Strålning Radioaktivitet och strålskydd

... Laboration Innehåll 1 Förberedelseuppgifter och projekt 2 3 4 α-strålnings räckvidd i luft γ-strålnings attenuering i aluminium och bly Mätning av stråldosen i olika utomhusmiljöer Strålning Radioaktivitet och strålskydd Laborationen avser dels att fördjupa ett kärn- eller atomfysikrelaterat område, samt att träna presentationsteknik. Laborationen avser dessutom att genom praktisk övning ge förståelse för några grundläggande begrepp inom kärnfysiken och strålningsfysiken som Absorption av joniserande strålning (α- och γ-strålning) Radioaktivitet i omgivningen Strålskydd Laborationsmoment Laborationen består av tre delmoment: 1. Muntlig redovisning av projekt. 2. Inlämning av skriftliga förberedelseuppgifter. 3. Laborativa uppgifter: a) Mätning av räckvidden av α-strålning i luft från 241 Am med ett GMrör. b) Mätning av γ-strålnings absorption i bly och aluminium. Bestämning av attenueringskoefficienter och halverings-tjocklekar. c) Mätning av stråldosen i olika utomhusmiljöer. 1

Strålning Förberedelser Förberedelse för muntlig redovisning av projekt Målsättningen med projektet är att du ska få en träning i informationssökning, populärvetenskapligt skrivande, källgranskning och presentationsteknik. Instruktioner finns i separat dokument under fliken Projekt på kurshemsidan. Förberedelse för laborativa moment Läs följande avsnitt i "Energi- och miljöfysik, del 2": Avsnitt 5-2: Radioaktiva sönderfall Avsnitt 5-3: Aktivitet och sönderfall Avsnitt 5-4: Sönderfallsserier Avsnitt 6-1: Joniserande strålnings växelverkan Avsnitt 6-2: Detektion av strålning Kapitel 8: Biologiska effekter Läs den följande handledningen och utför nedanstående förberedelseuppgifter. Lämna in förberedelseuppgifterna individuellt till handledaren vid laborationens start. Vid laborationstillfället behövs handledningen på papper. Ni ansvarar själva för att skriva ut laborationshandledningen före laborationstillfället. Säkerhetsinstruktioner Under laborationen används radioaktiva preparat som sänder ut α- respektive γ-strålning. Den strålning som du kommer att utsättas för är dock ytterst liten, förutsatt att instruktionerna nedan följs: Det är förbjudet att förtära mat och dryck i laborationslokalen. Det är förbjudet att applicera kosmetiska produkter i laborationslokalen. Tvätta händerna när du lämnar laborationslokalen (även i t ex pauser). Rör aldrig några radioaktiva preparat med fingrarna (gäller såväl α- som γ-preparaten). Använd skyddsglasögon vid mätning av α-strålning. De γ-strålande preparaten får endast hanteras av handledaren (med pincett). Bly används som strålskärm och som attenueringsmaterial vid mätning av γ-strålning. Bly är giftigt vid förtäring och inandning av damm. Därför gäller: Blytackorna får inte vidröras eller flyttas av studenterna. 2

Blyplattor som används vid γ-strålnings attenuering får endast hanteras med handskar. Tvätta händerna när du lämnar laborationslokalen (även i t ex pauser). Redovisning 1. Projekt. Varje grupp presenterar under 10 ± 1 minuter sitt projekt för kurskamraterna. Observera att det är viktigt att hålla tiden! Se till att er presentation finns lätt tillgänglig vid presentationen, helst på en USBsticka. Ni kan också använda eventuella egna bärbara datorer. Projektor och dator kommer att finnas i laborationssalen. Som återkoppling kommer vi att tillämpa kamratgranskning (se kamratgranskningsmallen på kurshemsidan). 2. Förberedelseuppgifter. Förberedelseuppgifterna lämnas in skriftligt till handledaren vid laborationens början. 3. Laborativa uppgifter. Ni ska inte skriva en rapport över de laborativa momenten. Istället fyller ni i handledningen under laborationens gång. Lämna den helt ifyllda handledningen samt alla ritade diagram till handledaren för rättning och godkännande. Se till att bli godkända av handledaren innan ni lämnar laborationen! Förberedelseuppgifter Varje laborant besvarar individuellt frågorna skriftligt på separat papper som lämnas till handledaren vid laborationens början (förse uppgifterna med namn och gruppnummer). Handledaren återlämnar de rättade uppgifterna under laborationens gång. 1. Ett begrepp som förekommer i laborationen är stråldos. a) Hur stor är medelsvenskens årliga effektiva stråldos? b) Hur stor effektiv stråldos kommer från den naturliga bakgrundsstrålningen? c) Vad betyder LD-50-dos och hur stor är den för människa? 2. Radioaktiva ämnens farlighet har olika karaktär beroende på vilken typ av strålning som det rör sig om. Vissa ämnen medför risk vid yttre exponering, medan andra främst är farliga vid inandning och förtäring. Vad gäller för alfa- samt gammastrålning? Varför? 3. Vilket matematiskt samband beskriver gammastrålnings attenuering? Vad är halvvärdestjocklek samt attenueringskoefficient? 3

