Особенности работы счетчиков излучения

Гамма-излучение, в отличие от альфа- и бета-излучений, не имеет строго определенного слоя полного ослабления. Теоретически полное ослабление гамма-излучения будет происходить при бесконечно толстом слое вещества. Для практической оценки проникающей способности гамма-излучения считается, что средняя длина пробега гамма-квантов соответствует слою вещества, обеспечивающему ослабление гамма-излучения в 2,718 раза. Величина среднего пробега R гамма-квантов определяется формулой

и для гамма-квантов с Eγ = 1 Мэв в воздухе составляет 120 м.

Средняя плотность ионизации в воздухе для гамма-квантов с той же энергией будет иметь величину

Таким образом, обладая большей проникающей способностью, гамма-излучение имеет меньшую ионизирующую способность. Однако большая проникающая способность создает условие облучения от удаленных источников и поэтому на участках местности, зараженных радиоактивными веществами, гамма-излучение является наиболее опасным видом радиоактивного излучения с точки зрения поражения человека при внешнем облучении.

II. ОСНОВНОЙ ЗАКОН РАДИОАКТИВНОГО РАСПАДА. ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ РАДИОАКТИВНОСТИ

Каждый радиоактивный атом рано или поздно претерпевает превращение, однако предугадать момент распада данного атома радиоактивного изотопа невозможно.

Вместе с тем при наличии достаточно большого числа атомов N какого-либо радиоактивного изотопа закономерность радиоактивного распада можно установить экспериментально. Закон, по которому уменьшается число радиоактивных атомов, можно сформулировать в следующей простой форме: половина любого достаточно большого количества атомов радиоактивного изотопа распадается за равные промежутки времени.

Этот промежуток времени называется периодом полураспада Т и является одной из основных характеристик радиоактивного изотопа.

Период полураспада известных радиоактивных изотопов колеблется от ничтожно малых долей секунды до многих миллиардов лет. Так, например, период полураспада ура-на-238 составляет 4,5 миллиарда лет, радия-226 - 1590 лет, стронция-90 — 19.9 года, кобальта-60 — 5,3 года, строя-цня-89 — 53 дня.

Зная период полураспада радиоактивного изотопа, нетрудно определить число не распавшихся атомов для любого момента времени по формуле:

Кривая радиоактивного распада, построенная по этой формуле, приведена на рис. 9. Она пригодна для любого изотопа, если число атомов и время выражать соответственно в долях от первоначального количества атомов и в периодах полураспада.

Рис. 9 Закон радиоактивного распада, где N0— первоначальное количество атомов радиоактивного изотопа; N— число не распавшихся атомов; t— время, прошедшее с момента, когда число атомов равнялось No.

В более удобном для математического анализа виде закон радиоактивного распада выражается формулой

где — постоянная распада, показывающая долю атомов, распадающихся за единицу времени;

е— основание натуральных логарифмов, равное 2,718,

Среднее число атомов, распадающееся в единицу времени (т. е. скорость распада), называется активностью радиоактивного вещества.

Активность (а) является количественной характеристикой источников радиоактивных излучений, зависящей от числа радиоактивных атомов и периода их полураспада:

Чем больше период полураспада, тем меньшей активностью обладает данное количество радиоактивных атомов.

Активность, так же как и количество радиоактивных атомов, уменьшается с течением времени по экспоненциальному закону:

Измерение активности числом распадающихся атомов в единицу времени (минуту, секунду) обычно используется только для ничтожно малых количеств радиоактивных веществ (например, для характеристики зараженности радиоактивными веществами поверхностей различных объектов и предметов).

Для измерения активности международным соглашением принята более крупная единица, названная кюри.

Кюри соответствует активности такого количества радиоактивного вещества, в котором за 1 секунду происходит 37 миллиардов распадов (1 кюри = 3,7 • 10'° расп/сек).

Кюри относительно большая единица активности. Более мелкими единицами являются производные от кюри:

Следует иметь в виду, что активность как характеристика радиоактивного источника определяет только количественную сторону явления радиоактивности. Знание величины активности источника еще недостаточно для наиболее полной оценки его свойств, так как неизвестными остаются такие важнейшие характеристики распада, как виды излучения, число и энергия излучаемых частиц и квантов. Эти характеристики полностью можно установить, если известны количество и типы радиоактивных изотопов, входящих в состав данного источника.

Измерение активности обычно производится путем регистрации (счета) полного числа или части частиц, излучаемых источником в единицу времени. Если при измерении активности использовался прибор, способный регистрировать альфа-частицы и не регистрирующий бета-частицы и гамма- кванты, то можно говорить об альфа- активности источника. Соответственно, если в процессе измерения активности регистрируются только бета-частицы, то результат измерения определяет бета-активность источника.

