12. Классификация методов регистрации ионизирующих излучений.

В настоящее время существует достаточно много методов регистрации ионизирующих излучений. Выбор того или иного метода производится с учетом вида излучения и той информации, которую хотят получать: простое обнаружение излучения, измерение энергии частиц, определение активности и т. д. В соответствии с поставленными задачами выбирают тип измерительных приборов. Для измерения активности и плотности потоков ионизирующих излучений используют радиометры, для определения дозы излучений — дозиметры, для нахождения распределения излучения по определенным параметрам (энергии, заряду, массе) — спектрометры.

Прибор для регистрации ионизирующих излучений состоит из чувствительного элемента — детектора (датчика) и измерительной аппаратуры. В детектор входит вещество, с которым взаимодействуют частицы, и преобразователь эффектов взаимодействия в регистрируемые величины (импульсы, ток, химический осадок и т. д.), которые фиксируются измерительной аппаратурой.

К основным и наиболее часто применяемым методам регистрации относятся следующие: ионизационные, оптические (сцинтилляционные), химические и фотографические.

Ионизационный метод основан на регистрации эффекта ионизации, т. е. на измерении величины заряда ионов, возникающих под действием ионизирующего излучения. Измерить ионизационный эффект можно при помощи электрического поля, которое препятствует рекомбинации ионов и придает им направленное движение к соответствующим электродам.

В качестве детекторов используют ионизационные камеры, пропорциональные счетчики, счетчики Гейгера—Мюллера, полупроводниковые детекторы и др. Эти детекторы, кроме полупроводниковых, представляют собой наполненные газом баллоны с двумя вмонтированными электродами. К электродам подведено напряжение постоянного тока. Детектор включается в электрическую цепь. При прохождении ионизирующей частицы через газовую среду образуются ионы, которые собираются на электродах. Положительные ионы движутся к катоду, отрицательные — к аноду. В электрической цепи образуется ионизационный ток, который регистрируется измерителем тока. По значению этого тока можно судить об интенсивности излучения или отсчитывать число зарегистрированных частиц. Протекание тока наблюдается до тех пор, пока на газ действует излучение. В противном случае ток в цепи не протекает, так как газ является изолятором.

Взаимодействуя с веществом, ядерное излучение наряду с ионизацией производит возбуждение атомов и молекул. Через некоторое время (в зависимости от вещества) возбужденные атомы и молекулы переходят в невозбужденное состояние с выделением энергии во внешнюю среду. У некоторых веществ (сернистый цинк, йодистый натрий, антрацен, стильбен, нафталин и др.) такой переход сопровождается испусканием энергии возбуждения в виде квантов видимого инфракрасного и ультрафиолетового света. Внешне это проявляется в виде вспышек света — сцинтилляций, которые можно зарегистрировать с помощью соответствующих приборов. На регистрации сцинтилляций, возникающих в определенных веществах при облучении их ионизирующими излучениями, и основаны оптические методы.

Принцип работы сцинтилляционного детектора следующий: под действием излучений происходит ионизация и возбуждение атомов. При переходе атомов из ионизированных и возбужденных состояний в основное высвечивается энергия в виде вспышки света (сцинтилляции), которая может быть зарегистрирована различными способами.

Лучший из них состоит в преобразовании энергии света в электрический сигнал с помощью оптически связанного со сцинтиллятором фотоэлектронного умножителя В настоящее время известно очень много различных сцинтилляторов – жидких, твердых, газообразных и в виде порошков различной плотности. Это позволяет подобрать необходимый детектор для наиболее эффективной регистрации любого ионизирующего излучения в широком диапазоне энергий.

Химические методы основаны на том, что часть поглощенной энергии излучения переходит в химическую, что вызывает цепь химических превращений. Определение наличия излучения, его интенсивности производится по выходу химических реакций. Например, при облучении водного раствора FeSO4 ионы двухвалентного железа Fe2+ превращаются в ионы трехвалентного железа Fe3+. Одновременно при этом изменяется электрический потенциал и окраска раствора, что можно легко определить соответствующими способами.

