Лабораторная работа №3. Определение максимальной энергии бета-излучения по поглощению

Излучения в алюминии

Электроны и позитроны, образующиеся в результате распа­да атомных ядер, принято называть бета-частицами. Бета-частицы расходуют свою энергию в основном на ионизацию и возбуждение атомов и молекул вещества, в котором распро­страняется излучение. Кроме того, бета-частицы могут те­рять энергию при замедлении их в поле ядер, что вызывает появление квантов электромагнитного излучения (так назы­ваемое тормозное рентгеновское излучение). Потери энергии на тормозное излучение пропорциональны кинетической энер­гии электрона и квадрату атомного номера поглощающего материала. В свинце, например, потери энергии на тормоз­ное излучение становятся равными потерям на ионизацию при начальной энергии электронов Е=10 МэВ. Для бета-ча­стиц, испускаемых большинством радионуклидов, потери энергии на это излучение крайне малы по сравнению с ионизационными потерями.

При взаимодействии с атомными электронами поглощающего веще­ства бета-частицы легко рассеиваются (отклоняются от первоначального направления движения). Причина этого заключается в том, что масса бета-частицы ничтожно мала по сравнению с массой ядра встречного атома. Поэтому траектории бета-частиц в веществе не прямолинейны и их длина оказываются в 1,5–4 раза больше толщины по­глощающего слоя. На практике величину истинного пробега бета-частиц не определяют. Поэтому проника­ющую способность бета-излучения характеризуют величиной максимального пробега бета-частиц R_max (от английского range – пробег). Максимальный пробег определяется как минимальная толщина поглотителя, при которой полностью задерживаются бета-частицы с начальной энергией, равной максимальной энергии бета-спектра (Е_мах).

Чтобы подчеркнуть совместную роль процессов поглоще­ния и рассеяния в уменьшении числа бета-частиц с ростом толщины поглотителя, обычно говорят об ослаблении бета-излучения веществом.

Рассмотрим простейший метод определения величины максимального пробега. Между бета-радиоактивным препа­ратом и детектором, регистрирующим излучение, помещают различное число пластинок поглотителя. В качестве погло­щающего материала обычно используется алюминий. В про­цессе работы отмечают показания прибора, регистрирующе­го бета-частицы, при различной толщине поглощающего слоя. По полученным данным строят кривую ослабления в полулогарифмическом масштабе и определяют R_max. Макси­мальному пробегу бета-частиц отвечает такая толщина по­глотителя, начиная с которой дальнейшее увеличение погло­щающего слоя не приводит к снижению регистрируемого при­бором числа частиц (этот постоянный уровень показаний при­бора соответствует фону).

Связь максимального пробега в алюминии с максималь­ной энергией бета-спектра хорошо изучена. Зна­чения максимального пробега для различных энергий бета-частиц приведены в специальных таблицах. Кроме того, для разных интервалов энергии бета-частиц предложено большое число эмпирических формул.

Оценить величину максимального пробега бета-частиц можно также путем измерения слоя половинного ослабления бета-излучения. Слоем половинного ослабления бета-излу­чения (d_1/2) называют толщину поглотителя, снижающего вдвое начальное количество частиц. Максимальный пробег, слой половинного поглощения и толщину поглотителя выражают в единицах длины (мм, см) или в единицах поверхностной плотности (мг/см², г/см²), которые связаны между собой соотношением

d = l · r, (3.1)

где r – плотность поглощающего вещества, г/см³.

В пределах толщин 0,05 R_max < d <0,35 R_max ослабление бета-частиц описывается экспоненциальной зависимостью

N_d = N₀.e^-μd,

где N_d – скорость счета при толщине поглотителя d;

N₀ – скорость счета при отсутствии поглотителя;

m – массовый коэффициент ослабления (см²/г), связан­ный со слоем половинного ослабления соотношением m=0,693/d_1/2.

Прологарифмировав, получим

lnN_d = lnN₀ – 0,693· d/d_1/2,

откуда

d_1/2 = 0,693· d/(lnN₀ – lnN_d). (3.2)

Таким образом, чтобы определить максимальную энергию бета-излуче­ния, необходимо измерить скорость счета от препарата сна­чала без поглотителя (N₀), а затем с поглотителем (N_d). Рассчитав d_1/2, по справочной табл. 3.2 определяют Е_mах. Зная Е_mах, можно, используя соответствующие справочники (табл.3.3), судить о том, какой радионуклид находится в измеряемой пробе.

Цель работы: Определить экспериментальным путем слой половинного ослабления бета-излучения и научиться использовать эту величину на практике.