Радиоактивные элементы

          Зависимость импульса напряжения  от приложенного постоянного  напряжения между электродами  показан на рис. 8.2. Поставим  источник  ионизирующего  излучения вблизи  камеры и начнём  постепенно  увеличивать  напряжение на  ней. Ток, протекающий  через   камеру, сначала  будет  резко   возрастать , а  потом  начиная   с  некоторого  напряжения выйдет  на  плато. Предельный  ток (ток   насыщения)  равен  I₀ = п ´ е , где е -заряд электрона ,п -число пар ионов, образуемых в секунду в объёме  камеры. При недостаточном напряжении  сила  тока  меньше I₀, это происходит  из-за  того, что часть ионов успевают  рекомбинировать  и не  доходят до  электродов  камеры. Лишь  при достаточно  больших напряжениях ( порядка сотни или нескольких  сотен вольт) ионы  движутся  достаточно  быстро  и рекомбинация  не  играет  существенной  роли. Область АВ - рабочая область И.К. В этой области все ионы образованные заряженными частицами собираются на электродах, так как высота импульса в этой области не зависит от приложенного постоянного напряжения, И.К. не может измерить энергию пролетевшей через неё частицы. Для образования одной пары ионов требуется энергия e » 33,85 эВ. Так как ионизация, производимая одной элементарной частицей очень мала, рассматриваемая ионизационная камера может детектировать только « всплески » числа частиц, а не индивидуальные частицы. Но она может различать « всплески » a-частиц от « всплесков » b-частиц, т.к. плотность ионизации (кол-во  пар ионов образующихся на единицу пути в газе) пропорционально Z² пролетевшей частицы, а также плотность ионизации быстро  увеличивается с уменьшением скорости ( как 1/u² ). По этим  двум  причинам  плотность ионизации a-частиц больше плотность ионизации b-частиц. В следствии того, что рентгеновские лучи и g-кванты сильно ионизуют газ, их тоже легко детектировать с помощью ионизационной камеры.

          Кроме импульсного режима И.К.  может работать в токовом режиме, когда частицы, следуя одна  за другой, создают некоторый  средний ток через камеру.

          И.К. сравнительно малочувствительны,  используются для регистрации  сильно ионизирующих частиц или  как дозиметры. 

         Дозиметрия  фотонного  излучения   до  1.01.1990г. была  основана  на  измерении  экспозиционной  дозы. В настоящее  время  измеряют  поглощённую  дозу  и  керму  в воздухе.

   Соотношение  между   мощностью  воздушной  кермы   К и  током  насыщения   в и.к. определяется    

                             К= а´(m_z/m_в )´(e/(еV))´ I₀,

где  коэф. а определяется  по  заряду, образующемуся в 1 см³  камеры  при мощности  кермы К=1сГр/с, е - заряд электрона, V - объём камеры.

Чувствительность  камеры  от  мощности  кермы  определяет  соотношение I₀/К.  Изменение чувствительности  от  энергии фотонов называется  ходом с жёсткостью. Как следует из  уравнения ход с жёсткостью  зависит от  отношения коэф. передачи  энергии m_z/m_в в стенке  камеры  и в воздухе и от  энергии фотонов.  Нежелательный ход с жесткостью устраняется изготовлением стенок камеры из вещества с эффективным атомным номером, близким эффективному атомному номеру воздуха. Такие вещества ( плексиглас, полистерол, резит ) называют воздухоэквивалентными. В этом случае m_z/m_в = 1. Следовательно для камер с твердыми воздухоэквивалентными стенками в широком энергетическом диапазоне отсутствует ход с жесткостью:

I₀ / K = eV/(ae).

     Так как  изготовление стенок камеры из  воздухоэквивалентных материалов затруднено, часто используются алюминиевые камеры. В них отсутствует ход с жесткостью для излучения с энергией > 200 кэВ.

Газоразрядные методы.

 Пропорциональный  счетчик. П.С. создан путем усовершенствования И.К. Газовый счетчик отличается от И.К. резкой асимметрией электродов. Анод выполняется в виде очень тонкой нити, а катод - в виде коаксиального цилиндра. Электрическое поле при такой конфигурации очень велико вблизи анода и  невелико  у  катода. В этом устройстве на электроды, собирающие ионы подаётся напряжение от 250 до 800 В, так что первоначальные ионы молекул газа, образованные элементарной частицей, ускоряются до энергий, достаточных, чтобы создать в объёме камеры другие ионы при столкновениях первоначально образованных ионов с нейтральными молекулами газа и образуется лавина электронов и ионов. Этот процесс называется газовым усилением.

 Коэффициент газового  усиления быстро  возрастает  с  напряжением и при   больших  значениях начинает  зависеть  от  числа  первичных   эл-ов. При этом  счётчик переходит из  пропорционального режима  в режим ограниченной  пропорциональности. Полный электрический заряд, собираемый от каждой пролетевшей через камеру частицы оказывается больше, чем в начале образованный заряд. Он, однако, пропорционален ему.

