СЧЕТЧИКА ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

Методические указания к лабораторной работе

ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ СЦИНТИЛЛЯЦИОННОГО СЧЕТЧИКА

Дисциплина «Физика»

СОГЛАСОВАНО РАЗРАБОТАЛ

Инженер по охране труда Заведующий кафедрой ОНД

_____________Г. В. Мангуткина ______________А.К.Боровиков

____________________2012 г. ___________________2012 г.

Салават 2012

Методические указания предназначены для специальностей 140400 «Электрооборудование и электрохозяйство предприятий, организаций и учреждений», 241000 «Машины и аппараты химических производств», 240100 «Химическая технология природных энергоносителей и углеродных материалов», 220700 «Автоматизация технологических процессов и производств», 230100 «Автоматизированное управление бизнес процессами и финансами», всех форм обучения.

Рассмотрено на заседании кафедры ОНД

Протокол №__________ от_____________2012

© Филиал федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Уфимский государственный нефтяной технический университет» в г. Салавате

ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ СЦИНТИЛЛЯЦИОННОГО

СЧЕТЧИКА ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

Цель работы:изучение работы сцинтилляционного счетчика ядерных излучений.

Приборы и принадлежности: устройство измерительное, объект исследований, держатель образца, компьютер в сборе.

1 Общая теория

Гамма кванты испускаются ядрами, образующимися после α-или β-распада в возбужденном состоянии. После α-распада обычно испускаются γ-лучи невысокой энергии (Е_у< 0,5 Мэв), так как α-распад, сопровождающийся образованием дочернего ядра в сильно возбужденном состоянии (W > 0,5 Мэв), затруднен малой прозрачностью барьера для α-частиц с пониженной энергией. Энергия γ-лучей испускаемых дочерним ядром после β-распада может быть больше и достигает 2—2,5 Мэв. Это связано с тем, что вероятности β-распада определяется более слабой функцией энергии, чем вероятность α-распада.

В процессе испускания γ-кванта ядро переходит из возбужденного состояния в состояние с меньшей энергией (радиационный переход). Радиационный переход может быть однократным, когда ядро, испустив один квант, сразу переходит в основное состояние, или каскадным, когда снятие возбуждения происходит в результате последовательного испускания нескольких γ-квантов.

По своей физической природе γ-излучение представляет собой коротковолновое электромагнитное излучение ядерного происхождения. Обычно энергия ядерных квантов бывает заключена в пределах примерно от 10 кэв до 5 Мэв. Это соответствует интервалу длин волн 10-⁸ см ≥ λ ≥ 10-¹¹ см.

Гамма-кванты, испускаемые ядром при переходе в низшее энергетическое состояние, могут уносить различный момент количества движения J. Излучение, уносящее момент количества движения J = 1, называется дипольным, J = 2 - квадрупольным J = 3 - октупольным и т. д. (излучения с J = 0 не существует из-за поперечности электромагнитных волн). Каждое, из них характеризуется определенным характером углового распределения. γ-кванты различной мультипольности возникают в результате

различных «колебаний» ядерной жидкости: электрических (дипольные, квадрупольные и т. д.) и магнитных (дипольные, квадрупольные и т. д.). Процессы первого типа обусловлены перераспределением электрических зарядов в ядре, процессы второго типа - перераспределением спиновых и орбитальных магнитных моментов. Правила отбора при γ-излучении связаны с выполнением законов сохранения момента количества движения и четности. Совместное применение правил отбора по моменту и четности приводит к выводу, что радиационный переход между двумя энергетическими состояниями атомного ядра должен происходить путем испускания двух мультиполей, удовлетворяющих отбору по четности. Первый из них называют электрическим (EJ), второй — магнитным (MJ). Почти во всех случаях из двух переходов, разрешенных правилами отбора, преобладающим является только один - с наименьшим J. Поэтому, изучая γ-излучение экспериментально можно по типу γ-перехода определить четность и изменение спина ядра.

Кроме испускания γ-лучей существует еще один механизм потери энергии возбужденным ядром - испускание электронов внутренней конверсии. В этом процессе, как показывает теория, энергия возбуждения ядра непосредственно (без предварительного испускания γ-кванта) передается орбитальному электрону. Очевидно, что в таком механизме будут освобождаться моноэнергетические электроны, энергия которых определяется энергией ядерного перехода и типом электронной орбиты. С наибольшей вероятностью процесс внутренней конверсии идет на K-электронах.

