Вимірювання іонізуючих випромінювань

 

Основні методи вимірювання іонізуючих випромінювань ґрунтуються на: збиранні і реєстрації електронів та іонів, що вивільнюються в процесі іонізації; обстеженні флуоресценції речовини, що поглинає іонізуюче випромінювання; використанні та аналізі хімічних реакцій, що викликаються іонізуючим випромінюванням; вимірюванні тепла, яке утворюється за поглинання іонізуючого випромінювання. Серед параметрів іонізуючого випромінювання, що реєструються, слід виділити тип випромінювання, енергію квантів або частинок, величину потоку або швидкості зміни потоку квантів або частинок, часовий або просторовий розподіл іонізуючого випромінювання. Розглянемо основні методи вимірювання іонізуючих випромінювань.

 

Заповнені газом детектори. В основі роботи детекторів цього типу лежить прикладання напруги до просторово розділених електродів, розташованих у камері, заповненій слабко іонізованим газом. Позитивні іони та електрони, що утворюються в камері, збираються на електродах і спричиняють появу електричного струму або імпульсів. Кількість пар «іон-електрон» прямо пропорційна енергії випромінювання. Серед основних типів заповнених газом детекторів можна виділити іонізаційну камеру, пропорційні лічильники та лічильник Гейгера – Мюллера.

 

Іонізаційна камера - детектор, дія якого ґрунтується на здатності заряджених частинок викликати іонізацію газу. Принциповою перевагою детектора цього типу є можливість отримання безпосередньої інформації щодо експозиційної або поглинутої дози. Зовнішній вигляд камери наведено на рис. 9.1.

 

Пропорційний лічильник утворює сигнал, амплітуда якого пропорційна енергії, що виділяється в його об’ємі частинкою, що реєструється. Конструкція детектора передбачає наявність центрального електрода, до якого прямують електрони, що вивільняються завдяки іонізації.

 

Видно, що поблизу електрода напруженість електричного поля настільки велика, що первинні електрони набувають енергії, достатньої для вторинної іонізації. Внаслідок цього на центральний електрод надходить лавина електронів. Відношення повної кількості зібраних на електроді електронів до їх первинної кількості називають коефіцієнтом газового підсилення; величина його може сягати 102...104.

 

Лічильник Гейгера-Мюллера - газорозрядний детектор, що працює при проходженні через нього заряджених частинок (рис. 9.2).

 

 

До електродів прикладають напругу величиною кількасот вольт. За проходження іонізуючої частинки в газі утворюються вільні електрони, що рухаються до центрального електрода. Поблизу електрода напруженість електричного поля збільшується, електрони прискорюються настільки, що починають в свою чергу іонізувати газ. Виникає коронний розряд, що поширюється вздовж електрода. В зовнішньому ланцюзі утворюються електричні імпульси, що відповідають спалахам розряду. Кількість цих імпульсів за одиницю часу дорівнює кількості іонізуючих частинок.

 

Сцинтиляційний лічильник - детектор, основними елементами якого є речовина, що люмінесцірує під впливом заряджених частинок, та фотоелектронний помножувач. Заряджена частинка проходить крізь речовину, викликаючи не лише іонізацію атомів і молекул, а й їх збудження. Перехід атомів і молекул із збудженого стану в основний супроводжується випромінюванням кванта видимого або ультрафіолетового діапазону. Кожний такий світловий спалах, що називають сцинтиляцією, реєструється фотоелектронним помножувачем, електричні імпульси з виходу якого подаються на систему реєстрації. Зовнішній вигляд сцинтиляційного лічильника зображено на рис. 9.3.

 

Перевагою такого лічильника є висока чутливість (через високу густину робочої речовини), особливо до γ-випромінювання, швидкодія та здатність визначати енергію частинки або кванта випромінювання.

 

Напівпровідниковий лічильник - в основі лежить іонізація атомів твердого тіла, за якої утворюються вільні електрони в зоні провідності і дірки у валентній зоні. Частинка, що проникає в кристал, генерує в ньому додаткові електронно-діркові пари. Носії заряду (електрони і дірки) під впливом прикладеного електричного поля переміщуються до електродів, завдяки чому в електричному ланцюзі утворюється електричний імпульс, який підсилюється і реєструється.

 

Напівпровідникові лічильники на порядок чутливіші, ніж газові.Термолюмінесцентні детектори використовують процес люмінесценції при нагріванні речовини, що попередньо збуджується випромінюванням. Під час нагрівання речовини електрони, що захоплюються уловлювачами, вивільнюються і переходять на рівні з меншою енергією, посилаючи квант світла. Складаються термолюмінесцентні детектори з камери, пов’язаної з системою нагрівання, фотоелектронним помножувачем, підсилювачем та термопарою для вимірювання температури.

 

Трекові детектори - в основі роботи лежить іонізація атомів або молекул речовини; іони, що утворюються, реєструють завдяки конденсації пересиченої пари (камера Вільсона), пароутворенню перегрітої рідини (бульбашкова камера),утворенню розрядів у газах (іскрова камера).

 

Фотографічне детектування ґрунтується на використанні плівок, в яких шар емульсії (бромисте срібло на желатиновій основі) має в десятки разів більшу товщину, ніж у звичайних фотоплівках, що підвищує ефективність взаємодії іонізуючого випромінювання з речовиною. Механізм цієї взаємодії полягає в поглинанні іонізуючого випромінювання речовиною за фотоелектричного процесу, завдяки якому енергія випромінювання передається електрону. Цей електрон іонізації утворює інші вільні електрони, що взаємодіють з позитивними іонами срібла і змінюють їх розподіл на плівці.

 

 

4. Принципи γ - спектроскопії

 

 

Фотоелектричне поглинання супроводжується перенесенням всієї енергіїγ- випромінювання на внутрішні електронні орбіти атома, внаслідок чого електрон залишає атом, а γ-випромінювання зникає (рис. 9.4).

 

Але вакантне місце на внутрішній орбіті займає електрон із зовнішньої орбіти; цьому переходу відповідає вивільнення певної енергії у вигляді кванта рентгенівського випромінювання. Цей квант називають характеристичним,оскільки він характеризує речовину, що поглинає γ-випромінювання. Фотоелектричний ефект відбувається при дії зовсім малих (десятки кеВ) енергій.

 

Комптонівський ефект полягає в пружному розсіюванні квантів рентгенівського або γ-випромінювання на вільних або зовнішніх, слабко пов'язаних з атомом електронах. У цьому разі квант передає частину своєї енергії електрону і змінює напрямок руху, тобто розсіюється; зменшення енергії означає збільшення довжини хвилі розсіяного випромінювання.

 

Утворення пар - процес, що відбувається за достатньо високих рівнів енергії, при яких γ- квант поглинається атомним ядром речовини. За цього поглинання утворюється пара «електрон-позитрон». Це той самий випадок, коли енергія перетворюється на масу. Для утворення пари (згідно з співвідношеннямЕ = тс2) необхідна енергія 1,022 МеВ. Позитрон живе недовго, оскільки при зустрічі з електроном він поглинається останнім, посилаючи два кванти з енергією 0,51 МеВ.

 

Таким чином, вимірювання залежності інтенсивності γ- випромінювання від довжини хвилі або енергії квантів становить суть рентгенівської таγ- спектрометрії. Основною метою спектрометрії іонізуючого випромінювання є ідентифікація радіонуклідів.