Активность источников гамма-излучения часто выражается не в кюри или милликюри, а специальными единицами измерения — грамм-эквивалентами радия, миллиграмм-эквивалентами радия или микрограмм-эквивалентами радия.

Источник, обладающий активностью в 1 грамм-эквивалент радия, создает на данном расстоянии от него такой же ионизационный эффект в воздухе за счет гамма-излучения, который создает гамма-излучение одного грамма радия, находящегося в равновесии с продуктами своего распада, на том же расстоянии.

III. ФИЗИЧЕСКАЯ ДОЗА ИЗЛУЧЕНИЯ, МОЩНОСТЬ ФИЗИЧЕСКОЙ ДОЗЫ И ЕДИНИЦЫ ИХ ИЗМЕРЕНИЯ

Физической дозой или, кратко, дозой излучения называется количество энергии, поглощенное единицей объема облучаемой среды за все время облучения.

Понятие о физической дозе впервые было введено для характеристики количества рентгеновского излучения с целью дозирования облучения. Физическая доза характеризует поражающее действие ионизирующих излучений на живые организмы, поэтому это понятие использовано и для характеристики радиоактивных излучений. Величина дозы излучений оценивается по эффекту ионизации в воздухе. Это объясняется тем, что ионизация воздуха поддастся достаточно точному измерению. Кроме того, ткани животных являются воздухоэквивалентными по поглощению рентгеновских и гамма-излучений, поэтому поглощаемая 1 см³ ткани энергия излучения пропорциональна дозе, измеренной в воздухе. Таким образом, по дозе, измеренной в воздухе, можно оценивать поражающее действие излучений на живые организмы.

В качестве единицы измерения дозы принята международная единица — рентген.

Рентген (р) — это такая доза рентгеновского или гамма-излучения, при которой в 0,001293 г сухого воздуха (т. е. в 1 см3 воздуха при 0°С и нормальном атмосферном давлении) образуется 2,08 • 10 пар ионов, обладающих одной электростатической единицей заряда каждого знака. Более мелкими единицами для измерения дозы являются миллирентген (мр) и микрорентген (мкр).

Средняя работа, затрачиваемая гамма-излучением на образование одной пары ионов в воздухе, составляет 33 эВ, поэтому дозе 1 р соответствует энергия, поглощенная в 1 см3, Wвозд =2,08 109 33 = 68,64 10 эВ или (умножая на 1,6 • 10 для перевода в эрги) Wвозд = 0,11 эрг.

При дозе 1 р в воздухе энергия, поглощаемая в 1 см живой ткани, составляет

Единицу измерения дозы — рентген можно использовать также для характеристики дозы бета- и альфа-излучений.

Дозу бета- и альфа-излучений, которая создает в единице объема воздуха такое же количество пар ионов, как и доза 1 р гамма-излучения, принято называть физическим эквивалентом рентгена (фэр).

Так как биологическое действие на живые организмы различных излучений не одинаково, было введено понятие биологического эквивалента рентгена. Биологический эквивалент рентгена (бэр) — это такая доза альфа-, бета- или нейтронного излучения, которая эквивалентна по биологическому действию на живой организм одному рентгену гамма-излучения. При непосредственном облучении тканей живых организмов 1 р гамма-излучения соответствует 1 фэр бета-излучения и 0,1 фэр альфа-излучения. Это соответствие установлено в результате длительных наблюдений и многочисленных опытов.

Физическая доза излучения (или облучения) характеризует поглощенную энергию независимо от времени облучения. Например, дозу в 10 р можно получить за 1 час, за . 100 дней или за какой-либо другой промежуток времени. Для характеристики скорости нарастания дозы во времени

введено понятие мощности физической дозы {сокращенно — мощность дозы). Мощностью дозы (Р) называется энергия, поглощаемая единицей объема облучаемой среды в единицу времени. Единицами измерения мощности дозы являются рентген в час (р/час) , миллирентген в час (мр/час), микрорентген в секунду (мкр/сек) и др.

Мощность дозы зависит от интенсивности излучения; для монохроматического гамма-излучения эта связь определяется соотношением

где Iγ - интенсивность излучения;

µa - линейный коэффициент поглощения гамма-лучей в веществе, подвергающемся облучению;

n - число гамма-квантов, проходящих через 1 см3 облучаемой среды в 1 сек.;

Еγ - энергия одного гамма-кванта.

Если интенсивность излучения постоянная, то мощность дозы соответствует дозе облучения за единицу времени. В этом случае дозу облучения Dγ за любой другой промежуток времени ∆t можно рассчитать по формуле

В этой формуле поэтому

Полученное выражение показывает, что доза облучения зависит от числа гамма-квантов (Zγ ), проходящих через объем в 1 см3 облучаемой среды за все время облучения ( ∆t), а также от их энергии (Eγµa ).

