a több centiméteres vastagságig terjed. Az abszorber egyszerűen a G-M cső vékony végablakára kerül.
Az ember nem igazán akar egy egyszerű demonstrációból hosszadalmas laboratóriumi gyakorlatot csinálni, ezért a legjobb, ha előre eldönti, hogy milyen kiemelkedő tulajdonságokat akar a hallgatóságnak bemutatni, és a megfelelő abszorbereket és vastagságokat használja a cél érdekében.
AIP Physics Desk Reference, szerkesztette: 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, szerkesztette 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
Valóban, a sugárzásmérés kezdeti időszakában az alfa-részecskék energiáit közvetett módon, az átlagos tartományuknak megfelelő abszorbervastagság meghatározásával mérték.
A tartományt a (sűrűség)×(vastagság) értékével fejezik ki, amelyet az adott vastagságú abszorber tömeg/egységnyi területeként írnak fel. Történelmileg a mértékegység mg/cm2 volt. A sűrűség-vastagság (néha tömegvastagságnak is nevezik) hasznos fogalom az alfák és béták energiaveszteségének tárgyalásakor, mivel hasonló neutron/proton arányú abszorber anyagok esetén egy részecske körülbelül ugyanannyi elektronnal találkozik, ha azonos sűrűség-vastagságú abszorbereken halad át. Ezért a megállítóteljesítmény és a hatótávolság, ha ezekben az egységekben fejezzük ki, nagyjából megegyezik olyan anyagok esetében, amelyek nem különböznek nagymértékben Z-ben.
A papír tömege 4,77 g/lap, ami 0,89 gm/cm3 sűrűséget és 7,9 mg/cm2 sűrűségvastagságot ad
Ez az ökölszabály csak akkor alkalmazható, ha E > 0,8 MeV. Más energiatartományokra vonatkozóan lásd Wang, 912. o.
Az értékek Y. Wang-tól származnak (hivatkozás). Egy másik ökölszabály szerint a félértéktartomány körülbelül a maximális tartomány 1/7-e, de 1/5 és 1/10 között változhat (a béta energiától és az abszorber sűrűségétől függően).
A tömegelnyelési együttható a sugárzás energiájától is függ. Ha ki akarjuk számítani a félértékréteget egy adott anyagra és adott sugárzási energiára, akkor a CRC Handbook-ban vagy az AIP Physics Desk Reference-ban, vagy amelyik kéznél van, utána kell nézni a “tömegenergia-elnyelési együtthatónak”.