日全食所致空氣對宇畝射線吸收劑量率的變化

1、日全食所致空氣對宇畝射線吸收劑量率的變化大學科普日全食所致空氣對宇宙射線吸收劑量率的變化重慶大學數(shù)理學院應用物理系魏成剛宇宙空間充滿著由各種來源,各種能量的粒子所產(chǎn)生的輻射,地球表面也不例外.生活在地球上每一個人都受到宇宙射線的照射.宇宙射線按照其來源可分為捕獲粒子輻射,銀河宇宙輻射和太陽粒子輻射三類.宇宙射線主要由核子構成,其中包括約87%質(zhì)子,12%c粒子(氦核子),其余大部分是原子核,電子,v射線和超高能微中子也構成小部分宇宙射線.在日全食時,太陽,地球和月球三者在同一直線上,月球會擋住大部分太陽粒子輻射及部分銀河宇宙輻射,因而造成宇宙射線中直接電離成分和間接電離成分所致空氣吸收劑量率會

2、有所變化.因此,我們可通過觀測空氣吸收劑量率,來觀測日全食時地球表面的宇宙射線通量的變化.通過實驗觀測和數(shù)據(jù)分析,我們對在實驗過程中的一些思考和小的發(fā)現(xiàn)以及出現(xiàn)的問題進行了整理,在本文中呈現(xiàn)出來和讀者一起交流討論.一,宇宙射線背景知識宇宙線主要是由質(zhì)子,氦核,鐵核等裸原子核組成的高能粒子流;也含有中性的珈瑪射線和能穿過地球的中微子流.它們在星系際銀河和太陽磁場中得到加速和調(diào)制,其中一些最終穿過大氣層到達地球.到達我們地面的有初級宇宙射線,也有次級宇宙射線.次級宇宙射線是相對于初級宇宙射線而言的,初級宇宙射線泛指由宇宙中的輻射源(如恒星)直接發(fā)出的輻射(如高速粒子),次級宇宙是指由初級宇宙射線撞

3、擊其它的物體(如大氣)時發(fā)出的輻射.射向地球的宇宙射線中部分帶電的射線及粒子流可在地球磁場的作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn),部分在大氣層中發(fā)生反應生成次級宇宙射線.雖然地球的大氣層為我們阻擋吸收了許多高能的宇宙射線,但還是有部分初級宇宙射線和次級射線可以到達地球表面.次級宇宙射線一般比初級宇宙射線能量低,因為它是由初級宇宙射線與其它受體反應而生成的,這樣就導致了能量的損失,而次級宇宙射線又可產(chǎn)生次級宇宙射線,這樣以來,能量會越來越少,因此我們在地面上受到的輻射要遠低于宇航員在太空中所受到輻射劑量.今天,人類仍然不能準確說出宇宙射線是由什么地方產(chǎn)生的,但普遍認為它們可能來自超新星爆發(fā),來自遙遠的活動星系;它們無

4、償?shù)貫榈厍驇砹巳盏乜臻g環(huán)境的寶貴信息.我們可以嘗試通過接收這些射線來觀測和研究它們的起源和宇觀環(huán)境中的微觀變幻.二,本次日全食所致空氣對宇宙射線吸收劑量率的變化實驗的原理簡要介紹人類對宇宙射線作微觀世界的研究過程中采用的觀測方式主要有三種,即:空間觀測,地面觀測,地下(或水下)觀測.本次實驗的場地設在重慶大學虎溪校區(qū)第一實驗樓樓頂,因此屬于地面觀測.由于實驗設備與條件有限,本實驗所用32名人名言在尋求真理的長唯有不斷地勤奮地齜地橢越重山跨一華羅庚學術起跑線IAcademicStartingLine大學科普校準與修正,從修正后的數(shù)據(jù)大致就可以看出吸收劑量率及溫度隨時間的變化關系,為了進一步更直

