Определение толщины слоя половинного ослабления ионизирующего излучения для различных материалов»

Территория рекламы

Задание для студентов по лабораторной работе № 23

«Определение толщины слоя половинного ослабления ионизирующего излучения для различных материалов».

Цель работы: Сформировать представление о методах получения радионуклидов. Изучить основной закон радиоактивного распада. Изучить принцип работы газового счетчика. Определение с помощью счетчика Гейгера-Мюллера коэффициент поглощения лучей и величину слоя половинного ослабления, зависимость скорости счета от расстояния между источником излучения и детектором

Вопросы:

Тормозное и характеристическое рентгеновское излучение, их природа. Свойства рентгеновского излучения. Устройство рентгеновской лампы, регулировка спектра тормозного излучения. Характеристическое излучение, Закон Мозли. Линейный и массовый показатель ослабления излучения, их зависимость от жёсткости излучения. Использование рентгеновского излучения в диагностике и лучевой терапии. Методы защиты от рентгеновского излучения

Содержание занятия:

1.Выполнить работу по указаниям в руководстве к данной работе.

2.Оформить отчет.

3.Защитить работу с оценкой.

4. Решить задачи.

Задачи. 1. На какую глубину нужно погрузить в воду источник узкого пучка моноэнергетических -лучей (энергия квантов 1,6 Мэв), чтобы интенсивность пучка, выходящего из воды, была уменьшена в 1000 раз?

2. Интенсивность узкого пучка моноэнергетических j-лучей после прохождения через слой свинца толщиной 4 см уменьшилась в 8 раз.

Определить энергию 7;квантов и толщину слоя половинного ослабления.

3. Узкий пучок моноэнергетических -лучей (энергия квантов 2,4 Мэв) проходит через бетонную плиту толщиной 1 м.

Какой толщины плита чугуна даст такое же ослабление данного пучка -лучей?

4. Чугунная плита уменьшает интенсивность узкого пучка моноэнергетических у-лучей (энергия квантов 2,8 Мэв) в 10 раз.

Во сколько раз уменьшит интенсивность пучка свинцовая плита такой же толщины?

5. Узкий   пучок    моноэнергетических    f-лучей   проходит через свинец.

При каком значении энергии -квантов толщина слоя половинного ослабления будет максимальной? Определить наибольшую толщину слоя половинного ослабления для свинца.

6. Определить энергию ядерной реакции

Освобождается   или поглощается  энергия при  этой реакции?

6.1 То же (см. задачу 6)

6.2 То же (см. задачу 6)

6.3 То же (см. задачу 6)

Лабораторная работа № 23

Определение толщины слоя половинного ослабления ионизирующего излучения для различных материалов

Цель: Сформировать представление о методах получения радионуклидов. Изучить основной закон радиоактивного распада. Изучить принцип работы газового счетчика. Определение с помощью счетчика Гейгера-Мюллера коэффициент поглощения лучей и величину слоя половинного ослабления, зависимость скорости счета от расстояния между источником излучения и детектором..

Оборудование: Установка собранная на основе прибора УИМ2-3, эталонный источник бета излучения в защите, исследуемые вещества.

Ход работы:

Указание мер безопасности

1.1. Перед началом работы с измерителем необходимо ознакомиться с описанием принципа работы и порядком эксплуатации измерителя, приведенными в паспорте на прибор УИМ2-3.

1.2. При работе должны быть приняты следующие меры, обеспечивающие безопасность обслуживающего персонала:

— устройство должно быть надежно заземлено посредством клеммы заземления, расположенной на задней панели устройства, сечение заземляющего  проводника не менее 1,5 мм2;

— обслуживающий персонал должен быть ознакомлен с инструкцией по технике безопасности с электроприборами.

1.3. При работе измерителя совместно с блоками детектирования необходимо выполнять требования радиационной безопасности и техники безопасности, изложенные в технической, документации на блоки детектирования.

ВНИМАНИЕ! Во включенном состоянии прибора на разъемах «Канал I» и «Канал II» присутствует напряжение +400 В.

Подключение и отключение блоков детектирования к прибору во включенном состоянии — ЗАПРЕЩАЕТСЯ.

2. Порядок работы

Заземлите измеритель.

