TURUN AMMATTIKORKEAKOULU TYÖOHJE 1/8 25A12D. Radioaktiivisen säteilyn tutkimus ja painemittauksia Työn tavoite Työssä perehdytään β-säteilyn absorptioon aineessa ja erilaisiin nesteen paineen mittausmenetelmiin. Osa I. Radioaktiivisen säteilyn läpitunkevuus. Beetasäteily 1. Työn tavoite Työssä perehdytään radioaktiivisen hiukkassäteilyn käyttäytymiseen sen kohdatessa ainetta. Samalla saadaan kokemusta säteilyn mittaamisesta geiger-ilmaisimella. 2. Teoriaa 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. dn de Kuva 1. Beetasäteilyn energiaspektri. E max Tässä työssä tutkitaan β-säteilyn absorboitumista aineeseen. Beetasäteily on hiukkassäteilyä (elektroneja tai positroneja), jonka energiaspektri on jatkuva (kuva 1) nollasta tiettyyn maksimienergiaan E max asti. Se absorboituu ainekerrokseen kokonaan, kunhan kerros on riittävän paksu. Sitä ainekerroksen vahvuutta, johon suurienergiaisinkin (E max ) beetasäteily jää kokonaan, kutsutaan maksimikantamaksi R max. Maksimikantama riippuu beetaspektrin maksimi-energiasta, joka puolestaan riippuu kysymyksessä olevasta radioaktiivisesta isotoopista. Sitävastoin maksimikantama on lähes riippumaton väliaineen koostumuksesta. Säteilyn yhteydessä ilmoitetaan ainekerroksen vahvuus usein pinta-alamassana, jonka tunnus on ρ A ja mittayksikkö kg/m 2 tai sen kerrannaiset, kuten mg/cm 2. Beetasäteilyyn liittyy usein γ-säteilyä (gammasäteilyä) ja toisaalta elektronien pysähtyminen tuottaa ns. jarrutussäteilyä, jonka spektri on jatkuva ja spektrin suurienergiainen pää on röntgensäteilyn alueella. Nämä kohottavat yhdessä näennäisesti taustasäteilyä. Lisäystä kutsutaan gammataustaksi. E 3. Työn suoritus Tutkitaan beetasäteilyn absorboitumista valvojan määräämään aineeseen mittaamalla säteilyn laskurissa aiheuttamaa laskentataajuutta 3-5 minuutin jaksoissa (mittayksikkönä on tässä vaiheessa p/3-5 min). Laskentataajuus on verrannollinen säteilytysvoimakkuuteen. Mittauksen vaiheet ovat:
TURUN AMMATTIKORKEAKOULU TYÖOHJE 2/8 4. Työselostus 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 pinta-alamassa. Havaintoja tehdään sellaisilla levy-yhdistelmillä, että piirrettävään kuvaajaan saadaan havaintopisteitä koko alueelle. Erityisen tärkeä alue on se, jossa laskentataajuuden pieneneminen alkaa hidastua, joten tällä alueella on syytä muuttaa pinta-alamassaa pienemmin portain. Kun laskentataajuus alkaa olla sama kuin alussa mitatun taustasäteilyn, otetaan silti vielä muutamia havaintoja suuremmassa mittakaavassa, jotta mahdollinen gammatausta voidaan saada näkyviin. 4. Kun edellisen kohdan mittaukset on tehty, säteilylähde laitetaan takaisin lyijykammioonsa ja siirretään etäälle ilmaisimesta. 5. Mitataan taustasäteily uudestaan ilman säteilylähdettä ja levyjä. Lähemmät ohjeet laitteiden toiminnasta löydät työpaikalta. Valvoja antaa säteilylähteen. 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 vaihdella, sillä se riippuu myös mittausgeometriasta, tässä tapauksessa erityisesti ilmaisimen etäisyydestä säteilylähteestä. n o Kuva 2. Beetasäteilyn laskentataajuus pinta-alamassan funktiona lin-lin-koordinaatistossa. V Kuvassa 2 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 kaksi taustasäteilyä esittävää viivaa, n to on varsinainen ympäristön säteilyn aiheuttama tausta ja n t on levyjen ja säteilylähteen kanssa havaittu tausta. Jälkimmäinen 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. Gammataustaksi sanotaan erotusta n t - n to. Jos varsinaista gammasäteilyä ei esiinny, gammatausta voi olla niin pieni, että se hukkuu edellä mainittuun säteilyn satunnaiseen vaihteluun, varsinkin lineaarisella n-asteikolla.
