Загальна інформація
Застосування
Радіоактивність - тема в нашому суспільстві, яка вже багато років відіграє важливу роль у політиці, економіці та медіа. Те, що це випромінювання для людини ані видиме, ані відчутне, а наслідки цього випромінювання досі не досліджено повністю, викликає емоції, як жодна інша наукова тема перед тим.
Особлива небезпека при поводженні з радіоактивними речовинами - це високоенергетичне випромінювання цих речовин. Потенціал загрози залежить насамперед від виду опромінення: внутрішнє чи зовнішнє опромінення; від виду випромінювання: альфа-, бета-, гамма-випромінювання, і від способу поводження.
У цьому досліді досліджують радіоактивність електродів із діоксидом торію, які використовують для зварювання.
Інша інформація (1/4)
Попередні знання
Потрібні попередні знання можна знайти в теоретичній частині.
Науковий принцип
MiniPIX EDU - це сучасна ядерна технологія візуалізації випромінювання, яка слугує для того, щоб зробити видимим космічне й земне випромінювання, так що можна ідентифікувати широкий спектр природних видів випромінювання. Крім того, цей детектор випромінювання дає можливість виконувати фізичні досліди за допомогою штучних джерел випромінювання, як-от електродів із діоксидом торію.
Інша інформація (2/4)
Навчальна мета
Чи є радіоактивними торійовані електроди, які зазвичай використовують?
Завдання
- Запустіть детектор випромінювання.
- Зберіть дані про радіоактивність на електродах.
- Оцініть спостереження.
Інша інформація (3/4)
MINIPIX EDU
MINIPIX EDU - це мініатюризоване й енергоощадне рішення для камери випромінювання з лічбою окремих частинок (або відстеженням частинок) - детектора. Стандартна система MINIPIX EDU має один детектор із 256 × 256 пікселями і кроком 55 мкм. Вона здатна зчитувати до 45 кадрів за секунду за часу експозиції 1 мс. Детектор чутливий до енергії. Прилад може робити видимими багато видів іонізаційних частинок випромінювання (бета-, альфа-, космічне випромінювання тощо). Він може реєструвати мінімальні значення радіоактивності, наявної скрізь навколо нас. NASA застосовує ту саму технологію в космосі, щоб стежити за випромінюванням, яке одержують астронавти. Можна досліджувати походження різних видів частинок випромінювання і бачити, як радіоактивні ізотопи мандрують у природі та у створеному людиною середовищі, як-от у будинках, містах чи промислових зонах. Систему можна застосовувати у візуалізаційних застосуваннях (наприклад, рентгенівській або нейтронній візуалізації), а її здатність розпізнавати окремі частинки, сортувати їх на різні групи (рентгенівські промені, електрони, нейтрони, альфа тощо) і вимірювати їхні енергії використовують як велику перевагу для радіаційного моніторингу.
Інша інформація (4/4)
Вказівки щодо безпечного застосування
Щоб запобігти несправностям або пошкодженню вашого зважте, будь ласка, на такі вказівки:
- Не допускати контакту з водою або вологою.
- Не розбирати. Дротяне мікрозварне з'єднання може бути незворотно пошкоджене.
- Не вставляйте жодних предметів у вікно сенсора.
- Максимальна довжина USB-кабелю становить 3 м.
- Захист, який забезпечує цей виріб, може бути ослаблений, якщо його використовувати у спосіб, не описаний у цьому документі.
Теорія (1/6)
Основний склад первинного космічного випромінювання.
| Частинки | Відсоток |
|---|---|
| Протони | близько 90% |
| Альфа-частинки | близько 9% |
| більші ядра | до 1% |
1. Природне земне випромінювання
1.1 Космічне випромінювання
Випромінювання частинок із високим умістом енергії (виняток: фотонні промені, які є електромагнітними хвилями) проникає з космосу в кожну частину нашої земної атмосфери (первинне космічне випромінювання).
Частинки, які проникають в атмосферу, стикаються з ядрами атмосфери і спричиняють ядерні реакції та поділ ядер. Так постають нові ядра й елементарні частинки, які летять далі й призводять до подальших взаємодій.
