ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТЫ К СПЕЦ. ФИЗ.ПРАКТИКУМУ ПО МЕД.ФИЗИКЕ. Лабораторная работа 1. Изучение статистических методов обработки опытных данных. Приборы и принадлежности

• Название: Лабораторная работа 1. Изучение статистических методов обработки опытных данных. Приборы и принадлежности
• Дата: 18.06.2018
• Размер: 1.47 Mb.
• Имя файла: ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТЫ К СПЕЦ. ФИЗ.ПРАКТИКУМУ ПО МЕД.ФИЗИКЕ.docx
• Тип: Лабораторная работа; #47240
• страница: 4 из 6

Часть энергии волны, падающей на границу раздела двух сред (1 и 2), различных по физическим свойствам, отражается обратно в первую среду под углом , равным углу падения  (рис. 2).

Отношение

(2)

интенсивности отраженной волны () к интенсивности падающей волны () носит название коэффициента отражения R. Величина коэффициента отражения зависит от различия плотностей и упругих свойств сред 1 и 2 и равна (при нормальном падении)

(3)

где  и   плотности сред 1 и 2;  и  скорости распространения волны в 1-ой и 2-ой средах соответственно. При этом величина

 (4)

носит название акустического сопротивления. Если сопротивления сред 1 и 2 сильно отличаются друг от друга ( или ), то R  1, то есть практически вся энергия падающей волны отражается обратно в первую среду. Так, например, обстоит дело на границе воздуха (z 0,0043 кг/м^2сек) с водой (z  1,5 кг/м^2сек) или с большинством твердых и жидких сред. Явление отражения УЗ-волны от границы различных гистологических структур (жир мышца, мышца  кость и т.п.) и патологических неоднородностей (опухолей, камней в печени и др.) используется в основном методе УЗ-диагностики  методе эхолокации.

Другая часть энергии падающей волны (см. рис. 2), преломившись, начнет распространяться в среде 2 под углом , определяемым обычным соотношением  законом преломления.

.

(5)

Изменение направления УЗ-волны при переходе в другую среду используется, например, в "акустических линзах" (рис. 3), применяемых в технике и медицине для "фокусировки" УЗ-энергии на малой площади.

5. Генерация и прием УЗ-волн.

Методы трансмиссии и эхолокации УЗ-сигнала

Источниками ультразвука в технике и медицине чаще всего служат пьезоэлектрики (кварц, титанат бария и др.), Так, например, в УЗ-зондах (рис. 4, а), применяемых в медицинских эхоскопах, пластинка из пьезоэлектрика (1)совершает упругие колебания под действием переменного электрического напряжения (обратный пьезоэффект), проводимого через разъем (2) от генератора. Частота напряжения обычно соответствует частоте собственных упругих колебаний пластинки (1) и лежит в УЗ-диапазоне. При этом энергия электрических колебаний частично переходит в энергию УЗ-волн, излучаемых зондом (в основном в направлении, перпендикулярном плоскости пластинки, см. рис. 4, зонд "а").

Аналогичные зонды используются в эхоскопах и для приема УЗ-волн (рис. 4, б). Приходящая УЗ-волна возбуждает упругие колебания пьезоэлектрической пластинки(1), которые вызывают слабые электрические колебания напряжения на концах пластинки (прямой пьезоэффект) и в разъеме (2). Эти колебания усиливаются в усилителе (3) и могут наблюдаться, например, на экране осциллографа (4).

Режим работы УЗ-приборов, при котором УЗ-волны, излученные одним зондом ("а"), принимаются другим ("б") после прохождения через исследуемый объект, называется режимом трансмиссии (Т-режим). Однако большее значение в технике и медицинской практике имеет режим эхолокации (Э-режим). В этом режиме волны, излученные УЗ-зондом (1) и отраженные от какой-либо границы сред (2) или включения (3), регистрируются другим (4) (рис. 5) или тем же (1) (рис. 6) УЗ-зондом, который при этом является сразу и источником, и приемником ультразвука. Для того чтобы разделить в последнем случае во времени прием и передачу УЗ-сигнала и избежать их наложения, а также для измерения времени распространения сигнала в объекте, эхоскопы работают в импульсном режиме (рис. 6). При этом в промежутках времени между импульсами излучения УЗ-зонд работает на прием.

