Методы регистрации ионизирующих излучений кратко

Обновлено: 02.07.2024

Быстрые заряженные частицы, проходя через вещество, оставляют за собой след ионизированных и возбужденных атомов. Нейтроны и γ-кванты, взаимодействуя с ядрами и атомами, создают вторичные быстрые заряженные частицы. По ионизационным следам вторичных частиц могут быть обнаружены первичные частицы - нейтроны и γ-кванты.

Приборы, регистрирующие ионизирующее излучение, делятся на две группы. Приборы первой группы регистрируют факт пролета частицы и в некоторых случаях позволяют судить о ее энергии. Ко второй группе относятся трековые приборы, позволяющие наблюдать траектории частицы - треки.

К первой группе относятся: сцинтиляционные счетчики, черенковские счетчики, ионизационные камеры и газоразрядные счетчики, полупроводниковые счетчики.

Ко второй группе относятся: камера Вильсона и ее разновидность - диффузионная камера, пузырьковая камера, искровая камера, эмульсионная камера.

Сцинтиляционный счетчикрегистрирует частицу по световым вспышкам, которые возникают при ее пролете. Вспышки света возникают, когда возбужденные быстрой частицей атомы возвращаются в нормальное состояние. Эти вспышки преобразуются фотоэлектронным умножителем в электрический сигнал, который регистрируется электронной аппаратурой. Так как интенсивность световой вспышки пропорциональна энергии первичной частицы, то с помощью сцинтиляционного счетчика можно измерять энергию регистрируемой частицы.

Черенковский счетчикрегистрирует частицу по излучению Вавилова-Черенкова, которое она создает, проходя через вещество. Это излучение возникает, если скорость частицы больше фазовой скорости света в среде. Одной из особенностей этого излучения является то, что оно распространяется лишь вдоль образующих конуса, ось которого совпадает с направлением скорости частицы. Угол Θ между направлением распространения излучения и вектором скорости частицы определяется соотношением:

где с - скорость света в вакууме, n - показатель преломления рабочего вещества счетчика, v - скорость частицы.

Измерив угол Θ, мы можем определить скорость частицы v из формулы (18.12).

Ионизационная камераиспользуется для измерения доз ионизирующих излучений. Она представляет собой цилиндрический конденсатор, между электродами которого находится воздух или другой газ. Регистрируемая частица ионизирует этот газ. Напряжение на электродах подбирают так, чтобы на них попадали все образовавшиеся ионы. Сила ионизационного тока пропорциональна мощности дозы излучения (18.8).

Газоразрядный счетчикконструктивно похож на ионизационную камеру, но в нем напряжение на электродах достаточно высокое для вторичной ионизации газа, вызываемой столкновениями первичных ионов с атомами или молекулами газа.

Полупроводниковый счетчик- это детектор частиц, основным элементом которого является полупроводниковый диод (см. лекцию 14, § 3). На него подается запирающее напряжение, при отсутствии излучения ток через диод не течет. Быстрая заряженная частица, проходя через область p-n перехода, порождает электроны и дырки. В результате возникает импульс тока, пропорциональный количеству порожденных носителей тока.

Камера Вильсонаявляется самым первым трековым прибором. Она была создана в 1912 году англичанином Ч. Вильсоном. След ионов, оставляемых заряженной частицей, становится видимым, благодаря конденсации пересыщенных паров какой-либо жидкости. По характеру и форме этих треков из тумана можно судить о типах частиц, прошедших через камеру. В 1927 году советский ученый Д.В. Скобельцын поместил камеру Вильсона в магнитное поле. Это значительно расширило возможности прибора: по искривлению траектории можно определить знак заряда. Если известны заряд и масса частицы, то по радиусу кривизны трека можно определить энергию частицы.

Пузырьковая камерабыла изобретена в 1952 году американцем . Глезером. Она похожа на камеру Вильсона, но рабочим веществом в ней является перегретая жидкость. При прохождении быстрой заряженной частицы вдоль ее траектории образуются пузырьки пара. Преимуществом пузырьковой камеры перед камерой Вильсона является значительно большая плотность рабочего вещества, в результате чего эффективность взаимодействия с ним регистрируемых частиц значительно возрастает.

Искровая камерабыла сконструирована в 1957 году Т. Краншоу и де Биром. Она состоит из системы плоских параллельных друг другу электродов, которые через один электрически соединяются друг с другом. Между этими группами электродов в момент пролета частицы подается высокое напряжение. В результате траектория частицы будет отмечена цепочкой искр. Запуск камеры производится автоматически, по сигналу дополнительных сцинтиляционных счетчиков.