Теорія (2/6)
У приземних шарах атмосфери (на висоті менше ніж 20 км) можна спостерігати лише вторинний вид випромінювання, який спричиняють численні процеси взаємодії у верхніх шарах атмосфери. Треба розрізняти чотири види складників, які мають різну проникну здатність (див. рис. 1):
| Вторинне космічне випромінювання | Складники |
|---|---|
| Нуклони | протони / нейтрони |
| Електрони й фотони | електрони / позитрони / фотони |
| Мезони | мезони різного заряду |
| Нейтрино | нейтрино/антинейтрино |
Рис. 1: природні процеси поділу
Теорія (3/6)
1.2 Земне випромінювання
Усі матеріали на Землі (земля, вода, атмосфера, тварини...) містять природні радіонукліди, які випускають промені. Вони існують від створення Землі (тобто вже 4,5 мільярда років) або постійно утворюються заново: U-238; Th-232; K-40 або Rb-87, наприклад, належать до природних радіонуклідів і мають дуже великий радіоактивний період. Ra- 226; Rn-222; Po-218 або Pb-210 утворюються постійно, і ці радіонукліди мають у трьох природних процесах поділу радше короткий радіоактивний період. Є також природні радіонукліди з відносно коротким радіоактивним періодом, але вони не належать до процесів поділу. Вони постійно утворюються у верхніх шарах атмосфери, як-от C-14 з N-14 або H-3 з N-14 чи O-16.
Теорія (4/6)
Близько 100 природних радіонуклідів, які існують від виникнення Землі або постійно утворюються заново, трапляються на всій Землі в різних концентраціях. Це причина того, чому відбувається постійний обмін між землею, водою, атмосферою і тваринним світом (рис. 2).
Тому люди завжди приймали природні радіоактивні речовини у своє тіло з повітрям, яким дихають, і з їжею. Радіоактивний газ радон і його побічні продукти надходять через вдихання. Природні радіонукліди з радіоактивних рядів розпаду торію та урану, а також калій-40 і вуглець-14 надходять із їжею.
Рис. 2
Теорія (5/6)
2. Радіоактивні речовини - діоксид торію
Діоксид торію (ThO2), який також називають торій(IV)-оксидом, - це кристалічна тверда речовина, часто біла або жовта. Його позначають також як оксид торію, і він утворюється переважно як побічний продукт при виробництві лантанідів і урану. Температура плавлення оксиду торію становить 3300 °C і є тим самим найвищою з-поміж усіх відомих оксидів. Лише кілька елементів (серед них вольфрам і вуглець) і кілька сполук мають вищу температуру плавлення. Усі сполуки торію, включно з діоксидом, радіоактивні, бо стабільних ізотопів торію не існує. Діоксид торію (торій) можна застосовувати в ядерних реакторах як керамічні паливні таблетки, які зазвичай містяться в ядерних паливних стрижнях, укритих оболонкою зі сплавів цирконію. Діоксид торію застосовують як стабілізатор у вольфрамових електродах при TIG-зварюванні, в електронних лампах і в газотурбінних двигунах літаків. Як сплав торійований вольфрамовий метал не так легко деформується, бо тугоплавкий матеріал торій поліпшує механічні властивості за високих температур, а торій сприяє емісії електронів (термоелектронів).
Теорія (6/6)
Незгоряні спечені вольфрамові електроди застосовують для зварювання вольфрамовим електродом в інертному газі (TIG). Щоб поліпшити здатність до запалювання, стабільність дуги і строк служби, до цих електродів додають від 1 до 4 масових відсотків діоксиду торію (ThO2). Торій - природний радіоактивний елемент. Продукти його розпаду теж радіоактивні.
Торій випускає переважно альфа-випромінювання, тоді як продукти його розпаду випускають альфа- і бета-випромінювання. Випускається також гамма-випромінювання. Особливість альфа-випромінювання полягає в тому, що після інкорпорації (вдихання або проковтування диму й пилу) воно має значно вищу біологічну ефективність, ніж бета- і гамма-випромінювання, але має дуже малу проникну здатність. Ця особливість призводить до різних потенціалів загрози за різних способів поводження з вольфрамовими електродами, що містять оксид торію. Поводження з вольфрамовими електродами, що містять оксид торію, під час зварювання і шліфування може через вдихання зварювального диму або пилу з діоксидом торію призвести до внутрішнього опромінення (внутрішня експозиція). Внутрішнє опромінення особливо шкідливе, бо торій, який потрапляє в тіло, відкладається переважно в кістках. Там альфа-випромінювання може пошкодити окістя і кістковий мозок. З іншого боку, наприклад, зберігання цих електродів призводить до зовнішнього радіаційного навантаження (зовнішня експозиція).
Оснащення
Обладнання
| Позиція | Обладнання | Artikel Nr. | Кількість |
|---|---|---|---|
| 1 | Лічильник окремих фотонів MiniPIX, набір | 09075-00 | 1 |
Налаштування та порядок роботи
Складання і порядок дій (1/3)
Налаштування можна змінити.
