156

DETERMINAREA COEFICIENTULUI DE ATENUARE AL

RADIAŢIILOR GAMA ÎN DIFERITE METALE

1. Scopul lucrării

Scopul acestei lucrării este de-a determinarea coeficientului de

atenuare al radiaţiilor gama pentru diferite materiale, respectiv a

coeficientului masic de atenuare cât şi-a energiei acestor radiaţii.

2. Teoria lucrării

În timpul dezintegrării de tip a şi b, nucleele atomice efectuează

tranziţii dintr-o stare excitată pe o stare mai puţin excitată (inferioară)

sau pe starea fundamentală. În urma acestor tranziţii se emit radiaţii

electromagnetice numite radiaţii gama (g). Nivelele energetice ale

nucleului fiind discrete, aceste radiaţii prezintă un spectru de linii.

Frecvenţele cuantelor g sunt legate de diferenţa energiilor prin condiţia

lui Bohr a frecvenţelor.

Totalitatea radiaţiilor g provenite din cosmos formează fondul

cosmic. În ultimii 50 de ani au fost mai multe teorii cu privire la sursele

ce emite aceste radiaţii precum şi la locul în care s-ar afla în univers. Ei

bine, în anul 2001 cu ajutorul telescoapelor Habble şi Ceandra s-a ajuns

la concluzia că aceste radiaţii sunt emise la marginea universului, în

momentul naşterii şi morţii unei stele, fenomene ce au loc frecvent în

acest loc, constatându-se în acelaşi timp că ele sunt emise în impulsuri

cu durata extrem de scurtă şi că au energii foarte, foarte mari.

Radiaţiile g au o mică putere de ionizare şi deci o mare putere

de pătrundere în diverse substanţe.

La trecerea radiaţiilor gama prin substanţă, în funcţie de energia

fotonilor (100 KeV – 3 MeV) şi numărul atomic Z al materialului, pot

157

avea loc trei procese principale de interacţiune dintre radiaţie şi

substanţă:

1. Efectul fotoelectric,

2. Formarea de perechi electron-pozitron,

ambele efecte contribuind în principal la absorbţia de energie,

3. Efectul Compton, care este în principal un fenomen de difuzie şi

contribuie numai parţial la absorbţia de energie.

Efectul global de absorbţie se obţine prin acumularea efectelor

celor trei procese care predomină la diferite energii: efectul fotoelectric

caracterizat printr-un coeficient h, predomină la energiile cuprinse între

100 – 300 KeV, efectul Compton caracterizat printr-un coeficient s,

predomină la energii cuprinse între 200 KeV – 2 MeV, iar efectul

generator de perechi caracterizat printr-un coeficient t, predomină la

energii mai mari de 2 MeV.

Considerând un strat de grosime dx pe suprafaţa căruia cade

normal un fascicul de radiaţii gama, cu intensitatea I, experienţa ne arată

că variaţia intensităţii se exprimă prin relaţia:

IdxdI m-= (1)

unde m este coeficientul de atenuare al substanţei exprimat ca sumă a

celor trei coeficienţi m = h + s + t; 11 -= cmSIm

Separând variabilele şi integrând relaţia (1) obţinem legea atenuării:xeII m-= 0 (2)

unde: - I0 este intensitatea incidentă a radiaţiei,

- I este intensitatea radiaţiei transmisă,

- x este grosimea stratului străbătut (fig. 1).

Din relaţia (2) se observă că m este inversul grosimii pentru care

intensitatea scade de e ori. Valorile lui m depind de energia radiaţiei

precum şi de natura materialului (fig. 2).

Raportul dintre coeficientul de atenuare şi densitatea materialului, adică

158

rm se numeşte coeficient de atenuare masică şi se exprimă în gcm2 .

Fig. 1 Fig. 2

În practică se măsoară în locul intensităţii de radiaţie (I) viteza de

numărare R (numărul de fotoni recepţionaţi de un detector în unitatea de

timp). În această situaţie expresia (2) ia forma:xeRR m-= 0 (3)

unde 0R este viteza de numărare a impulsurilor create de fluxul incident,

iar R viteza de numărare a impulsurilor create de fluxul transmis.