Strålning Handledning för laborativa uppgifter 1. α-strålnings räckvidd i luft Använd skyddsglasögon under hela detta labmoment. α-partiklar stoppas normalt av en bit papper eller av det yttersta hudlagret som består av döda celler. Därför att skadar α-partiklar sällan levande celler i kroppen så länge preparatet befinner sig utanför kroppen. Dock kan extern α-strålning skada ögonen (samt öppna sår) som inte har något skyddande lager av döda celler. Som vi kommer att se i detta labmoment har α-partiklar en kort räckvidd i luft (vanligtvis <10 cm), och normal hantering av laborationsutrustningen innebär ingen risk för att α-partiklarna ska nå ögonen. Plexiglascylindern och detektorn stoppar även α-strålningen helt. För säkerhets skull ska skyddsglasögon ändå användas under hela detta moment. För att mäta α-strålnings räckvidd i luft används ett 241 Am-preparat (används ofta i brandvarnare) som strålkälla och ett GM-rör som detektor. Ovanpå preparatet sitter ett lager lack som skydd (lacket håller själva preparatet på plats, medan α-partiklarna tar sig igenom lackskiktet). Preparatet är monterat på en rörlig kolv i en plexiglascylinder. GM-röret är monterat på plexiglascylinderns slutna kortsida. Genom att avläsa α-partiklarnas intensitet (räknehastigheten i GM-röret) för ökande avstånd mellan preparat och GM-rör ska α- partiklarnas räckvidd bestämmas. α-preparatet sänder ut strålning i alla riktningar i rummet (jämförbart med solen som strålar ut ljus i alla riktningar runt om klotet). Resultaten av de olika intensitetsmätningarna blir därför inte direkt jämförbara. När detektorn befinner sig nära preparatet samlas en förhållandevis större andel av α-partiklarna in än när detektorn befinner sig längre bort (se Figur 1). Man måste därför göra en avståndskorrektion som tar hänsyn till detta faktum. 4

Figur 1 Detektorn samlar in förhållandevis större andel av α- partiklarna än när den befinner sig långt från detektorn. Radioaktivt preparat som sänder ut strålning i rummets alla riktningar Detektorn nära preparatet Detektorn långtfrån preparatet Gör först en mätning av bakgrundsintensiteten I bakgr under 5 minuter. Bakgrundsintensiteten är I bakgr = Mät nu intensiteten för olika avstånd mellan GM-rör och detektor med mättiderna enligt Tabell 1. Avstånden ställs in med hjälp av ett skjutmått. Observera att vid den första mätpunkten, dvs när skivan med preparatet ligger an mot detektorn (maximalt inskjutet preparat), är avståndet mellan detektor och preparat 4,5 mm. Korrigera den uppmätta intensiteten för bakgrundsintensiteten I bakgr. Genom att multiplicera den uppmätta intensiteten (korrigerad för bakgrundsintensiteten) med faktorn q i tabellen fås intensiteten kompenserad för avståndsberoendet. 5

Strålning Tabell 1. Avstånd, mättider och korrektionsfaktorer för avståndsberoendet vid bestämning av alfapartiklars räckvidd i luft. Avstånd A (mm) Tid t (s) Faktor för korrektion av avståndsberoendet q Antal pulser N Intensitet I=N/t (s -1 ) Bakgrundskorrigerad intensitet I korr1 = I - I bakgr (s-1) Intensitet kompenserad för avståndsberoendet I korr2 = I korr1 q (s -1 ) 4,5 60 1 6,5 60 1,51 8,5 60 2,03 10,5 60 3,00 12,5 60 4,01 14,5 60 5,20 16,5 60 6,57 18,5 60 8,12 20,5 60 9,84 22,5 60 11,7 24,5 60 13,8 26,5 2 60 16,1 28,5 2 60 18,5 30,5 2 60 21,1 Uppgifter Avsätt intensiteten korrigerad för bakgrund och avståndsberoende som funktion av avståndet i ett diagram. Du kan göra det för hand på mm-papper eller i valfritt datorprogram (t ex Excel eller MatLab). Kom ihåg storheter och enheter på axlarna! Avläs den extrapolerade räckvidden ur diagrammet. Den extrapolerade räckvidden blir. 6

Frågor Man har funnit att räckvidden för α-partiklar i energiintervallet 4 8 MeV i luft vid NTP (temperatur 273,15 K och tryck 0,1013 MPa) ges av den empiriska formeln R = 0,318 E1,5 (E i MeV och R i cm) α-partiklarnas energi är 5,47 MeV vid sönderfallet av 241 Am. 1. Vilken räckvidd i luft har α-partiklarna från 241 Am enligt den empiriska formeln? 2. Varför är den uppmätta räckvidden kortare än den beräknade räckvidden? 3. Vilken dotterkärna bildas vid sönderfallet av 241 Am? 7

Strålning 2. γ-strålnings attenuering i aluminium och bly Ett detektorsystem med ett datoriserat pulsräkningssystem skall användas för att bestämma attenueringskoefficienterna och halveringstjocklekarna för γ-strålning från 137 Cs (E γ = 661 kev) i två olika metaller med olika laddningstal, Z. Mätsystemet består av en s.k. mångkanalsanalysator som registrerar antalet pulser som kommer från scintillationsdetektorn (NaI) som funktion av de registrerade fotonernas energi. Energiaxeln är indelad i ett antal kanaler som motsvarar ett visst energiintervall. Använd handskar vid hantering av blyplattorna. Mät först upp intensiteten av γ-strålningen från 137 Cs utan någon absorbator mellan preparat och detektor. Mät sedan intensiteten då allt fler blyplattor (tjocklek 3 mm per platta) läggs mellan detektorn och preparatet. Upprepa mätningen för aluminium (tjocklek 10 mm per platta). Använd Tabell 2 för mätvärden och beräkning av intensiteten. Tabell 2. Värden för bestämning av γ-strålnings attenuering. Preparat Absorbator Tjocklek l (mm) 137Cs ingen - Al Mättid t (s) Antal pulser N Intensitet I=N/t (s -1 ) 137Cs Pb Använd med fördel MatLab och avsätt resultaten i ett diagram. Det är lämpligt att först bearbeta data för att sedan kunna linearisera diagrammet. Då blir det lätt att utifrån diagrammet bestämma attenueringskoefficienter och halveringstjocklekar för γ-strålningen från 137 Cs i bly och aluminium. Fyll i resultaten i Tabell 3. 8

Tabell 3. Resultat av bestämning av γ-strålnings attenuering. Preparat Absorbator Halvvärdestjocklek (mm) 137Cs 137Cs Al Pb Attenueringskoefficient (mm-1) Frågor: 1. Hur mycket bly respektive aluminium krävs för att skärma bort 90% av γ-strålningen? 2. Om attenueringskoefficienten för γ-strålningen från 137 Cs i luft är 1,0 10 4 cm 1, hur lång är halvvärdestjockleken i luft? 9

Strålning 3. Mätning av stråldosen i olika utomhusmiljöer För denna del av laborationen används en stråldosmätare (RNI-mätare) som består av ett GM-rör samt en elektronikkrets som omvandlar antal fotoner i energiområdet 50 kev till 3 MeV till en stråldos uttryckt i Sv/h (Sievert/timme). Med hjälp av en RNI-mätare som hängs runt halsen på ungefär 1 m höjd över marken mäts stråldosen i mitten av en större gräsyta, en asfaltyta och en yta belagd med gatsten. Starta mätningarna genom att trycka in knappen med en cirkel i minst 2 sekunder. Varje yta ska mätas under minst 5 minuter. Tryck därefter på Σ för att få ett medelvärde på den stråldos som uppmätts (minst 5 minuter måste ha gått för att ett riktigt värde ska visas). Mätvärdena införs i Tabell 4 där även övriga mätvärden införs, såväl egna (gärna individuella också om ni haft varsin RNI-mätare) som de övriga gruppernas. Tabell 4. Stråldos i utomhusmiljöer Stråldos (µsv/h) Gräs Asfalt Gatsten 1. Jämför resultaten av stråldosmätningen över de olika ytorna. Varför skiljer de sig åt? 2. Ungefär hur stor är den årliga naturliga bakgrundsstrålningen enligt mätningarna? Jämför med förberedelseuppgift 1b! 3. Jämför de olika gruppernas resultat. Kommentarer: 10