CC BY
65
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛЯ ИЗЛУЧЕНИЯ ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО ИСТОЧНИКА РАДИОАКТИВНОСТИ В ЛАБОРАТОРНОМ ПРАКТИКУМЕ ВУЗА И ШКОЛЫ
В.А. Белянин, кандидиат физико-математических наук, доцент кафедры физики и методики обучения физике Марийского государственного университета, (8362) 565919, [email protected]
Экспериментально изучена интенсивность потока излучения вблизи однородного радиоактивного цилиндра. Источником излучения являлась соль KCl, детектором частиц — счетчики Гейгера—Мюллера. Показана возможность постановки лабораторной работы по исследованию поля излучения цилиндрического источника радиоактивности в школе и вузе.
Ключевые слова: радиоактивный цилиндр, счетчики Гейгера—Мюллера, соль KCl.
THE INVESTIGATION OF RADIATION FIELD OF CYLINDRICAL RADIOACTIVITY SOURCE UNDER CONDITION OF PRACTICAL WORK IN SCHOOL AND UNIVERSITY
Belyanin V.A.
An intensity of flux of radiation close by a homogeneous radioactive cylinder was investigated experimentally. As a radiation source the KCL-salt was used, and as a particles detector — the Geiger counter was used. A possibility of organization of student laboratory work for investigation of radiation field of cylindrical radioactivity source in school and university was demonstrated.
Key words: radioactive cylinder, Geiger counters, KCl-salt.
В лабораторных практикумах общего курса физики вузов традиционно ставятся задачи по изучению или определению активности излучающих препаратов, периода их полураспада, энергетического спектра радиоактивного излучения, характеристик поглощения радиоактивных а, в, у-излучений в веществе и исследованию некоторых других параметров, свойств или характеристик радиоактивности [1—4].
Для этих работ источниками радиоактивного излучения выступают, как правило, специально приготовленные искусственные радиоактивные изотопы, такие как, например, 9(^г, 210Ро, 22№, 60Co, 238Ри. Их применение в учебном процессе требует специальных условий для приобретения, хранения и использования. Поэтому вполне естественно и отсутствие в школе лабораторных работ по этим вопросам. Существуют проблемы обеспечения аналогичными установ-
Рис. 1. Схема распада изотопа 19^0 (стрелками изображены электронный, позитронный распады, e-захват и у-переход;
около стрелки указаны максимальная энергия частицы и вероятность перехода в процентах от общего числа распадов)
Рис. 2. Энергетический спектр в-распада изотопа 19^0 (максимальная энергия
электронов около 1,3 МэВ, большая часть электронов имеет энергию около 0,5 МэВ)
ками и высших учебных заведений. Сложное дорогостоящее оборудование, специфические, часто короткоживущие объекты исследования и трудность реализации безопасной работы — основные причины того, что даже вузам лабораторные работы по этим вопросам не всегда доступны.
Вопрос обеспечения учебных заведений безопасными источниками радиоактивности и создания на основе таких источников цикла достаточного количества лабораторных работ является актуальным. К настоящему времени данная проблема в полной мере не решена. Одним из путей ее решения, на наш взгляд, является поиск возможностей использования для постановки лабораторных работ в вузе и школе естественно-радиоактивных источников, т.е. таких источников, поле излучения которых было бы совершенно безопасным для человека. Такие источники существуют в виде радиоактивного излучения солей калия, естественной радиоактивности атмосферного воздуха и космического излучения [5].
В данной работе мы будем рассматривать в качестве радиоактивного источника химически чистые соли KCl (ГОСТ 4324-48) в состав которых входит слаборадиоактивный изотоп 19K40.
Калий является химическим элементом первой группы периодической системы элементов, его атомный номер 19, атомная масса 39,0983, он относится к щелочным металлам. Природный калий состоит из стабильных 39К (93,22%) и 41К (6,77%) изотопов и слаборадиоактивного 40К (0,0118%) с периодом полураспада 1,28109 лет. При распаде 40К в 88% случаях испускается ß-частица и образуется 40Са, а в 12% — происходит захват К-электрона и 40К переходит в 40Аг. Удельная активность химически чистого калия хлористого за счет распада изотопа 19K40 составляет 3,87-10-7 Ku/кг.
Схема распада изотопа 19K40 приведена на рисунке 1, а энергетический спектр ß-распада изотопа 19K40 представлен на рисунке 2.
Задача использования в лабораторном практикуме солей калия в качестве источника радиоактивных излучений встречает на своем пути ряд существенных трудностей. Основная трудность обусловлена малой плотностью потока излучения от такого источника радиации, а также существованием поглощения электронов данного радиоактивного источника в воздухе при атмосферном давлении.