- Під'єднайте камеру MiniPIX EDU і запустіть програму PixetBasic.
- Змініть налаштування так:
- Мінімальний рівень: 0
- Максимальний рівень: 100
- Режим вимірювання: відстеження
- Рамки: 1800
- Експозиція: 1 с
- Сума: чек
- Кольорова карта: гаряча
- Мінімальний рівень: 0
- Максимальний рівень: 50
- Режим вимірювання: відстеження
- Кадри: 100
- Експозиція: 1 с
- Сума: чек
- Кольорова карта: гаряча
Складання і порядок дій (2/3)
- Після того як ви змінили налаштування, змонтуйте камеру MiniPix EDU і торійований електрод на предметному столику.
- Тримайте камеру і джерело якомога ближче одне до одного і клацніть кнопку «Відтворити».
- Зібрані візуальні дані показуються на чорному екрані, а додаткові дані (лічба, гістограми тощо) показуються в двох ділянках - «Інформація про зображення» і «Спектри». Інформація про зображення показує енергію на вкладці «Інфо» і кількість окремих частинок на вкладці «Треки». Розділ «Спектри» показує енергію, розмір і час окремих частинок на відповідних вкладках. Щоб збільшити результати спектрів, клацніть прямокутник у верхньому правому куті вікна спектрів.
Складання і порядок дій (3/3)
Експортувати дані
- Виберіть діаграму енергії в «Спектрах», клацніть правою кнопкою миші гістограму в розділі «Спектри» і клацніть «Зберегти у файл».
- Уведіть ім'я файлу і виберіть у спадному меню «Тип файлу» опцію ASCII Vertical. Клацніть «Зберегти».
- Тепер відкрийте Excel. Клацніть «Відкрити» > «Огляд» і знайдіть збережений файл. Виберіть зі спадного меню поряд із полем «Ім'я файлу» опцію «Усі файли», виберіть файл і клацніть «Відкрити».
- У вікні майстра імпорту тексту виберіть опцію «З роздільниками» і клацніть «Готово».
- Перші два стовпці аркуша - це список енергії альфа-частинок, наступні два стовпці - для електронів, наступні два - для мюонів, а останні два - для точок.
- Тепер виділіть перші два стовпці і клацніть меню «Вставлення». У розділі «Діаграми» клацніть точкову діаграму і виберіть «Точкова з прямими лініями», щоб отримати гістограму.
Оцінювання
Оцінювання (1/5)
Можна спостерігати три різні види слідів.
Радіоактивність торійованих електродів виявляє всі три види випромінювання - альфа, бета і гамма.
Оцінювання (2/5)
- Найрідше трапляються круглі плями, які виникають від влучання альфа-частинок (угорі ліворуч).
- Обведіть прямокутником окрему альфа-пляму або гамма-піксель (угорі праворуч), щоб визначити енергію окремих частинок. Поле «Total» в «Image Info» показує енергію в прямокутнику.
- Червоподібні структури - це результат бета-випромінювання (внизу ліворуч).
- Третій вид випромінювання - це гамма-випромінювання, яке зазвичай лишає слід завбільшки в один піксель (внизу праворуч). Іноді такі сліди може лишати й бета-випромінювання, але тоді для розрізнення можна використати енергію пікселя.
Оцінювання (3/5)
Відмінність між слідами трьох видів променів зумовлена тим, як вони взаємодіють із камерою.
Оскільки альфа-частинки найважчі, вони сильніше іонізують і швидко втрачають свою енергію, тож мають малий середній лінійний пробіг. У підсумковому графіку середня енергія альфа-частинок становить, наприклад, 3000 кеВ, що відповідає середньому пробігові 9,33 мкм у кремнії. Утворення вільних електронів і дірок на поверхні кремнієвого сенсора (300 мкм) спричиняє рух вільного заряду до електродів. Під час цього руху дірки через дифузію проникають у кілька сусідніх пікселів, що призводить до утворення круглих плям. Із кольорової схеми плям видно, що поглинена енергія в центрі вища, ніж на краях.
А при бета-випромінюванні електрон поступово втрачає свою енергію через зіткнення з електронами в атомах кремнію та іонізує їх. Це спричиняє сигнал у сусідніх пікселях, і в результаті виходить викривлена траєкторія високоенергетичних електронів.
При гамма-випромінюванні йдеться про фотони з енергією від одиниць до кількох десятків кеВ. При взаємодії такого фотона з атомом кремнію вивільняється електрон. Енергія такого електрона дуже мала і фіксується як вимірний сигнал одного, двох або трьох пікселів.
Оцінювання (4/5)
Питання
Оцінювання (5/5)
Питання
