Hoog in de atmosfeer ontstaan snelle neutronen en gammastraling door kosmische straling. Hoe hoger iemand zich in de atmosfeer bevindt, hoe groter de schadelijke invloed van deze straling is. Studenten hebben daarom onderzoek gedaan naar de ontvangen dosis als gevolg van snelle neutronen en gammastraling tijdens een vlucht in een vliegtuig.
De wand van een vliegtuig is gemaakt van aluminium met een dikte van 2,2 mm. De gammastraling heeft een frequentie van 2,4·1020 Hz.
1) Voer de volgende opdrachten uit:
a) Bereken de energie van een foton van deze gammastraling in MeV.
b) Leg met Binas-tabel 28F of Sciencedata-tabel 5.9 uit of de wand van een vliegtuig veel bescherming biedt tegen deze straling.
a) Voor de fotonenergie geldt:
$E_{f}= hf= 6,63\cdot 10^{-34}\cdot 2,4\cdot 10^{20}= 1.59\cdot 10^{-13}\, \textup{J}$
h kun je opzoeken en dus invullen in de formule hierboven
Dit komt overeen met:
$E_{f}= 0,99\cdot 10^{6}\,\textup{ eV}= 0,99 \, \textup{MeV}$
b) De halveringsdikte van aluminium voor gammastraling met een fotonenergie van 0,99 MeV is ongeveer 4,2 cm. Dit is veel groter dan de dikte van de wand van een vliegtuig. De meeste gammastraling zal de aluminium wand passeren, de wand biedt dus niet veel bescherming.
| gebruik van $E_{f}=hf$ met opzoeken van h | 1 punt |
| completeren van de berekening | 1 punt |
| inzicht dat $d_{1/2}\gg d_{wand}$ | 1 punt |
| consequente conclusie | 1 punt |
Net als gammastraling hebben de snelle neutronen ioniserende eigenschappen. Om snelle neutronen te detecteren wordt een zogenaamde bubbeldetector gebruikt. Dit is een doorzichtige buis gevuld met vloeistof. Als deze vloeistof wordt geraakt door snelle neutronen ontstaan er bellen in de vloeistof. Deze bellen blijven aanwezig tot de bellendetector gereset wordt. Zie figuren 1 en 2.
Om de bubbeldetector vóór de vlucht te testen, hebben de studenten hem naast een bron met Americium-241 en Beryllium-9 gelegd. Am-241 is een alfastraler.
2) Geef de vergelijking van de vervalreactie van Am-241.
$_{95 }^{241}\textrm{Am}\rightarrow_{93}^{237}\textrm{Np}+\, _{2}^{4}\textrm{He}(+\gamma )$
Zorg ervoor dat links en rechts van de pijl het aantal nucleonen gelijk is.
| Am-241links en alfadeeltje rechts van de pijl | 1 punt |
| Np rechts van de pijl (mits verkregen via kloppende atoomnummers) | 1 punt |
| aantal nucleonen links en rechts gelijk | 1 punt |
Beryllium-9 neemt een alfadeeltje op. Hierbij ontstaan een nieuw deeltje en een snel neutron. Hieronder staat een deel van deze reactie weergegeven.
3) Maak bovenstaande vergelijking af.
$^{9}_{4}Be+^{4}_{2}He\to^{12}_{6}C+^{1}_{0}n$
Let erop dat links en rechts van de pijl het aantal nucleonen gelijk is. Het atoomnummer van Beryllium is 4. Het massagetal van het neutron is 1, het 'atoomnummer' van het neutron is 0.
| atoomnummer van Beryllium correct | 1 punt |
| massagetal en ‘atoomnummer’ van het neutron correct | 1 punt |
| voor de dochterkern een consequente berekening van het atoomnummer en consequente notatie | 1 punt |
Snelle neutronen zijn in staat om door de wand van een vliegtuig te dringen. De studenten hebben de bubbeldetector meegenomen tijdens de vlucht om de ontvangen dosis als gevolg van de snelle neutronen te bepalen. Een tweede, identieke bubbeldetector is ter controle achtergebleven op de grond. Beide detectoren zijn direct na de vlucht geanalyseerd. Zie figuur 3.
In de technische gegevens van de gebruikte bubbeldetectoren staat:
- Bij een neutronenergie van 1 MeV ontstaan 3 bubbels per 5,0·10-8 Gy ontvangen stralingsdosis.
4) Bepaal met behulp van figuur 3 de extra opgelopen equivalente dosis door neutronen tijdens de vlucht. Ga hierbij uit van neutronen met een energie van 1 MeV.
In het vliegtuig zijn 6 extra bubbels gevormd. In de technische gegevens van de bubbeldetectoren staat dat er 3 bubbels ontstaan per 5,0·10-8 Gy (bij een neutronenenergie van 1 MeV, waar je hier vanuit moet gaan). 6 bubbels betekent dus 2 maal 5,0·10-8 Gy.
De extra dosis als gevolg van het vliegen is dus:
$\frac{6}{3}\cdot 5,0\cdot 10^{-8}= 1,0\cdot 10^{-7}\, \textup{Gy}$
Met wR volgt hieruit de extra equivalente dosis. Bij het opzoeken van wR moet je erop letten dat deze voor neutronen verschillende waarden heeft. Het gaat hier om 1 MeV neutronen, dan is wR = 20.
$H= w_{R}D= 20\cdot 1,0\cdot 10^{-7}= 2,0\cdot 10^{-6}\, \textup{Sv}$
| inzicht dat er 6 extra bubbels gevormd worden door het vliegen | 1 punt |
| inzicht $D=\frac{n_{bubbels}}{3}\cdot 5\cdot 10^{-8}$ | 1 punt |
| gebruik van $H=w_{R}D$ met opzoeken of bepalen van wR | 1 punt |
| completeren van de bepaling | 1 punt |
