25A40B 4h. RADIOAKTIIVINEN SÄTEILY

Transkriptio

1 TURUN AMMATTIKORKEAKOULU TYÖOHJE 1/9 25A40B 4h. RADIOAKTIIVINEN SÄTEILY TYÖN TAVOITE Työn tavoitteena on tutustua radioaktiiviseen säteilyyn ja mahdollisuuksiin suojautua siltä. RADIOAKTIIVISEN SÄTEILYN LÄPITUNKEVUUS. BEETASÄTEILY. 1. TYÖN TAVOITE 2. TEORIAA Työssä perehdytään radioaktiivisen hiukkassäteilyn käyttäytymiseen sen kohdatessa ainetta. Samalla saadaan kokemusta säteilyn mittaamisesta geiger-ilmaisimella. Radioaktiivisella säteilyllä on haitallisia vaikutuksia. Säteily on läpitunkevaa ja ionisoivaa. Fysiikan laboratoriotöissä käytettävät säteilylähteet ovat kuitenkin niin heikkoja, ettei niistä ole vaaraa, kunhan toimitaan ohjeiden mukaan. Beetasäteily on hiukkassäteilyä (elektroneja tai positroneja), jonka energiaspektri on jatkuva (kuva 1) nollasta tiettyyn maksimienergiaan E max asti. Se absorboituu ainekerrokseen kokonaan, jos kerros on riittävän paksu. Sitä ainekerroksen vahvuutta, johon suurienergiaisinkin (E max ) beetasäteily jää kokonaan, kutsutaan maksimikantamaksi R max. Maksimikantama riippuu beetaspektrin maksimienergiasta, joka puolestaan riippuu kysymyksessä olevasta radioaktiivisesta isotoopista. Sitä vastoin maksimikantama on lähes riippumaton väliaineen koostumuksesta. Säteilyn yhteydessä ilmoitetaan ainekerroksen vahvuus usein pinta-alamassana, jonka tunnus on A ja mittayksikkö kg/m 2 tai sen kerrannaiset, kuten mg/cm 2. Kuva 1. Beetasäteilyn energiaspektri. 3. TYÖN SUORITUS

2 TURUN AMMATTIKORKEAKOULU TYÖOHJE 2/9 Radioaktiivisella säteilyllä on haitallisia vaikutuksia. Säteily on läpitunkevaa ja ionisoivaa. Fysiikan laboratoriotöissä käytettävät säteilylähteet ovat kuitenkin niin heikkoja, ettei niistä ole vaaraa, kunhan toimitaan ohjeiden mukaan. Tutkitaan beetasäteilyn absorboitumista valvojan määräämään aineeseen mittaamalla säteilyn laskurissa aiheuttamaa laskentataajuutta (pulssia/aikayksikössä) viiden minuutin jaksoina (kolmen 100 sekunnin tai viiden 60 sekunnin jakson summana) (mittayksikkönä on tässä vaiheessa p/5 min). Laskentataajuus on verrannollinen säteilytysvoimakkuuteen. Mittauksen vaiheet ovat: 1. Mitataan taustasäteilyn aiheuttama laskentataajuus. Säteilylähde on tällöin niin kaukana, ettei sen säteily pääse ilmaisimeen. Tämän jälkeen pyydetään säteilylähde valvojalta. 2. Mitataan säteilyn aiheuttama laskentataajuus suoraan lähteestä. 3. Asetetaan lähteen ja geigerlaskurin väliin tutkittavaa ainetta olevia levyjä. Joihinkin niistä on merkitty pinta-alamassan suuruus yksikkönä mg/cm 2. Ellei merkintää ole, määritetään levyjen pinta-alamassa (= massa/pinta-ala). Havaintoja tehdään sellaisilla levy-yhdistelmillä, että piirrettävään kuvaajaan saadaan havaintopisteitä tasaisesti koko alueelle, suoraan lähteestä mitatusta havainnosta taustasäteilyn tasoon asti ja lisäksi muutama havainto suuremmilla pintaalamassojen arvoilla taustasäteilyn saavuttamisen jälkeen. 4. Kun edellisen kohdan mittaukset on tehty, säteilylähde laitetaan takaisin säilytyspaikkaansa etäälle ilmaisimesta. Lähemmät ohjeet laitteiden toiminnasta löydät työpaikalta. Valvoja antaa säteilylähteen. 4. TYÖSELOSTUS Havaintotulosten graafinen esittäminen. Piirretään lin-lin-koordinaatistoon tavalliselle millimetripaperille kuvio, joka esittää laskentataajuutta pinta-alamassan funktiona. Saadaan kuvan 2 kaltainen graafinen esitys, joskin kuvaajan yksityiskohtainen muoto saattaa hieman vaihdella, sillä se riippuu myös mittausgeometriasta, tässä tapauksessa erityisesti ilmaisimen etäisyydestä säteilylähteestä.

