Методы регистрации ядерных частиц для дозиметров-радиометров.

История изобретения и теория по дозиметрам.

Методы регистрации заряженных ядерных частиц основаны на регистрации или измерении большого числа ионизированных ими атомов или молекул. Нейтральные частицы могут ионизовать лишь не­большое число частиц, передав им свою энергию. Возникшие при этом заря­женные частицы регистрируются по их ионизирующей способности. Для регистрации ионизирующей способности частиц используются приборы дозиметры (радиометры) — устройство для измерения дозы или мощности дозы ионизирующего излучения(радиации)

Ионизационная камера. Полы, возникшие в результате прохождения

ядерной частицы через камеру, будут диффундировать. Для регистрации их в ионизационной камере накалывается электрическое поле пиалой величины такой, чтобы набираемая ионами или электродами энергия на длине свободного пробега была меньше той, которая необходима для вторичной иониза­ции атомов или молекул газа, занимающего камеру. Ионизационные камеры могут быть цилиндрической формы (рис. 268), плоскими. Между внешним электродом и собирающим прикладывается некоторая разность патенциалов от батареи. Если в камере образовались ионы, то в цепи потечет ток, который создает напряжение на сопротивлении R. Это напряжение обычно подается на вход усилителя. Величина тока, текущего через сопротивление, зависит от разности потенциалов между электродами (рис. 2б9). Начиная с некоторого U, ток достигнет насыщения, когда все возникающие ионы регистрируются дозиметром, их рекомбинация прекращается. Выбирая конструкцию камеры, можно приспособить ее для регистрации частиц определенного сорта. Toки, возникающие в ионизационных камерах, обычно составляют величину порядка l0- " а. Величина тока пропорциональна энергии частиц. Напряжение на камере составляет 200-300 в.

Дозиметры Гейгера-Мюллера. Конструктивно дозиметры Гейгера-Мюллера (рис. 270) напоминают ионизационную камеру, но работают в таком режиме, что в них непосредственно происходит усиление ионизационного тока. Если увеличивать напряжение между электродами, то возникшие ионы будут ускоряться. Благодаря большому полю они могут набрать большую энергию прежде, чем столкнутся с молекулами газа в счетчике. Но в таком случае они приводят к образованию иона молекулы. Ускоряясь, эти два иона приведут к образованию четырех ионов и т. д., в газе развивается лавинная ионизация. Коэффициент газового усиления может достигать 108, его значе­ние зависит от разности потенциалов между анодом и катодом.

От 0 до Vp дозиметр работает как ионизационная камера. Величина области насыщения зависит от типа частиц. С ростом напряжения ток начинает расти пропорционально напря­жению (область пропорциональности).

Импульсы от разных частиц разные. Ко­эффициент усиления не зависит от числа первично возникших частиц. Поэтому импульсы напряжения (или тока), снимаемые со счетчика, будут пропорциональны числу перроначально возникших пар. Усиление может до­стигать при этом примерно 10'. Начиная от Vp, коэффициент усиления °с будет зависеть от числа первоначально вознику их парионов. Усиление будет тем мень­ше, чем большей ионизацией обладает частица. Поэтому, начиная с способности различать первичные частицы теряется - импульсы от различных частиц одинаковы. Начиная с Vn, в счетчике возникает не­прерывный разряд, вследствие чего он теряет способность реагировать на новые частицы. В момент лавинной ионизации счетчик также не может реагировать на новые частицы, поэтому возникший разряд должен быть погашен. Это достигается различными способами.

Дозиметры Гейгера-Мюллера обычно работают в той области вольтамперной характеристики, в которой число импульсов почти не зависит от разности потенциалов между анодом и катодом (область «плато», которая может иметь ширину около 100е при 1000 в напряжения с наклоном в несколько процентов). Механизм работы несамогасящегося счетчика отличается от механизма работы самогасящегося счетчика.

