описание учебной дисциплины
Образовательная программа подготовки специалистов 240600
«химическая технология редких элементов и материалов на их основе»
по направлению 240601 «химическая технология материалов современной энергетики»
Дисциплина «ОСНОВЫ ЯДЕРНОЙ ХИМИИ, РАДИОХИМИИ И ДОЗИМЕТРИИ)»
Семестр 6, 7.
Код дисциплины: СД.01
1. Краткое содержание дисциплины.
Дисциплина «Основы ядерной химии, радиохимии и дозиметрии» включаетшесть разделов: 1) теоретические основы радиохимии и радиометрии – радиоактивные ряды урана, актиноурана и тория; 2) характеристика и свойства a-, b-, g - и нейтронного излучения; 3) основные принципы, методы и устройства для радиометрических измерений; 4) полупроводниковые счетчики; оптические методы; 5) применение радиометрических методов для анализа руд, концентратов, солей; методы радиометрических измерений; метод радиографии; 6) основы активационного анализа.
2. Кредитная стоимость дисциплины
3. Цель преподавания дисциплины «Основы ядерной химии, радиохимии и дозиметрии» – фундаментальное изучение основ радиометрии и применение их в атомной промышленности: в научных исследованиях, при разведке и добыче урановых руд, для контроля работы ядерных реакторов и т. д.
В результате изучения дисциплины «Основы ядерной физики, радиохимии и дозиметрии» студенты должны обладать комплексом знаний и умений, необходимых для самостоятельного осмысленного применения других радиохимических и радиометрических методик, кроме рассмотренных в курсе.
4. Результаты обучения
В результате изучения дисциплины «Основы ядерной физики, радиохимии и дозиметрии » студент должен:
4.1. Студент должен знать:
– законы радиоактивного распада;
– радиоактивные семейства урана, актиноурана и тория;
– виды и свойства радиоактивного излучения;
– законы взаимодействия радиоактивного излучения с веществом;
– принципы измерения различного вида излучений.
4.2. Студент должен уметь:
– использовать закон распада для расчета активности, массы и концентрации радиоактивных веществ;
– проводить расчеты изменения скорости счета при прохождении радиоактивного излучения через вещество.
4.3. Студент должен иметь опыт (иметь навыки):
– подготовки проб радиоактивных элементов проведения радиометрического анализа;
– радиохимического выделения дочерних продуктов распада естественных радиоактивных элементов;
– проведения радиометрических измерений.
4.4. Студент должен быть способен (компетенции специалиста):
– выбирать метод радиометрического анализа по типу излучения, максимальной активности и чувствительности метода;
– представлять химизм концентрирования радиохимических количеств элементов;
– обрабатывать, анализировать, осмысливать результаты радиометрических измерений;
– корректировать методику радиометрических измерений в зависимости от объекта анализа;
– представлять итоги измерений в виде отчетов, публикаций;
5. Содержание дисциплины
Раздел 1 Теоретические основы радиохимии и радиометрии
Введение (2 часа)
Предмет радиохимии и радиометрии. Применение радиометрии в атомной промышленности и в научных исследованиях. Естественные радиоактивные элементы. Радиоактивные семейства урана, тория и актиноурана. Законы радиоактивного распада. Радиоактивное равновесие.
Раздел 2 Краткая характеристика свойств радиоактивных излучений
(8 часов)
Альфа-излучение. Его природа. Энергия и пробег альфа-частиц в веществе. Прохождение альфа-частиц через вещество. Ионизация и возбуждение атомов, производимые альфа-частицами.
Бета-излучение. Природа, энергетический спектр, взаимодействие бета-частиц с веществом. Возбуждение атомов и ионизация, производимая b-части-цами. Поглощение бета-излучения в веществе. Линейный и массовый коэффициенты поглощения.
Гамма-излучение. Природа, энергия гамма-лучей. Взаимодействие гамма-квантов с веществом, фотоэлектрический эффект, комптоновское рассеяние, образование электрон-позитронных пар. «Аннигиляция» как одно из проявлений перехода материи из одного вида в другой. Поглощение гамма-излучения веществом. Линейный и массовый коэффициенты поглощения. Ионизационная способность гамма-излучения.
Нейтронное излучение. Методы получения нейтронов. Энергия нейтронов. Прохождение нейтронов через вещество. Упругое рассеяние. Неупругое рассеяние. Захват нейтрона ядром, ядерная реакция, деление ядер. Поперечное сечение процесса. Поглощение нейтронного излучения при прохождении через вещество.
Единицы измерения радиоактивности. Кюри. Резерфорд. Рентген. Грамм-эквивалент радия. Беккерель.
Раздел 3 Методы радиометрических измерений. Классификация методов радиометрических измерений (8 часов)
Ионизационные методы. Общая характеристика. Ионизация газа под воздействием излучения. Работа ионизации. Подвижность ионов. Диффузия ионов. Объемная и колонная рекомбинация ионов. Ионизационные камеры. Принцип действия и устройство. Импульсные и интегрирующие ионизационные камеры. Камеры для альфа-, бета-, гамма-излучений, для измерения нейтронов. Их особенности и применение.