Искусственные изотопы, применяемые для учебных целей, изготавливаются в виде тонких слоев препарата с линейными размерами в несколько мм, нанесенных на подложку. Такие препараты в учебных лабораторных установках можно считать точечными источниками радиации. Радиоактивные препараты аналогичных размеров из солей калия абсолютно не работоспособны, они не пригодны для учебных целей в силу малой радиационной активности изотопа калия.
Целью данной работы является экспериментальное изучение поля излучения цилиндрического радиоактивного источника. В учебной и научно-методической литературе таких работ мы не обнаружили. Максимальные линейные размеры цилиндрического радиоактивного источника выбирались исходя из разумности и условия, что источник должен быть по линейным размерам значительно больше соответствующих размеров счетчика Гейгера—Мюллера, используемого в качестве детектора.
Основная задача — создание экспериментальной установки, разработка условий эксперимента, исследование интенсивности поля радиоактивного излучения вблизи радиоактивного цилиндра с помощью счетчиков Гейгера—Мюллера, выяснение возможностей постановки соответствующей лабораторной работы для студентов и школьников.
Исследование выполнено с помощью комплекта приборов «Арион». Конструктивно комплект «Арион» [5] состоит из специализированного электронного блока, элементов и конструкций лабораторных установок, позволяющих вы-
Рис.3. Лабораторная установка «Арион» по изучению космического излучения (электронный блок, космический «телескоп», компьютер)
полнять двенадцать самостоятельных лабораторных работ (рис. 3). Все лабораторные установки удовлетворяют требованиям техники безопасности, наглядно воспроизводят соответствующее физическое явление, дают достоверные и однозначные физические результаты.
Установки не являются «черными ящиками»: счетчики Гейгера, источники радиоактивности и другие конструктивные элементы установок находятся в поле зрения экспериментатора. Источники радиоактивности — соли калия — помещаются в специальные контейнеры и прикрываются специальной пленкой. Защиту от высокого напряжения, подаваемого на счетчики Гейгера, обеспечивают специальные экраны из прозрачного и тонкого органического стекла.
Электронный измерительный блок прибора «Арион» содержит источник стабилизированного напряжения для подключения двух групп счетчиков Гейгера, секундомер и счетчик импульсов с цифровой индикацией. Блок измерительный обеспечивает питание счетчиков типа СТС-6, измерение числа импульсов, поступающих от счетчиков, а также времени, в течение которого происходит это измерение. Регулируемое напряжение, подаваемое на счетчики, измеряется стрелочным индикатором, а число импульсов и время измерения выводится на табло с цифровыми индикаторами, расположенными на передней панели прибора.
Измерительный блок имеет объем регистрации счетчика до 9999 импульсов, а секундомера — до 99 минут 59 секунд. Длительность входного импульса составляет от 0,1 до 105 мкс, максимальная частота счета импульсов составляет до 104 импульсов за секунду, выходное стабилизированное напряжение счетчика можно изменять в пределах от 250 до 1000 В при мощности источника питания счетчиков 5 Вт.
Она состоит из горизонтальной платформы и вертикальной стойки, поддерживающей плату счетчиков. Стойка представляет собой вертикальную линейку со специальным приспособлением, которое позволяет фиксировать, изме-
нять и измерять расстояние между источником и счетчиком. Длина стойки, на которой закреплены механизм плавного перемещения приемников радиоактивного излучения и указатель перемещения, выбирается не менее длины максимального пробега электронов в воздухе. На платформу под счетчики ставится цилиндр с радиоактивной солью так, чтобы его положение было симметрично относительно счетчиков, расположенных над ним. Источник радиоактивности на рисунке не показан. Детектором радиоактивного излучения служат три счетчика Гейгера—Мюллера СТС-6, соединенные параллельно. Время одного измерения как фоновой скорости счета, так и активности радиоактивного источника составляет не более 3 минут.
На установке, изображенной на рисунке 4, можно исследовать поле излучения тонкого радиоактивного цилиндра длиной до 50 см. Расстояние от образца (радиоактивного цилиндра) до счетчиков можно было изменять в ходе эксперимента от 2 до 100 см с интервалом 1...2 сантиметра. Таким образом, данная установка позволяет исследовать поле излучения цилиндрического источника радиоактивности по направлению его радиуса, т.е. в вертикальной плоскости. Для исследования интенсивности излучения вне вертикальной плоскости установка модернизируется. Крепление стойки к платформе делается шарнирным, что позволяет отклонять счетчики от вертикали на углы почти до 90о.
Проведено нескольких серий экспериментов. В первом эксперименте измерялась зависимость числа регистрируемых счетчиками частиц за определенное время от расстояния счетчиков от оси цилиндра. Источником радиоактивного излучения был цилиндр диаметром 22 мм и длиной 50 см из сухой соли KCl в естественном порошковом состоянии. Сам цилиндр был склеен из бумаги толщиной 0,2 мм, наполнен солью, и закрыт с двух сторон пробками.