П.С. настраиваются так, чтобы  они давали отчетливые импульсы напряжения, характерные для частиц разного  типа, или настраиваются так, чтобы  не реагировать на некоторые виды частиц. Например, a-частицы в П.С. легко можно отличить от электронов и протонов, потому что они производят на много большие импульсы напряжения, обязанные их двойному электрическому заряду.

Счетчик Гейгера - Мюллера.

      Если повысить  напряжение, то развивается мощная  лавина, размер которой ( общее  количество ионов ) уже не будет  зависеть от величины первоначальной  ионизации, камера срабатывает  даже от одного единственного  иона, пролетевшего через счетчик.  Такой счетчик называется счетчиком  Гейгера-Мюллера. ( предложен в 1913 г. ), и обладает исключительной  чувствительностью к пролетам  через него заряженных частиц. На анод подается напряжение » 1000 В. Импульс напряжения в нём получается столь большим ( вольты и даже десятки вольт ), что использование усилителя становится необязательным. Область СД ( рис. 2 ) ( между 800 и 1 000 В) - это рабочая область счетчика Гейгера. Высота импульса в этой области практически постоянна и описывается плато на изображенной кривой. Рабочее напряжение выбирается посередине плато. Этот участок невелик, и отклонение от рабочего напряжения допускается не более 50 - 100 В. При этом возникает проблема гашения развивающегося газового разряда, который становится самостоятельным. Облако положительных ионов, которое, по сравнению с электронами, движется медленно, образует положительный «чехол» вокруг анода. В результате вблизи анода уже не получается области сильного поля и развитие лавины прекращается, разряд должен был бы погаснуть, но в процессе ионизации рождаются не только пары ионов, но и кванты света ( ультрафиолетового ). Эти кванты, попадая на катод выбивают из него новые электроны - фотоэффект. Кроме того положительные ионы, дойдя до катода, тоже выбивают из него электроны. Эти электроны попадут в прианодную область, когда «чехол» из положительных ионов уже рассосется, и станут источником новых лавин. Разряд не прекращается. Применяется несколько способов погашения разрядов.

       Первый - включение последовательно со  счетчиком большого сопротивление,  все же меньшего, чем сопротивление  R неионизированного счетчика. В результате ионизации сопротивление счетчика становится сравнимым с R напряжение на счетчике падает ниже необходимого для поддержания разряда. При этом счетчик долгое время не готов к регистрации излучения (мертвое время)

       Второй - подача на счетчик сразу после  зажигания разряда гасящего импульса  от специальной радиотехнической  схемы.

        Третий - наиболее распространенный - счетчик  заполняется каким-нибудь инертным  газом ( обычно аргоном ) при  давлении несколько сантиметров  ртутного столба с примесью  паров органического вещества  ( например спирта ), чтобы гасить  начальный электрический разряд  сразу же после его возникновения.  Молекулы примесей поглощают  ультрафиолетовые кванты, не испуская  при этом электронов. Кроме того  положительные ионы сталкиваясь  с ними, теряют свою энергию  и следовательно теряют способность  рождать вторичные электроны.  Счетчики с такими добавками   называются   самогасящимися. В   отличии  от  несамогасящихся   счётчиков, самогасящиеся  счётчики  имеют  ограниченный  ресурс  работы ( »  10⁸ -10¹⁰ импульсов ). За  это  время  часть  многоатомных  молекул  диссоциирует, и счётчик становится  непригодным к работе.

            При дальнейшем увеличении напряжения ( более 1 000 В ) появляются   ложные  импульсы и происходит непрерывный  разряд ( пробой ). 

           Важным  параметром  счетчика  является предельная скорость  счета. 

Скорость счета ограничивается «мертвым временем» - временем после  начала разряда, когда счетчик не способен зарегистрировать следующую  частицу. После этого промежутка времени счетчик начнет реагировать  на частицы, то есть вырабатывать импульсы. Но еще некоторое время эти  импульсы будут уменьшены и не будут регистрироваться . Это время  называется временем восстановления ( релаксация ). Длительность промежутков  этих времен порядка микросекунды. Эта особенность СГМ является существенным недостатком при оперативном  контроле работ с ИИИ, так как  прибор на основе СГМ в возрастающем по времени поле после достижения определенной интенсивности начинает снижать показания, что чревато  неприятными последствиями

Галогенные  счётчики.