Кроме процессов испускания γ-лучей и явления внутренней конверсии, переходы возбужденного ядра в низшее состояние могут происходить также за счет испускания электронно-позитронной пары (если энергия перехода АЕ > 1,02 Мэв). Однако вероятность этого механизма не превышает 10"³ от вероятности γ-излучения.

Экспериментально энергия γ-квантов определяется по вторичному излучению, возникающему при взаимодействии γ-кванта с веществом. При прохождении гамма-излучения через вещество вследствие взаимодействия γ -квантов с атомами веществ происходит ослабление интенсивности пучка. В диапазоне энергий радиоактивных препаратов 0.05-3 МэВ основными являются следующие три процесса взаимодействия фотонов с веществом: комптоновское рассеяние, фотоэффект и образование электронно-позитронной пары.

В эффекте Комптона вместо падающего фотона с энергией Е_у возникает рассеянный фотон с меньшей энергией Е_у' < Е_ь а электрон, подвергшийся рассеянию, приобретает дополнительную энергию Е_е= Е _у-Е _у').

При фотоэффекте энергия фотона полностью поглощается атомом, и вылетает один из электронов i-той оболочки с энергией Е_е.

Е_е= Е_у -1,, г = K,L,M~;

где I_i - потенциал ионизации i-той оболочки атома. Процесс образования электронно-позитронной пары маловероятен, так как возможен при очень высокой энергии γ -квантов E_γ > 1 МэВ.

Вероятность каждого из рассмотренных эффектов зависит от энергии γ-квантов. Это позволяет анализировать энергетические состояния ядер в атомах и элементный состав γ -радиоактивных веществ по энергетическому спектру вторичных электронов.

Сцинтилляционный метод основан на том, что при прохождении заряженных частиц через вещество происходит возбуждение и ионизация атомов и молекул. Слабые световые вспышки, сопровождающие эти процессы, могут быть обнаружены и измерены аппаратурой, обладающей высокой светочувствительностью.

В сцинтилляторе при прохождении ионизирующей частицы возникает слабая световая вспышка, которая в фотоэлектронном умножителе (ФЭУ) преобразуется в электрический импульс. На внутреннюю поверхность стеклянного торца ФЭУ нанесен полупрозрачный сурьмяно-цезиевый (Sb-Сs) слой, служащий фотокатодом. Фотоны световой вспышки, возникающей в сцинтилляторе под действием заряженных частиц от источника, попадают на фотокатод и вырывают из него фотоэлектроны. Фотоэлектроны проходят через фокусирующую диафрагму и разгоняются электрическим полем, существующим между умножающими электродами (динодами). Для питания ФЭУ используется источник высокого стабилизированного напряжения с делителем. Если энергия падающего электрона в несколько раз превосходит работу выхода динода, то возможно выбивание вторичных электронов. Этот процесс умножения числа электронов в ФЭУ называется вторичной электронной эмиссией. Количественной характеристикой процесса умножения является коэффициент вторичной эмиссии, равный отношению числа выбитых из динода электронов к числу электронов,

падающих на его поверхность. Максимальное значение коэффициента (7–10) достигается для сплавных динодов при росте энергии электронов до 500–550 эВ. Коэффициент умножения ФЭУ в сцинтилляционном детекторе обычно составляет 10⁵–10⁶. Вещества, применяемые в качестве сцинтилляторов, характеризуются следующими параметрами: сцинтилляционной эффективностью, световым выходом, временем высвечивания, прозрачностью к собственному люминесцентному излучению и его спектром.

Под сцинтилляционной эффективностью понимают часть поглощенной в сцинтилляторе энергии ионизирующего излучения, преобразованной в энергию световой вспышки. Световым выходом сцинтиллятора называется отношение числа фотонов световой вспышки к поглощенной энергии.

После поглощения энергии заряженной частицы число фотонов световой вспышки нарастает, затем происходит спад. Временная разрешающая способность сцинтиллятора определяется временем высвечивания, которое необходимо для уменьшения максимального числа испускаемых фотонов в 3 раза. Значение его зависит от вида заряженных частиц и типа сцинтиллятора и изменяется для большинства сцинтилляторов от 10^-6 до 10^-8 с.

