книги из ГПНТБ / Рачинский, В. В. Курс основ атомной техники в сельском хозяйстве учебное пособие

На основании той же закономерности определяют и общее сечение ослабления потока нейтронов при прохождении через

среду.

Зная микроскопические сечения cs, <т0 и а, можно рассчи­ тать макроскопические сечения 2 S, 2 а и 2, а также длины про­

бега Xs, К и X.

Рассмотрим процесс замедления нейтронов несколько под­ робнее. Допустим, что в среду попадают моноэнергетические нейтроны с начальной энергией Е0. В результате первого, вто­ рого и последующих столкновений нейтронов образуется сплош­ ной энергетический спектр нейтронов. В теории замедления нейтронов выведена следующая формула распределения числа нейтронов по энергиям после i-го столкновения с ядрами во­

где i — число столкновений. Исходя из этой формулы, можно рассчитать среднее число столкновений, которое необходимо для того, чтобы нейтроны замедлились до заданной средней энергии Е:

Величина In (Е0/Е) называется летаргией нейтронов. Таким образом, среднее число столкновений, необходимых для сни­ жения энергии нейтронов до заданной средней энергии, при­ ближенно равно летаргии нейтронов.

Пример. Рассчитаем число столкновений, необходимых для замедления нейтронов на ядрах водорода от быстрых (Е0=5 Мэе) до тепловых (Е =

=0,025 эв). Согласно (1.79),

Если замедление нейтронов происходит не на ядрах водоро­ да (протонах), а на других ядрах с массовым числом М, то среднее число соударений для замедления нейтронов до энер­ гии Е равно

40

и каждый замедлитель, таким образом, имеет характеристиче­ ское значение g. Среднелогарифмический декремент энергии при одном столкновении часто называют параметром замедления. В табл. 1.1 приведены параметры замедления нейтронов.

l/Xs (т. е. обратная величина) определяет число столкновений на единицу пути нейтрона:

Но согласно (1.80) 1/A,S= 2 S. Поэтому 1ед. n= 2 s. Тогда средняя логарифмическая потеря энергии на единицу пути нейтрона бу­ дет составлять 1ед.п£= |/Л8 = 2 в|. Величину 2 sg называют замед­ ляющей способностью замедлителя нейтронов.

Качество замедлителя нейтронов характеризуют также ко­ эффициентом замедления нейтронов:

Этот коэффициент позволяет дать сравнительную оценку времени замедления нейтрона и времени жизни теплового ней­

41

трона до захвата. Приближенно их соотношение выражается следующей формулой:

Наибольшие значения коэффициента замедления имеют тяже­ лая вода, бериллий и графит.

Хаотическое движение тепловых нейтронов можно описать в рамках известной молекулярно-кинетической теории диффузии. В частности, диффузионный перенос тепловых нейтронов харак­

где Xs-— длина рассеяния; и — средняя скорость тепловых ней­ тронов. Среднее расстояние между точкой рождения нейтронов и точкой, в которой он стал тепловым, называют длиной замед­ ления Ls. Длина замедления и длина рассеяния нейтронов свя­ заны между собой соотношением

массового числа замедлителя.

Среднее расстояние от точки появления теплового нейтрона до. точки его поглощения (захвата) называется длиной диффу­ зии теплового нейтрона Ld. Для этого показателя теория диф­ фузии нейтронов дает следующую связь с другими парамет­ рами замедления:

L* = = / т = j / i i s y • о -94>

Среднее расстояние, пробегаемое нейтроном в среде по прямой между точками его рождения и поглощения, называется дли­ ной миграции Lm. Величины Ls и L& является статистическими, поэтому, согласно статистическим правилам сложения, длина миграции Lm определяется следующим образом:

Чтобы проиллюстрировать масштабы приведенных выше показателей, характеризующих движение и взаимодействие ней­ тронов при прохождении через среду, в табл. 1.2 приведены

42

значения этих показателей для основных замедлителей нейтро­ нов, применяющихся на практике.

Исследование зависимости эффективного сечения захвата тепловых нейтронов от температуры показало, что

Однако в области энергий медленных нейтронов обнаружено,

43

Г л а в а 2

МЕТОДЫ РЕГИСТРАЦИИ ИЗЛУЧЕНИЙ

§ 1. КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ

Для регистрации излучений используют различные эффекты их взаимодействия со средой. В зависимости от характера вы­ зываемого эффекта при прохождении излучения через среду можно условно выделить следующие методы регистрации излу­

возбуждаемых или рождаемых излучением, и химические — определение продуктов химических превращений, возникающих под действием излучений.

Устройства, в которых возникают первичные эффекты взаи­ модействия излучения со средой, называются детекторами. Но детекторы, как правило, являются лишь частью комплекса аппаратуры, предназначенной для регистрации излучений. Эф­ фект, создаваемый излучением в детекторе, должен быть пре­ образован в электрический ток, который может привести в дей­ ствие электрическое регистрирующее измерительное устройство. Устройства, предназначенные для регистрации действия излуче­ ния на детектор, называются регистраторами.

Комплекты устройств — детектор и регистратор, предназна­ ченных для измерения плотности потока излучения, называются

радиометрами.

Между активностью радиоактивного изотопа, являющегося источником ионизирующего излучения, и плотностью потока из­ лучения, проходящего через детектор, имеется прямая про­ порциональная зависимость, поэтому радиометры, естественно, применяют и для измерения активности радиоактивных препа­ ратов.

Особую разновидность радиометров составляет класс радио­ метрических приборов и устройств, получивших название ра­ диационных дозиметров. К этому классу относятся приборы, предназначенные для измерения дозы или мощности дозы иони­ зирующих излучений. Между плотностью потока и мощностью дозы излучения также имеется прямая Пропорциональная зави­

45

симость. Поэтому дозиметрами называются радиометрические приборы, отградуированные в единицах дозы или мощности из­ лучения и предназначенные для радиационной дозиметрии.

Существует электрофизическая аппаратура, которая позво­ ляет расшифровывать в деталях свойства излучения, проходя­ щего через детектор. Приборы, предназначенные для анализа свойств (состава, энергии и т. и.) излучений, называются ана­ лизаторами.

Вряде случаев регистрация излучений сводится к регист­ рации следов прохождения отдельных ионизирующих частиц через среду. К таким детекторам относятся так называемые

следовые камеры, а также толстослойные фотоэмульсии.

Взадачу данного курса не входит подробное рассмотрение существующей регистрирующей и измерительной аппаратуры,

применяемой при работе с радиоактивными веществами и из­ лучениями. Дается лишь краткая характеристика отдельных методов детектирования излучений и излагаются основные принципы радиометрических измерений.

§ 2. ИОНИЗАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ

Наиболее распространенную группу ионизационных методов регистрации излучений составляют методы, основанные на ис­ пользовании явления прохождения электрического тока через газы (газовый разряд).

Как известно, для возникновения электрического тока необ­ ходимы носители электрических зарядов. Такими носителями в газе могут быть свободные ионы и электроны.

Концентрация свободных ионов и электронов в газах очень мала. Поэтому они плохие проводники электричества. Однако под действием космического излучения, излучения естественных радиоактивных нуклидов, в результате тепловых соударений атомов и молекул в газе всегда имеются свободные ионы и электроны (фон).

Электроскоп. Простейшим детектором ионизирующего излу­ чения может служить обычный электроскоп — металлический заряженный стержень, к которому прикреплен легкий листочек фольги или бумаги. Вследствие электризации зарядом того же знака, каким заряжен стержень, листочек отталкивается от стержня и отклоняется на некоторый угол. Так как концентра­ ция свободных ионов и электронов в сухом воздухе очень мала, разряд стержня (утечка заряда) и соответственно спад листоч­ ка происходит очень медленно. Но если к электроскопу подне­ сти источник ионизирующего излучения, то концентрация сво­ бодных зарядов в газе (воздухе) резко увеличится вследствие ионизации газа и разряд стержня-электрода будет происхо­ дить тем быстрее, чем выше степень ионизации газа. Таким

46

образом, степень разряда электроскопа (угол спада листочка) служит мерой прошедшего через газ потока ионизирующего излучения, а скорость разряда электрода — мерой плотности потока излучения.

газового разряда для регистрации излучения, рассмотрим зави-

Рис. 2.1. Схема электрической цепи для изучения электри­ ческого разряда в; газе:

симость тока в газе от напряжения, прилагаемого к помещенным в газ электродам. Эта зависимость получила название вольт-амперной характеристики газового разряда. Составив электрическую цепь из двух электродов с газовым промежут­ ком, источника постоянного тока и гальванометра, регистри­ рующего ток в цепи (рис. 2.1), допустим, что газ между элек­ тродами подвергается воздействию ионизирующего излучения. Вольт-амперная характеристика тока в газе имеет вид кривой зависимости тока от напряжения (рис. 2.2). Эта кривая состоит из отдельных характерных участков. Вначале при относительно малом напряжении ток растет пропорционально напряжению (закон Ома). Это значит, что количество переносимых в едини­ цу времени свободных электрических зарядов в газовом про­ межутке между электродами пропорционально напряжению. Однако рост тока с увеличением напряжения постепенно начи­ нает замедляться, возникает состояние насыщения тока, когда с увеличением напряжения ток дальше не растет. Соответствующий такому состоянию ток называется током насыщения / н.

47

Причиной возникновения состояния насыщения тока яв­ ляется равновесие, которое наступает в газе между числом об­ разующихся в газе свободных зарядов и числом собираемых на электродах зарядов в единицу времени. Число образующихся в единицу времени свободных зарядов есть мера ионизирую­ щего действия излучения, мера плотности потока, поэтому, вели­ чина тока насыщения может служить мерой плотности потока

родах при газовом усилении, к первичному количеству электри­ чества, создаваемого излучением. Ясно, что для состояния насыщения тока коэффициент газового усиления /С= 1. После области насыщения идет область, получившая название про­ порциональной. В этой области коэффициент газового усиления есть только функция напряжения. При заданном напряжении собираемый на электродах заряд пропорционален первичному заряду ионов и электронов (количеству электричества), создан­ ному ионизирующим излучением. Коэффициент газового усиле­

ной пропорциональности. В этой области коэффициент К зави­ сит и от напряжения, и от первичного заряда.

Следующая область напряжения получила название области

одного иона вызывает вспышку самостоятельного газового раз­ ряда. Существенное явление, способствующее развитию само­ стоятельного разряда, — образование в первичной лавине ультрафиолетовых фотонов вследствие возбуждения атомов и

48

молекул газа. Падающие ка электроды фотоны в результате фотоэффекта вырывают фотоэлектроны, которые в свою оче­ редь создают новые электронно-ионные лавины.

Газовый разряд, возникающий в области Гейгера, можно рассматривать как разновидность коронного разряда — неста­ бильный, прерывистый коронный разряд, который обрывается на короткое время, но затем в результате образующихся фото­ электронов вновь возобновляется. Кратковременный обрыв раз­ ряда происходит вследствие экранирующего действия облака положительных ионов, устремляющихся к отрицательному элек­ троду и снижающих напряженность поля в пространстве между электродами.

При дальнейшем увеличении напряжения после области Гей­ гера появляется область стационарного коронного разряда — не­ прерывного, необрывающегося разряда.

Рассмотрим теперь, как практически реализуют различные области вольт-амперной характеристики газового разряда.

Ионизационная камера. Область насыщения тока газового разряда используют в детекторах, получивших название иони­ зационных камер. По конструктивному оформлению (форме электродов) ионизационные камеры бывают плоскими, цилинд­ рическими и сферическими. Ионизационные камеры работают в импульсном и токовом режимах. При работе в импульсном режиме ионизационную камеру используют для регистрации (счета) отдельных ионизирующих частиц. Практически можно регистрировать только тяжелые заряженные частицы — протоны, а-частицы с высоким выходом ионизации. Падение напряжения, возникающее на электродах ионизационной камеры вследствие прохождения через газ ионизирующей частицы, в частности а-частиц, и сбора образовавшихся свободных зарядов ионов и электронов составляет менее 10-4 в. Такие импульсы напря­ жения можно регистрировать с помощью усилителей, коэффи­ циент усиления которых порядка 105. Регистрация электронов ионизационными камерами практически невозможна, так как импульсы от электронов чрезвычайно малы (порядка 10~6 в). Так как величина импульса зависит от ионизирующей способ­ ности частицы, ионизационные камеры в импульсном режиме можно использовать не только для счета частиц, измерения плотности потока частиц, но и для идентификации, анализа частиц. При работе в токовом режиме ионизационные камеры используют для измерения средней плотности потока всех ви­ дов излучений. Мерой плотности потока излучения служит вели­ чина тока насыщения. В зависимости от конструкции камеры минимальный ток насыщения находится в интервале 10-12— 10~15 а. Для регистрации таких слабых токов применяют спе­ циальные усилители постоянного тока, которые приводят в дей­ ствие электрические измерительные устройства (например, стре­ лочные гальванометры).

49