1 Министерство образования Российской Федерации

1
Министерство образования Российской Федерации
РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра
экспериментальной физики
атмосферы
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 16
по дисциплине
“Методы и средства гидрометеорологических измерений”.
ИЗМЕРЕНИЕ РАДИОАКТИВНОСТИ
Направление - Гидрометеорология
Специальность - Метеорология
РГГМУ
Санкт - Петербург
2004
2
УДК 551. 508
Лабораторная работа № 16. Измерение радиоактивности. По
дисциплине “Методы и средства гидрометеорологических
измерении”. – С.-Петербург.: РГГМУ, 2004, 14 с.
Описание лабораторной работы содержит теоретические
сведения, посвященные вопросу измерения радиоактивности, и
перечень практических операций, выполняемых студентами. Особое
внимание уделяется единицам измерения радиоактивности. Работа
приобретает тем большую актуальность, что в настоящее время на
территории России находится достаточно много загрязненных
участков.
Составитель: Григоров Н.О.,
доцент.
Редактор: Кузнецов А.Д.,
профессор.

Российский государственный гидрометеорологический
университет (РГГМУ), 2004.
3
Единицы измерения радиоактивности
Радиоактивное излучение возникает при распаде ядер. Жесткая
радиация облучает тела, вызывая изменения в веществе, из которого
они состоят. Поэтому есть несколько величин, описывающих
радиоактивное излучение. Некоторые из них относятся к собственно
радиоактивным материалам, другие описывают изменения в
облучаемом веществе. Перечислим их.
1. Радиоактивность (А). Это количество ядерных распадов,
происходящих в образце радиоактивного вещества за одну секунду.
Разумеется, величина А зависит от природы радиоактивного
вещества и от его количества. Радиоактивность измеряется в
беккерелях ( Бк ):
1 Бк = 1 с-1
Это единица СИ. Но для практического использования она
слишком мала. Ею пользуются только тогда, когда радиоактивность
вещества заведомо мала - например, при описании радиоактивности
продуктов питания, воды или неактивных материалов (песка, почвы
и т.п.).В этом случае используют понятие удельной активности,
измеряемой в беккерелях на килограмм, или объемной активности,
измеряемой в беккерелях на литр. Для описания радиоактивных
веществ пользуются другой единицей, называемой кюри (Ки). Один
кюри - это радиоактивность одного грамма радия. Известно, что за
одну секунду в одном грамме радия происходит 3.7 · 10 10 ядерных
распадов. Следовательно, можно установить соотношение:
1 Kи = 3.7 · 1010 Бк
Когда исследуется радиоактивное заражение местности,
используется такая единица, как кюри на квадратный километр
(Kи/км2).
2. Поглощенная доза
Д. Это отношение энергии (W),
поглощенной облучаемым телом, к массе этого тела ( m ):
D = W/m
Разумеется, поглощенная доза измеряется в джоулях на
килограмм. Такая единица получила название грей ( Гр ):
1 Гр = 1 Дж/кг
4
3. Экспозиционная доза J. Это отношение заряда (Q),
образующегося в сухом воздухе при облучении, к массе сухого
воздуха ( m ):
J = Q/m
Экспозиционная доза измеряется в кулонах на килограмм, или в
рентгенах (р):
1 р = 2.58·10-4 Кл/кг
(Множитель 2.58·10-4 появляется при переводе единиц заряда в
систему СИ и объема воздуха в массу).
Можно легко установить следующее соотношение:
1 р = 8.77·10-3 Гр
Обычно используют такие единицы, как рентген в час
(миллирентген в час, микрорентген в час ).
4. Мощность дозы D·. Это отношение поглощенной дозы ко
времени поглощения ( τ ):
D· = D/ τ
Можно связать мощность дозы с радиоактивностью:
D 
KA
r2
где r - расстояние между облучающим радиоактивным веществом и
облучаемым телом, К – ионизационная постоянная, коэффициент,
характеризующий радиоактивное вещество. Приведем величину К
для некоторых изотопов.
Таб.1.
Изотоп
К, дж·м2/кг
Co60
1·10-16
J137
1,71·10-17
Cs134
6,8·10-17
U238
6,9·10-19
5
При исследовании радиоактивного заражения местности по
принятому стандарту измерения проводятся на высоте 1.5м от
земной поверхности. Тогда:
D 
KA
2,25
Однако наиболее важным является воздействие радиации на
организм человека. Поэтому введена еще одна, пятая единица.
5. Эквивалентная доза Де. Это поглощенная доза, умноженная
на
коэффициент
(ke),
зависящий
от
вида
излучения.