3 TURUN AMMATTIKORKEAKOULU TYÖOHJE 3/9 Kuva 2. Beetasäteilyn laskentataajuus pinta-alamassan funktiona lin-linkoordinaatistossa. Kuvassa 1 tarkoittaa n o laskentataajuutta suoraan lähteestä ilman absorbaattorilevyjä. Se saadaan pisteistöön piirretyn tasoitetun käyrän ja n-akselin leikkauspisteestä (mitattu arvo ei välttämättä ole sama, kuten kuvasta näkyy). Kuvassa 2 on taustasäteilyä n t esittävää viiva, joka saadaan piirtämällä tasoitettu vaakasuora viiva pisteistön siihen osaan, jossa laskentataajuus on tasaantunut. Laskentataajuus vaihtelee täälläkin edelleen jonkin verran, mutta vaihtelu tapahtuu satunnaisesti kumpaankin suuntaan. Satunnaisuus on radioaktiivisen säteilyn luonnollinen ominaisuus. Kantaman määritys. Piirretään puolilogaritmipaperille havaintopisteet, jotka esittävät laskentataajuutta pinta-alamassan funktiona (kuva 3). Havaintopisteistä ne, jotka poikkeavat eniten taustasäteilyn tasosta, on tilastollisesti pienempi suhteellinen virhe. Tasoitetaan pisteet, joiden laskentataajuus on ainakin kaksinkertainen taustasäteilyyn verrattuna, suoraksi (kuva 3). Piirretään taustasäteilyä vastaava suora (kuva 3). Piirretyt suorat leikkaavat ja niiden leikkauspisteen pinta-alamassa kuvaa beetasäteilyn maksimikantamaa A = R max.

4 TURUN AMMATTIKORKEAKOULU TYÖOHJE 4/9 Kuva 3. Beetasäteilyn laskentataajuus pinta-alamassan funktiona lin-logkoordinaatistossa ja taustasäteily sekä maksimikantaman määritys. Kuva 4. Beetasäteilyn kantama energian funktiona.

5 TURUN AMMATTIKORKEAKOULU TYÖOHJE 5/9 Selvitetään beetasäteilyn maksimienergia kuvasta 4 edellä saadun maksimikantaman kohdalta. Tuloksina ilmoitetaan maksimikantama ja maksimienergia. 5. KIRJALLISUUS Inkinen, P., Manninen, R. ja Tuohi, J.: Momentti 2, Insinöörifysiikka. Otavan kirjapaino Oy, Keuruu, ISBN , s