IV. ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ СЧЕТЧИКИ ИОНИЗИРУЮЩИХ ЧАСТИЦ

Более эффективными для регистрации радиоактивных частиц являются газоразрядные счетчики. Для увеличения импульсов в газовых счетчиках используется ударная ионизация атомов газа электронами, ускоренными сильным электрическим полем.

Газоразрядный (сокращенно — газовый) счетчик, так же как и ионизационная камера, представляет собой конденсатор с газовым наполнением пространства между электродами.

В большинстве случаев счетчики конструктивно выполняются в виде закрытого металлического или стеклянного •цилиндра, покрытого внутри слоем металла; по оси цилиндра натягивается тонкая нить (рис. 10). Металлический цилиндр используется в качестве катода, т. е. к нему подводится проводник от отрицательного зажима источника напряжения. Нить является анодом счетчика; через сопротивление нагрузки она соединяется с положительным зажимом источника напряжения. Газовые счетчики наполняются обычно смесью инертных газов — неона (Ne) и аргона (Аг) при пониженном давлении 100—200 мм ртутного столби.

Указанные конструктивные особенности счетчиков направлены на обеспечение условий ударной ионизации газов электронами при возможно более низком напряжении источника питания.

Инертные газы находятся в атомарном состоянии; при ионизации в качестве отрицательного иона они всегда имеют электроны (явления «прилипания» электронов к атомам этих газов не наблюдаются); электроны, обладай Массой, в несколько тысяч раз меньшей, чем у ионов, более подвижны, поэтому их легче разогнать до скоростей, при которых начинается ударная ионизация.

Рис. 11. Электрическое поле в газовом счетчике и расположении области ударной ионизации

Применение анода а виде тонкой нити с диаметром порядка десятых долей миллиметра позволяет значительно увеличить напряженность электрического поля около нее (рис. 11) по сравнению с полем между плоскими электродами при тех же условиях. Сила, действующая на электрон в электрическом поле и создающая ускоренное движение электрона к аноду, определяется напряженностью электрического поля (f=Eе). Однако кинетическая энергия и скорость движения (W =mv²/2) зависят не только от силы, но и от длины пути, пройденного электроном от одного соударения с атомом газовой среды до другого.

Уменьшение давления газа в счетчике увеличивает среднюю длину свободного пробега электронов в газе и, следовательно, также необходимо для получения условий ударной ионизации при более низком напряжении.

Ударная ионизация атомов газа электронами имеет место не во всем объеме счетчика, а только около нити (анода), где напряженность электрического поля достаточно большая. Пространство около анода счетчика, где возможна ударная ионизация, называют областью ударной ионизации (см. рис. 11).

Рассмотрим принцип работы газового счетчика.

При отсутствии ионизирующего излучения газ, наполняющий счетчик, содержит электрически нейтральные атомы, и свободных электрических зарядов, способных перемещаться под действием сил электрического поля, нет, поэтому электрического тока в цепи также нет. Предположим, что в рабочий объем счетчика проникла одна ионизирующая частица и создала там одну пару ионов. Под действием сил электрического поля положительный ион будет двигаться к катоду, а электрон — к аноду. В области ударной ионизации электрон, приобретающий достаточно большую скорость, ионизирует нейтральный атом при соударении с ним. В результате к аноду будут двигаться уже два электрона, которые, набрав скорость, будут также ионизировать атомы газа, вновь удваивая число электронов и ионов, и т. д.

Таким образом, вблизи анода газового счетчика происходит лавинообразное нарастание ионизации; в результате число электронов, падающих на анод, многократно увеличивается (от 10³ до 109 раз в зависимости от напряжения на счетчике). Длительность развития ионизации составляет миллионные доли секунды (микросекунды). За это время все электроны падают на поверхность анода, а тяжелые положительные ионы не успевают сколько-нибудь значительно переместиться с места своего образования, создавая вокруг анода слой («чехол») положительного пространственного заряда.

Постепенно положительные ионы относительно медленно перемещаются к катоду. Когда ион приближается к поверхности катода, он силой электрического поля своего заряда вырывает электрон катода и нейтрализуется.

Движение положительных ионов и электронов вызывает появление импульса тока в цепи счетчика и соответственно импульса падения напряжения на сопротивлении его нагрузки, что создает кратковременное уменьшение положительного напряжения на аноде. Таким образом, ионизирующая частица, создавшая хотя бы одну пару ионов в счетчике, фиксируется импульсом тока и напряжения, которые в свою очередь сравнительно просто можно зарегистрировать соответствующими регистрирующими устройствами, принцип работы которых будет рассмотрен ниже.