Радиоактивный цилиндр помещался на платформу экспериментальной установки параллельно расположенным
Рис.5. Зависимость скорости счета от расстояния между цилиндрическим источником и приемником в-излучения в воздухе. Диаметр цилиндра 22 мм
Рис.6. Зависимость скорости счета от расстояния между источником в виде полоски и приемником в-излучения в воздухе. Ширина полоски 22 мм
над ней счетчикам так, чтобы его центр совпал с центром платы счетчиков Гейгера—Мюллера. Положение цилиндра на платформе не менялось до окончания опыта. Выполнялось измерение скорости счета от фона и от радиоактивного источника при перемещении счетчиков вертикально вверх с фиксированным шагом 1 или 2 см. Измерение проводилось до совпадения численных результатов измерения от цилиндра с фоновыми значениями радиоактивной обстановки в лаборатории.
Результаты этого эксперимента представлены на рис. 5. Обращаем внимание, что на рисунке приведены результаты сразу нескольких экспериментов с цилиндрами разной длины. Наименьшее расстояние между счетчиками и источником радиоактивности при длине цилиндра 20, 10 и 5 см равнялось 3 см, а при длине 40 и 30 см составляло 2 см.
Из рисунка видно, что для всех экспериментов скорость счета монотонно убывает при удалении счетчиков от цилиндра, а при больших расстояниях между ними скорость счета выходит на радиационный фон лаборатории. Скорость счета частиц, попадающих в счетчик, зависит от длины цилиндра. При длине цилиндра 50 см кривая лежит выше, чем для цилиндров длиной 5 и 10 см. Причем кривые для цилиндров длиной 50, 40, 30 и 20 см практически совпадают в пределах погрешности измерений. Скорость счета от цилиндров в 10 и 5 см значительно меньше, чем для цилиндров первой группы. Можно предположить, что это есть результат того, что длина рабочей части счетчика СТС—6 составляет около 16 см. Следовательно, цилиндры длиной в 5 и 10 см являются для счетчиков больше точечными, чем линейными источниками радиоактивности.
На фоновое значение скорости счета кривые от «длинных» (20...50 см) цилиндров выходят на одном и том же расстоянии в 25 см между счетчиками и источником радиации. Для коротких цилиндров это расстояние сокращается: например, для цилиндра в 10 см — меньше 20 см, а для цилиндра в 5 см — всего 10 см.
Можно предположить, что скорость счета от тонкого цилиндрического источника радиоактивного излучения бесконечной длины должна убывать обратно пропорционально расстоянию между счетчиками и источником, если бы не было поглощения электронов воздухом. Эта зависимость была бы аналогом напряженности электрического поля у поверхности цилиндра бесконечной длины [6]. Наличие поглощения электронов воздухом должно давать экспоненциальное уменьшение скорости счета (рис. 7, 8). Таким образом, полученные нами кривые, изображенные на рис. 5, вобрали в себя все вышеперечисленные причины, в том числе и конечность длины цилиндра.
Экспериментальные зависимости рис. 7 и 8 характеризуют в основном поглощение электронов, излученных изотопом 19K40, воздухом. Источником излучения была соль калия в виде плоскости больших размеров [7].
Из рисунка 8 делаем вывод, что поглощение электронов от данного радиоактивного источника воздухом описывается экспоненциальной зависимостью на расстояниях до 60 см от поверхности радиоактивного источника. Предельный пробег электронов (рис. 7) от изотопа 19K40 в воздухе составляет около 80 см. Сравним это значение с предельным пробегом электронов от цилиндрического источника радиоактивности в 10...25 см (рис. 5). Это сравнение подтверждает предположение, что интенсивность поля излучения вблизи цилиндрического источника радиоактивности определяется как его геометрической формой, так и поглощением электронов в воздухе.
Следующий эксперимент был проведен нами с моделью цилиндра. В качестве источника радиоактивного излучения была выбрана полоска прямоугольной формы длиной 50 см, шириной 22 мм и высотой 5мм, заполненная солью KCl. С этим радиоактивным источником был полностью повторен предыдущий эксперимент. Прямоугольная полоска была положена на платформу экспериментальной установки параллельно расположенным над
Рис. 7. Зависимость скорости счета от расстояния между источником ^Ю0 и приемником в-излучения в воздухе
Рис. 8. Зависимость скорости счета
(логарифмический масштаб) от расстояния между источником и приемником в воздухе
ней счетчикам так, что ее центр совпадал с центром платы со счетчиками Гейгера—Мюллера. Плата со счетчиками устанавливалась на наименьшем возможном расстоянии от источника радиоактивного излучения — 2 см. Затем расстояние между счетчиками и радиоактивной полоской увеличивалось на один сантиметр до расстояния 45 см. После выполнения этого эксперимента длина полоски уменьшалась на 10 см при помощи металлических пластин, не пропускающих радиоактивное излучение. Последний эксперимент проведен при длине радиоактивного источника (полоски) 5 см.
