26 (Лекции кафедральные (PDF))

Семестр 4. Лекция 26.Лекция 26. Понятие о дозиметрии и защите. Космические лучи.Взаимодействие ядерных излучений с веществом. Детектирование различных излучений. Понятие о дозиметрии и защите. Космические лучи, первичное и вторичное излучение. Интенсивность, состав и энергетический спектр. Высотный ход интенсивности космических лучей.Взаимодействие первичного космического излучения с магнитным полем Земли. Широтныйэффект. Радиационные пояса. Происхождение космических лучей.Ионизирующие излученияИонизующие излучения, излучения, взаимодействие которых со средой приводит, в конечном счёте, к ионизации атомов и молекул.

К ионизирующим излучениям относятся: электромагнитное излучение, потоки α-частиц, электронов, позитронов, протонов, нейтронов и других заряженных и нейтральных частиц. Заряженные частицы ионизуют атомы вещества непосредственно при столкновениях, если их кинетическая энергия достаточна для ионизации. Припрохождении через среду потоков нейтральных частиц (нейтронов) или фотонов (квантов рентгеновского и γ-излучений) ионизация обусловлена вторичными заряженными частицами, возникающими в результате взаимодействия первичных частиц со средой.Ионизующие излучения играют большую роль в различных физических и химическихпроцессах, в биологии, медицине, сельском хозяйстве и промышленности. Многие химическиереакции под влиянием ионизирующего излучения осуществляются с большей лёгкостью илипротекают при значительно меньших температурах и давлениях.

Ионизующие излучения применяются для стерилизации, пастеризации и хранения пищевых продуктов, фармацевтическихпрепаратов и т. д. В результате действия ионизующих излучений можно получить разнообразные мутации у микроорганизмов и растений (так называемое биологическое действие ионизирующих излучений).Радиационные эффекты в твёрдом теле - это различные явления в твёрдом теле, вызванные воздействием ионизирующих излучений (потоков ядерных частиц, рентгеновского и γизлучений).

Взаимодействуя с кристаллической решёткой, частицы и кванты вызывают образование в ней вакансий и междоузельных атомов, ионизацию, иногда появление примесей за счётделения атомных ядер, ядерных реакций. Облучение вызывает изменение физических свойствкристаллов (механических, оптических, электрических и др.). В ряде случаев облучение потоком ускоренных ионов применяется для изменения свойств поверхностных слоев твёрдых тел(ионное внедрение).

Изменения свойств полимеров при облучении обусловлены радиационнохимическими превращениями.Детекторы ядерных излученийДетекторы ядерных излучений - приборы для регистрации α- и β-частиц, рентгеновскогои γ-излучения, нейтронов, протонов и т.п. Служат 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. Для последней наиболее сложной группы задач особенно полезны детекторы ядерных излучений, позволяющие запечатлевать траектории отдельных частиц - камера Вильсона и её разновидности:диффузионная камера, пузырьковая камера, искровая камера, ядерные фотографические эмульсии.

Действие всех детекторов ядерных излучений основано на ионизации или возбуждении заряженными частицами атомов вещества, заполняющего рабочий объём детекторов ядерных излучений. В случае γ-квантов и нейтронов ионизацию и возбуждение производят вторичные заряженные частицы, возникающие в результате взаимодействия γ-квантов или нейтронов с рабочим веществом детектора.

Таким образом, прохождение всех ядерных частиц через веществосопровождается образованием свободных электронов, ионов, возникновением световых вспышек (сцинтилляций), а также химическими и тепловыми эффектами. В результате этого излучения могут быть зарегистрированы по появлению электрических сигналов (тока или импульсовнапряжения) на выходе детекторов ядерных излучений, либо по почернению фотоэмульсии идр.1Семестр 4. Лекция 26.Электрические сигналы обычно невелики и требуют усиления.

Мерой интенсивностипотока ядерных частиц является сила тока на выходе детекторов ядерных излучений, средняячастота следования электрических импульсов, степень почернения фотоэмульсии и т.д.Важной характеристикой детекторов ядерных излучений, регистрирующих отдельныечастицы, является их эффективность - вероятность регистрации частицы при попадании её врабочий объём детектора ядерных излучений. Эффективность определяется конструкцией детектора ядерных излучений и свойствами рабочего вещества.

Для заряженных частиц (за исключением очень медленных) она близка к единице; эффективность регистрации нейтронов и γквантов обычно меньше единицы и зависит от их энергии. Нередко необходимо, чтобы детекторы ядерных излучений был чувствителен только к частицам одного вида (например, нейтронный детектор не должен регистрировать γ-кванты).Простейшим детектором ядерных излучений является ионизационная камера. Она представляет собой помещённый в герметическую камеру заряженный электрический конденсатор,заполненный газом.

