Strålning. Laboration

... Laboration Innehåll 1 Förberedelseuppgifter och miniprojekt 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 kärnfysikrelaterat 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 miniprojekt. 2. Inlämning av skriftliga förberedelseuppgifter. 3. Laborativa uppgifter: a) Mätning av räckvidden av α-strålning i luft från 241 Am med ett GM-rör. b) Mätning av γ-strålnings absorption i bly och aluminium. Bestämning av attenueringskoefficienter och halveringstjocklekar. c) Mätning av stråldosen i olika utomhusmiljöer. 1

Strålning Förberedelser 2 Förberedelse för muntlig redovisning av miniprojekt Målsättningen med miniprojektet är att du ska få en träning i informationssökning, källgranskning och presentationsteknik. Ni arbetar i par och ska välja ett miniprojekt av de 10 föreslagna. Valet av projekt sker i dialog med Cajsa Andersson i samband med den schemalagda övningen i informationssökning. Se till att ingen inom laborationsgruppen väljer samma miniprojekt! Ni kan välja ett av nedanstående ämnen eller komma med ett förslag på eget kärnfysikrelaterat ämne (hör då med Kristina Stenström, kristina.stenstrom@nuclear.lu.se, att det är OK): Kärnfysikaliska medicinska undersökningsmetoder: t ex historik, hur fungerar röntgen-, PET- och CTundersökningar? Åldersbestämning med 14 C: hur fungerar 14 C-metoden och vad kan den användas den till? Radon i bostäder: vad är ett radonhus, vad är riskerna, kan man åtgärda det? Kärnkraft nu och i framtiden: t ex historik, hur fungerar en fissionsreaktor, vilka typer finns, vad är riskerna, hur ser framtidens fissionsreaktorer ut? Avfallsproblematik kärnkraft: hur tar vi hand om det radioaktiva avfallet? Fusion framtidens energikälla? Hur fungerar en fusionsreaktor, finns det några idag och hur är det med radioaktivt avfall från en fusionsreaktor? Acceleratordriven transmutation: hur är det tänkt att fungera som energikälla och vad är fördelarna jämfört med kärnkraften idag? Är låga stråldoser farliga? Hur skadar joniserande strålning och vad vet man om i dagens läge om låga stråldoser? Tjernobyl: vad hände och vilka blev konsekvenserna? ESS - en aktuell fråga för Lund: hur fungerar en spallationsanläggning, vad kan den användas till och vilka miljörisker finns? Oklo - kärnreaktorn i Gabon, Afrika: hur fungerar det? Hur söker man olja med radioaktivt preparat? Med en accelerator? Neutroner: hur detekterar (upptäcker) man dem? Kärnreaktorer: används de bara för att producera elektrisk energi? Fördjupa er i ämnet t.ex. med hjälp av kurslitteratur, bibliotek och tillförlitliga källor på internet (ej Wikipedia). Förbered en 10 minuters Power-Point-presentation som ni ska hålla för era kurskamrater vid laborationstillfället.

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. 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. 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. Miniprojekt. Varje grupp presenterar under max 10 minuter sitt 3

Strålning miniprojekt för kurskamraterna. Observera att det är viktigt att hålla tiden! Projektor och dator kommer att finnas i laborationssalen. Ni kan också använda eventuella egna bärbara datorer. 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 skall 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 frågorna skriftligt på separat papper som lämnas till handledaren vid laborationens början (förse vid laborationstillfället uppgifterna med försättsblad där namn och gruppnummer anges). 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? 4

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 Ampreparat (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. 5

Strålning 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. 6

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. 7

Strålning 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? 8

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) Mättid t (s) ingen - 137 Cs Al Antal pulser N Intensitet I=N/t (s -1 ) 137 Cs 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. 9

Strålning Tabell 3. Resultat av bestämning av γ-strålnings attenuering. Preparat Absorbator Halvvärdestjocklek (mm) Attenueringskoefficient (mm -1 ) 137 Cs Al 137 Cs Pb 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? 10

3. Mätning av stråldosen i olika utomhusmiljöer För denna del av laborationen används en stråldosmätare (RNImätare) 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: 11