Э-режим используется для определения внутренней структуры непрозрачных для видимого света сред, местонахождения неоднородностей и включений среды, а также для оценки их формы и размеров. Для этого, измеряя время  между излучением и приемом отраженного сигнала и зная среднюю скорость распространения УЗ-волны в изучаемой среде v, находят расстояние S до отразившего сигнал объекта по формуле

.

(6)

Величину и форму объекта при этом оценивают по ширине и амплитуде отраженного сигнала, а также по их изменению при смещениях и поворотах УЗ-зонда.

Описание прибора

Медицинский акушерский эхоскоп ЭСМ-01 предназначен для УЗ-диагностики в акушерстве и гинекологии. Аналогичные по принципу действия приборы ЭХО-11, ЭХО-12 используются в нейрохирургии и травматологии для получения УЗ-энцефалограмм (эхоэнцефалограф).

Передняя панель эхоскопа изображена на рис. 7. К разъему 3 подводятся импульсы переменного электрического напряжения, вырабатываемые генератором прибора. К этому разъему могут подключаться УЗ-зонды, рассчитанные на частоту 0,88 МГц, 1,76 МГц, 2,64 МГц.

Через согласующий слой (вода, вазелиновое масло и т.п.) эти зонды прикладывают к поверхности исследуемого объекта (например, к коже пациента). В режиме "Э"тот же УЗ-зонд испускает импульсы УЗ-волн и (в промежутках) принимает УЗ-импульсы, отраженные от каких-то неоднородностей внутри объекта. Принятые УЗ-импульсы 2 усиливаются и вместе с зондирующим импульсом 1 и измерительными метками 3, 4 (рис. 8) наблюдаются на экране электронно-лучевой трубки прибора.

Положение меток связано с измерительной шкалой прибора 2 (рис. 7). Перемещая их с помощью регулировок "НАЧАЛО ОТСЧЕТА" и "ИЗМЕРЕНИЕ" так, как показано на рис. 8, можно было бы измерить время  между моментами испускания и приема УЗ-импульса, а затем по формуле (6) определить величину S расстояние от отразившей импульс неоднородности.

Однако эхоскоп ЭСМ-10 предназначен в основном для исследования мягких тканей человека, в которых скорость распространения УЗ-волны примерно постоянна и равна

1540 м/сек (7)

(см. на шкале прибора рис. 7). Поэтому для удобства измерений во время клинического обследования измерительная шкала в режиме "Э" непосредственно показывает расстояние (в мм) от УЗ-зонда до отразившей импульс неоднородности:

.

(8)

В случае использования эхоскопа для исследования сред, где скорость распространения УЗ-волн v и другая (), истинное расстояние S до неоднородности, отражающей импульс, должно быть рассчитано по формуле

,

(9)

непосредственно вытекающей из формул (6), (8).

Формула (9) может быть использована и для нахождения скорости v распространения УЗ-волн в исследуемой среде, если истинное расстояние S измерить непосредственно (например, линейкой):

.

(10)

Порядок выполнения работы

Упражнение 1. Ознакомление с устройством и методами регулировки эхоскопа.

Задание выполняется с помощью преподавателя или лаборанта на тест-объекте из оргстекла (рис. 9). В режиме эхолокации "Э" с УЗ-зондом на частоту  = 0,88 МГц, наложенным на поверхность тест-объекта (предварительно смазанную вазелиновым маслом), наблюдают на экране эхограмму тест-объекта, зарисовывают в тетрадь и объясняют ее вид.



Студентам необходимо понять назначение регулировок "ЯРКОСТЬ", "ФОКУС", " ", " " (на задней панели прибора ли прибора), "Э Т", "МОЩНОСТЬ, "УСИЛЕНИЕ", "ОСЛАБЛЕНИЕ", "МАСШТАБ" (на передней панели) и освоить управление этими регулировками.

Следует также освоить методику измерения расстояний по эхограмме с помощью регулировок "НАЧАЛО ОТСЧЕТА", "КОРЕКЦИЯ", "ИЗМЕРЕНИЕ" и измерительной шкалы прибора.

