Kwalitatieve identificatie van radioactieve bronnen

Je gebruikt een Geiger-Müller-telbuis met pulsenteller om pulsen van een radioactieve bron te tellen. Elk meetresultaat is het aantal pulsen dat in 10 seconden wordt gedetecteerd, geen dosismeting. Je werkt op afstand en raakt geen radioactief materiaal aan. Het lab toont opgenomen experimenten met echte apparatuur en de bijbehorende meetresultaten. Klik na een meting op elke balk met een meetresultaat, of houd de muis erboven, om het exacte aantal pulsen af te lezen. Noteer de genummerde resultaten in volgorde; schat ze niet uit de balkhoogte. Neem de resultaten over in je tabel voordat je een nieuwe meetreeks start. Loopt de labtijd af? Ga terug naar deze activiteit, open het lab opnieuw, herstel je instellingen en ga verder bij de volgende lege rij.

Alfastraling bestaat uit heliumkernen; bètastraling (β⁻) bestaat uit elektronen; gammastraling bestaat uit fotonen. Een alfadeeltje heeft ongeveer 7300 keer de massa van een elektron. De korte dracht hangt samen met sterke ionisatie langs zijn baan, niet eenvoudigweg met grotere deeltjesafmetingen. Het doordringend vermogen hangt af van de stralingssoort, de energie en het materiaal. Papier houdt gebruikelijke alfadeeltjes tegen, terwijl bèta- en gammastraling erdoorheen kunnen gaan. Enkele millimeters aluminium verzwakken veel bètacomponenten sterk. Gammastraling wordt verzwakt; er bestaat geen vaste dikte die alle gammastraling volledig tegenhoudt.

De halveringsdikte is de materiaaldikte die de doorgelaten intensiteit halveert bij een bepaalde stralingsenergie en geometrie. In een vereenvoudigd voorbeeld met een halveringsdikte van 12 mm lood laat een plaatje van 4 mm meer dan de helft door. Deze waarde geldt niet voor alle gammastraling. Bij een lagere fotonenergie kan de halveringsdikte veel kleiner zijn, waardoor enkele millimeters lood de straling veel sterker verzwakken. Het effect van een absorber hangt dus af van zowel de fotonenergie als de stralingssoort.

Zoek de uitgezonden stralingssoorten op in je naslagwerk met kerngegevens (bijvoorbeeld Binas) of op de Engelstalige informatiepagina's over Sr-90, Am-241 en Co-60. Bedenk dat een bron meerdere stralingscomponenten kan hebben. Ook radioactieve dochternucliden kunnen bijdragen aan de gedetecteerde straling.

Schat vóór het meten welk percentage van het aantal pulsen zonder afscherming bij elke absorber overblijft. Neem voor dit voorspellingsmodel aan dat de metalen plaatjes ongeveer 4 mm dik zijn. Je onderzoekt hun gemeten effecten met de absorbers die in het lab bij naam worden aangeboden.

Controleer na het veranderen van de bron of absorber opnieuw de afstand, meetduur en het aantal herhalingen: het lab kan deze instellingen terugzetten.

Kies eerst de basismodus (basic mode), bron None (geen), absorber None (geen), afstand 15 mm, meetduur 10 s en 3 herhalingen. Start het experiment en noteer de drie afzonderlijke resultaten. Gebruik geen absorber. Bereken het gemiddelde aantal pulsen door achtergrondstraling: tel de drie aantallen op en deel door drie.

Schakel over naar de geavanceerde modus (advanced mode). Stel 20 mm, 10 s en 1 herhaling in. Meet bij Strontium-90 achtereenvolgens zonder absorber (None), met papier (Paper), met het aluminiumplaatje (Aluminium Disc) en met het loodplaatje (Lead Disc). Herhaal deze vier instellingen voor Americium-241 en kobalt-60 (Cobalt-60). Houd de afstand en meetduur gelijk.

Noteer voor elke combinatie één resultaat. Bereken voor elke bron

$$\text{resterend percentage}=100\frac{N_{\text{absorber}}}{N_{\text{zonder absorber}}}.$$

Gebruik voor deze vergelijking steeds de gemeten aantallen vóór aftrek van de achtergrond, bij elke bron en absorber op dezelfde manier. Vergelijk kleine resterende aantallen bij de interpretatie met je gemeten achtergrond.

Dosis en aantallen gedetecteerde pulsen zijn verschillende grootheden. Een dosistempo kan worden uitgedrukt in microsievert per uur. Als voorbeeld van een eenhedenomrekening komt een hypothetisch dosisbudget van 1 mSv verdeeld over 2000 uur overeen met 0,5 µSv/h. Om een aantal gedetecteerde pulsen om te rekenen naar dosis is een kalibratie nodig voor de bron, detector en geometrie.

Gebruik in deze oefening 120 gedetecteerde pulsen per 10 s als vergelijkingswaarde. Dit is geen dosislimiet. Kies op basis van je eigen metingen voor elke bron de minste afscherming waarmee je deze waarde niet overschrijdt. Bekijk eerst geen absorber, dan papier en daarna de geteste metalen plaatjes. Als beide metalen plaatjes voldoen, heeft aluminium een kleinere dichtheid dan lood; voor een echt ontwerp zijn ook de dikte en totale massa nodig.

Gebruik voor een vereenvoudigde berekening van de looddikte je gemeten aantal pulsen bij Co-60 zonder absorber als N. Neem aan dat de gedetecteerde component zich gedraagt als een gammabundel met een halveringsdikte van 12 mm lood, en verwaarloos in dit model de achtergrond. Dit is een rekenaanname, geen dosiskalibratie.

Extra oefening (optioneel): pas hetzelfde model toe op een bundel met alleen gammastraling die 480 pulsen per 10 s oplevert. Hoeveel lood is nodig om dit terug te brengen tot 120?

Door afgeschermde kijkvensters kan personeel een patiënt tijdens medische beeldvorming observeren. Loodglas combineert doorzicht met verzwakking van straling. De verzwakking hangt af van de glassamenstelling, de dikte en de fotonenergie.

Gebruik de volgende gegeven modelwaarden voor fotonen met een energie van 0,662 MeV. Bereken bij een glasdikte d = 1,0 cm welk percentage wordt doorgelaten:

$$\frac{I_d}{I_0}=\left(\frac12\right)^{d/d_{1/2}},\qquad \text{percentage}=100\left(\frac12\right)^{d/d_{1/2}}.$$

Met deze berekeningen vergelijk je modellen voor verzwakking. Alleen aantallen gedetecteerde pulsen zijn onvoldoende om iemands dosis of de veiligheid van afscherming vast te stellen.