Отметим, что при использовании химических методов следует подбирать в качестве детекторов такие вещества, химические изменения в которых пропорциональны дозе или интенсивности ионизирующего излучения Фотографические методы основаны на способности излучения разлагать галогениды серебра AgCl или AgBr, входящие в состав чувствительных фотоэмульсий, до металлического серебра. В результате такого взаимодействия вдоль трека (следа прохождения) альфа- и бетачастиц выделяются зерна серебра и при проявлении фотопластинки виден след пробега ядерных частиц — почернение. По характеру трека можно определить вид, интенсивность и энергию излучения.

В заключение отметим, что большое разнообразие методов регистрации и детекторов связано с причинами различного характера взаимодействия излучения с веществом и различным пробегом. Поэтому невозможно сконструировать универсальный детектор, который одинаково хорошо регистрировал бы гамма-кванты, альфа- и бетачастицы. Легче всего зарегистрировать проникающее гаммаизлучение. Для этого хороши счетчики Гейгера—Мюллера, но более эффектны сцинтилляционные детекторы с кристаллическими сцинтилляторами большой плотности.

Для регистрации бета-излучения применяют жидкие или пластмассовые сцинтилляторы или ионизационные детекторы с очень тонкими стенками. Альфа-излучение из-за малого пробега в веществе регистрировать очень тяжело. В этом случае чаще используют ионизационные методы, но детекторы особых конструкций — открытые газовые или специальные полупроводниковые детекторы.

При регистрации ионизирующих излучений необходимо помнить о требованиях к измеряемым образцам. Особых требований не существует в случае гамма-излучающих образцов. В образцах, которые испускают бета-частицы, регистрация будет происходить только с верхнего тонкого слоя; все остальное бета-излучение поглощается в самом образце, не достигая детектора. Поэтому бета-излучающие образцы должны быть или очень тонкие или бесконечно толстые. Радиометрия альфа-радионуклидов возможна только с очень тонкой пленки, В этом случае перед измерением необходимо провести радиохимическую* обработку образца; его предварительно сжигают, растворяют, выделяют альфа-излучающий радионуклид, который осаждают на подложку тонким слоем.

Также отметим, что активность определяют, регистрируя радиоактивное излучение, которое сопровождает распад. Но так как для каждого вида излучения необходим отдельный детектор, активность можно определить только в том случае, когда известен состав радионуклидов в образце и число соответствующих частиц или квантов, которые излучаются при одном акте распада. Например, цезий-137, который распадается, излучая бета-частицу (электрон) и гамма-квант, можно регистрировать как бета-радиометром (с поправкой на эффективность к гамма-излучению), так и гамма-радиометром. При радиометрии стронция-90 необходимо помнить, что данный радионуклид излучает только бета-частицы, причем при распаде образуется иттрий-90, который также испускает бета-частицы, поэтому в образце всегда присутствуют два этих радиоизотопа.

13. Классификация детекторов ионизирующих излучений.

Остановимся подробнее на классификации детекторов. В зависимости от используемого процесса взаимодействия излучения с веществом различают четыре основных типа детекторов. 1. Ионизационные детекторы, в которых непосредственно используется создаваемая излучением ионизация вещества. К ним относятся ионизационные камеры, газоразрядные счетчики разных типов !включая коронные и искровые счетчики), полупроводниковые детекторы, камера Вильсона, фотоэмульсии и некоторые другие виды детекторов. 2. Радиолюминесцентные детекторы, в которых используются сцинтилляции !вспышки света), сопровождающие возбуждение и ионизацию атомов и молекул среды. К этой группе относятся сцинтилляционные счетчики разных типов и термолюминесцентные детекторы. 3. Детекторы Черенкова, использующие так называемое излучение Черенкова – Вавилова. 4. Калориметрические детекторы, принцип действия которых основан на использовании нагрева вещества под действием излучения.

14. Основные характеристики детекторов ионизирующих излучений.

Одна из основных задач детектирования излучений – это восстановление характеристик излучения по сигналам, измеренным на выходах детекторов. Для этого необходимо знать, прежде всего, общие характеристики детекторов как преобразователей излучения в сигналы.

Наиболее простой тип детектора – счетчик частиц. Счетчиком может быть любой детектор, регистрирующий отдельные частицы, независимо от природы сигнала. Важно отметить, что счетчик в принципе позволяет определить момент прохождения частицы через его объем. Форма импульса на выходе счетчика характеризует в основном процессы, происходящие в нем. Эти процессы в истинных счетчиках, таких как счетчик Гейгера – Мюллера или искровой счетчик, практически не зависят от природы частицы. Однако форма импульса может сильно зависеть от места прохождения частицы через детектор.