Упражнение 2. Определение скорости распространения УЗ-волны в оргстекле.

Выполняется на тест-объекте в режиме "Э" с УЗ-зондом на частоту  = 0,88 МГц.

1. Получают эхограмму тест-объекта (см. упражнение 1).

2. Измеряют три раза по эхограмме (с помощью меток и шкалы) "расстояние" до задней поверхности тест-объекта, отражающей УЗ-волну, и находят среднее этого расстояния .

3. Линейкой определяют действительное значение этого расстояния S (длины тест-объекта), не равное (см. рис. 9).

4. По формуле (10) с учетом (7) рассчитывают скорость распространения УЗ-волны в оргстекле v.

Отчет. Значение скорости v ультразвука в оргстекле с указанием единиц и погрешности измерения.

Упражнение 3. Измерение коэффициента поглощения УЗ-волны в оргстекле.

;Внимание! Начальное положение регулировок "ОСЛАБЛЕНИЕ" и "ВАРУ" в этом упражнении 0.

1. Получают эхограмму тест-объекта (так же, как в упражнениях 1, 2).

2. Регулировками "МОЩНОСТЬ" и "УСИЛЕНИЕ" добиваются появления на эхограмме второго отраженного импульса 2 (рис. 10, а), соответствующего УЗ-волне, дважды прошедшей тест-объект в прямом и обратном направлениях; при этом первый отраженный импульс 1 на эхограмме может находиться "в насыщении", выходя за пределы шкалы экрана (см. рис. 10, а).

По клеточкам шкалы экрана замечают высоту второго отраженного сигнала .

3. Не изменяя положения регулировок "МОЩНОСТЬ" и "УСИЛЕНИЕ", ручкой "ОСЛАБЛЕНИЕ" добиваются выхода импульса 1 из насыщения и устанавливают его "высоту" (рис. 10, б). Отметим, что при этом импульс 2 может стать исчезающе мал. Положение ручки "ОСЛАБЛЕНИЕ" покажет разницу интенсивностей первого и второго отраженного импульсов в децибелах (дБ).

4. По формуле (1), полагая = 2 S (S  длина тест-объекта), рассчитывают коэффициент поглощения УЗ-волны в оргстекле k (дБ/см).

Действительно, разница в интенсивностях импульсов 1 и 2 в основном определяется лишь различием путей = 4 S – 2S = 2S, проходимых соответствующими волнами в оргстекле (так как на границе "оргстекло  воздух" отражается приблизительно 99% энергии падающей УЗ-волны).

5. Не менее 5 раз повторяют упражнение и находят среднее значение коэффициента поглощения в оргстекле  на частоте УЗ-волны = 0,88 МГц.

6. Заменяют УЗ-зонд на другой с удвоенной частотой = 1,76 МГц. По вышеописанной методике находят среднее значение коэффициента поглощения  на частоте УЗ-волны =1,76 МГц.

Отчет. 1. Значение коэффициента поглощения k ультразвука в оргстекле (на частотах  = 0,88 МГц и  = 1,76 МГц) с указанием единиц и погрешности измерения.

2. Вывод о качественной зависимости этого коэффициента от частоты ультразвука.

Упражнение 4. Определение коэффициента отражения УЗ-волны на границе "оргстекло вода".

1. Помещают тест-объект на подставке в чашку с водой (рис. 11).

2. Получают эхограмму тест-объекта (аналогично упражнениям 1, 2, 3). Интенсивность J УЗ-импульса, отраженного от границы с водой, фиксируют достаточно большой ( 3 клеточки шкалы экрана) и запоминают.

3. Аккуратно вынимают тест-объект с подставкой из воды, тщательно обтирают тряпочкой мокрое основание и убеждаются, что интенсивность отраженного импульса при этом увеличилась (). Регулировкой "ОСЛАБЛЕНИЕ" добиваются выравнивания ее с прежним значением J. Показание п шкалы "ОСЛАБЛЕНИЕ" будет при этом соответствовать разнице интенсивностей (дБ).