Соответствующая единица получила название зиверт (Зв):
De = ke∙D
Значение коэффициента ke приведено в таблице 2.
Таб.2.
Вид
излучения
ke зв/Гр
Рентгеновское
излучение,
γ – лучи,
β – лучи
1
Быстрые
нейтроны,
α – лучи
Осколки
деления
10
20
Как видно из таблицы, наиболее опасными являются осколки
деления ядер.
Для описания радиоактивности местности используются
дольные единицы - миллизиверт, микрозиверт (мЗв, мкЗв), а для
определения мощности дозы - миллизиверт в час, микрозиверт в час
(мЗв/час, мкЗв/час). Можно легко установить соотношение:
1 мкР/час = 100мкЗв/час,
1 мР/час = 100мЗв/час.
Теперь рассмотрим существующие нормы по основным единицам
радиоактивности.
По отношению к радиоактивному облучению население делится
на три следующие группы.
6
1. Специалисты - люди, работающие с радиоактивными
веществами и проходящие частый медицинский контроль.
2. Люди, иногда работающие с радиоактивными веществами.
3. Все остальное население.
Нормы для этих групп населения различны. Поскольку первая
группа проходит частый медицинский осмотр, причем у врачей
существует по отношению к ним радиационная настороженность,
то для этой группы нормы самые высокие. Для второй группы
нормы приняты в десять раз меньше, для третьей – в сто раз меньше,
чем для первой. В таблице 3. приведены нормы для этих трех групп.
Таб.3.
Группа населения
1
2
3
Естественный фон
A, Ки/км2
100
10 - 20
1 -2
0,1 ÷ 0,02
D▪, мкр/час
32500
3250
325
10 ÷ 20
De, мкЗв/час
325
32
3
~ 0,1 - 0,2
Здесь же, в табл. 3 приведены величины естественного
радиационного фона. Он может быть различным в разных районах.
Так например, скальные породы (мрамор, гранит и т.д.) содержат
радиоактивные изотопы, поэтому радиоактивный фон в скалистой
местности несколько повышенный, до 0,3 - 0,4 мкЗв/час. Это не
является опасным. Однако, если мощность дозы превышает 0,60
мкЗв/час (60 мкр/час), метеоролог-наблюдатель обязан известить об
этом органы власти.
Примерное значение удельной активности для пищевых продуктов
составляет 100 - 200 Бк/кг. Не допускается применение пищевых
продуктов с удельной активностью более 1 КБк/кг по β-излучению и
0,1 КБк/кг по α-излучению. Для строительных материалов (песок,
щебень и т.д.) допустимые значения составляют не более 4 кБк/кг.
7
Принцип действия счетчика Гейгера
Основной частью счетчика является газоразрядная
содержащая газ при пониженном давлении (рис.1.)
1
2
трубка,
R
–
+400 в
Выход
Рис.1.
Когда частица ( нейтрон, α-частица и пр. ) влетает в трубку,
происходит ионизация молекул газа. Образовавшиеся ионы летят к
заряженным электродам трубки – аноду (1) и катоду (2). На своем
пути они встречаются с другими молекулами газа. Длина
свободного пробега (т.е. расстояние между молекулами) такова, что
ионы успевают набрать скорость, достаточную для ионизации
встретившейся молекулы. Тогда образуется новая пара ионов,
которые также летят к электродам, ионизуют другие молекулы и т.д.
Возникает лавинообразный процесс ионизации всех молекул газа в
трубке. Трубка вспыхивает. Сопротивление трубки Rтр резко
падает. Наличие гасящего сопротивления R ~ 107 Ом приводит к
тому, что при Rтр<<Rп напряжение анод-катод также резко падает и
трубка гаснет моментально. При этом на выходе появляется импульс
напряжения. Ясно, что число таких импульсов за фиксированный
промежуток времени характеризует поток частиц, т.е. уровень
радиации. Оно может быть подсчитано счетчиками.
В дозиметре ДРГБ-01 используется цифровой счетчик,
подсчитывающий количество импульсов за определенный интервал
времени. Число, соответствующее подсчитанному количеству
импульсов, представляется на цифровом индикаторе. Параметры
прибора подобраны так, что это число равно активности,
измеренной в микрозивертах в час или в килобеккерелях на
килограмм.
8
Порядок работы с прибором ДРГБ-01
Дозиметр ДРГБ-01 позволяет измерять следующие величины.
