Измерение ионизирующего излучения
§3 Измерение ионизирующего излучения
§3-1 Ионизирующее излучение
В измерительных приборах используются различные виды ионизирующих излучений (a, b, g - излучение, нейтронное и рентгеновское излучение). Источниками излучений служат естественные и искусственные радиоактивные изотопы и рентгеновские трубки. Основными понятиями, характеризующими ионизирующее излучение, являются активность источника, интенсивность излучения и доза излучения. a и b -излучения представляют собой потоки радиоактивных частиц, g - излучение и рентгеновское излучение – коротковолновое электромагнитное излучение, рассматриваемое часто по аналогии с a и b - частицами как поток g - квантов. Рентгеновскому излучению соответствует интервал длин волн 1кэВ-1МэВ. Радиоактивные частицы (ядра атомов гелия, позитроны, электроны) выбрасываются при распаде, и при каждом акте распада происходит выброс одной частицы. Число g - квантов, сопровождающих один акт распада, может быть различным для различных радиоактивных веществ.
Активность источника А характеризует число распадов, происходящих в нем в единицу времени, и зависит от удельной активности соединения, в которое входит радиоактивное вещество и от количества вещества в соединении. Основной единицей активности является распад в секунду, используется также единица активности 1Кu (Кюри), соответствующая 3,7*1010распад/с.
g - активность изотопов измеряют путем сравнения радиоактивных изотопов по ионизирующему действию их g - излучения, проводя ее к эквивалентной активности радия, т.е в грамм-эквивалентах радия. Рентгеновское и g - излучение характеризуется часто не энергетическими единицами, а ионизационной способностью излучения, оцениваемой способностью значением экспозиционной дозы, единицей которой установлен Кл/кг, кроме того, специальной единицей является рентген (1Р=2,58*10-4 Кл/кг). Рентгеном называется доза излучения, которая образует в 1 см3. воздуха (при 00С и нормальном давлении) ионы, несущие одну электростатическую единицу (0,33*10-9Кл) количества электричества каждого знака, т.е. образует 2,08*109 пар ионов. В воздухе на образование пары ионов требуется энергия 34эВ, следовательно, при дозе излучения 1Р в 1см3 воздуха поглощается энергия 70,72*109эВ или 113,2*10-10Дж.
a - частица обладает очень малой проницающей способностью (в воздухе – до 100мм) и поэтому в измерительной технике используются лишь процессы, связанные с их прохождением в газе. Для этого источник a - частиц помещается непосредственно в ионизационную камеру. Одна a - частица обладает большой энергией, ионизирует на своем пути около 200 000 молекул.
b- и g- излучения обладают большей проницательной способностью, чем a (b - в воздухе до 5мм, g- ¥). В измерительной технике b- излучение используется для измерения толщины листовых материалов, плотности вещества, обнаружения дефектов.
Экспериментально установлено, что интенсивность узкого пучка g- и b- частиц в функции толщины слоя вещества определяется выражением:
Рекомендуемые материалы
y= y0e-mл d= g0e-mmpa
где y-интенсивность потока излучения, походящего сквозь слой вещества толщиной d, мм; y0 - интенсивность потока излучения; p – плотность вещества, мг/мм3, mл – линейный коэффициент поглощения, зависящий от природы материла;
mм –массовый коэффициент поглощения, практически не зависящий от природы материала, мм2/мг.
§ 3-2 Приемники ионизирующего излучения.
Ионизационным называется преобразователь, преобразующий интенсивность радиоактивного излучения в электрическую величину. Наибольшее применение нашли ионизационные камеры, газоразрядные счетчики и сцинтилляционные, и полупроводниковые детекторы.
На рис. 24 схематически показана ионизационная камера.
Она состоит из цилиндрического металлического корпуса 1, заполненного газом, и металлического электрода 2, расположенного по оси корпуса и изолированного от него изолятором 3. корпус служит катодом и заземлен, электрод служит анодом. При помещении камеры в пространство с ионизирующим излучением находящийся в ней газ ионизируется. Если к электродам приложить напряжение U, то ионы газа образуют ток. ВАХ камеры при некоторой постоянной интенсивности излучения приведена на рис. 24(b). Пока напряжение и ток малы, а количество ионов значительно больше, чем необходимо для обеспечения того тока, ток возрастает пропорционально напряжению. При некотором напряжении пропорциональность нарушается и в пределах Ua до Ub ток постоянен. В этом диапазоне напряжений все ионы в единицу времени доходят до электродов и участвуют в создании иона.