Подключите к измерителю блок детектирования с помощью кабеля и разъема, указанных в технической документации на блок детектирования.

Установите переключатель выбора полярности в положение, соответствующее полярности входных сигналов (для положительных импульсов «+», для отрицательных «–»).  

Подключите измеритель к сети переменного тока напряжением 220В и частотой 50Гц.

Нажмите кнопку СЕТЬ на передней панели, при этом должен загореться светодиод верхней шкалы «В» и множителя «X1». Прогрейте его в течение 15-20 минут.

Нажмите кнопку РАЗРЯД на 1—2с, при этом сбросятся показания измерительного прибора. (Примечание. Установка электрического нуля измерительного прибора осуществляется переменным резистором «УСТ. О» через отверстие в верхнем кожухе измерителя.).

Установите необходимый режим работы. При измерении средней скорости счета по первому каналу установите переключатель ИЗМЕРЕНИЕ в положение I, по второму каналу— в положение II. При измерении разности скоростей счета между первым и вторым каналами переключатель ИЗМЕРЕНИЕ установите в положение Д.

Для перевода показаний измерителя в истинное значение измеряемой величины ионизирующего излучения, на входе блока детектирования, необходимо пользоваться градуировочными характеристиками, приведенными в технической документации на применяемые блоки детектирования.

Примечание. Для исключения статистической составляющей погрешности установки порогов при работе с блоками детектирования БДБ2, БДМГ-41,БДМГ-41-01, БДМГ-41-03 и БДМГ-08Р в месте расположения блоков детектирования создайте мощность дозы, соответствующую ожидаемой пороговой скорости счета на УИМ2-3.

4. Выполнение работы

Используя различные материалы определить толщину слоя половинного ослабления для b-излучения:

Измерить фон в контейнере установки при отсутствии источника излучения.

Открыть плексиглазовое окно и закрепить в держателе контрольный источник, входящий в комплект установки.

Установить держатель на расстоянии 10-20 см от детектора.

Поместить на детектор образцы исследуемого материала разной толщины, произвести измерения скорости счета импульсов, добиваясь уменьшения скорости счета в три раза по сравнению с исходным.

4.1.5.. По полученным данным построить график зависимости скорости счета от толщины слоя исследуемого материала (V=f(d)) и определить толщину слоя половинного ослабления.

Определить зависимость скорости счета (V) от расстояния (h) между источником излучения и детектором.

Установить держатель с источником излучения на расстоянии 10 см от детектора излучения, произвести измерения скорости счета импульсов.

Увеличить расстояние между источником излучения и детектором на 5 см , произвести измерения скорости счета импульсов.

Повторять пункт 4.2.2. до расстояния  40 см.

По полученным данным построить график зависимости скорости счета от расстояния между источником излучения и детектором V=f(h). Проверить соотношение V1h12=V2h22 для произвольных двух точек графика V=f(h) ,при условии постоянства приемной  площади (S) детектора для излучения.

Оформить отчет и сделать выводы.

Рентгеновское излучение

Рентгеновским излучением называют электромагнитные волны с длиной приблизительно от 80 до 10-5 нм Наиболее длинноволновое рентгеновское излучение перекрывается коротковолновым ультрафиолетовым, коротковолновое — длинноволновым -излучением. По способу получения рентгеновское излучение подразделяют на тормозное и характеристическое

26.1. Устройство рентгеновской трубки.

Тормозное рентгеновское излучение

Наиболее распространенным источником рентгеновского излучения является рентгеновская трубка, которая представляет собой двухэлектродный вакуумный прибор  (рис. 26.1). Подогревный катод 1 испускает электроны 4. Анод 2, называемый часто антикатодом, имеет наклонную поверхность, для того чтобы направить возникающее рентгеновское излучение 3 под углом к оси трубки. Анод изготовлен из хорошо проводящего тепло материала для отвода теплоты, образующейся при ударе электронов. Поверхность анода выполнена из тугоплавких материалов, имеющих большой порядковый номер в таблице Менделеева, например из вольфрама. В отдельных случаях анод специально охлаждают водой или маслом.

