Лабораторная работа по предмету «Физика»

На тему «Изучение радиационной защиты на компьютерной модели»

Задание:

Комментарий: Цель работы: Целью работы является исследование на компьютерной модели защиты от ионизирующих излучений, в том числе: 1) установить зависимость дозы ионизирующего излучения от расстояния до источника при разных формах источника; 2) установить зависимость защитных свойств поглотителя ионизирующего излучения от его положения относительно источника; 3) сравнить эффективность защиты различных поглотителей ионизирующего излучения. 1. Краткая теоретическая справка. 1.1 Ионизирующие излучения. Под ионизирующим излучением понимается поток микрочастиц или электромагнитных волн, взаимодействие которых с веществом приводит к ионизации его молекул (отрыву электронов). Виды ионизирующих излучений: − альфа-излучение (оно состоит из ядер гелия 2 4 He, называемых в этом случае альфа-частицами); − бета-излучение (состоит из электронов, называемых при этом бетачастицами); − рентгеновское излучение (это электромагнитное излучение с длиной волны от 10–10 до 10–14 м); − гамма-излучение (также электромагнитное излучение, с длиной волны менее 10–14 м).1.2. Основы дозиметрии. Для характеристики воздействия ионизирующих излучений используются три дозы: экспозиционная, поглощённая и эквивалентная. Экспозиционная доза  это суммарный положительный заряд, образующийся при ионизации 1 кг воздуха при нормальных условиях: , (1) m q X  Единицы измерения экспозиционной дозы  кулон на килограмм (Кл / кг) и рентген (Р), причём Кл / кг. Экспозиционная доза пропорциональна поглощённой дозе; а для воды и мягких биологических тканей вообще X [Р]  D [рад]. Экспозиционная доза является количественной характеристикой излучения, её обычно измеряют счётчиками ионизирующих излучений. Мощность экспозиционной дозы – это суммарный положительный заряд, образующийся при ионизации 1 кг воздуха при нормальных условиях за 1 секунду излучения. ̇ Поглощённая доза  это энергия ионизирующего излучения, поглощённая единицей массы вещества за все время излучения: , (3) m E D  , Единицы измерения поглощённой дозы  грей (Гр) и рад, причём 1 Гр =100 рад. Поглощённая доза является по существу “физической”, ибо определяет результат взаимодействия излучения с веществом (см. п. 7.1). Эквивалентная доза - это энергия излучения, поглощенная единицей массы живого биологического объекта за все время излучения. По сути является “биологической дозой”, т.е. мерой воздействия излучения на биологические объекты. Она равна где k  коэффициент качества, D  поглощённая доза. Единицы измерения эквивалентной дозы  зиверт (Зв) и бэр, причём 1 Зв = 100 бэр. Здесь коэффициент качества, безразмерная величина, характеризует относительное биологическое действие определённого излучения − по сравнению с рентгеновским излучением. Например, для -излучения , а для -излучения . Величина коэффициента качества связана со степенью ионизации, производимой на единичном пути пробега излучения в объекте. 1.3. Защита от ионизирующих излучений. Выделяют три вида защиты от ионизирующих излучений. 1) “Защита расстоянием” связана с тем, что по мере удаления от источника частицы излучения распределяются по всё большей поверхности и на человека их попадает всё меньше. 2) “Защита временем” означает уменьшение времени работы с опасными источниками излучений. 3) “Защита материалом“ подразумевает использование защитного поглотителя излучения. В основе защиты материалом лежит закон поглощения излучения, определяющий ослабление ионизирующего излучения при прохождении через поглотитель: , где I0  интенсивность излучения, падающего на поглотитель; I  интенсивность излучения, выходящего из поглотителя; d  толщина поглотителя,  – коэффициент поглощения (вещества поглотителя).Характеристикой ослабления излучения в конкретном веществе является коэффициент поглощения. Чем он больше, тем сильнее гасится излучение в веществе. Кроме сорта вещества, этот коэффициент зависит от вида излучения и его энергии. Используется также толщина половинного поглощения. Это слой, в котором поглощается половина падающего излучения (рис. 1). Толщина половинного поглощения (d1/2) обратно пропорциональна коэффициенту поглощения ():  ln 2 d1 / 2  , что следует из закона (5). Ионизирующие излучения, слабо взаимодействующие с веществом, проходят в веществе сравнительно большой путь и называются проникающими излучениями. Таковыми являются нейтральные излучения: рентгеновское и гамма-излучение. Соответственно, непроникающие излучения сильно взаимодействуют с веществом и проходят в веществе относительно малый путь. Это заряженные излучения: альфа- и бета-излучение. 