Повышение напряжения не увеличивает число носителей. При дальнейшем увеличении напряжения возрастает скорость ионов, а если оно повышает Ub, то энергия ионов становится достаточной для вторичной ионизации газа. При этом возрастает число носителей тока, а так же и ток камеры. Ионизационные камеры работают на участке AB BAX. С увеличением интенсивности излучения ток камеры возрастает и является мерой интенсивности.
Конструкция камеры, состав и давление газа зависят от ее назначения, а также от вида и энергии ионизирующих частиц. При работе с α-частицами, имеющими малую длину пробега, источник излучения помещают внутри камеры.
Газоразрядный счетчик представляет собой ионизационную камеру, работающую при напряжении большем, чем Ub. Они бывают двух типов: пропорциональные счетчики и счетчики Гейгера-Мюллера. Счетчики представляют собой заполненный газом цилиндрический стеклянный баллон, по оси которого натянута металлическая проволока-анод. На цилиндрическую часть баллона изнутри нанесено металлическое покрытие – катод. Прикладываемое к электродам напряжение создает в межэлектродном пространстве электрическое поле, напряженность которого резко возрастает возле анода. Электрон, возникающий под действием ионизирующей частицы в области малой напряженности, дрейфует к аноду, при этом его скорость и энергия возрастает. Вблизи анода, в области повышенной напряженности, энергия возрастает на столько, что электрон становится способным ионизировать газ. Эта ионизация увеличивает число свободных электронов. Происходит увеличение импульса тока счетчика в 103 – 105 раз. Газовый разряд в пропорциональном счетчике является несамостоятельным разрядом, он возникает при внешней ионизации газовой среды и прекращается при ее отсутствии. Как и в камерах, импульс тока пропорционален энергии ионизирующего излучения.
К электродам счетчика Гейгера-Мюллера подается еще большее напряжение. Под действием излучения происходят процессы, аналогичные процессам в пропорциональном счетчике. Однако в прианодной области энергия электронов настолько возрастает, что происходит самостоятельный коронный разряд. Возникшее ультрафиолетовое излучение выбивает из катода электроны, они ионизируют газ и поддерживают возникший разряд. Для того чтобы можно было зарегистрировать приход новой ионизирующей частицы или кванта излучения, разряд должен быть погашен. Гашение производится или специальной схемой, которая уменьшает напряжение на счетчике, либо вследствие процесса, происходящего внутри счетчика. Счетчики первого типа называются несамогасящимися, второго – самогасящимися, которые наполняются газовой смесью специального состава, которая поглощает ультрафиолетовое излучение и способствует прекращению разряда.
Импульсы тока в счетчике возникают при опадании в него ионизирующих частиц. Амплитуда импульсов постоянна и от энергии квантов не зависит; от интенсивности излучения зависит лишь средняя частота импульсов.
Ионизационные камеры и газоразрядные счетчики могут работать в токовом или импульсном режиме. В первом измеряется средний ток преобразователя, численно равный общему заряду всех ионов, образованных за одну секунду. Ток мал (10-10 – 10-15 А) и для его измерения последовательно с преобразователем включают нагрузочное сопротивление порядка 109 – 1010 Ом и напряжение на енм изменяют с помощью усилителя постоянного тока. У пропорциональных счетчиков выходное напряжение имеет порядка 10-2 В.
В импульсном режиме измеряются амплитуды импульсов тока, соответствующих каждому акту ионизации, и их частота. Амплитуда импульсов тока ионизационной камеры и пропорционального счетчика пропорциональна числу ионов и характеризует энергию, потерянную ионизирующим излучением или частицей в камере. Ионизационные камеры часто используются для регистрации сильно ионизирующих частиц, имеющих малую длину пробега. При их торможении в камере амплитуда импульсов пропорциональна полной энергии частицы, частота импульсов пропорциональна интенсивности излучения.
Полупроводниковый детектор (рис. 25) – это ионизационный преобразователь, представляющий собой монокристалл полупроводника (германий) с p-i-n-переходом. Проводящий слой с собственной проводимостью (i-проводимость) выполнен путем диффузии лития в монокристалл германия. Измеряемое излучение ионизирует слой с собственной проводимостью и увеличивает в нем число электронов и дырок, что приводит к увеличению проводимости.