1. Значение мощности эквивалентной дозы γ-излучения (режим F),
выраженное в мкЗв/час. Этот режим предполагает возможность
как однократного, так и циклического (периодического)
измерения с периодом 20 с.
2. Значение удельной активности объектов, обусловленное
присутствием в них β- и γ-излучающих радионуклидов,
выраженное в КБк/кг (режим А).
3. Значение
поверхностной
плотности
потока
β-частиц,
обусловленное загрязнением какой-либо поверхности βизлучающими радионуклидами (режим В).
В настоящей работе предполагается использование дозиметра
только в первых двух режимах.
Передняя панель дозиметра показана ни рис. 2.
1
3
2
4
5
Рис.2 Передняя панель дозиметра ДРГБ-01.
9
Порядок работы с дозиметром в режиме F (измерение мощности
дозы γ-излучения).
1. Не сдвигая пластиковый экран с задней крышки, сориентируйте
прибор, держа его в руках на высоте около 1,5 м над
исследуемым участком почвы.
2. Включите прибор, передвинув переключатель (2) в крайнее
правое положение. При этом на цифровом индикаторе (1)
появляется буква "F" и начинают высвечиваться цифры 0.00;
затем 0.01; 0.02 и т.д.
3. Через 20 секунд индикатор покажет измеренное значение
мощности дозы в мкЗв/час. Например, значение F 0.15 означает
0,15 микрозиверт в час (или 15 микрорентген в час).
4. Без дополнительных операций прибор переходит в режим
циклического измерения. Каждые 20 секунд на индикаторе
появляется новое значение мощности дозы. Этот режим удобно
использовать при непрерывном измерении, например, измеряя
мощность дозы во время ходьбы вдоль маршрута. Если в
циклическом
режиме
включен
звуковой
индикатор
(переключатель 4 установлен в крайнее правое положение), то
звуковой сигнал раздается при превышении мощности дозы 0,60
мкЗв/час (или 60 мкр/час).
5. Если желательно перевести прибор в режим однократного
измерения (как это и предполагается в настоящей работе), то
необходимо включить питание прибора переключателем (2),
затем включить звуковую сигнализацию переключателем (4) и
нажать кнопку (3) один раз. На цифровом индикаторе появляются
знаки F 0.00; затем F 0.01; F 0.02 и т.д. Через 20 секунд звуковой
сигнал укажет на окончание процесса измерения и цифра,
появившееся на индикаторе, означает величину мощности
эквивалентной дозы в мкЗв/час. Повторить измерения в
однократном режиме можно, только предварительно выключив
прибор (переключатель (2) устанавливается в левое положение), а
затем снова включив его.
Порядок работы с дозиметром в режиме А (определение
удельной активности воды, почвы, продуктов питания и т.д.).
1. Возьмите стандартную бытовую банку емкостью 0,5 литра
(стеклянную или полиэтиленовую), заполните её исследуемым
продуктом так, чтобы верхняя граница не доходила до края
горловины банки на 3 - 5 миллиметров. Проба готова к
измерениям.
10
Дозиметр ДРГБ-01
Банка с пробой
Рис.2. Расположение дозиметра на банке с пробой
при измерении удельной активности продукта.
2. Удалите прибор от банки на расстояние не менее 1,5 метра и
проведите измерение фона. Для этого включите прибор,
поставив переключатель (2) в правое положение, включите
звуковую сигнализацию переключателем (4) и нажмите кнопку
(3) два раза. На индикаторе появляются знаки R.00.0., далее
значение на индикаторе возрастает. Через 520 секунд (8 минут 40
секунд) прибор выдает звуковой сигнал и точка после крайней
правой цифры на индикаторе исчезает. Эти цифры не подлежат
самостоятельному использованию и не должны записываться в
журнал наблюдений.
3. Верните прибор к месту расположения пробы. Не снимая экрана,
расположите прибор на горловине банки с пробой так, как
показано на рис. 2. Нажмите кнопку (3) один раз. Через 520
секунд прибор выдает звуковой сигнал и точка после крайней
правой цифры на индикаторе исчезает. Эти цифры на индикаторе
являются примерным значением удельной активности продукта,
выраженной в КБк/кг.
4. Для точного определения удельной активности продукта
значение, снятое с индикатора, следует умножить на
поправочный коэффициент, взятый из таблицы 1. (см.
приложение).
5. Повторное измерение удельной активности можно проводить
только после выключения прибора и повторения всех операций
п.п.2 - 4.
11
Выполнение работы
1. Получите у лаборанта или преподавателя дозиметр ДРБГ-01.
Включите его и измерьте уровень радиоактивного фона в
лаборатории в режиме F, выполнив соответствующие операции
(см. выше). Соответствует ли это значение норме?
2. Расположите
дозиметр
над
маломощным
источником
радиоактивного излучения на высоте 15 - 20 сантиметров. Для
обеспечения безопасности работы источник закрыт крышкой и
должен находиться в цилиндрическом металлическом экране.
Снимите металлическую крышку с источника и в режиме F
измерьте уровень излучения от источника на этой высоте.
3. Положите на источник один из образцов парафина,
предварительно записав его толщину h. Измерьте уровень
излучения. Далее повторите измерения, поместив другой, более
толстый образец. Составьте таблицу зависимости уровня
излучения от толщины образцов парафина. Комбинируйте
образцы, укладывая их друг на друга и определяя суммарную
толщину h. Составьте график полученной зависимости Дэ(h).
4. Измерьте удельную радиоактивность водопроводной воды, для
чего приготовьте пробу, наполнив водопроводной водой
стеклянную банку. Запишите полученное значение и определите
удельную активность А в килобеккерелях на килограмм,
используя поправочный коэффициент (см. приложение).
5. Измерьте
удельную
активность
гранитного
щебня,
воспользовавшись готовой пробой, имеющейся в лаборатории.
Запишите полученное значение и определите удельную
активность А в килобеккерелях на килограмм, используя
поправочный коэффициент (см. приложение). Сравните его с
активностью водопроводной воды. Чем Вы объясняете разницу в
значениях?
6. Выключите прибор, сдайте его лаборанту или преподавателю и
уберите своё рабочее место.
Требования к отчету
Отчет должен содержать:
1. Краткое описание принципа действия дозиметра ДРБГ-01.
2. Порядок всех Ваших действий во время работы.
12
3. Значение радиоактивного фона в лаборатории, выраженное в
мкЗв/час и в мкР/час.
4. График зависимости радиоактивного излучения маломощного
источника радиации как функцию толщины образцов парафина
Дэ(h).
5. Значение удельной активности водопроводной воды и
гранитного щебня в КБк/Кг.
6. Объяснение и анализ полученных результатов.
Контрольные вопросы
1. Что такое радиоактивность и в каких единицах она измеряется?
2. Объясните смысл понятий "поглощенная доза" и "мощность
дозы" В каких единицах измеряются эти величины?
3. Что такое экспозиционная доза? Объясните физический смысл
понятия "рентген" и "рентген в час". Каково соотношение между
этими единицами и единицами системы СИ?
4. Что такое эквивалентная доза? Какие единицы применяются для
её измерения?
5. Что такое удельная радиоактивность продуктов? В каких
единицах она измеряется? Каковы допустимые значения
удельной активности для пищевых продуктов? Для строительных
материалов?
6. Каковы основные нормы радиоактивного облучения для
населения? Почему эти нормы различны для разных групп
населения?
7. Вы измеряете уровень радиоактивности на метеорологической
станции. Полученное Вами значение - 0,7 мкЗв/час. Является ли
это нормальным? Ваши действия в этом случае.
8. Объясните принцип действия счетчика Гейгера.
9. Для чего в схеме счетчика Гейгера ставится гасящее
сопротивление?
Список литературы
1. Нормы радиационной безопасности (НРБ-99). Минздрав России,
1999. - 115 с.
2. Основные санитарные правила обеспечения радиационной
безопасности (ОСПОРБ-99). Минздрав России, 2000. - 98 с.
3. Дозиметр-радиометр ДРГБ-01 - "ЭКО-1". Руководство по
эксплуатации. - 26 с.
13
Приложение
Поправочные коэффициенты к показаниям дозиметра ДРГБ-01 для
вычисления удельной радиоактивности продуктов.
Плотность продукта
Кг/м3
200 - 700
800 - 1200
1,5 - 1,7
Наименование
продуктов
Чай, сушеные грибы,
ягоды и фрукты,
копчености
Вода, молоко и
молочные продукты,
сырые ягоды, фрукты
и овощи, мясо
Почва, песок, щебень
и т.п.
Поправочный
коэффициент
0,5
1,0
1,2
14
УЧЕБНОЕ ИЗДАНИЕ
Григоров Николай Олегович
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 16
Измерение радиоактивности
Редактор И.Г. Максимова
ЛР №020309 от 30.12.96
Подписано в печать
г. Формат 60×90 1/16
Бумага кн.-жур.
Печ.л.0,8
Тираж 50 Зак.3. Отпечатано ....
РГГМУ, 195196, Малоохтинский пр.98.