Сигнал на выходе пропорционального детектора пропорционален поглощенной в его объеме энергии. Любой пропорциональный детектор может работать как счетчик частиц.

При измерениях загрязнений внешней среды наибольшее распространение получили приборы с полупроводниковыми, сцинтилляционными и газоразрядными детекторами, которые обладают высокой чувствительностью и позволяют вести счет отдельных частиц и фотонов, а также измерять их энергию. Реже для оценки загрязнений внешней среды используют приборы с ионизационными камерами, имеющими меньшую чувствительность.

Одна из основных характеристик счетчика – эффективность регистрации частиц. Она определяется из следующего отношения:

Эффективность регистрации зависит от многих факторов, в частности, от вида излучения и его энергии, поэтому она различна не только для разных счетчиков, но и для одного и того же.

Спектральной характеристикой счетчика называется зависимость эффективности регистрации частиц (квантов) от энергии частицы (или энергии кванта) при прочих равных условиях.

Счетной характеристикой (СХ) называют зависимость скорости счета, т. е. числа зарегистрированных в единицу времени импульсов,

47

от напряжения U между электродами счетчика при неизменном числе частиц, попадающих в объем счетчика в единицу времени.

Как правило, СХ имеет плато, т. е. участок, где скорость счета практически не зависит от напряжения между электродами.

Если число частиц !квантов), проходящих через счетчик, известно, то удобно построить зависимость эффективности регистрации частиц от напряжения между электродами. Эта нормированная счетная характеристика облегчает выбор режима работы счетчика. Очевидно, что эффективность регистрации не может быть больше единицы, поэтому измерение зависимости эффективности регистрации частиц от напряжения между электродами счетчика позволяет выявить «ложные» импульсы.

Эффективность регистрации энергии (ЭРЭ) определяют как отношение поглощенной в объеме детектора энергии к падающей на поверхность входного окна.

Эффективность регистрации энергии показывает, какая доля энергии излучения, падающего на входное окно, поглощается в рабочем объеме детектора. Если поглощается вся падающая энергия излучения, то детектор в данном эксперименте является детектором полного поглощения. Его эффективность равна единице.

Эффективность регистрации энергии всегда меньше или равна эффективности регистрации частиц !или квантов). При эффективности регистрации частиц, равной единице, ЭРЭ может отличаться от единицы на много порядков. Это обусловлено тем, что для образования сигнала на выходе детектора требуется энергия от единиц до сотен электрон-вольт, в то время как энергия регистрируемой частицы может составлять 106–1012 эВ. Поэтому, если каждая регистрируемая частица теряет только часть своей кинетической энергии, то эффективность регистрации энергии меньше, чем эффективность регистрации частиц.

Наиболее общей характеристикой любого детектора является его функция отклика (ФО). Для детектора, используемого для измерения энергетического спектра частиц, функция отклика G (E, V) определяет вероятность образования сигнала с амплитудой V при попадании в детектор частицы или фотона с энергией E.

Вероятность регистрации может быть нормирована по-разному: - к активности источника; - к числу частиц, попавших в детектор; - к потоку частиц в том месте, где расположен детектор.

В зависимости от этого величины вероятности регистрации будут различными и функции отклика носят разные названия. Дадим опре-

48

деления некоторым из них, наиболее распространенным.

Эффективность детектора εd – это отношение числа зарегистрированных сигналов !импульсов, треков, световых вспышек и т. д.) к числу частиц, попавших в детектор.

Чувствительность детектора Sd – это отношение числа зарегистрированных сигналов в единицу времени к потоку частиц в месте, где расположен детектор излучения.

Светосила L – это отношение числа зарегистрированных сигналов к числу частиц, испущенных источником. Светосила, как это следует из определения, существенно зависит от взаимного расположения детектора и источника излучений, поэтому она, скорее, характеризует измерительное устройство в целом по сравнению с самим детектором.

Флуктуация !от лат.

Fluctuatio – колебание) – термин, характеризующий любое колебание или любое периодическое изменение амплитуд сигналов на выходе детектора, обусловленных, главным образом, статистическим разбросом числа носителей заряда !ne).