2. Описание экспериментальной установки. Работа выполняется с помощью прикладной программы “Дозиметрия” (файл ion2.exe). Работа программы основана на законе поглощения ионизирующих излучений (5). В программе моделируется работа счётчика ионизирующего излучения, который измеряет мощность экспозиционной дозы от заданного источника при определённом виде поглотителя. Причём рассматривается одномерный случай, т.е. счётчик “смотрит” прямо на источник, а плоскость размещения источника и плоский поглотитель перпендикулярны этому лучу В программе используются в основном изотопы, являющиеся источниками гамма-излучения. Они имеют довольно большие периоды полураспада, например: 131I – 8,04 сут; 59Fe – 44,5 сут; 60Co – 5,27 года. Поэтому уменьшение дозы со временем можно не учитывать! Наша программа позволяет варьировать: 1) свойства источника: вид (3 вида) и геометрические характеристики источника излучений: форму и объем (от 1 до 100 мм3 ); 2) свойства поглотителя: вид материала (4 вещества) и его толщину (от 0 до 35 см); 3) расстояние от источника до поглотителя. Счётчик ионизирующего излучения в программе перемещается по полю «Схема опыта», расположенному в верхней части рабочей области, методом drag-and-drop, т.е. указателем мыши при нажатой левой клавише.3. Рекомендации по проведению эксперимента. 3.1. Зависимость дозы ионизирующего излучения от расстояния до источника при разных формах источника. 3.1.1. Установите следующие параметры в программе форму источника – шарик; объем источника – 1 мм3 ; вид изотопа источника – как укажет преподаватель; толщину поглотителя – 0 см. 3.1.2. Проведите измерение мощности экспозиционной дозы ионизирующего излучения ( ̇) на разных расстояниях счетчика от источника (r). Результаты записать в таблицу Табл. №… Измерение мощности экспозиционной дозы на различном расстоянии от источника в форме «шарика» (для изотопа указать вид). r, см 10 20 30 40 50 60 ̇ , мР/ч 3.1.3. Повторите п.п. 3.1.1-3.1.2 для форм источника «нить» и «пластина», не меняя вид изотопа*. *у Вас должно получиться 3 таблицы. 3.2. Зависимость защитных свойств поглотителя ионизирующего излучения от его положения относительно источника. 3.2.1. Установите следующие параметры в программе: форма источника – шарик; объем источника -10 мм 3 ; вид изотопа источника – как укажет преподаватель; толщина поглотителя – 10 см; расстояние счетчика от источника – 70 см. 3.2.2. Проведите измерение мощности экспозиционной дозы ионизирующего излучения, изменяя положение поглотителя от источника (его расстояние от источника – l ). Результаты записать в таблицу. Табл. №… Измерение мощности экспозиционной дозы на расстоянии 70 см от источника в форме «шарика» при разном положении поглотителя (для изотопа указать вид). l , см 10 20 30 40 50 60 ̇ , мР/ч 3.2.3. Повторите п.п. 3.2.1-3.2.2 для других форм источника**. **у Вас должно получиться еще 3 таблицы 3.3. Сравнение материалов по эффективности защиты. 3.3.1. Установите следующие параметры в программе: вид изотопа источника – кобальт-60; объём источника – 10 мм 3 ; форма источника – пластина; вид поглотителя – свинец. 3.3.2. Для каждого поглощающего материала подберите и запишите в тетрадь минимальную толщину, которая бы обеспечивала безопасную дозу от данного источника. Для этого выполнить следующее: а) установите расстояние от источника до поглотителя 1 см, а его толщину – 60 см (в дальнейшем эти параметры не изменяются); б) перемещая счётчик по поглотителю, заметьте, при каком его положении доза опустится ниже 0,57 мР/ч. Запишите найденное расстояние в последний столбик таблицы. 3.3.3. Измените вид изотопа источника. Повторите п. 3.3.2 для других изотопов, заданных в программе. Табл. №_. Определение положения счетчика от источника излучения для различных видов изотопов источника и различных видов материалов поглотителя, обеспечивающих безопасную дозу. 4. Рекомендации по обработке результатов эксперимента. 4.1. Зависимость дозы ионизирующего излучения от расстояния до источника при разных формах источника. 1. По таблицам, полученным в п. 3.1, постройте на одной координатной плоскости все три графика зависимости ̇от r. 2. Изучите полученные графические зависимости и сравните источники разной формы по радиационной опасности. 4.2. Зависимость защитных свойств поглотителя ионизирующего излучения от его положения относительно источника. 1. По таблицам, полученным в п. 3.2, сделайте вывод о влиянии положения поглотителя на его защитные свойства. 2. Зависят ли защитные свойства поглотителя от формы источника излучения? 4.3. Сравнение материалов по эффективности защиты. 1. По таблице, полученной в п. 3.3, сравните заданные материалы по эффективности защиты от ионизирующих излучений. 2. Зависит ли эффективность защиты от вида изотопа в источнике?