TURUN AMMATTIKORKEAKOULU TYÖOHJE 3/8 Kantaman määritys. Vähennetään havaituista laskentataajuuden arvoista sekä edellisestä kuvasta (kuva 2) määritetystä n o :sta tausta n to. Jaetaan taustan suhteen korjatut laskentataajuudet taustan suhteen korjatulla n to :lla [ (n-n to )/(n o -n to ) ]. Piirretään sitten puolilogaritmipaperille (lin-log-paperille) kuvio, joka esittää edellä saadun suhteellisen laskentataajuuden pinta-alamassan funktiona (ks. kuva 3). 1 R max ρ A / mg/cm 2 (n-n to )/(n o -n to )] 10-1 10-2 10-3 10-4 Kuva 3. Suhteellisen laskentataajuuden logaritmi pinta-alamassan funktiona ja maksimikantaman määritys. V 5.2002 Havaintopisteistön loppuosassa eli taustan alueella taustan vähentäminen johtaa joidenkin havaintopisteiden osalta negatiiviseen tulokseen. Näitä pisteitä ei tietenkään voida sijoittaa logaritmiseen asteikkoon. Kuvassa oikealla olevat viimeiset pisteet, jotka poikkeavat muusta pisteistöstä selvästi, vastaavat taustan laskentataajuuksia n t. Piirretään pisteistöön tasoitettu käyrä jättäen taustapisteet huomioimatta. Käyrä lähenee asymptoottisesti pystysuoraa ρ A = R max. Pisteistö ei kuitenkaan yleensä ulotu tähän suoraan asti, vaan käyrää on jatkettava ekstrapoloiden (katkoviiva kuvassa 3). Jatko piirretään siten, että käyrä jatkaa kulkuaan tasaisesti kaartuen. Piirretään em. pystysuora kuvioon ja määritetään näin maksimikantama. Luetaan beetasäteilyn maksimienergia oheisesta kuviosta edellä saadun maksimikantaman kohdalta.
TURUN AMMATTIKORKEAKOULU TYÖOHJE 4/8 BEETASÄTEILYN KANTAMA MAKSIMIENERGIAN FUNKTIONA 10000 1000 R max / mg/cm 2 100 10 1 0,1 0,01 0,1 1 10 E max / MeV Tuloksina ilmoitetaan maksimikantama ja maksimienergia. Kummallekin arvioidaan virherajat graafisten esitysten perusteella.
TURUN AMMATTIKORKEAKOULU TYÖOHJE 5/8 Osa II. Nesteessä vallitsevan paineen mittaaminen eri tavoilla 1. Työn tavoite Työssä tutustutaan erilaisiin nesteen paineen mittausmenetelmiin. 2. Teoriaa Jos nesteessä tietyssä pisteessä P vallitsee absoluuttinen paine p, siihen vaikuttaa nesteen pintaan vaikuttavan ulkoisen paineen p 0 lisäksi nesteen oma hydrostaattinen paine ρ g h, eli p = p0 + ρ g h, jossa ρ on tutkittavan nesteen tiheys mittauslämpötilassa, g putoamiskiihtyvyys ja h mittauspisteen kohtisuora etäisyys nesteen pinnasta. Paine ilmoitetaan useimmiten absoluuttisen ja ulkoisen paineen erona Δp, joten Δp = ρ g h. Mitattaessa nesteen tasaista painetta voidaan käyttää paineenvälitintä, joka muuttaa nesteen paineen yhtä suureksi kaasun paineeksi ja päinvastoin. Suurissa paineissa paineenvälittimenä toimii herkkäliikkeinen kalvo nesteen ja kaasun välissä ja pienissä paineissa, kuten tässä työssä, paineenvälittimenä toimii pieni tiivis astia. Kaasun paine voidaan mitata mittausputken avulla kaukana varsinaisesta mittauspisteestä, ja ellei ole kyse suuresta tarkkuudesta, nesteen höyrynpaine ja nestehöyryn hydrostaattinen paine voidaan jättää huomioimatta. Näinollen mittausputken pituudella ja halkaisijalla ei ole käytännössä merkitystä. Painemittarissa anturina on ns. Bourdonkaari, joka kääntää mekaanisesti vaihteiston välityksellä viisaria. Mittarista paine luetaan suoraan millibaarin tarkkuudella. U-putkimanometrissä käytetään sopivan tiheyden omaavaa nestettä, jonka tiheys mittauslämpötilassa tunnetaan. Paine saadaan tämän tunnetun nesteen pintojen välisen korkeuseron, ja siten hydrostaattisen paineen avulla. Tässä työssä käytetään elohopeamanometriä. Elohopean tiheys mittauslämpötilassa saadaan taulukosta ja sen lisäksi havaitaan tietysti elohopean pintojen välinen korkeusero Δh. Painelähettimessä paine muutetaan sähköiseksi signaaliksi eri tavoin. Tässä työssä painelähettimen anturina toimii kalvolla sijaitseva Hall-kide kestomagneetin napojen välissä ja kiteen antama jännite muutetaan elektroniikan avulla paineeseen verrannolliseksi. Työssä käytettävän painelähettimen antojännite/paine on ilmoitettu työpaikalla. Edellisten lisäksi vedessä vallitseva paine voidaan määrätä sen oman hydrostaattisen paineen avulla mittaamalla veden pintojen välinen kohtisuora korkeusero Δh. Huomaa, että tässä työssä mitataan eo. menetelmillä ainoastaan ulkoilman ja vedessä vallitsevan paineen eroa (paitsi viimeisessä Lisätehtävässä).