Эмульсионная камерабыла предложена в 1927 году советскими физиками Л.В. Мысовским и А.П. Ждановым. Как мы знаем, действие быстрых заряженных частиц на фотопластинку позволило А. Беккерелю открыть радиоактивность. Недостаток фотопластинки - маленькая толщина эмульсионного слоя. В эмульсионных камерах облучению подвергаются толстые пачки, составленные из отдельных слоев фотоэмульсии. Преимущество этого метода перед камерой Вильсона и даже пузырьковой камерой - в большей плотности эмульсии. Поэтому фотоэмульсии применяют для изучения частиц очень высоких энергий.

Итоги лекции N 18

1. Радиоактивностью называют свойства атомных ядер самопроизвольноизменять свой состав (заряд z и массовое число А) путем испускания элементарных частиц или других атомных ядер.

2. Чаще всего наблюдается испускание α, β и γ-излучений:

α-излучение - это ядра гелия ;

β-излучение - это поток электронов;

γ-излучение - это очень коротковолновое электромагнитное излучение.

3. Закон радиоактивного распада дает зависимость N(t) - числа радиоактивных ядер о времени (см. (18.2)):

здесь N₀ - начальное число ядер,

λ - постоянная радиоактивного распада.

4. Периодом полураспада Т_1/2 называется время, за которое распадается половина первоначального количества ядер. Периодполураспада связан с постоянной распада формулой (18.4):

5. Активностью Аназывается число распадов в единицу времени (см. (18.5)):

Единица активности в системе СИ - беккерель(Бк). 1 Бк = 1 распад в секунду. Внесистемная единица активности - кюри (Ки). 1 Ки = 3,7·10 10 распадов в секунду.

6. Поглощенная доза D равна отношению энергии W, переданной веществу ионизирующим излучением, к массе вещества (см. (18.7)):

В системе СИ единицей поглощенной дозы является грей (Гр). 1 Гр = 1 Дж/1 кг.

7. Эквивалентная доза H определяется как произведение поглощенной дозы на относительную биологическую эффективность К (см. (18.9)):

Для γ-излучения К=1, для тепловых нейтронов К=3, для α-частиц К=20. Единицей эквивалентной дозы в системе СИ является зиверт(Зв). 1 Зв равен эквивалентной дозе, при которой поглощенная доза равна 1 Гр и К=1.

8. Естественный радиационный фон дает человеку дозу облучения 2 мЗв за год. В качестве предельно допустимой дозы систематического облучения населения установлена эквивалентная доза 5 мЗв за год. При эквивалентной дозе 0,5-1 Зв начинаются нарушения в кроветворной системе человека. При эквивалентной дозе 3-5 Зв около половины обученных умирает в течение 1-2 месяцев.

9. Экспозиционная доза D_Эхарактеризует ионизирующее действие излучения на воздух:

где Q - суммарный заряд всех ионов одного знака, m - масса воздуха (см. (18.10)).

В системе СИ [D_Э]=Кл/кг. Внесистемная единица экспозиционной дозы - рентген (Р). 1 Р = 2,58·10 -4 Кл/кг.

10. Приборы, регистрирующие ионизирующее излучение, делятся на две группы: приборы, регистрирующие факт пролета частицы и трековые приборы, позволяющие наблюдать траектории частицы - треки.

Для обнаружения ионизирующих излучений используют их способность облучать вещество среды, в которой они распространяются. Вследствие облучения, какого либо материала происходит изменение физических и химических параметров в материале. К таким изменениям среды относятся: изменения электропроводности веществ (газов, жидкостей, твердых материалов); люминесценция (свечение) некоторых веществ; засвечивание фотопленок; изменение цвета, окраски, прозрачности, сопротивления электрическому току некоторых химических растворов и др. Именно по этим изменениям можно обнаружить источники радиоактивного излучения, также по ним можно определить какое это излучение и дать какую-то его оценку.

Основными методами для обнаружения и измерения ионизирующих излучений являются:

Сцинтилляционный метод. В физике сцинтилляцией называют вспышку света, возникающую при попадании заряженной частицы в среду, обладающую способностью люминесцировать. В некоторых люминофорах, например в сернистом цинке, сцинтилляция (световая вспышка), вызванная заряженными частицами, является достаточно яркой и может наблюдаться невооруженным глазом.

В настоящее время метод сцинтилляций получил современное техническое выражение и широко используется в науке и технике. Сцинтилляции теперь наблюдают и считают не визуально, а с помощью специальных устройств, называемых сцинтилляционными счетчиками.