Энергетическое разрешение детекторов тем лучше, чем большее число носителей заряда образуется в детекторе, т. е. чем выше энергия излучения и меньше удельная энергия образования носителей заряда.

Наименьшую удельную энергию образования одной пары носителей заряда !электрон-дырка) имеют полупроводниковые детекторы (ППД) – от 2,9 до 3,7 эВ в зависимости от типа, что обеспечивает полупроводниковым детекторам наилучшее энергетическое разрешение по сравнению с другими типами детекторов. Удельная энергия ионизации среды в газовых детекторах !образование пары «ион – электрон») на порядок выше и составляет от 20 до 32 эВ в зависимости от типа среды, и энергетическое разрешение газовых детекторов практически в три раза хуже разрешения ППД. В сцинтилляционных дете кторах энергия излучения конвертируется в фотоны света !коэффициент преобразования – не более 0,1), а первичными носителями заряда являются фотоэлектроны, которые выбиваются с фотокатода ФЭУ световыми фотонами !вероятность – не более 0,1 на фотон). Отсюда следует, что удельная энергия образования первичных носителей заряда в сцинтилляционных детекторах практически на порядок больше, чем в газонаполненных, и на два порядка больше, чем в ППД, а энергетическое разрешение соответственно в 3–4 раза хуже, чем в газонаполненных детекторах, и на порядок хуже, чем в ППД.

15. Вольт-амперная характеристика газового разряда. Область Гейгера.

Существует зависимость между приложенным к электродам напряжением и ионизационным током при постоянной интенсивности излучения. Эта зависимость называется вольт-амперной характеристикой газового разряда.

По оси абсцисс отложено напряжение, подаваемое на электроды, а по оси ординат – величина ионизационного тока !рис. 18).

Сложная зависимость тока от напряжения связана с особенностью физических процессов, протекающих в газе при движении ионов и свободных электронов в межэлектродном пространстве. Для понимания сущности этих процессов характеристика разбита на семь участков.

При увеличении напряжения выше точки Д !область Д–Е) каждая попавшая в детектор частица вызывает лавинный разряд. Причем величина этого разряда зависит не от числа первичных ионов или электронов или вида излучения, а только от напряжения между электродами. Это область Гейгера. Отличие этой области заключается в том, что газовый разряд в ней самостоятельный, т. е. появление хотя бы одного электрона вызывает вспышку самостоятельного разряда.

Развитию самостоятельного разряда способствует то, что в первичной лавине из-за возбуждения атомов и молекул газа возникает ультрафиолетовое излучение. Попадая на катод в результате фотоэффекта, они выбивают из него электроны, которые в свою очередь создают новые электронно-ионные лавины, таким образом газовый разряд сам поддерживается и развивается.

16. Принцип работы и классификация счетчиков Гейгера–Мюллера.

В пропорциональном счетчике газовый разряд развивается только в части объема газа. В ней образуется сначала первичная ионизация, а затем и лавина электронов. Остальной объем не охватывается газовым разрядом. С повышением напряжения критическая область расширяется. В ней увеличивается концентрация возбужденных молекул, а следовательно, и количество испущенных фотонов. Под действием фотонов из катода и молекул газа вырывается все больше и больше фотоэлектронов. Последние, в свою очередь, дают начало новым лавинам электронов в объеме счетчика, не занятом газовым разрядом от первичной ионизации. Таким образом, повышение напряжения U приводит к распространению газового разряда по объему счетчика. При некотором напряжении Uп, называемом пороговым, газовый разряд охватывает весь объем счетчика. При данном напряжении начинается область Гейгера – Мюллера.

Счетчики Гейгера – Мюллера – это газоразрядные детекторы частиц, предназначенные для регистрации различных видов ионизирующего излучения. Их действие основано на возникновении в счетчике самостоятельного газового разряда при попадании заряженной частицы в его рабочий объем.

Цилиндрический счетчик Гейгера – Мюллера представляет собой герметично запаянную тонкостенную металлическую или стеклянную металлизированную трубку !катод), вдоль оси которой натянута тонкая металлическая нить !анод) (рис. 31).

По способу гашения самостоятельного газового разряда счетчики Гейгера – Мюллера делятся на несамогасящиеся и самогасящиеся.