Laboratorieøvelse Fys Ioniserende stråling Innledning I denne oppgaven skal du måle noen egenskaper ved ioniserende stråling ved hjelp av en Geiger Müller(GM) detektor. Du skal studere strålingens statistiske natur, måle absorbsjon av stråling i bly, måle doserate og bestemme halveringstiden til et radioaktivt stoff. GMdetektorer er et forholdsvis enkelt apparat og er spesielt mye brukt i strålevern. Du kan lese mer om GM detektorer i slutten av oppgaven. Forhåndsoppgave. Les om GM detektorer og svar på spørsmålene: a. Vi har tre typer radioaktiv stråling, α, β og stråling. Hva består denne strålingen av? b. Hvorfor er det tykke vegger i et noen GM rør, og tynne vegger i andre? c. Hvorfor må strålekilden plasseres tett inntil vinduet når vi skal registrere α og β partikler? d. Hvor stor andel av kvantene blir registrert i et GM rør?. En GM detektor registrer først bakgrunnsstrålingen i et laboratorium. Den står på i 4 minutter og registrerer i løpet av denne tida 3 partikler i bakgrunnsstrålingen. Hvor stor er bakgrunnsstrålingen målt i Bq? 3. Nå lar vi GM detektoren registrere aktiviteten fra et radioaktivt stoff. Vi leser av aktiviteten hvert itende sekund og får: Tid/s 3 4 5 6 7 8 9 N 63 58 5 46 4 37 35 3 7 5 Lag en ny tabell der du korrigerer målingene for bakgrunnsstrålingen og regner om til enheten Bq for aktiviteten. Tegn aktiviteten som funksjon av tida i et A t diagram og trekk en utjevningskurve. Drøft plasseringen av punktene på t aksen. (Det er jo ikke rimelig å plassere den første verdien på sekundersmerket det er en middelverdi for de ti første sekundene). 4. Bestem halveringstida for stoffet ved å foreta avlesninger på kurven. (Oppgave 4 er hentet fra Rom Stoff Tid forkurs studiebok da studieboka til vårt læreverk ikke ble klar fra trykkeriet i tide).
Oppgave. Absorbsjon av stråler i bly Vi er til enhver tid omgitt av stråling. Inne kommer strålingen hovedsakelig fra vegger og tak, men også noe fra kosmisk stråling. Dette kaller vi bakgrunnstråling. Dersom vi ikke kan skjerme laboratorietutstyret for bakgrunnstrålingen, må vi korrigere for den. Figur Blykammer til venstre, med blyplater foran GM røret. I denne oppgaven skal du starte med å måle bakgrunnstrålingen. Apparatoppstilingen skal være så lik selve måleoppstillingen som mulig. Selve kilden som benyttes er plassert inne i et blykammer. Start forsøket med blykammeret lukket og med alle blyplatene plassert mellom blykammeret og GM røret. Spenningen på røret skal være ca. 6 V. Den strålingen du nå måler er bakgrunnstrålingen. Mål den i minutter, og bestem telleraten, n b (antall treff per sekund) for bakgrunnstrålingen. I selve forsøket måler du strålingen fra kilden med blykammeret åpent. Se figur. Avstanden mellom GM røret og kilden må ikke forandres, og det må være plass til alle blyplatene mellom dem. Mål telleraten ved å måle telletiden for tellinger. Gjør dette for forskjellig antall blyplater, først uten, så med, deretter med etc. Finn telleraten n fratrukket bakgrunnstrålingens tellerate n b for forskjellig antall blyplater. Legg de målte verdiene inn i en tabell. Tilpass en eksponentialfunksjon og bestem svekkingskoeffisienten µ i uttrykket z n' nn n e b der z er lik tykkelsen av antall blyplater (dvs. antall plater ganger tykkelsen av en plate) og n b n er bakgrunnstelleraten. Beregn den verdien av z som gir n '. Hva har du funnet ut nå? Legg verdiene for n og z inn i et koordinatsystem der du velger z langs førsteaksen og lnn langs andreaksen. Tilpass en rett linje og bruk denne til å bestemme svekkingskoeffisienten µ. Trenger du hjelp med matematikken, så finner du litt tilleggsstoff mot slutten av laboratorieoppgavene.
Oppgave. Halveringstid Vi skal bestemme halveringstiden til Pa 34. Selve forsøket skal utføres av en veileder av sikkerhetsmessige grunner. Du skal bruke dataene som fremkommer.. Mål bakgrunnsstrålingen.. Plasser GM røret over stålkaret som innholder en væske med Pa 34 3. Avles telleraten hvert. sekund i ca. 5 minutter. 4. Lag en tabell med alle målingene: totaltelling, bakgrunnsstrålingen og korrigert telling. 5. Tegn en graf som viser aktiviteten (korrigert telling) som funksjon av tida, og bruk grafen til å bestemme halveringstiden til Pa 34. Tips: Når du skal lese av halveringstid bør du sammenlikne med tabellverdien. Husk at du ikke nødvendigvis har den første målingen din ved tiden t. Hvis du måler aktiviteten n ved tiden t og så finner at aktiviteten er halvert ved tiden t, blir halveringstiden t/ t t Oppgave 3. Vurdering av stråledose Mål doseraten i et punkt som ligger,5 m fra en 37 Cs kilde med en aktivitet på (ca.) MBq (vi bruker egentlig to kilder som til sammen gir denne aktiviteten). Gi et overslag over den stråledose du ville motta hvis du befant deg i dette punktet i time. Sammenlign denne dosen med ICRPs anbefalte grenser for årsdose. Forklar forskjellen mellom begrepen dose og doserate. Litt hjelp med matematikken Logaritmereglene ln( ab ) ln aln b a ln ln a ln b b x ln a x ln a I tillegg kan det være greit å huske at ln ln e 3
Eksempel med halveringstid: Vi har likningen n' n e t. n Når antall radioaktive atomer er halvert, er n ' n t n e Vi deler med n på begge sider og forkorter og får e t Ta den naturlige logaritmen på begge sider t ln ln( e ) lnln t ln e ln t (husk at ln og ln e) t ln Eksempel med plot av eksponentialfunksjon Du har en eksponentialfunksjon på formen y a e. Ta logaritmen på begge sider: ln y ln( ae ) ln aln e ln a Hvis du legger inn lny langs andreaksen ser du at du får en rett linje som skjærer y aksen i lna og har b som stigningstall. Litt om GM detektorer En GM detektor består av et GM rør tilkoblet en spenningskilde og en pulsteller. GMdetektorer er vanligvis laget slik at rør, spenningskilde og pulsteller (med display") er laget som en kompakt enhet. I vårt tilfelle er røret en enhet for seg, og alle elektroniske funksjoner er samlet i en boks". Det finnes flere typer detektorer for måling av ioniserende stråling. Disse har forskjellige egenskaper, og har forskjellige formål. GM røret er en enkel variant av typen ionisasjonskammer. Figur på neste side viser et skjematisk snitt. Røret består av et sylinderformet ledende materiale med en lineær anode langs sylinderaksen. Anoden er ført inn i røret gjennom en elektrisk isolert endevegg, og har positiv spenning (gjerne noen hundre volt) i forhold til rørveggen. Røret inneholder en gass med lavt trykk. En ioniserende partikkel som går gjennom gassen vil, når den kolliderer med gassmolekyler, produsere elektroner og positive ioner. Elektronene trekkes inn mot anoden, men støter stadig mot gassmolekyler. Et eneste elektron er ikke nok til å lage en registrerbar puls, men i GM røret er feltet ved anoden så 4
sterkt at hvert elektron utløser et skred av nye elektroner ved støtene. For hver enkelt ioniserende partikkel som er kommet inn i kammeret får vi derfor en kort ladningspuls som er stor nok til å kunne registreres elektronisk med en tilkoblet pulsteller. Pulsens størrelse er uavhengig av den opprinnelige strålepartikkels energi. En GMdetektor forteller oss derfor bare at det har kommet et ioniserende kvant, og ikke hva kvantets energi er. For måling av kvantenes energi bruker vi andre typer detektorer. Figur Skjematisk snitt gjennom to GM rør. Det øverste har et tynt endevindu der ladde partikler (α og β partikler) kan trenge igjennom. Det nederste har bare tykke vegger, og brukes derfor utelukkende for måling av stråling. All stråling som lager ioner i gassen i røret vil bli registrert. α og β partikler må trenge inn i GM røret med tilstrekkelig energi til å ionisere gassmolekyler. Siden α og β partikler har kort rekkevidde i materie, må GM røret ha en tynn vegg (vindu). Samtidig må strålekilden plasseres tett inntil vinduet. Alle ladde partikler som kommer inn blir registrert. GM røret er altså meget følsomt for partikkelstråling. kvanter derimot har lang midlere fri veilengde i gassen, og vil lage langt færre ioner i gassen. For å bli registrert må et kvant først slå løs et elektron, noen ganger også i rørveggen, så nær den indre veggflaten at elektronet kommer inn i røret og ioniserer gassen. De fleste kvanter går derfor gjennom røret uten å bli registrert. Sannsynligheten for at et kvant som passerer gjennom telleren skal bli registrert (effektiviteten) er av størrelsesorden %. I stedet for å registrere pulsene med en pulsteller kan vi la ladningspulsene lade opp en kondensator som hele tiden utlades igjen gjennom en stor motstand. Strømmen gjennom motstanden blir da proporsjonal med pulsraten (antall ladningspulser pr. sekund), vi sier at kondensatoren og motstanden virker som en differensiator. Et slikt instrument kalles et dosimeter. Instrumentet som benyttes i denne oppgaven kan opereres enten som pulsteller eller som dosimeter. Kommersielle GM detektor har også ofte en liten høyttaler som gir et knepp" for hver puls (og som gjerne brukes i audiovisuelle skrekk og advarsel" reportasjer om stråling). 5