4. Учитывая, что при этом (п дБ = 0,1 п Б)

10 lg

10 lg p

,

(11)

и, используя калькулятор, определяют отношение интенсивностей

(12)

отраженных импульсов, зарегистрированных эхоскопом.

В формуле (12) величина

,

(13)

где  и R  коэффициент отражения УЗ-волны на границе "оргстекло  воздух" и "оргстекло вола", соответственно^*).

5. Считая коэффициент отражения на границе "оргстекло воздух" , из формулы (13) определяют значение коэффициента отражения на границе "оргстекло вода"

.

(14)

6. Повторяют измерения не менее пяти раз и находят среднее значение коэффициента R.

7. Рассчитывают теоретически значение коэффициента R, воспользовавшись формулой (3). Для этого вначале вычисляют акустические сопротивления оргстекла (z₁) и воды (z₂). Плотность стекла и воды принимают равными соответственно  ₁=1,2 г/см³,  ₂ = 1 г/см³, а значение скорости УЗ-волны в оргстекле (v₁), берут из результатов упражнения 2; скорость УЗ-волны в воде v₂ = 1540 м/с.

8. Сравнивают найденные экспериментально и теоретически значения коэффициента R.

Вопросы для самоконтроля

1. 
   Опишите основные особенности ультразвука.
   
2. 
   Опишите принцип генерации ультразвука.
   
3. 
   В чём состоит прямой пьезоэффект?
   
4. 
   В чём состоит обратный пьезоэффект?
   
5. 
   Опишите принцип эхолокации.
   
6. 
   Как в эхолокации идентифицируют объекты?
   
7. 
   Дайте определение коэффициента отражения волны R, указав, чем определяется (от чего зависит) его величина.
   
8. 
   Почему ультразвуковая локация применяется, в основном, в морском деле и в медицине, а не для локации предметов в воздухе?
   
9. 
   Для чего, при выполнении эхоскопии, на кожу пациента наносят слой вязкой жидкости?
   
10. 
    Возможно ли с помощью эхоскопа измерить (или хотя бы оценить) скорость перемещения объекта?
    
11. 
    Как в ультразвуковой эхолокации измеряют скорость объектов точно (на основе какого эффекта)?
    
12. 
    Учитывая, что разрешающая способность любого типа волновой микроскопии примерно равна длине волны, оцените разрешающую способность (вертикальную) ульт- развукового эхоскопа, работающего на частоте   1 МГц.
    

Лабораторная работа № 6

Основы дозиметрии

Цель работы: Знакомство с видами радиоактивного излучения и основами дозиметрического контроля.

Краткая теория.

Современное развитие наук вызвало необходимость систематизации и углубления опыта по исследованию влияния на биологические объекты (человеческий организм) различных видов излучения: радиоактивного, ультразвукового, высокочастотного, ультрафиолетового и т.д. В данной работе рассмотрим виды радиоактивного излучения, познакомимся с их основными свойствами, характерными для любого радиоактивного излучения и основами дозиметрического контроля.

Основные свойства радиоактивного излучения

Активность источника – мера радиоактивности, выраженная числом актов распада атомных ядер в единицу времени.

Единица измерений:

СИ: Беккерель [ Бк ]

1 Бк равен 1 ядерному превращению за 1 с или 0,027 нКи

Практическая внесистемная единица: Кюри [ Ки ]

1 Ки = 3.7 10¹⁰ ядерных превращений за 1 секунду.

Интенсивность излучения– энергия излучения, проходящая через единицу поперечного сечения за единицу времени.

Единица измерений:

СИ: Дж с^-1 м^-2

Практическая внесистемная единица: эВ с^-1 см^-2

1 электрон-вольт (эВ) = 1.6 10^-19 Дж

Проникающая способность – способность проникать как через прозрачные, так и через непрозрачные тела.

Глубина проникновения зависит как от материала (через который проникает излучение), так и от вида и энергии (длины волны) излучения.

Закон ослабления радиоактивного излучения

I_d= I₀exp (- d),

где I₀ - начальная интенсивность излучения;

I_d - интенсивность излучения после прохождения через вещество толщиной d.

- линейный коэффициент ослабления интенсивности, определяемый свойствами вещества, видом и энергией излучения.

