Методи реєстрації радіоактивного випромінювання

 

Під реєстрацією радіоактивного випромінювання розуміють одержання якісної та кількісної інформації про вимірювання радіоактивності нуклідів, які містяться в досліджуваному зразку.

Реєстрація випромінювання дозволяє:

1) встановити присутність радіонуклідів у досліджуваному зразку;

2) визначити вид та енерґію випромінювання;

3) визначити вміст радіонукліду в зразку.

Реєстрацію випромінювання здійснюють на відповідних приладах (радіометри типу Б-2, БЕТА, УІ-38П та інші).

Реєстрація випромінювання в радіометрах здійснюється за допомогою відповідних детекторів. В основі будь-якого методу реєстрації лежить взаємодія радіоактивного випромінювання з речовиною, яка знаходиться в детекторі.

Залежно від того, який ефект взаємодії випромінювання використовують, методи реєстрації поділяються на:

1). Й онізаційні методи – ґрунтуються на йонізуючій дії радіоактивного випромінювання. В основі цих методів реєстрації лежить вимірювання електричної провідності інертних газів, яка зумовлена йонізацією цих газів під час взаємодії їх молекул із радіоактивним випромінюванням.

Йонізаційні детектори — це балони (виготовлені з тонкої фольги алюмінію чи нержавіючої сталі), заповнені інертним газом, всередині яких знаходяться ізольовані один від одного металеві електроди (катод і анод). При потраплянні всередину балона α-, β-частинок чи γ-квантів відбувається йонізація газу (арґон, гелій), в результаті якої одержані йони і електрони під дією прикладеної до електродів різниці потенціалів пересуваються до відповідно катоду чи аноду. Внаслідок цього в колі виникає електричний струм, який реєструється радіометром у вигляді електричного імпульсу.

Таким чином прилади вимірюють реєстровану (відносну) активність І в [імпульс/хв].

Широке застосування для радіометричних вимірювань знайшли газонаповнені лічильники Гейгера-Мюллера, принцип дії яких також грунтується на іонізуючій здатності радіоактивного випромінювання. Конструктивно - це герметична трубка з двома електродами. Катодом служить стінка трубки або металічна плівка, нанесена на скляну стінку, а анодом - металічна нитка, натягнута вздовж осі лічильника.

Лічильник заповнюється сумішшю якого-небудь інертного газу та парів спирту під тиском ~ 1500 Па. До електродів підводиться постійна напруга 400-600 В, але через те, що анод має значно меншу поверхню, ніж катод, напруженість поля біля нитки анода значно перевищує напруженість біля катода. Коли у лічильник потрапляє іонізуюча частинка, то утворюється щонайменше пара іонів. При цьому позитивні йони спрямовуються до катода, а негативні - переважно це електрони – до анода. Ці електрони біля нитки розганяються електричним полем до такої швидкості, що стають здатними іонізувати молекули інертного газу на своєму шляху. При цьому утворюються нові вторинні електрони, які знову іонізують газ, і вже ціла лавина електронів осідає на анод, що фіксується як помітний струм в колі лічильника. Це забезпечує високу чутливість реєстрації радіоактивного випромінювання такими лічильниками.

Важкі позитивні йони рухаються значно повільніше від електронів і не іонізують газ. Однак, при зіткненні з катодом, можуть вибиватися електрони, які будуть підтримувати розряд через лічильник, тобто один раз виникнувши, електричний розряд вже не може погаснути. Для фіксації кожної частинки окремо, необхідно розряд гасити, що досягається введенням парів спирту, етану, етилену і т. п. Молекули багатоатомної добавки "захоплюють" електрони, що утворюються біля катода, і перешкоджають утворенню нової лавини.

Виникнення лавин від попадання іонізуючої частинки в лічильник починається при деякій напрузі U₀, що називається напругою початку лічби (рис. 5.1). При збільшенні напруги все більша доля частинок, що потрапляють всередину лічильника, будуть викликати розряд. Нарешті, при напрузі u₁ кожна частинка, що потрапила в лічильник, викликає розряд і може бути зафіксована. Тому на ділянці u₁ – U₂ число фіксованих частинок не залежить від напруги. Це так зване плато лічильника. На ділянці плато лічильник фіксує практично кожну частинку, тобто це є робоча зона лічильника. При збільшенні напруги більше U₂ багатоатомні добавки не забезпечують захоплення всіх електронів, що утворюються біль катоду. Швидкість лічби збільшується і стає непропорційною кількості іонізуючих частинок.

Рис. 5.1. Лічильна характеристика газорозрядного лічильника Гейгера-Мюллера.

 

2). Сцинтиляційні методи. В їх основі лежить здатність деяких матеріалів – сцинтиляторів (неорганічні кристали, активовані добавками: ZnS(Ag), NaI(Tl), LiI(Sn); органічні кристали: антрацен, нафталін) перетворювати енерґію радіоактивного випромінювання в енерґію фотонів світлового випромінювання.

Механізм реєстрації радіоактивного випромінювання сцинтиляційним лічильником полягає в тому, що α-, β-частинки чи γ-кванти, які потрапляють на монокристали сцинтиляторів, спричиняють свічення (люмінесценцію) сцинтилятора. Причому інтенсивність спалахів світла залежить від енерґії радіоактивного випромінювання.

Поява спалахів світла на сцинтиляторі, що зумовлені поглинанням енерґії α-, β-частинок чи γ-квантів і виділенням через 10^–5¸10^–9 с світлової енерґії, одержала назву сцинтиляції.

Для підрахунку кількості спалахів (сцинтиляцій) світло потрапляє на фотокатод (виготовлений з Cs₃Sb), вибиває з нього фотоелектрони, які підсилюються фотопомножувачем і реєструються у вигляді електричного імпульсу.

3). Авторадіографічні методи. В них використовують хімічні реакції, що відбуваються у фотоемульсіях під дією радіоактивного випромінювання.

Випромінювання, яке виділяється ядрами нуклідів, взаємодіє із зернами галоґенідів срібла фотоемульсії і викликає появу прихованого зображення. Після хімічної обробки (проявлення) фотоматеріалу приховане зображення переходить у видиме (почорніння фотопаперу). Фотографічні зображення, одержані таким чином, називають авторадіограмами. Характер слідів (треків), які залишаються на авторадіограмах, залежать від типу випромінювання і, меншою мірою, від його енерґії.

При всіх цих методах реєстрації в детектор потрапляє не все випромінювання від досліджуваного зразка, а тільки певна його частина. Крім того, не все випромінювання, яке потрапляє в детектор, реєструється. Тому покази приладів реєструють не абсолютну активність (а) в (розпад/с), а відносну (реєстровану) активність (І) в (імпульс/с) чи (імпульс/хв).

При дотриманні ідентичності умов реєстрації зразків відносна активність І є пропорційною абсолютній, а (f = const) (5.7):

І = f × а, f < 1.

Коефіцієнт реєстрації f залежить від багатьох факторів і його важко визначити. Однак сталість коефіцієнту f дає змогу користуватися значеннями І. Такі вимірювання називаються відносними.