5、觀更準確地探究與討論其變化趨勢與程度,我們采用常用的描點繪圖法來進行數(shù)據(jù)的處理與分析,我們可以繪圖對日全食前后三天內(nèi)所測所有數(shù)據(jù)從整體和宏觀上進行橫向的對比與分析,也可以選取日全食發(fā)生當天的所有數(shù)據(jù)繪圖進行縱向的對比及分析,亦或繪圖對日全食前后三天內(nèi)全食階段的前后十五分鐘內(nèi)的數(shù)據(jù)從局部和微觀上進行數(shù)據(jù)的分析與討論.通過圖像我們可以很直觀地了解認識到日全食對宇宙射線所致空氣吸收劑量率的變化,從而達到實驗目的.附:因本實驗所用BH3103A型便攜式x.v劑量率儀能夠探測到的僅為宇宙射線中的v射線,故在此對1,射線做如下說明:y射線是一種強電磁波,它的波長比x射線還要短,一般波長<0.

6、001納米.在原子核反應中,當原子核發(fā)生Cc,6衰變后,往往衰變到某個激發(fā)態(tài),處于激發(fā)態(tài)的原子核仍是不穩(wěn)定的,并且會通過釋放一系列能量使其躍遷到穩(wěn)定的狀態(tài),而這些能量的釋放是通過射線輻射來實現(xiàn)的,這種射線就是v射線.1,射線具有比x射線還要強的穿透能力.當1,射線通過物質(zhì)并與原子相互作用時會產(chǎn)生光電效應,康普頓效應和正負電子對三種效應.原子核釋放出的1,光子與核外電子相碰時,會把全部能量交給電子,使電子電離成為光電子,此即光電效應.v光子不帶電,故不能用磁偏轉(zhuǎn)法測出其能量.由熒光晶體,光電倍增管和電子儀器組成的閃爍計數(shù)器是探測v射線強度的常用儀器,本次實驗所用BH3103A型便攜式Xv劑量率儀

7、即屬該類儀器.BH3103A型便攜式X叫劑量率儀能夠探測到的僅為宇宙射線中的v射線,現(xiàn)對該儀器的主要參數(shù)見表t.雖然1,射線僅為宇宙射線中很少的一部分,僅通過該儀器所測數(shù)據(jù)無法對日全食所致空氣對宇宙射線吸收劑量率的變化做出準確的定量分析,但可以根據(jù)該數(shù)據(jù)做定性分析,從而保證本實驗的可行性.此次日全食發(fā)生在2009年7月22日,日全食帶從印度起,大體上經(jīng)過中國的長江流域,直至太平洋.本次日全食發(fā)生在重慶地區(qū)的具體時刻為:7月22日8:07:50(初虧),9:12:50(食既),9:14:58(食甚),9:17:06(生光),10:30:18(復圓).本次實驗對日全食對宇宙射線所致空氣吸收劑量率(

8、以下簡稱做吸收劑量率)變化的觀測從觀測時間上來說是嚴格按照日全食發(fā)生的具體時刻和階段制定的.即在發(fā)生日全食前后3天內(nèi),每天在發(fā)生日全食的相同時間段內(nèi),測量宇宙射線的輻射劑量大小,并做好數(shù)據(jù)記錄.考慮到儀器的讀數(shù)周期(經(jīng)測定實驗所用BH3103A型便攜式x.v劑量率儀當檔位置于×10檔時的讀數(shù)周期為l4.5s),在從食既到生光前后各外延5分鐘的時間段內(nèi)(即全食階段前后十五分鐘)每分鐘測得四個數(shù)據(jù).將初虧和復圓前后各外延十分鐘,在這段時間內(nèi)除了全食階段的前后十五分鐘,其他時間每五分鐘測一個數(shù)據(jù)并做好記錄.同時,為了探究溫度的變化對吸收劑量率有無影響以及它們之間的關系,同一時刻對應記錄了該

9、時刻下的溫度和吸收劑量率,便于從圖像上來觀察和討論.另外,除了測上午的數(shù)據(jù)外,目全食前后的三天內(nèi)每天下午的三點半到四點半這-d,時內(nèi)每十分鐘讀取并記錄一次數(shù)據(jù),以便從整體上來考察日全食對吸收劑量率的影響.采集完所有數(shù)據(jù)后,經(jīng)整理對數(shù)據(jù)先進行初步的三,試驗所測部分數(shù)據(jù)和部分圖表以及數(shù)儀器名稱型號量程最小量儀器誤差估讀誤差BH3103A型便攜能量響應:36KeY3MeV極限偏差士15%;式X一1,劑量率儀0100gGy/h0.11C-8Gy/h對宇宙射線的能量響應:極限偏差±15%(以0.11e-8Gy/hRSS一111高壓電離室為標準)表1儀器說明【名人名言】人生最高之理想,在求達于真