Сцинтилляторы должны иметь высокую сцинтилляционную эффективность, малое время высвечивания, прозрачность к собственному люминесцентному излучению, спектр которого необходимо согласовывать со спектральной чувствительностью фотокатода ФЭУ. Для применения в дозиметрии γ-излучения следует уменьшать ход с жесткостью сцинтиллятора.

В качестве сцинтилляторов в сцинтилляционных детекторах применяются неорганические и органические кристаллы, органические жидкие сцинтилляторы и сцинтиллирующие пластмассы, а также газовые сцинтилляторы – гелий, аргон, криптон, ксенон.

Из неорганических кристаллов наибольшее распространение получили NаI, ΚI, СsI, активированные таллием, и Li, активированный таллием и европием или самарием. Для счета α–частиц распространено применение ZnS, активированного Аg или Сu. Некоторое распространение получили также вольфраматы щелочноземельных элементов, например СаWО₄, и соли ВаF₂, СаF₂.

Органические сцинтилляторы по своему химическому составу значительно ближе к составу биологической ткани. Их существенная особенность – малая длительность импульсов (время высвечивания равно 10^-8 – 10^-9 с).

Недостатком органических сцинтилляторов является низкое по сравнению с неорганическими кристаллами значение светового выхода. Из органических кристаллов чаще всего применяются антрацен, стильбен, нафталин, толан.

Жидкие сцинтилляторы являются растворами некоторых органических веществ, например, пара-терфенила, в органических растворителях – толуоле, ксилоле и др. В сцинтиллирующих пластмассах различные органические вещества образуют твердые растворы в полистироле. Жидкие и пластмассовые сцинтилляторы имеют ряд существенных достоинств: возможно приготовление сцинтилляторов очень большого объема, введение в них радиоактивных веществ, что особенно ценно при измерениях мягких β–излучателей (³Н, ¹⁴С, ³⁵S).

Основными характеристиками ФЭУ являются квантовый выход, т. е. вероятность выбивания фотоэлектрона фотоном, попавшим на фотокатод, и интегральная чувствительность, которая равна отношению силы тока на выходе ФЭУ к световому потоку. Интегральная чувствительность пропорциональна коэффициенту умножения системы динодов.

Сцинтилляционный детектор может работать в импульсном и тактовом режиме в зависимости от того, измеряется ли число импульсов тока или среднее значение анодного тока ФЭУ. Использование ФЭУ в сцинтилляционном методе накладывает определенные эксплуатационные требования при их проектировании и применении. Основными требованиями можно считать следующие:

– минимальная чувствительность к внешним электромагнитным полям и отсутствие необратимых эффектов после их воздействия;

– необходимость избегать использования фотоумножителей в электромагнитных полях;

– хорошая виброустойчивость; при эксплуатации необходимо максимально оберегать фотоумножитель от встрясок и ударов;

– достаточная надежность выходных контактов и их надежное сочленение с внешней контактной панелью;

– обеспечение полной изоляции фотоумножителя от воздействия внешних источников света.

Сочетание фотоумножителя с сцинтиллятором дает возможность регистрировать различные виды излучений. При регистрации α-частиц чаще всего используются кристаллы ΖnS (Αg). Толщина кристаллов должна немного превышать пробег α-частиц. Регистрация быстрых нейтронов производится путем счета протонов отдачи в сцинтилляторе, содержащем водород.

Возможно применение, кроме того, жидких сцинтилляторов, а также твердых органических веществ, в которые вводится ΖnS. Для регистрации тепловых нейтронов могут быть использованы сцинтилляторы, содержащие литий или бор, в которых под действием тепловых нейтронов происходят ядерные реакции ⁶Li (n,α) ³Η или ¹⁰В (n,α). К числу таких сцинтилляторов относятся LiI (Тl) или жидкие сцинтилляторы, в которые добавляются органические соединения бора, например, метилборат В(ОСН₃)₃.

Таким образом, основными преимуществами сцинтилляционных детекторов является высокое временное разрешение, линейная зависимость между величиной сигнала и поглощенной энергией излучения с низким значением линейной передачи энергии, возможность применения жидких детекторов любой формы и объема. Эффективность регистрации достигает 100 %. Недостатком метода является сложность и нестабильность ФЭУ, применяемого для усиления первичного эффекта.

Дата добавления: 2015-07-26; просмотров: 242; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!