Ионизирующая способность – способность ионизировать вещество при прохождении через него. При этом происходит процесс, который в общем случае можно описать следующим уравнением:

M + E_q = M⁺ + e,

где M – атом или молекула,

E_q – энергия кванта или частицы,

M⁺ - положительно заряженный ион,

e – электрон.

Виды радиоактивного излучения

  - излучение – ионизирующее излучение, состоящее из альфа-частиц (ядер гелия ₄He²⁺) с энергией 4-11 МэВ, испускаемых при ядерных превращениях. Кроме того, к данному виду излучения можно так же отнестипротонное (₁p⁺¹) излучение, а так же другие более тяжелые ядра отдачи, возникающие в результате ядерных превращений.

 - излучение обладает высокой ионизирующей и маленькой проникающей способностью. Пробег  -частицы в воздухе составляет 3-11 см. Сложенный пополам лист обычной бумаги полностью поглощает эти частицы. Внешний покров тела человека также хорошо поглощает эти частицы. Опасно при попадании внутрь организма.

  - излучение – электронное и позитронное ионизирующее излучение с непрерывным энергетическим спектром (масса частиц 5.4 10^-4 а.е.).

Удельная ионизация значительно меньше, чем  - частиц той же энергии. Проникающая способность  - излучение значительно больше, чем  - частиц и зависит от их энергии. Для частиц, обладающих энергией 3 МэВ, пробег в воздухе составляет около 3м. Одежда и кожный покров человеческого тела поглощает примерно 75%  - частиц и только 20-25% проникает внутрь организма на глубину 2 мм. Наибольшую опасность представляет попадание этих частиц в глаза (внешняя поверхность глаза не имеет защитного слоя) и при попадании внутрь организма.

 - и рентгеновское–излучение – электромагнитное ионизирующее излучение с длиной волны менее 10^-8 м.

Удельная ионизация еще меньше, чем  - частиц, но наибольшая проникающая способность по сравнению с  - и  - излучением. В воздухе распространяется на значительные расстояния практически без ослабления. Свинец, сталь, бетон и другие плотные материалы определенной толщины вызывают существенное ослабление. При прохождении  - квантов через среду ионизация производится электронами, выбиваемыми из атомов  - квантами.Особенно опасно при внешних облучениях.

 нейтронное – излучение – излучение, состоящее из нейтральных частиц(₁n⁰).

По своему воздействию на человеческий организм нейтроны делятся на две энергетические группы.

Медленные нейтроны (с энергией 0-20 МэВ) вызывают активацию ядер окружающей среды. Ядро, поглотившее нейтрон, увеличивает на единицу свою массу, т.е. становится новым изотопом элемента, который, как правило, не устойчив. Его распад сопровождается испусканием заряженных частиц и иногда  - квантами, которые опять-таки вызывают ионизацию.

Быстрые нейтроны(с энергией более 20 МэВ) при столкновении с легкими атомами передают им часть своей кинетической энергии. Атомы начинают двигаться с такой скоростью, что теряют свои электроны, превращаясь в ионы, которые при движении в среде вызывают также ее ионизацию.

Основные дозиметрические величины и единицы измерений

Уровень радиации– мощность экспозиционной дозы на высоте 0.7-1 м над зараженной поверхностью.

Экспозиционная доза – доза, полученная за время от начала заражения до времени полного распада радиоактивного вещества.

Единица измерений:

СИ: Кулон на килограмм [ Кл / кг ]

Практическая внесистемная единица: Рентген [Р]

1Р = 2.6 10^-4 Кл/кг

1Кл/кг = 3.9 10³Р

Мощность экспозиционной дозы (уровень радиации)– доза, получаемая объектом в единицу времени.

Единица измерений:

СИ: Кл/(кг с )

Практическая внесистемная единица:

1 Р/с = 3600 Р/ч = 86400 Р/сут

1 Р/ч = 24 Р/сут = 8760 Р/год

Поглощенная доза излучения – энергия, переданная ионизирующим излучением единице массы облучаемого вещества:

D = E_q/ m

(m – масса облучаемого вещества).

Единица измерений:

СИ: Дж/кг или Гр (Грей)

Практическая внесистемная единица: рад

1 рад = 0.01 Гр = 0.01 Дж/кг = 100 эрг/г.