Самогасящиеся дозиметры содержат, как правило, смесь благородного газа многоатомными газами, например смесь аргона с 10% этилового спирта при давлении приблизительно 10 см рт.ст. Механизм его работы состоит в следующем. Первичные ионы, ускоряясь, ионизуют и возбуждают атомы Аr молекулы спирта. Фотоны, испускаемые Агу, имеющие энергию не менее 11,5 Ев, интенсивно поглощаются парами спирта. Это приводит к возникно­вению разряда в объеме газа в основном вблизи центрального отрицатель­ного электрода. Образовавшийся чехол положительных ионов резко ослабляет поле в той области, где оно было максимально. В результате взаимодействии аргона со спиртом вся энергия переходит к молекулам спирта, частично диссоциировавшим, имеющим энергию около 4 эв. Их приход на катод дает импульс тока, но они не вызывают выбивания электронов из катода (4 эв). Разряд гаснет.

Время, необходимое для восстановления порогового значения поля, носит название «мертвого» времени, так как дозиметр не реагирует на проле­тающие частицы. Оно составляет около 100 мксек и определяется временем, течение которого положительные ионы достигают катода. После прохожде­ния мертвого времени радиометр фиксирует частицы, но импульсы тока малы. Время, по истечении которого импульсы тока достигают первоначального значения, называют «восстановительным» временем. Оно определяется вре­менем полной деионизации газа и составляет приблизительно 100 мксек.

Эффективность дозиметров Гейгера-Мюллера. Эффективность счетчиков-дозиметров n определяется отношением числа зарегистрированных импульсов к числу первичных частиц, пересекающих его рабочий объем при не слишком большой загрузке (чтобы исключить мертвое время). Тяжелые частицы, обладающие большой ионизационной способностью (а-частицы, протоны), попадая в счетчик, будут зарегистрированы. Для регистрации у-квантом, имеющих большой пробег в газах, используется их поглощение в стенках.- Образованные ими фото- или комптон-электроны имеют эффективность, близкую к единице, так как они приводят к образо­ванию приблизительно четырех пар ионов на 1 см пути в смеси при давле­нии около 10 см рт.ст. Эффективность счетчиков для у-лучей с энергией в 1-3 Мэв со стенками из свинка составляет 1-2%.

Кристаллические дозиметры. Кристаллические счетчики представляют собой полупроводниковые материалы, используемые для регистрации частиц большой энергии. Если к полупроводниковому кристаллу с большой шириной запрещенной зоны подвести разность потенциалов, то в цепи тока не будет вследствие большого сопротивления такого полупроводника. Но если s полупроводник попадает частица большой энергии, то возникает большое число свободных носителей в зоне проводимости, и через счетчик протечет импульс тока, который создает импульс напряжения на внешнем сопротив­лении. Величина импульса тока пропорциональна числу первично созданных электронов. Длительность импульса определяется временем собирания электронов и составляет величину порядка 10 в -7 степени сек.

Кристаллические дозиметры обладают высокой эффективностью для у-квантов. В алмазе толщиной 2 мм возникает около 4,5.10 в -2 степени комптоновских электронов на 1у-квант с энергией 1 Мэв. В хлористом серебре возникает 6.10-2 комптон-электронов на квант.

Для кристаллических радиометров используются кринсталлы хлористого серебра, галлоиды таллия, сульфиды цинка и кадмия, алмаз. Кристаллы CdS используются для регистрации рентгеновых лучей, германиевые приборы с р-,п-переходом используются для обнаружения отдельных а-частиц. Для создания свободных носителей тока затрачивается энергия 4-10 эв.

Сцинтилляционные радиометры. Идея метода состоит в том, что при про­хождении ионизирующих частиц через некоторые вещества в них возбуж­дается флуоресценция. Вспышки света регистрируются визуально или с помощью фотоумножителя. Для этого сцинтиллирующий кристалл поме­щается перед входным окном фотоумножителя.

Для тяжелых неорганических веществ эффективность для у-квантов возра­стает до 100%. Простота конструкции, большая эффективность для у-квантов, большое разрешение во времени, пропорциональность светового импульса обусловливают все растущее использование их для обнаружения частиц и измерения их характеристик. Для счетчиков используются йодистый натрий, нафталин, антрацен, стильбен и другие твердые и жидкие вещества.