Счетчики. Классификация счетчиков по назначению и механизму разряда. Конструкции счетчиков: торцовые, цилиндрические, металлические и стеклянные. Механизм газового усиления. Коэффициент газового усиления. Пропорциональные счетчики. Зависимость коэффициента газового усиления от напряжения и места попадания частиц. Форма и длительность импульса. Счетчики с самостоятельным разрядом (счетчики Гейгера). Рабочая характеристика, рабочий объем, чувствительность счетчика. Несамогасящиеся счетчики, наполнение, механизм распространения разряда и гашение, мертвое время счетчика. Самогасящиеся счетчики, наполнение, механизм распространения разряда и гашения, срок службы. Галогенные счетчики. Полупроводниковые счетчики. Полупроводниковые счетчики. Поверхностно-барьерные детекторы. Диффузионные детекторы. Детекторы с р - i - п- переходом. Кремниевые детекторы с р—i—п Германиевые детекторы с р—i—п –переходом.
Раздел 4 Оптические методы Метод радиографии (4 часов)
Метод сцинтилляций. Сущность метода. Спинтарископ. Сцинтилляционный датчик с применением фотоэлектронного умножителя. Сцинтилляторы для регистрации a-, b-, g-излучений, нейтронов. Сущность метода радиографии
Раздел 5 Применение радиометрических методов для анализа руд, концентратов, солей (14 часов)
Приготовление рудных проб для анализа. Безопасный вес пробы. Сокращение пробы. Обозначение и хранение проб. Радиометрические измерения по альфа-излучению (альфа-метод). Проведение относительных измерений ионизационным (интегрирующим) методом. Источники ошибок, требования к пробам и эталонам. Влияние состава проб, плотности и твердости минералов, эманирования на точность измерений. Эманационный метод определения радиоактивных веществ. Импульсный метод. Его преимущества. Приготовление тонких слоев, проведение относительных измерений.
Абсолютный альфа-метод. Поправка на геометрические условия измерения, на самопоглощение и на обратное рассеяние от подложки. Альфа-спектроскопия. Датчики для альфа-спектрометрических измерений: сцинтилляционный счетчик, ионизационная камера с электронным собиранием, пропорциональный счетчик. Схема ионизационного альфа-спектрометра. Требования к толщине препарата, меры для уменьшения разрешения. Характеристика альфа-спектра урановой руды.
Радиометрические измерения по бета-излучению (бета-метод). Значение метода. Ионизационный (интегрирующий) бета-метод. Абсолютные измерения по бета-излучению. Поправки на геометрические условия счета, на поглощение бета-излучения в препарате, воздухе и стенке счетчика, на отражение от подложки, на мертвое время счетчика. Экспериментальное определение коэффициента счета 4p счетчика. Относительные измерения с применением счетчиков и сцинтилляционных датчиков. Оценка статистической точности измерений.
Радиометрические измерения по гамма-излучению (гамма-метод). Применение метода. Абсолютный гамма-метод. Поправки на геометрию счета, на эффективность регистрации гамма-квантов счетчиком Гейгера и сцинтилляционным счетчиком, на мертвое время счетчика. Квантовый выход. Влияние внутренней конверсии гамма-излучения на квантовый выход. Определение урана и тория, урана и радия в рудах комбинированным бета - и гамма-методом. Гамма-спектрометрия. Сцинтилляторы для спектрометрических измерений. Сцинтилляционный спектр. Определение различных радиоэлементов при их совместном присутствии в пробе.
Раздел 6 Основы активационного анализа (4 часов)
Идея метода. Вывод уравнения, связывающего измеренную интенсивность наведенной активности с содержанием определяемого элемента в пробе. Абсолютный и относительный методы активационного анализа. Чувствительность метода.
Нейтронно-активационный анализ. Анализ по периоду полураспада, анализ с применением сцинтилляционной гамма-спектрометрии.
Подготовка образцов к анализу. Разложение образца, введение носителей. Выделение определяемых элементов с помощью соосаждения, ионообменной хромотографии и экстракции. Измерение активности. Количественный расчет.
Содержание практического раздела дисциплины.