Преимуществом сцинтилляционных счетчиков является очень короткое разрешающее время (10 -8 с) и очень большая скорость счета частиц, которая на несколько порядков превышает скорость счета ионизационных счетчиков. Важной особенностью сцинтилляционных счетчиков является их способность оценивать энергию регистрируемых частиц, поскольку интенсивность сцинтилляций пропорциональна энергии частиц. Сцинтилляционный счетчик объединил в себе достоинства счетчика Гейгера-Мюллера и пропорционального счетчика и при всем этом он превзошел их по многим показателям.

Фотографический метод. Сущность метода заключается в использовании специальных фотоэмульсий для регистрации быстрых заряженных частиц. Фотоэмульсии, применяемые для указанных целей, принято называть ядерными.

Заряженные частицы, попадая в слой фотоэмульсии, нанесенный на фотопластинку, вызывают ионизацию молекул фотоэмульсии, вызывающую почернение ее зерен. После химической обработки фотопластинки (проявления и фиксирования) следы (треки), оставленные пролетевшими через фотоэмульсию частицами, становятся видимыми. Их наблюдают с помощью микроскопа.

По форме отмеченного трека, его длине и толщине, по плотности почерневших зерен эмульсии и по многим другим признакам можно установить вид частицы, ее энергию, скорость, направление движения и многие другие характеристики. Одно из основных преимуществ метода толстослойных эмульсий перед другими методами регистрации частиц заключается в том, что с его помощью получают не исчезающие со временем следы частиц, которые в дальнейшем могут быть тщательно изучены. Треки частиц, получаемые в фотоэмульсии, являются тонкими и отчетливыми, что увеличивает точность измерений.

Метод толстослойных эмульсии. Фотоэмульсия содержит большое количество микроскопических кристалликов бромида серебра. Быстрая заряженная частица, проходящая через фотоэмульсию, отрывает электроны от отдельных атомов брома. Цепочка таких кристалликов образует скрытое изображение. При проявлении в этих кристалликах восстанавливается металлическое серебро, и цепочка зерен серебра образует трек частицы. По длине и толщине трека можно оценить энергию и массу частицы. Данный метод играет исключительно важную роль в исследованиях космических лучей и различных превращений, вызываемых элементарными частицами, разогнанными до очень высоких энергий в ускорителях заряженных частиц.

Химический метод. Этот метод основан на свойстве ионизирующих излучений менять структуру некоторых химических элементов. Например, хлороформ в воде при облучении разлагается с образованием соляной кислоты, которая дает цветную реакцию с красителем, добавленным к хлороформу. Двухвалентное железо в кислой среде окисляется в трехвалентное под воздействием свободных радикалов НО₂· и ОН·, образующихся в воде при ее облучении. Трехвалентное железо с красителем дает цветную реакцию. По плотности окраски судят о дозе излучения (поглощенной энергии). На этом принципе основаны химические дозиметры. В современных дозиметрических приборах широкое распространение получил ионизационный метод обнаружения и измерения ионизирующих излучений.

Ионизационный метод. Под воздействием излучений в изолированном объеме происходит ионизация газа, электрически нейтральные атомы (молекулы) газа разделяются на положительные и отрицательные ионы. Если в этот объем поместить два электрода, к которым приложено постоянное напряжение, то между электродами создается электрическое поле. При наличии электрического поля в ионизированном газе возникает направленное движение заряженных частиц, т.е. через газ проходит электрический ток, называемый ионизационным. Измеряя ионизационный ток, можно судить об интенсивности ионизирующих излучений.

Приборы, работающие на основе ионизационного метода, имеют принципиально одинаковое устройство и включают: воспринимающее устройство (ионизационную камеру или газоразрядный счетчик), усилитель ионизационного тока, регистрирующее устройство (микроамперметр) и источник питания.

Для решения практических задач применяются дозиметрические приборы и комплекты для оценки ионизирующих излучений. Они обеспечивают ведение радиационной разведки, дозиметрического контроля радиоактивного облучения людей и животных, определение степени радиоактивного загрязнения объектов, техники, продовольствия, воды, окружающей среды и др. К дозиметрическим приборам относятся дозиметры (измерители дозы), рентгенометры (измерители мощности дозы), индикаторы радиоактивности, радиометры, спектрометры и др. По месту и условиям эксплуатации дозиметрические приборы подразделяются на индивидуальные, подвижные (смонтированные на наземных машинах, судах и кораблях, летательных аппаратах) и стационарные.

Основными методами для обнаружения и измерения ионизирующих излучений являются:

Читайте также: