Тема 15 Измерения ионизирующих излучений

Наша биосфера всю свою историю находилась и находится во взаимодействии с ионизирующими излучениями. Под ионизирующими излучениями (радиацией) понимают поток частиц или квантов электромагнитного излучения, взаимодействие которого с веществом приводит к ионизации и возбуждению его атомов и молекул. К ним относятся потоки электронов, позитронов, протонов, α-частиц, нейтронов, рентгеновское и γ-излучение. Сюда же следует отнести потоки дейтронов, тритонов и других ионов или частиц – компонентов космического излучения или ускоренных на ускорителях до высоких энергий.

Рис.1 Шкала длин волн.

Длины волн электромагнитного излучения простираются в широком диапазоне (Рис.1). В данной лекции нас будут интересовать волны с длиной волны 10 нм и меньше, т.е. бы будем заниматься проблемой регистрации волн и частиц с энергией выше 20 кэВ.

Качественный и количественный анализ ионизирующих излучений необходим в различных областях науки и техники: ядерной физике, физике элементарных частиц, радиохимии, технике радиоактивных индикаторов, радиационной химии, радиационном материаловедении, дефектоскопии в сельском хозяйстве, медицине, экологии, геологии, атомной энергетике, в технологиях ядерно-топливного цикла, дозиметрии и радиационной безопасности, в практике обитаемых космических полётов и т. д. и т.п. Поэтому методы измерения ядерных излучений постоянно и весьма активно развиваются.

Методы регистрации радиоактивных излучений могут быть классифицированы по характеру взаимодействия излучения с веществом и по способам их измерения. Заряженные ядерные частицы могут быть обнаружены по их ионизирующему действию. Нейтральные частицы, например нейтроны и гамма-кванты, непосредственно не производят ионизации, однако, взаимодействуя с ядрами, могут вызвать образование вторичных заряженных частиц.

Работа детекторов излучения основана на взаимодействии излучений с веществом детектора. Энергия излучения, поглощённая непосредственно или с помощью специальных устройств, вызывает в цепи детектора излучения электрический ток, прохождение которого регистрируется измерительными схемами. В некоторых случаях результаты взаимодействия излучения с веществом могут наблюдаться, например, по потемнению фотоплёнки, свечению фосфоров. Однако в радиометрической практике наиболее широко применяются простые и надёжные детекторы излучения, позволяющие использовать электрические схемы регистрации.

Для получения необходимой информации о составе и характеристиках радиации, её преобразуют чаще всего с помощью соответствующих приборов в электрические сигналы, которые затем измеряют, сортируют и регистрируют радиометрической аппаратурой. Радиометрические приборы состоят из детекторов, в которых происходит преобразование энергии излучения в электрическую или др. сигналы, и регистрирующих устройств. Детекторы могут быть ионизационными, сцинтилляционными, трековыми и другими в зависимости от того, на каком из эффектов основано их действие. По агрегатному состоянию рабочего тела различают газонаполненные, жидкостные, твердотельные детекторы; по типу регистрируемого излучения-детекторы α-частиц, β-частиц, γ-квантов, нейтронов. Существуют два метода измерения излучений ионизационными детекторами. Первый состоит в измерении среднего значения постоянного тока интегрирующей ионизационной камеры посредством электрометрического усилителя. Этот метод наиболее простой. Второй метод заключается в счёте числа импульсов, вырабатываемых соответствующим детектором под действием излучения. Этот метод намного более чувствителен. Кроме того, рабочий сигнал импульсных камер, пропорциональных и сцинтилляционных счётчиков содержит информацию двух видов: число импульсов говорит об интенсивности радиации, амплитуда импульсов – об энергии частиц. Амплитуда импульсов измеряется посредством многоканальных анализаторов. Развитие импульсных ускорителей частиц привело к разработке специальных быстродействующих счётных установок. Необходимость детального изучения ядерных процессов потребовало создание координатных детекторов (камера Вильсона, пузырьковая камера и др.).