Камера Вильсона. Камера Вильсона позволяет сделать путь частиц видимым. Принцип работы камеры состоит в следующем. Для конденсации пересыщенного пара необходимо наличие центров конденсации. Ими являются пылинки, скопления молекул (флуктуации плотности), положительные отрицательные ионы. Следовательно, если через пересыщенный пар про­пустить частицу большой энергии, на ионах, образовавшихся на ее пути, будет конденсироваться пар - образуются капельки, которые сделают путь частицы видимым. Для получения пересыщенного пара производят адиаба­тическое увеличение объема камеры, наполненного насыщенным паром, что приводит к понижению температуры газа и пара и переходу насыщенного пара в пересыщенный. С этой целью используются пары воды, этилового пропилового спиртов и некоторых других жидкостей. Время чувствитель­ности камеры может меняться от 0,1 до нескольких секунд. Конструктивно камера Вильсона представляет полый цилиндр, закрытый с одной стороны плоской стеклянном пластиной, а с другой стороны-подвижным поршнем или подвижным упруго закрепленным дном (рис. 271). Образовавшиеся камере следы частиц ("трэки") фотографируются в рассеянном ими свете. Фотографирование проводится или двумя фотокамерами, или одной фото­камерой фотографируется трэк и его изображение в плоском зеркале. Полу­чаемые стереоскопические снимки при помере позволяют точно измерять пространственные характеристики трэков. Для удаления остаточных ионо в объеме камеры создается слабое электрическое поле перед расширением.

Для измерения энергий легких частиц камера помещается в магнитное поле (по методу Скобельцына). По радиусу кривизны траектории можно вычислить импульс частицы:

р = erB.

Метод фотоэмульсий. Движение ионизирующей частицы в фотоэмульсии приводит к разложению галлоидного серебра эмульсии. Атомы, подвергшиеся воздействию движущейся частицы, являются центрами, делающими способными зерна к проявлению. Число зерен намного меньшe числа пар ионов, ни прн не очень большой удельной ионизации плотность зерен, способных к проявлению, пропорциональна потере энергии. Ядерные емульсии имеют более высокую концентрацию галлоидного серебра (приблизительно в 4 раза), чем оптические эмульсии, очень малые зерна (от 0,1 до 0,6 µ), хорошо разделенные друг от друга, и толстые слои (от25 до 2000 µ). Чем мельче зерна серебра, тем большей ионизирующей способностыо должна обладать регистрируемая частица. Выбором эмульсии можно выделять различные частицы. Они позволяют регистрировать осколки деления, а-частицы, мезоны, электроны.

ДMИTРИЙ ВЛАДИМИРОВИЧ СКОБЕЛЬЦЫН (род. в 1892 г.)­ - физик. Основные работы связаны с исследованием космических лучей и физики ядра.

Пузырьковые камеры. Недостатком камеры Вильсона и диффузионной камеры является малая тормозная способность газов, а фотоэмульсии - трудность их обработки. В то же время трэковые приборы имеют большое преимущество перед другими приборами регистрации. В 1952 г. Глэзер предложил узырьковую камеру-сосуд, наполненый перегретой жидкостыо. Иоиизирующая частица, проходящая через камеру. вызывает ионизацию. Ионы являются центрами парообразования, и поэтому траектория частицы отмечается пузырьками газа. В качестве рабочей жидкости исполь­зуются ксенон, этилен, пропан, фреоны, водород, гелий и другие жидкости или их смеси. Работа камеры сводится к следующим операциям.

Пузырьковые камеры широко применяются при исследовании частиц больших энергий, для ваимодействия К-частиц с протонами, рассеяния пи-мезонов на протонах, реакций типа пи- + р ->E -+К+ и других процессов. Пример полученных в пузырьковых ка­мерах фотографий приведен на рис. 272.