Если в камеру влетает заряженная частица, то в электрической цепи, связанной с электродами камеры, возникает ток, обусловленный ионизацией атомов газа; сила токаявляется мерой интенсивности потока частиц. Камеры используются также и в режиме регистрации импульса напряжения, вызываемого отдельной частицей; величина импульса пропорциональна энергии, потерянной частицей в газе камеры. Ионизационные камеры регистрируютвсе виды ядерных излучений, но их конструкция и состав газа зависят от типа регистрируемогоизлучения.При увеличении разности потенциалов между электродами камеры электроны, возникающие в рабочем объёме камеры, при своём движении к электроду приобретают энергию,достаточную для вторичной ионизации нейтральных молекул газа.

Благодаря этому импульснапряжения на выходе возрастает и его легче регистрировать. На таком же принципе основанаработа пропорционального счётчика, применяемого для измерения интенсивности потока иэнергии частиц и квантов.В счётчике Гейгера-Мюллера напряжённость электрического поля между электродамиимеет ещё большую величину, что приводит к возрастанию ионизационного тока за счёт вторичной ионизации. Амплитуда импульса на выходе перестаёт быть пропорциональной энергиипервичной частицы, однако эта амплитуда становится весьма большой, что облегчает регистрацию импульсов. Счётчики Гейгера-Мюллера благодаря простоте конструкции получили широкое распространение для регистрации α-, β-частиц и γ-квантов.Действие сцинтилляционного детектора основано на явлении флуоресценции (световыхвспышках), возникающей при взаимодействии ядерных частиц со сцинтилляторами - специальными жидкостями, пластмассами, кристаллами, а также благородными газами.

Световаявспышка регистрируется фотоэлектронным умножителем, преобразующим её в электрический импульс. Сцинтилляционные детекторы ядерных излучений обладают высокой эффективностью для γ-квантов и быстродействием. Амплитуды выходного сигнала пропорциональныэнергии, переданной сцинтиллятору частицей, что позволяет использовать эти детекторы дляизмерения энергии ядерных частиц. Высокая эффективность сцинтилляционных детекторовядерных излучений обусловлена тем, что, в отличие от ионизационных камер, пропорциональных счётчиков и счётчиков Гейгера-Мюллера, рабочее вещество детектора является плотным ипоглощающая способность его примерно в тысячу раз превосходит поглощающую способностьгаза при нормальном давлении.Высокой эффективностью обладает также кристаллический счётчик.

Его действие аналогично действию ионизационной камеры. Если в ионизационной камере заряженная частицаобразует свободные электроны и ионы, то в кристаллическом диэлектрическом (алмаз, сернистый цинк и др.) счётчике возникают электронно-дырочные пары. Кристаллические счётчикиприменяются сравнительно редко.Использование в качестве рабочего вещества полупроводниковых кристаллов (обычнокремния или германия с примесью лития) позволяет наряду с высокой эффективностью получать очень хорошее энергетическое разрешение, превышающее разрешающую способность2Семестр 4.

Лекция 26.сцинтилляционных детекторов ядерных излучений и сравнимое с разрешением, достигаемым вгораздо менее светосильных магнитных спектрометрах. Поэтому полупроводниковые детекторы ядерных излучений широко применяются для прецизионных измерений энергетическогоспектра ядерного излучения. Некоторые типы полупроводниковых детекторов необходимо охлаждать до температур, близких к температуре жидкого азота.Для измерения энергии очень быстрых частиц находит применение черенковский счётчик, основанный на регистрации излучения Вавилова-Черенкова. Для регистрации быстрых тяжёлых ионов, например осколков деления ядер, иногда используют диэлектрические детекторы.ДозиметрияДозиметрия - область прикладной физики, в которой изучаются физические величины,характеризующие действие ионизирующих излучении на объекты живой и неживой природы, вчастности дозы излучения, а также методы и приборы для измерения этих величин.Развитие дозиметрии первоначально определялось необходимостью защиты человека отионизирующих излучений.

Вскоре после открытия рентгеновских лучей были замечены биологические эффекты, возникающие при облучении человека.Появилась необходимость в количественной оценке степени радиационной опасности. Вкачестве основного количественного критерия была принята экспозиционная доза, измеряемая вРентгенах и определяемая по величине ионизации воздуха.С открытием радия было обнаружено, что β- и γ-излучения радиоактивных веществ вызывают биологические эффекты, похожие на те, которые вызываются рентгеновским излучением.

При добыче, обработке и применении радиоактивных препаратов возникает опасность попадания радиоактивных веществ внутрь организма. Развились методы измерения активностирадиоактивных источников, являющиеся основой радиометрии.Разработка и строительство ядерных реакторов и ускорителей заряженных частиц, развитие ядерной энергетики и массовое производство радиоактивных изотопов привели к большому разнообразию видов ионизирующих излучений и к созданию многообразных дозиметрических приборов (дозиметров).Исследования биологического действия ионизирующих излучений на клеточном и молекулярном уровнях вызвали развитие микродозиметрии, исследующей передачу энергии излучения микроструктурам вещества.ДозаДоза ионизирующего излучения - энергия ионизирующего излучения, поглощённая вединице массы облучаемого вещества.