По данным эксперимента построены кривые зависимости скорости счета от расстояния между счетчиками и радиоактивной полоской прямоугольной формы (рис. 6).
Результаты эксперимента полностью тождественны предыдущим. Из графика видно, что при больших расстояниях между счетчиками и радиоактивной полоской прямоугольной формы скорость счета незначительна. Заметное увеличение скорости счета происходит при уменьшении расстояния между счетчиками и полоской с солью KCl. Монотонно убывающие кривые «ложатся» друг на друга при размерах радиоактивного источника 50 см, 40 см, 30 см. При 25 см между счетчиками и источником радиации эти кривые, так же как и в предыдущем случае, выходят на фоновое значение. Кривые от полосок длиной в 5 и 10 см выходят на радиоактивный фон на расстоянии в 15 см.
Если сравнить графики зависимости скорости счета от расстояния между счетчиками и цилиндрическим радиоактивным источником с графиком зависимости скорости счета от расстояния между счетчиками и радиоактивной полоской прямоугольной формы, то можно сказать, что графики получаются практически аналогичными. Поэтому прямоугольную полоску с солью KCl можно считать в наших экспериментах аналогом цилиндрического источника радиации.
Проведем некоторые сравнения зависимости скорости счета от расстояния между счетчиками и источником радиоактивности длиной 50 см с солью KCl для цилиндра и полоски.
В случае цилиндра с солью KCl кривая зависимости скорости счета от расстояния между счетчиками и цилиндром лежит несколько ниже, чем кривая зависимости скорости счета от расстояния между счетчиками и радиоактивной полоской. Это объясняется тем, что ß-частицы при прохождении через бумагу частично поглощаются в ней, поэтому скорость счета частиц от цилиндра с солью KCl меньше, следовательно, кривая зависимости лежит ниже. При расстоянии 25 см между счетчиками и источниками радиации скорость счета выходит на фоновое значение в обоих случаях.
Нами было исследовано поле излучения радиоактивного цилиндра и полоски с радиоактивной солью в зависимости от угла их излучения. Стойку со счетчиками отклоняли на угол до 80о вправо и влево от вертикального положения счетчиков. Измеряли зависимости скорости счета от угла
на различных расстояниях от цилиндрического источника радиации или от его модели в виде полоски.
Кривые зависимости скорости счета от угла наклона счетчиков достаточно хорошо ложатся друг на друга. Это можно объяснить тем, что поле вокруг открытого цилиндрического источника радиации, так же как и вокруг модели цилиндрического радиоактивного источника в виде полоски, однородно по всем направлениям.
Результаты исследования показали, что у протяженных цилиндрических источников в-излучения интенсивность радиоактивного поля в окружающем пространстве зависит от геометрической формы источника излучения, его размеров и поглощения излучения воздухом. Кривая зависимости скорости счета от расстояния между счетчиками и цилиндром носит сложный характер. Обнаруживается качественная аналогия потока излучения от радиоактивного цилиндрического источника с напряженностью электрического поля равномерно заряженного цилиндра [6]. Показана возможность использования протяженных радиоактивных источников малой интенсивности в виде цилиндра в учебном лабораторном практикуме.
ЛИТЕРАТУРА
1. Учебная техника для профессионального образования: каталог / под ред. Ю.С. Песоцкого. — М., 2005.
2. Авданина ЭА. Универсальный лабораторный комплекс по ядерной спектрометрии. Э.А. Авданина, М.Д. Дежурко, И.Я. Дубовская // Физическое образование в вузах. — 2005. — Т. 11. — № 1.
3. Абрамов А.И. Основы экспериментальных методов ядерной физики: учеб. пособие для вузов. — М.: Энергоатомиздат, 1985.
4. Лабораторный практикум по общей и экспериментальной физике: учеб. пособие для студентов вузов, обучающихся по специальности 032200 «Физика» / под ред. Е.М. Гершензона, А.Н. Мансурова. — М.: Академия, 2004.
5. Белянин ВА. Современная лаборатория ядерной физики в педагогическом институте. — Вестник МГПИ им Н.К. Крупской. — № 1. — Йошкар-Ола, 2004.
6. Калашников С.Г. Электричество: учеб. пособие для ст-в физич. спец. вузов. — 6 изд., стереотип. — М.: Физматлит, 2003.
7. Белянин ВА. Исследование поглощения радиоактивного в-излучения воздухом в лабораторном практикуме / Материалы V межд. научной конференции «Физическое образование: проблемы и перспективы развития». — М.: МПГУ, 2006.