Тематика практических занятий (10 часов, )
1 | Закон радиоактивного распада. Вывод уравнения накопления дочернего продукта распада для двух последовательно распадающихся элементов, Определение содержания радиоактивных изотопов в 1 кг равновесной урановой руды. Расчет содержания радиоактивных изотопов семейства актиноурана в 1 кг той же руды. Расчет содержания радиоактивных изотопов в равновесной ториевой руде с 0,2 % тория. | 2 часа |
|
2 | Определение пробега a-частицы в воздухе, вычисление весовой толщины поглощающего слоя воздуха. Определить путь a-частицы и весовую толщину поглощающего слоя в металлах (вычисление провести двумя методами: а) по правилу Брегга-Климана и б) по величине относительной тормозной способности). Расчет количества (части) b - излучения, проходящего через материалы с различной плотностью. Расчет доли g- излучения, прошедшего через алюминий, сталь, кирпич, бетон |
| |
| 3 | Расчет доли энергии, переданной нейтроном при упругом лобовом столкновении. Определение массы радиоактивного изотопа, по значению тока насыщения в ионнизационной камере с плоскими электродами. Определение поправочного множителя на самопоглощение a - излучения при различной толщине мишеней Решение задач по пройденному материалу: Расчет удельной активности радиоактивных элементов ряда урана, энергии, выделяющейся при радиоактивном распаде | 2 часа |
| 4 | Контрольная работа | 2 часа |
| 5 | Расчет количества магния в пробе, если после облучения её в течение t/ мин. в нейтронном потоке с f 1/см2×сек и после радиохимического выделения Расчет абсолютной активности мишеней по условиям предыдущей задачи в момент измерения, в кюри. Расчет относительной ошибки радиометрических измерений. Определение времени измерений для достижения точности 10 %, 5 % и 3 %. Расчет поправки на «мертвое» время при скорости счета I1, 1/мин., «мертвое» время самогасящегося счетчика 2×10-4 сек. | 2 часа |
Лабораторный практикум:
1. Изучение техники работы и техника безопасности при работе с радиоактивными веществами и препаратами 4 ч. 2. Изучение радиохимического выделения продуктов распада ряда урана и определение периода полураспада с использованием радиометрического метода 8 ч. 3. Методы радиометрических измерений по α-, β- излучению 16 ч.
4. Методы g-спектрометрии 10 ч.
5. Изучение свойств β- излучения и эманирующей способности соединений тория 10 ч.
6. Методы определения радиоактивных веществ радиометрическими методами 8 ч.
6. Пререквизиты
Дисциплина «Химия редких, рассеянных и радиоактивных элементов» базируется на знаниях и умениях, полученных студентами при изучении следующих дисциплин
Название дисциплины | Код дисциплины |
Информатика | ЕН. Ф.02 |
Физика | ЕН. Ф.03 |
ЕН. Ф.07 | |
Физическая химия | ЕН. Ф.08 |
7. Основные учебники:
1. Баранов . М.: Из-во АН СССР.– 1956. – 344 с.
2. Мурин основы радиохимии. М.: Высшая школа. – 1971. – 288 с.
3. Вдовенко радиохимия. М.: – Атомиздат. – 1969. – 542 с.
4. Голубев и защита от ионизирующих излучений. М.: Атомиздат. – 1976. – 503 с.
5. , , Матусевич экспериментальных методов ядерной физики. М.: Атомиздат. – 1977. – 525 с.
6. Руководство к практическим занятиям по радиохимии / под ред. Несмеянова А. Н. – М. : Химия. – 1980. – 583 с.
7. Шашкин анализа естественных радиоактивных элементов. М.: Атомиздат– 344 с.
8. Кузнецов анализ М.: Атомиздат. – 1974. – 321 с.
8. Дополнительная литература:
1. И, , Ефимкина работы и задачи по радиометрии. – М.: Атомиздат - 1966. – 388 с.
2. Лабораторные работы по радиохимии / под ред. – М.: Высшая школа– 352 с.
3. , , Пржияловский -физические методы анализа минерального сырья, Атомиздат, 1969 –315 с.
9. Координатор дисциплины:
ГУЗЕЕВА Татьяна Ивановна, докт. технич. наук, профессор кафедры «Химическая технология редких, рассеянных и радиоактивных элементов» физико-технического факультета Томского политехнического университета.
10. Использование компьютера (программное обеспечение):
Компьютер может быть использован студентами при оформлении рефератов, для выполнения расчетов при обработке результатов лабораторных работ по выделению и анализу элементов, для накопления информации по g-спектрометрическому анализу и идентификации радиоактивных элементов.
11. Лабораторные работы
Лабораторный практикум в объеме 56 часов предполагает овладение методами радиохимического выделения элементов ряда урана, приготовление проб для радиометрических измерений, ознакомление с приборами и техникой работы на радиометрах и дозиметрах, а также проведение обработки результатов измерений и спектров и включает следующие работы:
1. Выделение UX1 и определение периода его полураспада
2. Одноканальный гамма-спектрометр
3. Многоканальный гамма-спектрометр. Градуировка гамма-спектрометра по энергиям, снятие g-спектра и определение вида радиоактивной руды по g-излучению образцов
4. Оптические методы регистрации ионизирующих излучений и определение рабочего напряжения сцинтилляционной приставки
5. Исследование статистического характера радиоактивного распада
6. Определение коэффициента счета
7. Исследование поглощения бета-излучения в слое препарата
8. Определение коэффициентов отражения бета-излучения
от подложек
9. Определение относительной эманирующей способности соединений тория 10. Определение тория в монацитовом песке
Преподаватель:
« 18 » января 2009 г.