TURUN AMMATTIKORKEAKOULU TYÖOHJE 6/8 3. Työn suoritus Lue ensin: Käytännön ohjeita työohjeen loppuosasta. Tässä työssä venttiilit B ja C ovat siis kiinni ja suoritetaan staattisen paineen mittaukset veden virratessa ainoastaan säiliöstä viemäriin. Mitataan veden paine kuudella eri säiliön asemalla tasaisin välein ylä- ja ala-aseman välillä, seuraavalla neljällä eri menetelmällä: 1) Painemittarilla 2) U-putkimanometrillä 3) Painelähettimellä 4) Mittaamalla veden oma hydrostaattinen paine Kaikki tulokset muutetaan yksiköksi kpa. Painelähettimen kerroin on mainittu laitteen yhteydessä, ja U-putkimanometrin elohopean tiheys mittauslämpötilassa saadaan taulukosta samoinkuin veden tiheys. Huoneenlämpötila täytyy myös havaita. Lopputulosten perusteella piirretään graafinen kuvaaja, jossa muiden menetelmien antamat paineet ovat veden hydrostaattisen paineen funktiona. Δ p (H O) 2 Kuva 5. Eri painemittarien lukemat veden hydrostaattisen paineen funktiona. Arvioi eri menetelmien tarkkuudet ja aseta menetelmät mieleiseesi luotettavuusjärjestykseen. Lisätehtävä: Havaitse myös vallitseva ilmanpaine barometrillä ja ilmoita, montako kilopascalia oli veden maksimi absoluuttinen paine säiliön ollessa ylimmässä asemassaan! Kirjallisuus: Inkinen, Pentti Manninen, Reijo Tuohi, Jukka. 2006. Momentti 2, Insinöörifysiikka. Keuruu: Otavan kirjapaino Oy, ss. 515-516, 528-529 Inkinen, Pentti Manninen, Reijo Tuohi, Jukka. 2002. Momentti 1, Insinöörifysiikka. Keuruu: Otavan kirjapaino Oy, ss. 301-303, 307-310
TURUN AMMATTIKORKEAKOULU TYÖOHJE 7/8 Käytännön ohjeita: Laitteisto:
TURUN AMMATTIKORKEAKOULU TYÖOHJE 8/8 Sähkökytkennät: 230 VAc Laitteiston käynnistäminen: Työskentelyn lopettaminen Virran kytkeminen pääkytkimellä ja vesivirtauksen käynnistäminen painikkeella 1. Päähanaan ei ole syytä koskea. Virtausten säätö tapahtuu pelkästään neulaventtiilien B ja C avulla. Säiliön korkeutta säädetään ao. painikkeilla. Aina kun säiliön asemaa muutetaan, tarkkaile, että kaikki putket pääsevät vapaasti liikkumaan, eikä mikään niistä painu myöskään liian jyrkälle mutkalle. Jos aluksi putkistoissa B,C tai D on ilmaa, pyydä valvojaa auttamaan sen poistamiseksi. Painelähetin vaatii n. 15 minuutin lämpenemisajan, ja vasta sen jälkeen jännitelukemat ovat pysyviä ja luotettavia. Kun lopetat työskentelyn, sulje ensiksi venttiilit B ja C (ei D), vasta sen jälkeen vedenkierto seis painikkeella 0 ja lopuksi virta pois pääkytkimestä. Päävesihanaa ei saa sulkea. Ainoastaan, jos tulee ongelmia, kuten ylivuotamisia tms. on ensin katkaistava sähkövirta ja sen jälkeen suljettava päävesihana. Painemittareille vievää vesilinjaa ei myöskään saa sulkea. Lyhyesti: Kun lopetat, ensin venttiilit B ja C kiinni, sitten sähköt pois.