6 TURUN AMMATTIKORKEAKOULU TYÖOHJE 6/9 RADIOAKTIIVISEN ISOTOOPIN PUOLIINTUMISPAKSUUDEN JA MASSA- ABSORPTIOKERTOIMEN MÄÄRITTÄMINEN TIETYLLE MATERIAALILLE 1. TYÖN TAVOITE 2. TEORIAA Työssä perehdytään radioaktiivisuuteen ja radioaktiivisen säteilyn mittaamiseen määrittämällä tietylle materiaalille radioaktiivisen isotoopin puoliintumispaksuus ja massa-absorptiokerroin. Radioaktiivinen hajoaminen noudattaa lakia, jonka mukaan radioaktiivisten ytimien lukumäärän muutos aikayksikössä on suoraan verrannollinen läsnä olevien radioaktiivisten ytimien lukumäärään: dn dt N, (1) missä N on ajanhetkellä t läsnä olevien radioaktiivisten atomien lukumäärä ja on hajoamisvakio ([ ] = s -1 ). Radioaktiivisten ytimien määrä pienenee ja siksi muutos on negatiivinen. Hajoamisnopeus eli aikayksikössä tapahtuvien hajoamisten lukumäärä on itseisarvoltaan sama kuin radioaktiivisten ytimien lukumäärän muutos aikayksikössä. Integroimalla yhtälö (1) saadaan radioaktiivisten atomien lukumäärälle ajan funktiona yhtälö t N N 0 e, (2) missä N 0 on ajanhetkellä t = 0 s läsnä olleitten radioaktiivisten atomien lukumäärä. Radioaktiivisten atomien lukumäärä pienenee siis eksponentiaalisesti ajan funktiona. Aikaa, jonka kuluessa puolet radioaktiivisista atomeista on hajonnut, sanotaan puoliintumisajaksi. Yhtälöstä (2) saadaan puoliintumisajalle lauseke ln 2 T 1/ 2. (3) Radioaktiivisen näytteen aktiivisuus A on määritelmän mukaan näytteessä aikayksikössä tapahtuvien radioaktiivisten hajoamisten lukumäärä ([A] = Bq, becquerel, 1 Bq = 1 s -1 ). Aktiivisuus on siis juuri sama kuin hajoamisnopeus. Aktiivisuus noudattaa eksponenttilakia: t A A 0 e, (4) missä A 0 = N 0. Tämä voidaan todeta yhtälöitten (1) ja (2) avulla.

7 TURUN AMMATTIKORKEAKOULU TYÖOHJE 7/9 Radioaktiivisuutta tutkitaan isotoopin lähettämää säteilyä mittaamalla. Tässä työssä lasketaan näytteestä tulevien -energiaisten fotonien lukumäärä tietyn pituisina peräkkäisinä aikaväleinä. Yhtälöissä A on näytteen absoluuttinen aktiivisuus. Fotonit lähtevät näytteestä kaikkiin suuntiin. Fotoneita laskeva säteilyn ilmaisin, tässä tapauksessa geigerputki, havaitsee niistä vain tietyn osan, jonka suuruus riippuu mittausgeometriasta ja fotonin kulkutiellä olevista aineista. Osa menee ilmaisimen ikkunan ohi, osa absorboituu ennen ilmaisimeen pääsyään. Näin ollen absoluuttisen aktiivisuuden A asemesta saadaan suhteellinen aktiivisuus ka, missä k on mittausgeometriasta ja väliaineista riippuva ajan suhteen vakiona pysyvä kerroin. Äärellisen pituisella aikavälillä t rekisteröity pulssimäärä n = ka t = k( dn/dt ) t, joten se noudattaa samaa lakia kuin aktiivisuus A, kun t on vakio. Radioaktiivinen hajoaminen on tilastollinen eli statistinen tapahtuma. Etukäteen ei voida sanoa, millä ajanhetkellä täsmälleen jokin tietty ydin hajoaa. Yhtälöt (1) - (4) ovat siis tilastollisia. Ne antavat kyseisten suureitten keskiarvot. Mittaustuloksissa tapahtuman tilastollinen luonne näkyy siten, että havaintopisteet eivät osu täsmälleen yhtälöiden kuvaajille. Jos tietyn pituisena aikana havaitaan n pulssia, on standardipoikkeama n. Sen suhteellinen arvo on n n 1 n. Siis mitä enemmän pulsseja havaitaan, sitä pienempi on suhteellinen hajonta. Tämä saadaan aikaan pidentämällä mittausaikaa. 2. GAMMASÄTEILYN PUOLIINTUMISPAKSUUS Monokromaattinen (yhden energian omaava) säteily heikkenee etenemissuunnassaan aineen läpi kulkiessaan yhtälön I l I 0 e (5) mukaisesti. Alkuperäisen säteilyn intensiteetti I 0 on vähentynyt arvoon I, kun säteily on kulkenut l:n paksuisen ainekerroksen läpi ([l]=m). Lineaarinen absorptiokerroin ([α]=m -1 ) riippuu läpäistävästä aineesta ja säteilyn aallonpituudesta (energiasta). Jos paksuuden sijasta halutaan käyttää pintatiheyttä m = säteilyä vastaan kohtisuoraa pintaalayksikköä kohti oleva massa ([m]=kg/m 2 tai g/cm 2 ), on merkittävä l m, (6) missä = massa-absorptiokerroin ([β]=m 2 /kg tai cm 2 /g). Koska tiheys = m/l ([ρ]=kg/m 3 ), on = /. Vastaava absorptioyhtälö on m I I 0 e (7) Edellisten yhtälöiden mukaan ln( I 0 / I) ln( I ) ja 0 I. (8) l m/

8 TURUN AMMATTIKORKEAKOULU TYÖOHJE 8/9 Jos läpäistävä ainekerros on niin paksu, että puolet säteilystä pääsee sen läpi (I = I 0 /2), tätä kerrosta sanotaan puoliintumispaksuudeksi l½ ko. säteilyn suhteen. Edellisistä kaavoista saadaan puoliintumispaksuuksiksi ln 2 l ½ ja ln 2 m ½ (9) 3. TYÖN SUORITUS JA TYÖSELOSTUS Ennen gammasäteilijän sijoittamista mittausalustalle mitataan taustasäteilyä viisi minuuttia (kolmeen kertaan 100 s tai viiteen kertaan 60 s). Sen jälkeen valvojan määräämä gammasäteilijä asetetaan sille varattuun paikkaan ja geigerputki sen yläpuolelle niin korkealle, että tarvittaessa kaikki lyijylevyt mahtuvat pinoon säteilijän ja putken väliin. Ensin suoritetaan säteilymittaus ilman levyjä ja sitten erimäärällä levyjä. Sopiva mittausaika on viisi minuuttia. Samalla absorptiolevymäärällä mitatut pulssimäärät lasketaan yhteen ja summasta lasketaan pulssimäärä minuutissa ja piirretään puolilogaritmipaperille kuvaaja, jossa pulssimäärä on lyijylevypaksuuden funktiona. Mitattuihin pulssimääriin on tehtävä taustasäteilyvähennys. I (1/min) V I 0 I 0 2 l ½ Kuva 5. Pulssien lukumäärä lyijylevypaksuuden funktiona l (mm) Yhtälön (5) mukaan I l I 0 e eli ln I ln I0 l, joten ln I l ln I 0. (10) Viimeinen yhtälöistä (10) esittää suoraa, joka muodostuu puolilogaritmipaperille. Suora leikkaa I-akselin kohdassa I 0. Puoliintumispaksuus saadaan tämän suoran avulla kuten kuva 5 osoittaa. Saadusta arvosta lasketaan lineaarinen absorptiokerroin kaavan 9 avulla.

9 TURUN AMMATTIKORKEAKOULU TYÖOHJE 9/9 Massa-absorptiokertoimen määrittämiseksi tälle lyijylaadulle määritetään tiheys punnitsemalla levyt ja mittaamalla niiden tilavuus. Massa-absorptiokerroin lasketaan kaavojen 6 ja 9 avulla. Tässä työssä ei tehdä matemaattista virhetarkastelua. LISÄÄ TYÖN AIHEPIIRISTÄ Lisää tietoa löytyy esimerkiksi seuraavasta teoksesta: Toivonen, Harri, Rytömaa, Tapio, Vuorinen, Antti. Säteily ja Turvallisuus. Helsinki: Valtion Painatuskeskus ja Säteilyturvakeskus, 1988.