При  исследовании  газового  разряда  было  замечено, что  если  добавить  к  инертному  газу  небольшое  кол-во  ( 0.1 % ) галогенных  газов, то  рабочее  напряжение  счётчика  понижается  ( 200 - 400  В ) и  счётчик  становится  самогасящимся. Такой  счётчик Г.-М. называется  галогенным. Для  заполнения  таких  счётчиков используют  неон  с  добавкой  брома. Работа  этих счётчиков  основана  на  том, что  потенциал  возбуждения  неона ( 16.6 В )  меньше его потенциала  ионизации ( 21.5 В );  поэтому  при  столкновении  электронов  с  молекулами  неона  в  основном  происходит  их  возбуждение. Вблизи  нити  счётчика, где  напряжённость  электрического  поля велика, образуется  большое  кол-во   возбуждённых  атомов  неона.

Время  жизни  возбуждённого  состояния  неона  ( 10^-2 - 10^-4 с.), и до момента высвечивания  атома неона испытывает  большое кол-во  соударений, причем  успевает  столкнуться и с молекулами  брома при этом  ионизировав последнюю, т. к.  потенциал ионизации брома ( 12.8 В ) ниже  потенциала  возбуждения неона.

Образовавшийся  эл-н  разгоняется в поле  нити  и возбуждает  атомы неона, которые ионизируют  новые молекулы  брома. Часть возбуждённых  атомов  неона переходят в основное  состояние путём излучения. Возникающее при этом  ультрафиолетовое  излучение попадая на  катод выбивает  с его поверхности эл-ны. При движении  этих  эл-ов  к аноду процесс возбуждения атомов  неона повторяется, возникают новые электронно-ионные  лавины, а при достаточном напряжении  на  счётчике  в нём возникает самостоятельный разряд. В результате  разряда вблизи  нити  образуется  большой положительный заряд, состоящий из  ионизированных  молекул брома. Этот  заряд понижает  напряжённость поля  около нити , и процесс возбуждения атомов  неона прекращается. К этому времени не  все атомы неона переходят в основное  состояние. Процесс ионизации молекул брома и выбивание эл-ов  с катода  УФ  излучением  продолжается,  чем затягивают  время окончания разряда. В галогенных  счётчиках с катодом сталкиваются  только  ионы  брома, и вторичные эл-ты  при этом  не  выбиваются, т.к. энергия ионизации брома меньше  удвоенной работы  выхода  эл-в  с поверхности катода. Таким образом начальная стадия  разряда в Г. с.  происходит  медленнее, чем в других  типах счётчиков , что приводит  к удлинению фронта  импульса. Мертвое время и время релаксации  у Г.с.  имеют те  же  значения  и обусловлены теми  же  причинами, что и у других  счётчиков, заполненных многоатомными газами.

         Одним из наиболее чувствительных  детекторов в дозиметрии фотонного  излучения является газоразрядный  счетчик. Число разрядов от п_сч в счетчике за единицу времени на единицу площади его поверхности составляет

                   п_сч = j_g´e_сч ,  где j_g - плотность потока фотонов;

                                                    e_сч - эффективность счетчика.

            Поскольку мощность воздушной  кермы К = m_тI = m_т´j_g´Е_g  

( здесь  I  - интенсивность излучения ,  m_т - массовый коэффициент передачи энергии,  Е_g - средняя энергия одного гамма кванта ), чувствительность счетчика по мощности кермы будет равна

                           п_сч/К = j_g/m_т´Е_g.

           Формула определяет ход с жесткостью  газоразрядного счетчика, который  зависит от материала стенки  и очень велик в области  энергии фотонов до 0,6 МэВ.  Высокая  чувствительность газоразрядных  счетчиков,  малые габарит и  масса, простота регистрации импульсов  обусловили широкое применение  в радиометрической аппаратуре.

 Фотометрический  метод дозиметрии. Первые сведения об ионизирующих излучениях были получены с помощью фотографического метода. Этот метод был одним из первых научно обоснованным и он применяется до сих пор для индивидуального контроля дозы рентгеновского, альфа-, бета- и нейтронного излучений.

Для нужд индивидуальной дозиметрии в основном используются рентгеновские  пленки, наиболее чувствительные к  ионизирующим излучениям.

Коротко о (рентгеновских) пленках.

В желатин вводят бромистое (AgBr), хлористое (AgCl) серебро и наносят эту эмульсию на триацетатную пленку или стекло. Рентгеновские пленки, применяемые для индивидуального фото контроля (ИФК) обычно бывают двухсторонними.

Тип пленок РМ-1 и РМ-5-1 с  толстым слоем эмульсии до 230 микрон.

При действии ионизирующих излучений на фото эмульсию происходит образование металлического серебра.

При проявлении и фиксировании облученной рентгеновской пленки она, в какой-то степени, становится черного  цвета за счет металлического серебра, поглощающего свет.

Степень почернения определяется по ослаблению светового потока, проходящего  через фотографический слой и  измеряется как

S = lg ( F₀ / F ), где

S - почернение (практическая  плотность);

F₀-световой поток, падающий на фотослой;