Logaritmând expresia (3), se obţine:

xRR m-= 0lnln (4)

iar dacă exprimăm în logaritmi zecimali vom avea:

xRR m4343,0lglg 0 -= (5)

Această relaţie este tocmai ecuaţia unei drepte în coordonate lg R

şi x (fig. 3).

Fig. 3

Ordonata la origine este lg R0, iar panta dreptei este: m = 0,4343m.

159

3. Dispozitivul experimental

Schema dispozitivului de măsurare este prezentată în fig. 4 şi

conţine următoarele părţi componente:

Fig. 4

1) Sursa de radiaţii gama (S.R.), constituită dintr-o capsulă ce

conţine un preparat de Co 60, este ecranată cu un “castel” de plumb care

asigură protecţia contra efectului nociv al radiaţiilor. Fasciculul de radiaţii

trece prin orificiul unui colimator de plumb (C).

2) Instalaţia de măsurare este constituită dintr-un detector Geiger -

Müler (C.G.M.) şi un numărător electronic (N.E.).

3) Plăcuţe (P) din Fe, Al şi Cu care se aşează între colimator şi

detector şi pentru care se măsoară coeficient de atenuare.

4. Modul de lucru

În tot timpul lucrării sursa de radiaţie şi detectorul rămân fixe,

deoarece numărul de cuante care ajung la detector depinde de unghiul

solid sub care cade fluxul de radiaţii pe detector. De asemenea, tensiunea

aplicată detectorului trebuie să rămână constantă.

Pentru efectuarea măsurătorilor se procedează astfel:

a) Se determină viteza de măsurare pentru fondul cosmic rf, sursa

fiind ecranată cu ajutorul unui ecran de Pb.

b) Se descoperă sursa de radiaţii şi se determină viteza de

numărare (r0) a radiaţiei incidente, proporţională cu 0I .

c) Se aşează treptat una, două şi trei plăcuţe absorbante de aceeaşi

160

grosime (= 1mm) din materiale diferite şi apoi se determină viteza de

numărare (r) proporţională cu intensitatea radiaţiei transmise (I).

d) Vitezelor de numărare obţinute r0 şi r se aplică corecţii datorită

timpului mort al instalaţiei (timpul de rezoluţie: sT 2102 -×= ) şi datorită

fondului cosmic rf. Deoarece activitatea sursei este mare, vitezele de

numărare corectate se vor determina folosind relaţiile:

1) pentru sursa liberă: TrrrR f ×+-= 2000

2) pentru sursa ecranată cu plăci absorbante: TrrrR f ×+-= 2

e) Valorile R0 şi R determinate se introduc în relaţia (5) şi se face

reprezentarea grafică pe hârtie milimetrică, punând în abscisă grosimea

plăcilor atenuatoare (în cm), iar în ordonată lg R. Se va obţine o dreaptă

asemănătoare cu cea din figura 3.

f) Se determină panta m a acestei drepte, care în valoare absolută

conform relaţiei (5) este:

m4343,0=m (6)

Din această relaţie se determină coeficientul de atenuare exprimat în1-cm :

)(3,24343,0

1-== cmmmm (7)

g) Se calculează coeficientul de atenuare masicărm exprimat în

gcm2 . Se cunoaşte densitatea materialelor utilizate:

39,7 cmgFe =r 37,2 cmgAl =r

39,8 cmgCu =r

h) Cu ajutorul valorii obţinute pentru coeficientul de atenuare şi al

curbei ( )Ef=m se determină energia E a cuantelor emise de sursa de

radiaţie.

i) Rezultatele obţinute se trec în tabelul 1 de mai jos.

j) Se vor fac observaţii asupra coeficientului de atenuare al

materialelor folosite.

161

Nr.

crt.fr 0R )(cmx R ( )1-cmm ( )gcm2rm ( )MeVE

1

2

3

Observaţii:

1. Dependenţa coeficientului de atenuare de energia radiaţiilor,

permite determinarea într-o primă aproximaţie a energiei radiaţiilor gama

emise de diferite surse. Pentru aceasta se foloseşte figura 2.

2. Coeficientul de atenuare este definit astfel:

rssm ××=×=N

Nn A

unde: - s este secţiunea eficace de împrăştiere,

- NA, numărul lui Avogadro,

- N, numărul de nuclee ţintă,

- r, densitatea materialului.