Начнём рассмотрение с традиционных детекторов радиации: ионизационные детекторы (ионизационные камеры, пропорциональные счётчики, счётчики Гейгера-Мюллера), сцинтилляционные и черенковские счётчики, полупроводниковые детекторы) в плане их применения для регистрации α-, β- и γ-излучений. Затем перейдём к довольно специфическим методам регистрации нейтронов. Важнейшую составляющую системы регистрации (усилители, дискриминаторы, счётные устройства, анализаторы и т.п. мы рассмотрим весьма коротко). Более подробно мы остановимся на спектроскопии ядерных излучений, в том числе – нейтронов. Изложение будет касаться основных компонентов радиометрических устройств, но мы также упомянем некоторые приборы, выпускаемые в настоящее время серийно. Вторая часть курса посвящена технике авторадиографии. Здесь основное внимание будет уделено использованию фотоматериалов для целей макро- и микро (трековой) авторадиографии, но всё же будут упомянуты и альтернативные методы авторадиографии (применение плёночных полимерных трековых детекторов, окрашиваемых плёнок и др.). Третья часть курса посвящена координатным детекторам элементарных частиц (камера Вильсона, пузырьковая камера, искровая камера и др.) и методу калориметрии. Четвёртая часть посвящена радиометрии, т.е. совокупности методов измерений активности радионуклидов в радиоактивных источниках – твёрдых, жидких или газообразных. Здесь существенное внимание уделено методам достоверной регистрации нестационарных концентраций движущихся флюидов.

Детекторы радиоактивных излучений: ионизационные детекторы и черенковские счётчики

Для получения необходимой информации о радиоактивном распаде, ионизирующее излучение преобразуют чаще всего с помощью соответствующих детекторов в электрические сигналы, которые затем измеряют, сортируют и регистрируют радиометрической аппаратурой.

Детектор (индикатор) излучения – объект, позволяющий обнаружить наличие ионизирующего излучения путем непосредственного взаимодействия с веществом этого объекта.

Применяемые типы детекторов рассчитаны на регистрацию различных видов излучения (альфа- и бета-частиц, рентгеновского и гамма-излучения, нейтронов, протонов и т.п.) в широком диапазоне их энергии. Обычно они используются для определения состава излучения и измерения его интенсивности, измерения спектра энергий частиц, изучения процессов взаимодействия быстрых частиц с атомными ядрами и процессов распада нестабильных частиц.

В небольшой серии лекции мы рассмотрим наиболее широко используемые детекторы α-, β- , γ- и нейтронного излучения, акцентируя внимание на принципах их действия и характеристиках. Здесь мы ограничимся ионизационными детекторами и черенковскими счётчиками. Использование для целей детектирования других эффектов, сопровождающих прохождение излучений через вещество будет рассмотрено в последующих лекциях. Термолюминисцентные детекторы будут описаны в цикле лекций, посвящённых дозиметрии ионизирующих излучений.

1. ИОНИЗАЦИОННЫЕ ДЕТЕКТОРЫ

Информативность любого радиохимического эксперимента опыта напрямую определяется возможностями тех детекторов, которые в нём используются.

Общие требования к детектирующей аппаратуре сводятся к определению типа частицы (идентификации) и её кинематических характеристик (энергии, импульса и др.). Часто тип частицы известен заранее и задача упрощается.

Основными характеристиками детектора являются – эффективность (вероятность регистрации частицы при попадании её в детектор), временнoе разрешение (минимальное время, в течение которого детектор фиксирует две частицы как отдельные) и мёртвое время или время восстановления (время, в течение которого детектор после регистрации частицы либо вообще теряет способность к регистрации следующей частицы, либо существенно ухудшает свои характеристики). Если детектор определяет энергию частицы и (или) её координаты, то он характеризуется также энергетическим разрешением (точностью определения энергии частицы) и пространственным разрешением (точностью определения координаты частицы).

1.1 Газонаполненные детекторы ионизационного типа

Ионизационная камера

Ионизационная камера, прибор для исследования и регистрации ядерных частиц и излучении, действие которого основано на способности быстрых заряженных частиц вызывать ионизацию газа

Пропорциональный счётчик, газоразрядный прибор для регистрации ионизирующих излучений, создающий сигнал, амплитуда которого пропорциональна энергии регистрируемой частицы, теряемой в его объеме на ионизацию

Счётчик Гейгера-Мюллера - газонаполненный счётчик заряженных элементарных частиц, электрический сигнал с которого усилен за счёт вторичной ионизации газового объёма счётчика и не зависит от энергии, оставленной частицей в этом объёме

Дата добавления: 2015-07-26; просмотров: 327; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!