10、理.一一李大釗33八大學科普學術起跑線IAcademicStartingLine據(jù)分析因本次實驗的時間跨度較大,數(shù)據(jù)采集點的密度也較大,導致所測實驗數(shù)據(jù)較多,所有實驗數(shù)據(jù)在原始實驗報告中有詳細記錄,在此僅選取部分典型數(shù)據(jù)和圖表加以分析和討論:圖表一:目全食前后三天內(nèi)溫度及吸收劑量率變化宏觀(中黃色和青色曲線分別為日全食當天的溫度和吸收劑量率曲線)圖表二:日全食前后三天內(nèi)吸收劑量率變化宏觀圖(圖中紅色曲線為目全食當天的吸收劑量率曲線)圖表分析:結合五張圖表(由于篇幅的限制這里只呈現(xiàn)了兩張具代表性的圖表)及具體數(shù)據(jù)可以得到如下結論:1,日全食發(fā)生時空氣吸收宇宙射線(v射線)劑量率相對于日全食發(fā)生前

11、后有所下降,下降幅度在01.8(le.8Gy/h).雖然下降的幅度不是很大,但下降的趨勢還是比較明顯,這一點可以很清楚地從原始實驗報告中的五張數(shù)據(jù)分析圖表中看出來(看圖時注意結合圖表右側的圖例):2,溫度與空氣吸收劑量率的相關性不明顯.(當然這只是一個初步的判斷,要想很精確地去研究此二者之間的關系,還需做進一步探究實驗,具體可參考本文第五項中的第三條所陳述方法).四,實驗過程中應注意的一些事項1.為避免地面輻射對儀器測量的影響,應選擇在10m以上高處進行,如第一實驗樓樓頂;還應避免人群密集及人員的大量流動,關閉實驗場地的手機,從而降低周圍環(huán)境及其他不確定因素對實驗所測數(shù)據(jù)可能產(chǎn)生的影響.2.在

12、使用劑量率儀測量前,要使其有五到十分鐘的預熱時間,從而減少儀器本身帶來的誤差;考慮到讀數(shù)與實驗操作及實驗的精度等問題,我們選取10秒檔進行測量和讀數(shù).3.由于周圍環(huán)境和儀器本身因素的影響,應每隔一段時間對劑量率儀進行校準;但因用于校準的標準源同位素銫137校準蓋子,具有一定放射性,應妥善安置,以免引起恐慌,同時也應置于距劑量率儀較遠處,以減少標準源輻射的影響.4.為減少因劑量率儀位置改變造成的測量變量不一致,即為了保持控制單一變量原則,我們要保證每次測量儀器所處的位置一樣(可用記號筆在地面標示).5.實驗結束后,應先關閉開關,再拆除連線,否則可能對儀器造成損壞.五,實驗過程中的一些思考和一些小

13、發(fā)現(xiàn)以及對后續(xù)性實驗改進方案的建議1.實驗小發(fā)現(xiàn)一:7月23日下午下暴雨,測量時間推遲了半小時,結果發(fā)現(xiàn)下雨時所測吸收劑量率的值從整體水平上比前兩天下午所測數(shù)據(jù)高出很多【21日及22日下午所測數(shù)據(jù)值在9.410.5.(*le一8Gy/h)的范圍內(nèi),23日下午下暴雨時所測數(shù)據(jù)值在l1.313.8(*le一8Gy/h)的范圍內(nèi),具體數(shù)據(jù)見原始實驗報告數(shù)據(jù)記錄表格】.對這一現(xiàn)象的原因,我們有兩個猜測:1.由于當時下雨時有打雷和閃電的發(fā)生,所以我們猜想可能是由于打雷和閃電發(fā)生的過程中,大氣中激發(fā)或產(chǎn)生形成了某種射線,使得實驗所測數(shù)據(jù)從整體上增大.2.下雨時空氣的濕度增大,相應的其密度也隨之增大,那么下