Под действием напряжения, проложенного и р- и n-слоями, возникает импульс тока. Число носителей, а следовательно, и амплитуда импульса тока пропорциональна энергии излучения. Характеристики полупроводникового детектора подобны характеристикам пропорционального счетчика.
Сцинтилляционный счетчик.
Принцип счетчиков основан на возникновении в некоторых веществах под действием ионизирующего излучения слабых световых вспышек – сцинтилляций. Световой поток подается на светочувствительный фотокатод и выбивает из них электроны, образующие фототок. Комбинация сцинтиллятора, фотокатода и фотоэлектронного умножителя в общем светонепроницаемом корпусе и называется сцинтилляционным счетчиком. Сцинтиллятор, являясь твердым телом, оказывает сильное тормозное воздействие на ионизационные частицы, и поэтому эффективность сцинтилляционных счетчиков даже при относительно малых толщинах сцинтиллятора достигает десятков процентов.
Затухание флуоресценции происходит очень быстро, и мертвое время счетчиков с некоторыми сцинтилляторами лежит в диапазоне 10-9 – 10-7.
Для регистрации α-частиц в сцинтилляционных счетчиках в качестве сцинтиллятора часто применяется сернистый цинк, активированный серебром или медью. Световое излучение этого соединения лежит в сине-зеленой части спектра, эффективность его при α-излучении составляет 28%.
Сернистый кадмий, активированный серебром, дает излучение с максимумом в красной области спектра, и эффективность его при α- и β-излучениях достигает 20%. Длительность импульсов сцинтилляции около 2*10-4 с. При регистрации γ-излучения в сцинтилляционных счетчиках широко применяется кристаллы йодистого натрия, активированного талием. Эффективность такого
счетчика 75 - 85%. Длительность импульса около 0,25 мкс.
Особенности применения ионизационных преобразователей. Измерительные приборы с ионизационными преобразователями могут использовать в своей работе либо «меченые» атомы, либо источники ядерного излучения. Приборы с мечеными атомами служат для излучения веществ и тел в различных физических, химических, технологических, физиологических процессах. Например, поведение красителя тканей, волокон в процессе крашения, отбеливания, вымачивания, сушки. Их применение основано на том. Что радиоактивные изотопы элементов идентичны стабильным изотопам. Радиоактивные изотопы добавляются к стабильным и участвуют в процессе наряду со стабильными. Местонахождение и количество радиоактивных изотопов определяется с помощью ионизационных преобразователей.
Приборы с собственными источниками излучения служат для измерения неэлектрических величин. Таких, как толщина материала, уровень жидкости, расход и др. В этих приборах используется зависимость интенсивности излучения от измеряемой величины.
Приборы с ионизационными преобразователями имеют ряд особенностей, которые и обеспечили их распространение. Эти приборы используют радиоактивные источники, излучение которых стабильно. На излучение не влияет измерение внешних условий: температуры, давление, освещение, наличие агрессивных сред и др. интенсивность изменяется только вследствие естественного распада ядер радиоактивного изотопа.
Благодаря большой проникающей способности излучения приборы могут применяться в тех случаях, когда объект измерения находится в тяжелых эксплуатационных условиях (высокие температуры, давление, агрессивная среда и т.д.).
Отрицательной особенностью приборов является токсичность излучения. Однако, высокочувствительные приемники позволяют создавать приборы практически безопасными.
Приборы, использующие радиоактивные изотопы, имеют специфические источники погрешностей. С течением времени в результате естественного радиоактивного распада интенсивность излучения уменьшается так, что
Вместе с этой лекцией читают "Часть 59".
где y
- начальная интенсивность;
Т0,5 - период полураспада источника.
Снижение интенсивности создает возрастающую погрешность.
Для ее уменьшения следует периодически увеличивать чувствительность.
Другая погрешность обусловлена случайным характером ядерного распада. Случайны как время распада, так и направление траектории радиоактивной частицы или кванта излучения. Вследствие этого последовательность импульсов преобразователя имеет периодический, случайный характер. Для уменьшения этой погрешности надо увеличивать время подсчета импульсов, тогда в результате усреднения относительная вариация, показаний прибора и погрешность уменьшается.