Форма импульсов напряжения на аноде счетчика приведена на рис.12

Характерной особенностью счетчиков является наличие так называемого мертвого времени, т. е. промежутка времени, в течение которого счетчик становится нечувствительным к радиоактивным частицам, создающим в его объеме новые первичные пары ионов.

Такое свойство счетчиков объясняется тем, что «чехол» положительных ионов, образующихся в области ударной ионизации, вместе с электронами, которые удерживаются на поверхности анода силами электрического притяжения к ионам, образует дополнительное электрическое поле. Благодаря этому напряженность результирующего электрического поля около анода уменьшается, настолько, что условия для ударной ионизации не обеспечиваются. Поэтому новые радиоактивные частицы не смогут создать новых импульсов газового разряда. В процессе движения ионов к катоду созданное ими дополнительное электрическое поле около анода уменьшается. Мертвое время в газовых счетчиках заканчивается тогда, когда напряженность поля около анода возрастет до величины, необходимой для ударной ионизации, и в первом приближении совпадет с длительностью импульса (см. рис. 12).

Рис.12 Форма импульсов напряжения на аноде счетчика

Мертвое время имеет величину порядка 10ˉ5—10ˉ3 сек. в зависимости от типа и режима работы счетчика.

Мертвое время ограничивает максимальную интенсивность излучений, которую способен регистрировать счетчик без существенных ошибок, т. е. определяет его разрешающую способность — максимальный счет радиоактивных частиц в единицу времени.

Вторая особенность счетчиков заключается в том, что ионы инертных газов, нейтрализуясь за счет вырванных из катода электронов, остаются в возбужденном состоянии и испускают избыточную энергию в виде фотонов ультрафиолетового излучения . Под воздействием этих фотонов из атомов катода могут быть выбиты новые электроны; последние ускоряются электрическим полем и могут дать начало развитию новому (на этот раз ложному) импульсу газового разряда в счетчике.

Таким образом, в газовом счетчике существуют условия для возникновения после воздействия одной радиоактивной частицы не одного, а целой серии следующих друг за другом импульсов. Такие счетчики, очевидно, непригодны для регистрации радиоактивных частиц, если не будут приняты специальные меры гашения газового разряда, исключающие появление ложных импульсов.

В зависимости от способа гашения разряда счетчики делятся на самогасящиеся и несамогасящиеся.

В несамогасящихся счетчиках с целью гашения газового разряда в анодную цепь включается высокоомное сопротивление нагрузки (порядка I08—109 ом). Импульс тока счетчика, вызванный движением ионов, создает на этом сопротивлении большое падение напряжения, поэтому напряжение на аноде счетчика значительно уменьшается и разряд прекращается. Вследствие большой величины сопротивления нагрузки напряжение на аноде счетчика восстанавливается очень медленно, отчего мертвое время счетчика значительно увеличивается. По этой причине счетчики такого типа называются медленными счетчиками; предельная скорость регистрации у них составляет не более 50—100 частиц в секунду.

Подобные счетчики на практике используются весьма редко.

Более широкое применение в настоящее время получили самогасящиеся счетчики. Для гашения разряда такие счетчики наполняются инертными газами с добавкой молекулярных газов, например паров спирта, метилаля и др. Молекулы гасящей примеси должны обладать работой (потенциалом) ионизации меньшей, чем работа ионизации атомов инертных газов. Ионы инертных атомов при движении к катоду сталкиваются с молекулами гасящей примеси и нейтрализуются за счет вырывания у них электронов. Таким образом, поверхности катода будут достигать только молекулярные ионы. Последние, вырывая электрон из катода, нейтрализуются и, оставшись в возбужденном состоянии, быстро распадаются (диссоциируются) на две более мелкие части (многоатомные молекулы распадаются на радикалы, т. е. группы атомов; двухатомные молекулы — на атомы). На разрушение молекулы затрачивается часть энергии; оставшаяся часть энергии возбуждения разбивается на две доли, каждая из которых мала и не может вызвать вылета электрона из поверхности катода.

Самогасящиеся счетчики с примесью многоатомного газа (например, метилалевые) имеют сравнительно высокое рабочее напряжение (порядка 800—1600 в) и ограниченный срок • работы, так как после каждого импульса уменьшается числю многоатомных молекул; через 10 — 108 импульсов оставшееся число многоатомных молекул становится недостаточным для нормальной работы счетчика.

Кроме того, счетчики с многоатомной гасящей примесью плохо работают при пониженной температуре (ниже —25° С).

В полевых дозиметрических приборах применяются исключительно галогенные самогасящиеся счетчики, в качестве гасящей примеси в которых применены молекулы брома и хлора. Теоретически срок службы таких счетчиков неограничен, так как атомы распавшихся молекул, соединяясь, вновь образуют молекулу.

Страницы: 1, 2, 3