Дози?метр Черенкова. При движении заряженных частиц в веществе со ско­ростью v большей, чем скорость света с/п в данном веществе, возникает свече-ние, называемое свечением Черенкова. Оно ограничено конусом с угловым ра­створом S относительно направления движения частицы. Для стекла п-= 1,51 и прИ (в = 1, с5 -. 51°. Излучение можно использовать для регистрации сверхсветовых» частиц. Измерение угла раствора конуса позволяет определить скорость и энергию частицы с очень большой точностью, например при регистрации протонов с энергией 320 Мэв фотографическим методом их энергия определяется с точностью до 0,8 Мэв.

Общая характеристика измерения радиоктивности дозиметрами-радиометрами

Открытие радиоактивности.

Под естественной радиоактивностью понимают способность веществ, содержащих определенные элементы, самопроизвольно, без внешнего воздействия, испускать невидимое излучение, имеющее сложный состав. Естественная радиоактивность солей урана была открыта французским ученым Антуаном Анри Беккерелем (1852-1908) в 1896.

Состав излучения. Было установлено, что излучение, испускаемое радиоактивными веществами, имеет сложный состав. Если пропустить узкий пучок радиоактивного излучения через магнитное поле, то пучок расщепляется на:

а) слабо отклоняемый поток положительных частиц (а-лучи, а-частицы);

б) сильно отклоняемый пучок отрица-тельных частиц ((3-лучи, (3-частицы);

в) неотклоняемый пучок нейтральных

частиц (у-лучи, у-частицы ).

ИГОРЬ ЕВГЕНЬЕВИЧ ТАММ (род. в 1895 г.) - светский физик. основные рабо­ты в области теории ядерных сил, теории излучения, теории твердых тел и элементарных частиц, теории излучения Ва­вилова-Черенкова.

а-. Р-, улучи обладают различной проникающей и ионизирующей способностью: проникающая способность максимальна для у-лучей, минимальна для а лучей, ионизирующая способность минимальна для у-лучей, максимальна для а-лучей.

Природа излучений. Излучение содержит а-, р- и улучи только для соединений, которые содержат несколько радиоактивных элементов. Чистый радиоактивный элемент испускает или а-, или р-лучи. которые могут сопровождаться у-лучами. Испускание одного только у-иэлучения наблюдается очень редко.

Радиоактивность представляет собой внутриядерный процесс. Это выте­кает из того, что на него не оказывают никакого воздействия вид химиче­ского соединения, агрегатное состояние, большие давления, температуры, электрические и магнитные поля, т. е. все те воздействия, которые могут изменить состояние электронной оболочки. Радиоактивность может быть измерятся только спец приборами – дозиметрами(радиометрами) На процесс естественной радио­активности можно воздействовать лишь путем изменения состояния ядра, например, при облучении ядер нейтронами.

а-лучи представляют собой ядра гелия 2Не4. Это было доказано пря­мыми опытами Резерфорда и Содди. Газ радон (эманация радия) „Кл***, помещенный в запаянном сосуде, испуская а-лучи, приводит к появлению спектральных линий гелия. Если собрать а-частицы в сосуде, закрытом достаточно тонкой фольгой, прозрачной для них. то в сосуде появляется газ гелий, обнаруживаемый по спектру излучения. Масс-спектроскопический анализ показывает, что отношение адля а частиц равно отношению е,'т для дважды ионизированных атомов ,Не*. т. е. для ядер гелия;

Р-лучи представляют собой поток электронов. Это вытекает, в частно­сти, из того, что они оказывают такое же действие, что и катодные лучи, и имеют равный с ними удельный заряд а/т, измеряемый при их движении в полях Е, Н.

У-лучи представляют собой поток квантов, фотонов большой энергии и, следовательно, характеризуются большой частотой соответствую­щего волнового процесса регистрации излучения дозиметрами. Они имеют такую же природу, как свет или рентгеновы лучи, возникающие при торможении быстрых электронов, соз­данных в рентгеновских трубках или ускорителях, и отличаются от у-лучей, получаемых в ускорителях, лишь механизмом образования.

Написать комментарий