Для диагностических трубок важна точечность источника рентгеновских лучей, чего можно достигнуть, фокусируя электроны в одном месте анода (антикатода). Поэтому конструктивно приходится учитывать две противоположные задачи: с одной стороны, электроны должны попадать на одно место антикатода, с другой стороны, чтобы не допустить перегрева, желательно распределение электронов по разным участкам анода. В качестве одного из интересных технических решений является рентгеновская трубка с вращающимся анодом (рис. 26.2).

В результате торможения электрона (или иной заряженной частицы) электростатическим полем атомного ядра и атомных электронов веществ антикатода возникает тормозное рентгеновское излучение.

Механизм его можно пояснить следующим образом. С движущимся электрическим зарядом связано магнитное поле, индукция которого зависит от скорости электрона. При торможении уменьшается магнитная индукция и в соответствии с теорией Максвелла появляется электромагнитная волна.

При торможении электронов лишь часть энергии идет на создание фотона рентгеновского излучения, другая часть расходуется на нагревание анода. Так как соотношение между этими частями случайно, то при торможении большого количества электронов возникает рентгеновское излучение с непрерывным (сплошным) спектром. На рис. 26.3 представлены зависимости потока рентгеновского излучения от длины волны А. (спектры) при разных напряжениях на рентгеновской трубке: Ul < U2 < U3.

В каждом из спектров наиболее коротковолновое тормозное излучение, соответствующее длине волны min, возникает тогда, когда энергия, приобретенная электроном в ускоряющем поле, полностью переходит в энергию фотона:

eU = hmax = hc/min,     (26.1)

откуда

min = hc/(eU)      (26.2)

Эту формулу можно преобразовать в более удобное для практических целей выражение:

min = 12,3/U,     (26.3)

где min — минимальная длина волны, 10-10 м; U — напряжение, кВ. Формула (26.3) соответствует рис. 26.3

Коротковолновое рентгеновское излучение обычно обладает большей проникающей способностью, чем длинноволновое, и называется жестким, а длинноволновое — мягким.

Увеличивая напряжение на рентгеновской трубке, изменяют спектральный состав излучения, увеличивая долю жесткой компоненты, как это видно из рис. 26.3 и формулы (26.3).

 

 Рис. 26.4    Рис. 26.5

Если увеличить температуру накала катода, то возрастут эмиссия электронов и сила тока в трубке. Это приведет к увеличению числа фотонов рентгеновского излучения, испускаемых каждую секунду. Спектральный состав его не изменится. На рис. 26.4 показаны спектры тормозного рентгеновского излучения при одном напряжении, но при разной силе тока накала катода: Iн1 <  Iн2.

Поток рентгеновского излучения вычисляется по формуле

     (26.4)

где U и I — напряжение между электродами и сила тока в рентгеновской трубке, Z — порядковый номер атома вещества антикатода, k = 10-9 В-1 — коэффициент пропорциональности. Спектры, полученные от разных антикатодов при одинаковых U и I н, изображены на рис. 26.5.

Рентгеновский аппарат

Простейший рентгеновский аппарат.Р- рентгеновская трубка,Т1-высоковольтный трансформатор,АТ- автотрансформатор,Т2-низковольтный трансформатор цепи накала, R-переменное сопротивление.

26.2. Характеристическое рентгеновское излучение.

Атомные рентгеновские спектры

Увеличивая напряжение на рентгеновской трубке, можно заметить на фоне сплошного спектра появление линейчатого, который соответствует характеристическому рентгеновскому излучению (рис. 26.6). Оно возникает вследствие того, что ускоренные электроны проникают в глубь атома и из внутренних слоев выбивают электроны. На свободные места переходят электроны с верхних уровней (рис. 26.7), в результате высвечиваются фотоны характеристического излучения. Как видно из рисунка, характеристическое рентгеновское излучение состоит из серий К, L, М и т. д., наименование которых и послужило для обозначения электронных слоев. Так как при излучении К-серии освобождаются места в более высоких слоях, то одновременно испускаются и линии других серий.

  

 Рис. 26.6      Рис. 26.7

В отличие от оптических спектров характеристические рентгеновские спектры разных атомов однотипны. На рис. 26.8 показаны спектры различных элементов. Однотипность этих спектров обусловлена тем, что внутренние слои у разных атомов одинаковы и отличаются лишь энергетически, так как силовое воздействие со стороны ядра увеличивается по мере возрастания порядкового номера элемента. Это обстоятельство приводит к тому, что характеристические спектры сдвигаются в сторону больших частот с увеличением заряда ядра. Такая закономерность известна как закон Мозли:

    (26.5)

где  — частота спектральной линии, Z -кающего элемента, А и В — постоянные.

Экспериментальные зависимости рис. 26.8 иллюстрируют закон Мозли (серии К, L, М, по оси абсцисс отложена длина волны  ).

Есть еще одна разница между оптическими и рентгеновскими спектрами. Характеристический рентгеновский спектр атома не зависит от химического соединения, в которое этот атом входит. Так, например, рентгеновский спектр атома кислорода одинаков для О, О2 и Н2О, в то время как оптические спектры этих соединений существенно различны. Эта особенность рентгеновского излучения атома послужила основанием и для его названия (характеристическое).

Характеристическое излучение возникает всегда при наличии свободного места во внутренних слоях атома независимо от причины, которая его вызвала. Так, например, характеристическое излучение сопровождает один из видов радиоактивного распада (см. § 27.1), который заключается в захвате ядром электрона с внутреннего слоя.

  Рис. 26.8

26.3. Взаимодействие рентгеновского излучения с веществом

Регистрация и использование рентгеновского излучения, а также воздействие его на биологические объекты определяются первичными процессами взаимодействия рентгеновского фотона с электронами атомов и молекул вещества.

В зависимости от соотношения энергии hv фотона и энергии ионизации1 Аи имеют место три главных процесса. (1 Здесь под энергией ионизации понимают энергию, необходимую для удаления внутренних электронов за пределы атома или молекулы.)

Когерентное (классическое) рассеяние. Рассеяние длинноволнового рентгеновского излучения происходит в основном без изменения длины волны, и его принято называть когерентным. Оно возникает, если энергия фотона меньше энергии ионизации: hv < Аи.

Так как в этом случае энергия фотона рентгеновского излучения и атома не изменяется, то когерентное рассеяние само по себе не вызывает биологического действия. Однако при создании защиты от рентгеновского излучения следует учитывать возможность изменения направления первичного пучка. Этот вид взаимодействия имеет значение для рентгеноструктурного анализа (см. § 19.7).

Некогерентное рассеяние (эффект Комптона). В 1922 г. А. X. Комптон, наблюдая рассеяние жестких рентгеновских лучей, обнаружил уменьшение проникающей способности рассеянного пучка по сравнению с падающим. Это означало, что длина волны рассеянного рентгеновского излучения больше, чем падающего. Рассеяние рентгеновского излучения с изменением длины волны принято называть некогерентным, а само явление — эффектом Комптона.

Он возникает, если энергия фотона рентгеновского излучения больше энергии связи электрона в атоме (энергии ионизации): hv > Аи.

Это явление обусловлено тем, что при взаимодействии с атомом энергия hv фотона расходуется на образование нового рассеянного фотона рентгеновского излучения с энергией hv', на отрыв электрона от атома (энергия ионизации Аи) и сообщение электрону кинетической энергии Ек:

hv = hv' + Аи. + Ек.     (26.6)

Так как обычно hv  Аи, и тогда эффект Комптона происходит как бы на свободных электронах, то можно записать приближенно

hv   hv' + Ек.      (26.7)

Существенно, что в этом явлении (рис 26.9) наряду с вторичным рентгеновским излучением (энергия hv' фотона) появляются электроны отдачи (кинетическая энергия Ек электрона). Атомы или молекулы при этом становятся ионами.

Фотоэффект. При фотоэффекте рентгеновское излучение поглощается атомом, в результате чего вылетают электроны из глубоких оболочек атома. Если энергия фотона недостаточна для ионизации, то фотоэффект может проявляться в возбуждении атомов без вылета электронов. Три основных процесса взаимодействия, рассмотренные выше, являются первичными, они приводят к последующим вторичным, третичным и т. д. явлениям. Так, например, атомы с вакансией (отсутствием) электрона на одной из внутренних оболочек могут излучать характеристический рентгеновский спектр, возбужденные атомы могут стать источниками видимого света (рентгенолюминесценция) и т. п.

На рис. 26.10 приводится схема возможных процессов, возникающих при попадании рентгеновского излучения в вещество. Может происходить несколько десятков процессов, подобных изображенному, прежде чем энергия рентгеновского фотона перейдет в энергию молекулярно-теплового движения.

  Рис. 26.10

Процессы, представленные схемой рис. 26.10, лежат в основе явлений, наблюдаемых при действии рентгеновского излучения на вещество. Перечислим некоторые из них.

Рентгенолюминесценция — свечение ряда веществ при рентгеновском облучении. Такое свечение платиносинеродистого бария позволило Рентгену открыть лучи. Это явление используют для создания специальных светящихся экранов с целью визуального наблюдения рентгеновского излучения, иногда для усиления действия рентгеновских лучей на фотопластинку.

Известно химическое действие рентгеновского излучения, например образование перекиси водорода в воде. Практически важный пример — воздействие на фотопластинку, что позволяет фиксировать такие лучи.

Ионизирующее действие проявляется в увеличении электропроводимости под воздействием рентгеновских лучей. Это свойство используют в дозиметрии для количественной оценки действия этого вида излучения.

В результате многих процессов первичный пучок рентгеновского излучения ослабляется в соответствии с законом. Запишем его в виде

Ф = Ф0е-х       (26.8)

где  — линейный коэффициент ослабления. Его можно представить состоящим из трех слагаемых соответствующих когерентному рассеянию к, некогерентному нк и фотоэффекту ф:

     (26.9)

Поток рентгеновского излучения ослабляется пропорционально числу атомов вещества, через которое этот поток проходит. Если сжать вещество вдоль оси X, например, в b раз, увеличив в b раз его плотность, то ослабление пучка не изменится, так как число атомов остается прежним. Следовательно, показатель степени в формуле (26.8) не изменится:

     (26.10)

x2 = x1/b, так как при сжатии толщина поглощающего слоя уменьшилась в b раз. Из (26.10) имеем 1 = 2/b.

Это означает, что линейный коэффициент ослабления зависит от плотности вещества.

Линейный коэффициент поглощения вещества увеличивается при увеличении атомного числа и плотности и зависит от энергии падающего рентгеновского излучения. В общем случае  увеличивается при уменьшении энергии рентгеновского излучения.

Рис.5. Изменение интенсивности рентгеновского излучения при прохождении через поглощающую среду

Поэтому предпочитают пользоваться массовым коэффициентом ослабления, который равен отношению линейного коэффициента ослабления к плотности поглотителя и не зависит от плотности вещества:

m = .       (26.11)

26.4. Физические основы применения рентгеновского излучения

в медицине

Одно из наиболее важных медицинских применений рентгеновского излучения — просвечивание внутренних органов с диагностической целью (рентгенодиагностика).

Для диагностики используют фотоны с энергией порядка 60 — 120 кэВ. При этой энергии массовый коэффициент ослабления в основном определяется фотоэффектом. Его значение обратно пропорционально третьей степени энергии фотона (пропорционально 3), в чем проявляется большая проникающая способность жесткого излучения, и пропорционально третьей степени атомного номера вещества-поглотителя:

     (26.12)

где k — коэффициент пропорциональности.

Поглощение рентгеновских лучей почти не зависит от того, в каком соединении атом представлен в веществе, поэтому можно легко сравнить по формуле (26.12) массовые коэффициенты ослабления mк кости Са3(РО4)2 и mк мягкой ткани или воды Н2О. Атомные номера Са, Р, О и Н соответственно равны 20, 15, 8 и 1. Подставив эти числа в (26.12), получим

Существенное различие поглощения рентгеновского излучения разными тканями позволяет в теневой проекции видеть изображения внутренних органов тела человека.

Рентгенодиагностику используют в двух вариантах: рентгеноскопия — изображение рассматривают на рентгенолюминесцирующем экране, рентгенография — изображение фиксируется на фотопленке.

Если исследуемый орган и окружающие ткани примерно одинаково ослабляют рентгеновское излучение, то применяют специальные контрастные вещества. Так, например, наполнив желудок и кишечник кашеобразной массой сульфата бария, можно видеть их теневое изображение.