Эквивалентная доза – доза, введенная для оценки возможного ущерба здоровью человека от хронического воздействия ионизирующего излучения:

H = kD

D – поглощенная доза;

k – коэффициет качества ионизирующего излучения.

Единица измерений:

СИ: Зиверт [Зв]

Практическая внесистемная единица: бэр (биологический эквивалент рентгена)

1 бэр = 0.01 Дж/кг = 0.01 Зв

Коэффициент качества k – коэффициент для учета биологической эффективности разных видов ионизирующего излучения.

k

Рентгеновское и  - излучение 1

 - излучение (электроны и позитроны) 1

Быстрые нейтроны (с энергией 20 МэВ) 3

Медленные нейтроны (с энергией 0.1 – 10 МэВ) 10

Протоны с энергией < 10 МэВ 10

 - излучение с энергией < 10 МэВ 20

Тяжелые ядра отдачи 20

Нормы радиационной безопасности

Нормы радиационной безопасности (НРБ) устанавливают систему дозовых пределов и принципы их применения. НРБ основаны на следующих основных принципах радиационной безопасности:

• 
  непревышение установленного основного дозового предела;
  
• 
  исключение всякого необоснованного облучения;
  
• 
  снижение дозы излучения до возможно низкого уровня.
  

В основу НРБ положены отечественный опыт обеспечения условий радиационной безопасности, результаты работ советских и зарубежных ученых, а также рекомендации Международной комиссии по радиологической защите.

Устанавливаются следующие категории облучаемых лиц:

категория А – лица, которые постоянно или временно работают непосредственно с источниками ионизирующих излучений;

категория Б – лица, которые не работают непосредственно с источниками ионизирующих излучений, но по условиям проживания или размещения рабочих мест могут подвергаться воздействию радиоактивных веществ и других источников излучения;

категория В – остальная часть населения страны.

Кроме того устанавливаются так же три группы критических органов:

I – все тело, гонады и красный костный мозг;

II – мышцы, внутренние органы, глаза;

III – кожный покров, костная ткань, кисти,

предплечья, голени и стопы.

Для каждой категории облучаемых лиц устанавливается основной дозовый предел. В качестве основных дозовых пределов в зависимости от группы критических органов для категории А устанавливается предельно допустимая доза за календарный год (ПДД), а для категории Б – предел дозы за календарный год (ПД).

Предельно допустимая доза (ПДД) – это такое наибольшее значение индивидуальной эквивалентной дозы за календарный год, при котором равномерное облучение в течении 50 лет не может вызвать в состоянии здоровья неблагоприятных изменений, обнаруживаемых современными методами.

Предел дозы (ПД) - это такое наибольшее среднее значение индивидуальной эквивалентной дозы за календарный год для лиц категории Б, при котором равномерное облучение в течении 70 лет не может вызвать в состоянии здоровья неблагоприятных изменений, обнаруживаемых современными методами.

Основные дозовые пределы

Дозовые пределы суммарного внешнего и внутреннего облучения, бэр за календарный год	Группа критических органов
	I	II	III
ПДД для категории А	5*	15	30
ПД для категории Б	0,5	1,5	3

^*Примечание: Для женщин до 40 лет не более 1 бэр за 2 месяца в области таза.

Естественный фон в России:

4-20 мкР/ч или 35-175 мР/год

Общая доза облучения всего организма для категории А не должна превышать (бэр):

H = 5( N – 18 )

N – возраст, годы. Во всех случаях доза, накопленная за 30 лет, не должна превышать 60 бэр.

Нормативы ПДД в военное время и аварийных ситуациях:

1. 
   Однократное облучение 50 бэр
   
2. 
   Многократное облучение за 30 дн. 100 бэр
   
3. 
   Многократное облучение за 3 мес. 200 бэр
   
4. 
   Многократное облучение за 1 год 00 бэр
   

Лучевая болезнь начинается при однократном облучении мощностью 100 бэр. Тяжелая форма – 450 бэр.

Приборы дозиметрического контроля

Приборы, предназначенные для обнаружения и измерения радиоактивных излучений, называются дозиметрическими.

Основными элементами дозиметрических приборов являются регистрирующие устройства (ионизационная трубка, счетчик), электрическая схема, источник питания, блок преобразования напряжения (Рис.1). Регистрирующее устройство: ионизационная трубка или газоразрядный счетчик 1 представляют собой заполненный воздухом или инертным газом замкнутый объем, внутри которого находятся два электрода. К электродам приложено напряжение от источника постоянного тока. При отсутствии радиоактивного излучения в цепи регистрирующего устройства тока не будет, поскольку воздух и инертный газ являются изоляторами. При воздействии радиоактивного излучения на регистрирующее устройство молекулы воздуха (или инертного газа) в нем ионизируются. Положительно заряженные частицы перемещаются к катоду (-), а отрицательные – к аноду (+). В цепи появляется ионизационный ток, для измерения которого служит микроамперметр 3.



Рис. 1 Принципиальная схема устройства дозиметрических приборов:

1 - регистрирующее устройство; 2 - усилитель ионизационного тока; 3 - измерительный прибор; 4 - преобразователь напряжения; 5 -источник питания

Источником питания прибора служат батареи или сеть 5, напряжение которых повышается до необходимого значения с помощью специального преобразователя 4.

Для измерений используются различные дозиметрические приборы ЛУЧ-А, ДП-5В, ДРГЗ-01(02,04), ДИП-0.05 и др.

Порядок выполнения работы

Задание 1. Измерение естественного фона в помещении для занятий.

С помощью дозиметра “Мастер –1” измерить естественный фон в помещении для занятий. Дозиметр “Мастер – 1” предназначен для контроля радиационной обстановки на местности, в рабочих и жилых помещениях. Прибор измеряет мощность эквивалентной(экспозиционной) дозы в диапазоне от 0,10 до 9,99 МкЗв/ч (от 10 до 999 МкР/ч). Диапазон энергии излучений от 0,05 до 1,5 МэВ.

Включить прибор. Для проведения измерений нажать кнопку ПУСК, при этом на цифровом табло должны появиться цифры 000, а справа от цифр мигающий знак “СЧ”. Через 36 с после нажатия кнопки ПУСК счет импульсов прекращается, о чем свидетельствует прекращение мигания знака “СЧ”. Установившееся на табло значение показывает мощность эквивалентной дозы в микрозивертах в час. Провести не менее трех измерений, найти среднее значение. Сопоставить полученное значение с соответствующими значениями Норм радиационной безопасности. Сделать соответствующие выводы о радиационной безопасности в помещении.

Задание 2. Измерение естественного фона (уровня радиации) в помещении с источником ионизирующего излучения – рентгеновским дифрактометром.

С помощью дозиметра “Мастер –1” повторить аналогичные измерения, указанные в задании 1.

Сделать соответствующие выводы о радиационной безопасности в помещении.

Задание 3. Проведение дозиметрического контроля защиты рентгеновского дифрактометра.

Ознакомиться с устройством дозиметрического прибора ДРГЗ – 02. Прибор “ДРГЗ - 02” предназначен для контроля радиационной обстановки на местности, в рабочих и жилых помещениях. Прибор измеряет мощность экспозиционной дозы в диапазоне от 0,01 до 100 МкР/с . Тип детектора – сцинтилляционный. Диапазон энергии излучений от 0,015 до 1,25 МэВ.

С помощью прибора ДРГЗ – 02 произвести замеры мощности экспозиционной дозы в непосредственной близости от рентгеновского пучка и за защитой рентгеновского дифрактометра в нескольких точках.

Сделать выводы о соответствии защиты нормам по технике безопасности.

Вопросы для самоконтроля

1. 
   Виды радиоактивного излучения?
   
2. 
   Что такое ионизирующая способность?
   
3. 
   Что такое проникающая способность?
   
4. 
   Какое излучение обладает наибольшей ионизирующей способностью и какое – наибольшей проникающей способностью?
   
5. 
   Что такое поглощенная доза?
   
6. 
   Что такое эквивалентная доза?
   
7. 
   Что такое предельно допустимая доза?
   
8. 
   Основные нормы радиационной безопасности для категории А?
   
9. 
   Основные нормы радиационной безопасности для категории Б?
   
10. 
    Естественный фон в России?
    

Лабораторная работа № 7
СВОЙСТВА РЕНТГЕНОВСКИХ ЛУЧЕЙ

Цель работы.

Целью работы является знакомство с получением и некоторыми свойствами рентгеновских лучей.

Краткая теория.

Три открытия возвестили новую эпоху в естествознании в конце девятнадцатого века:

1895 - открытие рентгеновских лучей;

1896 - открытие радиоактивности;

1897 - открытие электрона.

Рентгеновские лучи были открыты немецким физиком Вильгельмом Конрадом Рентгеном.

Рентгеновские лучи - это электромагнитное излучение с длиной волны от 10^-12 до 10^-8 м (от 0,01 до 100 А). В общей шкале электромагнитных излучений они находятся между гамма - и ультрафиолетовыми лучами.



Рентгеновские лучи возникают при ударе быстро летящих электронов о вещество. Для получения рентгеновских лучей используют рентгеновские трубки (рис. 1). Трубка представляет собой закрытый сосуд с глубоким вакуумом и с впаянными электродами - катодом из вольфрамовой нити и анодом из массивного металла. Через катод K^- трубки пропускают ток накала, что приводит к нагреванию катодной нити до высокой температуры и испусканию электронов с поверхности катода. Такой процесс называется термоэлектронной эмиссией. Если теперь между катодом K^- и анодом А⁺ приложить достаточно высокое напряжение U, то электроны от катода будут двигаться к аноду (анодный ток), развивая кинетическую энергию

E_K = eU = mV²/ 2,

где e, m, V - заряд, масса и скорость электрона, U - напряжение на электродах рентгеновской трубки. В результате взаимодействия быстрых электронов с материалами анода образуются рентгеновские лучи.

Существует два механизма образования рентгеновских лучей.

Первый механизм состоит в том, что быстрые электроны тормозятся электрическими и магнитными полями атомов анода, при этом кинетическая энергия электронов переходит частично или полностью в энергию квантов электромагнитного излучения:

CEK

,

где

hc / - энергия одного рентгеновского кванта, h - постоянная Планка, c - скорость распространения электромагнитного излучения (скорость света),  - длина волны. В случае когда кинетическая энергия электрона полностью переходит в энергию кванта излучения

EK

=

,

образуется коротковолновая граница спектра (_.

В результате ряда последовательных торможений электрона образуются рентгеновские кванты с различными длинами волн, т.е. с непрерывным спектром. Такое излучение называют тормозным или непрерывным (Рис. 2).



Второй механизм связан со взаимодействием быстрых электронов с внутренними электронными уровнями атомов анода. При этом взаимодействии внешний электрон выбивает электрон с внутреннего уровня атома на более высокий уровень или совсем из атома (Рис. 3), атом переходит в возбужденное состояние. Мгновенно электрон с одного из верхних уровней атома переходит на свободный внутренний уровень, возникающая при этом избыточная энергия и удаляется из атома в виде электромагнитного излучения (рентгеновских квантов).

Поскольку электронные уровни в атомах имеют строго определенные значения энергии, атом испускает рентгеновские лучи с набором строго определенных длин волн, характерных для каждого атома. Такое излучение называется характеристическим, или линейчатым (Рис. 2).

Некоторые основные свойства рентгеновских лучей.

Как и другие виды электромагнитного излучения, рентгеновские лучи дают зеркальное отражение, преломление, распространяются в пространстве прямолинейно, не отклоняясь в электрических и магнитных полях.

Одной из характеристик рентгеновских лучей является интенсивность. Интенсивностью называется энергия излучения, проходящая через единицу поперечного сечения за единицу времени. Она зависит как от энергии рентгеновских квантов, так и от их количества. Для того чтобы увеличить энергию кванта, необходимо повышать напряжение (тем самым, увеличивая скорость электронов) и повышать ток накала (т.е. повышать температуру катода), чтобы увеличить количество электронов, падающих на поверхность анода рентгеновской трубки. При этом выделяется большое количество теплоты и необходимо охлаждение.

При прохождении через вещество рентгеновские лучи вызывают его ионизацию: