Методы регистрации ионизирующих излучений

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 счетчик регистрирует 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 счетчик регистрирует 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 камера используется 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 счетчик конструктивно 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 Вильсона является 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 камера была 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 камера была 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 камера была 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 самопроизвольно изменять 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 количестваядер. Периодполураспада связан с постоянной распада формулой (18.4):

5. Активностью А называется 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 = 3,7·10¹⁰ 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_Э характеризует 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.