Яркость изображения на экране и время экспозиции на фотопленке зависят от интенсивности рентгеновского излучения. Если его используют для диагностики, то интенсивность не может быть сделана большой, чтобы не вызвать нежелательных биологических последствий. Поэтому имеется ряд технических приспособлений, улучшающих изображение при малых интенсивностях рентгеновского излучения. При массовом обследовании населения широко используется вариант рентгенографии — флюорография, при которой на чувствительной малоформатной пленке фиксируется изображение с большого рентгенолюминесцирующего экрана. При съемке используют линзу большой светосилы, готовые снимки рассматривают на специальном увеличителе.

Интересным и перспективным вариантом рентгенографии является метод, называемый рентгеновской томографией, и его «машинный вариант» — компьютерная томография.

Рассмотрим этот вопрос.

Обычная рентгенограмма охватывает большой участок тела, причем различные органы и ткани затеняют друг друга. Можно избежать этого, если периодически совместно (рис. 26.11) в противоположных направлениях перемещать рентгеновскую трубку РТ и фотопленку Фп относительно объекта Об исследования. В теле имеется ряд непрозрачных для рентгеновских лучей включений, они показаны кружочками на рисунке. Как видно, рентгеновские лучи при любом положении рентгеновской трубки (1, 2 и т. д.) проходят через одну и ту же точку объекта, являющуюся центром, относительно которого совершается периодическое движение РТ и Фп. Эта точка, точнее небольшое непрозрачное включение, показана темным кружком. Его теневое изображение перемещается вместе с Фп, занимая последовательно положения 1, 2 и т. д. Остальные включения в теле (кости, уплотнения и др.) создают на Фп некоторый общий «фон», так как рентгеновские лучи непостоянно затеняются ими. Изменяя положение «центра качания», можно получить послойное рентгеновское изображение тела. Отсюда и название — томография (послойная запись).

Можно, используя тонкий пучок рентгеновского излучения, экран (вместо фотопленки), состоящий из полупроводниковых детекторов ионизирующего излучения (см. § 27.5), и ЭВМ, обработать теневое рентгеновское изображение при томографии. Такой современный вариант томографии (вычислительная или компьютерная рентгеновская томография) позволяет получать послойные изображения тела на экране электронно-лучевой трубки или на бумаге с деталями менее 2 мм при различии поглощения рентгеновского излучения до 0,1%. Это позволяет, например, различать серое и белое вещество мозга и видеть очень маленькие опухолевые образования.

Первая Нобелевская премия была присуждена К. Рентгену (1901), в 1979 г. Нобелевская премия была присуждена Г. Хаунсфилду и Мак-Кормаку за разработку компьютерного рентгеновского томографа.

С лечебной целью рентгеновское излучение применяют главным образом для уничтожения злокачественных образований (рентгенотерапия).

← Предыдущая
Страница 1
Следующая →

Скачать

Лабораторная работа№23 2014.doc

Лабораторная работа№23 2014.doc
Размер: 483.5 Кб

Бесплатно Скачать

Пожаловаться на материал

Лабораторная работа. Сформировать представление о методах получения радионуклидов. Изучить основной закон радиоактивного распада. Изучить принцип работы газового счетчика. Определение с помощью счетчика Гейгера-Мюллера коэффициент поглощения лучей и величину слоя половинного ослабления, зависимость скорости счета от расстояния между источником излучения и детектором

У нас самая большая информационная база в рунете, поэтому Вы всегда можете найти походите запросы

Искать ещё по теме...

Похожие материалы:

Афферентті инверцияға әсер ететін дәрілер.

Анестезиялық, тұтқыр, қаптапалушы және адсорбциялаушы дәрілер. Әсерінің механизмі, қолданылуы. Жағымсыз әсері.

Педагогическая практика. Методическое пособие

Педагогическая практика магистрантов - это неотъемлемый вид научно-исследовательской работы магистранта, являющийся обязательной составляющей

Лафетные пожарные стволы

Лафетные пожарные стволы: назначение, устройство, характеристика. Техника безопасности при работе со стволом.

Технология строительства стволов в сложных горно-геологических условиях.

Искусственное замораживание пород.

Интернет страница кафедры с гипермедиа разметкой контента

Факультет информатики Кафедра Прикладной информатики Дисциплина: Интеллектуальные системы Лабораторная работа на тему: «Интернет страница кафедры с гипермедиа разметкой контента»

Сохранить?

Пропустить...

Введите код

Ok