14、雨時空氣吸收劑量率值的增大可能是因為射線的傳播介質(zhì)一一空氣的密度增大使得其傳播和輻射的效率及吸收劑量率增34名人名言一個人追求的目標越高,他的才力就發(fā)展得越陜,對社會就越有益.我確信這也是一個真理.一高爾基學術起跑線lAcademicStartingLine.大學科普驗儀器所測吸收劑量率的值.4.日全食現(xiàn)象的發(fā)生是比較難得的,做大量統(tǒng)計實驗是不可能的.但是,我們能不能利用現(xiàn)代科學技術,模擬日全食發(fā)生時的環(huán)境狀態(tài),進行大量實驗,使實驗數(shù)據(jù)更具可靠性,降低偶然性?5.后續(xù)實驗建議:更換測量宇宙射線的儀器.1,射線只是宇宙射線中很少量的一部分.最好有多臺儀器,能分別測量來自太陽輻射粒子與其他宇宙射線

15、的儀器.便于討論日全食對宇宙射線所致空氣吸收劑量率的變化的因素更多來自月球會擋住大部分太陽粒子輻射還是月球擋住一部分銀河宇宙輻射.6.后續(xù)實驗可探究是否是因為日全食時影響了地球引力導致空氣厚度,成分比例等發(fā)生變化進而導致空氣吸收計量率變化.7.在樓頂做實驗主要是為了避免地面輻射對實驗測量的影響.由于校園中的樓房不具有足夠的高度,對高度變化而引起劑量率改變不明顯,所以可以選在不同海拔的地方進行測量.我們可以考慮繼續(xù)做探究實驗選取海拔落差較大的地點作為測量點,由于隨著海拔的增加溫度隨即降低,可以考慮用透射性較強的恒溫箱,進行不同高度宇宙射線劑量率的測量.本次日全食探究實驗指導老師:重慶大學ICT研

16、究中心周日峰副教授重慶大學科學與技術協(xié)會靳萍副教授實驗小組成員:大,也就需要我們進一步探究吸收劑量率的大小與射線傳播介質(zhì)的密度是否相關.后續(xù)重復性及相應的探究實驗:在相同的暴雨天氣下(有打雷及閃電的發(fā)生,且發(fā)生頻率較大)多次重復7月23日下午的實驗,并與在晴朗天氣狀況下同一地點同一時問段所測吸收劑量率的值進行對比,以便探究和確定本現(xiàn)象的原因.(筆者個人認為上述第一種猜想的可能性較大一些,即在打雷和閃電發(fā)生的過程中,大氣中激發(fā)或產(chǎn)生形成了某種射線,使得實驗所測數(shù)據(jù)從整體上增大.因為v射線的波長很短,有很強的穿透性,在從地球的電離層到地表這一宇宙空間尺度上很小的距離內(nèi),傳播介質(zhì)一空氣密度的變化對v

17、射線這一高能射線的影響是相當微弱的).2.實驗小發(fā)現(xiàn)二:實驗時發(fā)現(xiàn)用該儀器所測室內(nèi)的吸收劑量率的值從整體水平上比室外所測數(shù)據(jù)大了很多,如在室外所測值一般都在810(*le一8Gy/h)這一范圍內(nèi)變化,而在我們的宿舍或辦公室所測數(shù)據(jù)一般都集中在1213(*le一8Gy/h)這一范圍之內(nèi).分析造成這一觀測現(xiàn)象的原因,可能是室內(nèi)建筑所用材料引起或材料本身具有輻射,但我們的儀器從理論上來講只能探測到1,射線和x射線,那么到底是哪種建筑材料會釋放或輻射這兩種射線?這個問題我們需要進一步探究分析,雖然說在室內(nèi)新增的如此微量的輻射可能不會對我們的健康造成比較明顯的影響,但弄清到底是哪種建筑材料有這種輻射射線的性質(zhì)或者說室內(nèi)所測吸收劑量率為什么明顯高于室外還是很必要的,而不能簡單地推測是由于某種建筑材料或石材造成的,具體是哪種石材什么材料我們