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

Пропорциональный счетчик. Благодаря механизму газового усиления в пропорциональной области вольт-амперной харак­

Пропорциональная область газового разряда используется в пропорциональных счетчиках, которые можно рассматривать как разновидность ионизационных камер, работающих в импульс­ ном режиме. Увеличение выходного импульса напряжения на

Таким образом, нить счетчика собирает наиболее подвижные свободные заряды — электроны. Схема пропорционального счет­ чика показана на рис. 2.3. В цепь кроме источника постоянного тока (батареи или выпрямителя) включается высокоомный ре­ зистор R (порядка 106 ом). Счетчик и подводящая система про­ водников обладают некоторой электроемкостью С (порядка 10-11 ф). Продолжительность импульса тока в цепи и напря­ жения на собирающем электроде-нити определяется произведе­ нием RC и составляет С ^ 10-6 - 10-11= 10-5 сек. Полное пре­ кращение разряда происходит в действительности за 1(И4 сек, когда на отрицательный электрод (цилиндр) соберутся менее подвижные положительные ионы.

Импульс напряжения в пропорциональной области так же, как и в области насыщения, пропорционален начальной иони­ зации, создаваемой ионизирующей частицей, поэтому пропор­ циональные счетчики используют не только для счета ионизи­ рующих частиц, но и для их идентификации. Иначе говоря, пропорциональные счетчики можно применять в качестве детек­ торов для анализаторов ионизирующих излучений. При этом благодаря газовому усилению они регистрируют и . частицы с меньшей ионизирующей способностью, например, электроны. Импульс напряжения, возникающий на нити пропорциональ­ ного счетчика, все еще недостаточен для приведения в дей­

50

ствие регистрирующего устройства (регистратора). Поэтому с помощью радиотехнической схемы этот импульс подвергается дополнительному усилению и преобразованию с тем, чтобы привести в действие электромеханическое устройство (реле) — счетчик нумератор, считающий импульсы, возникающие в про­ порциональном счетчике.

Счетчик Гейгера — Мюллера. Область ограниченной пропор­ циональности практически не применяется для регистрации из­ лучений. Зато следующая область — область Гейгера очень широко используется в так называемых счетчиках Гейгера — Мюллера. Газоразрядные счетчики Гейгера — Мюллера по устройству не отличаются от пропорциональных счетчиков, но на электроды этого счетчика подается напряжение, соответ­ ствующее области Гейгера, т. е. более высокое. Соответственно механизм разряда имеет иной характер, чем механизм разряда в пропорциональных счетчиках.

Как уже отмечалось, существенным моментом в развитии газового разряда в области Гейгера является возникновение в процессе разряда довольно интенсивного ультрафиолетового излучения. Выход ультрафиолетового излучения в пропорцио­ нальной области относительно мал. Поэтому газовый разряд не распространяется на весь объем газа в пропорциональном ре­ жиме. В области Гейгера поток рождающихся вследствие воз­ буждения атомов и молекул ультрафиолетовых фотонов так велик, что фбтоэлектроны образуются во всем объеме газа и газовый разряд распространяется на весь объем газа.

Ультрафиолетовые фотоны рождаются не только в процессе развития газового разряда, но и в период его затухания. По­ ложительные ионы, подходя к катоду (стенке цилиндра), за­ хватывают электроны и нейтрализуются. Но, нейтрализуясь, они в первый момент находятся в возбужденном состоянии, и это состояние снимается путем испускания ультрафиолетового излучения, которое индуцирует появление новых фотоэлектро­ нов. Последние в свою очередь создают новую лавину элек­ тронов и ионов, т. е. новый разряд, и т. д. Таким образом, на появление внутри счетчика ионизирующей частицы счетчик от­ вечает непрекращающимся каскадом прерывистых разрядов (нестабильный коронный разряд), и если не погасить послед­ ний, то счетчик будет не в состоянии регистрировать следующую частицу. Следовательно, необходим какой-то механизм гашения последующих ложных разрядов. Иначе говоря, нужно создать условия, при которых счетчик реагировал бы на каждую иони­ зирующую частицу, попавшую в пространство между электро­ дами, только одним-единственным импульсом.

Взависимости от способа гашения разряда счетчики под­ разделяют на несамогасящиеся и самогасящиеся.

Внесамогасящихся счетчиках разряд гасят понижением напряжения на электродах до такого значения, при котором уже

51

не могут возникать новые вспышки разряда. Такое понижение напряжения можно создать автоматически в процессе разряда, если в цепь включить высокоомный резистор порядка 109 ом. Падение напряжения или импульса напряжения численно равно произведению максимального тока на сопротивление AVm — ImR. Но так как продолжительность разряда определяется произве­ дением RC, то включение высокоомного резистора (109 ом) уве­ личивает время разряда (10~2 сек). За время развития разряда кроме первичной лавины успевают возникнуть еще несколько

Рис. 2.4. Общая форма импульса на­

повторных лавин, прежде чем разряд будет полностью погашен. Время, в течение которого счетчик не регистрирует последую­ щую ионизирующую частицу, проходящую через счетчик, назы­ вается мертвым временем. Общая форма импульса напряжения, возникающего на аноде счетчика, представлена на рис. 2.4. Приближенно можно считать, что мертвое время счетчика опре­ деляется временем наиболее медленной, восстановительной ста­ дии разряда, лимитирующейся временем переноса положитель­ ных ионов к катоду. Несамогасящиеся счетчики имеют большое мертвое время (порядка 10-2 сек). Это ограничивает макси­

Широкое распространение получили самогасящиеся счет­ чики, разряд в которых прекращается за время порядка 10~4 сек независимо от наличия высокоомного резистора или внешней гасящей схемы.

Гашение вторичных разрядов достигается наполнением счет­ чика специальной газовой смесью, состоящей обычно из аргона или гелия с добавкой многоатомного газа (паров этанола, этана,

52

метана, диэтилового эфира и др.). Механизм гашения разряда в самогасящихся счетчиках довольно сложен.

Сущность этого механизма сводится к следующему. Потен­ циал ионизации многоатомных газов (или паров), которые при­ меняют для гашения разряда, значительно меньше, чем у атомов аргона. Поэтому при столкновении положительных ионов аргона с нейтральными молекулами органического газа происходит пе­ редача электронов от органической молекулы к атому аргона и атом аргона нейтрализуется. При нейтрализации атом аргона переходит в возбужденное состояние, которое снимается ис­ пусканием ультрафиолетовых фотонов. Однако большинство фотонов не достигает электродов из-за поглощения их моле­ кулами органического газа. Очень важно, что возбуждение молекул органического газа снимается не путем излучения, а путем диссоциации (расщепления) молекул на свободные ра­ дикалы.

Таким образом, присутствие многоатомного газа пре­ пятствует продвижению ионов основного газа к катоду, к кото­ рому подходят только ионы многоатомной компоненты.

Одновременно многоатомный газ «перехватывает» ультра­ фиолетовые фотоны. В результате происходит постепенное раз­ ложение газа-гасителя с образованием различных продуктов превращения и разложения.

Импульс напряжения на аноде имеет простую, одноступен­ чатую форму. Самогасящиеся счетчики с мертвым временем порядка 10~4 сек обеспечивают высокую скорость счета, и просчеты наступают лишь при относительно высокой скорости счета. Самогасящийся счетчик работает до тех пор, пока не произойдет разложения всего газа-гасителя разряда. Срок службы самогасящихся счетчиков ограничен регистрацией 108— 109 частиц.

В качестве газов-гасителей разряда можно использовать не только пары органических соединений, но и неорганические соединения. Например, свойством гашения разряда обладают пары хлора. Самогасящиеся счетчики с наполнением хлором называются галогенными. Механизм гашения разряда молеку­ лами галогенов такой же, как и механизм гашения органиче­ скими молекулами. Различия заключаются лишь в том, что диссоциирующие органические молекулы не рекомбинируются, тогда как атомы хлора, образующиеся при диссоциации моле­ кул хлора, рекомбинируются.

В результате галогенные счетчики практически имеют неог­ раниченный срок службы. Количество молекул хлора (газагасителя разряда) восстанавливается после прекращения рабо­ ты счетчика.

Как и у пропорциональных счетчиков, импульсы напряжения, возникающие на аноде, подвергаются дальнейшему усилению и преобразованию радиотехническими устройствами.

53

Следует иметь в виду, что последующие каналы прохождения и регистрации электрического импульса также характеризуются некоторым мертвым временем (или разрешающей способ­ ностью). Однако обычно радиотехническая электронная схема имеет достаточно малое мертвое время (порядка 10-8 сек) и не лимитирует скорости счета. Практически при работе со счетчиками Гейгера—Мюллера важно знать общее эффектив-

N, имп/мин >

Рис. 2.5. Рабочая характеристика счетчика Гейге­ ра — Мюллера:

ное мертвое время всей радиометрической установки (детектора и регистратора).

Качество счетчика Гейгера — Мюллера характеризуется так называемой рабочей характеристикой (рис. 2.5), которая выра­ жает зависимость скорости счета счетчика (число импульсов в единицу времени) от подаваемого на счетчик напряжения при постоянной плотности потока излучения, проходящего через счетчик. Минимальное напряжение VB, при котором счетчик на­ чинает считать, регистрировать ионизирующие частицы, назы­ вается начальным напряжением. Оно зависит от типа, кон­ струкции счетчика, вида излучения, а также от чувствительности регистрирующего устройства. После начала счета с повышением напряжения скорость счета увеличивается. При дальнейшем увеличении напряжения происходит незначительное увеличение скорости счета. Эта область рабочей характеристики получила название «плато». После плато вновь начинается «резкое» воз­ растание скорости счета. Напряжение, при котором начинается плато рабочей характеристики, соответствует порогу области Гейгера, в которой все импульсы имеют одинаковую величину. Так как в области плато скорость счета почти не зависит от напряжения, рабочее напряжение счетчика Гейгера — Мюллера выбирают таким, чтобы оно находилось в области плато рабочей

54

характеристики счетчика. Чем шире плато и меньше его наклон, тем лучше качество счетчика.

Кроме рабочей характеристики счетчик Гейгера — Мюллера имеет еще ряд важных характеристик, которые необходимо знать при их использовании для регистрации излучений.

Если вблизи счетчика отсутствуют какие-либо искусственные источники излучения, счетчик регистрирует так называемый фон.

Фон счетчика обусловлен регистрацией космического излу­ чения и излучения рассеянных естественных радиоактивных изо­ топов. Фон измеряется скоростью счета счетчика в отсутствие искусственного источника излучения. Для данного счетчика и его местонахождения фон счетчика в пределах статистических флуктуаций есть величина постоянная.

Эффективностью счетчика в отношении регистрации данного вида излучения называется вероятность регистрации частиц данного излучения. Эта вероятность измеряется отношением числа зарегистрированных частиц к числу частиц, прошедших через рабочий объем счетчика. Эффективность счетчиков при регистрации а- и |3-излучений близка к 1, или 100%- При реги­ страции у-излучения эффективность счетчиков меньше 0,01, т. е. меньше 1%. Это объясняется тем, что вероятность осуществле­ ния актов ионизации у-фотонами значительно меньше, чем за­ ряженных частиц. Счетчик регистрирует только те фотоны, которые вызовут образование в нем хотя бы одной пары ионов. Но значительная часть (более 99%) фотонов проходит через счетчик, не образуя ни одной пары ионов. Для увеличения эффективности счетчика при регистрации у-фотонов применяют цилиндрические счетчики с относительно толстыми стенками. Увеличение толщины стенки счетчика (до некоторого оптималь­ ного предела) повышает вероятность появления в ней комптон- и фотоэлектронов, которые, попав в рабочий объем счетчика, регистрируются.

Если к счетчику приблизить какой-либо препарат, содержа­ щий радиоактивный изотоп, то счетчик будет регистрировать его излучение. Мерой активности радиоактивного изотопа мо­ жет служить скорость счета (число импульсов в единицу вре­ мени), регистрируемая сверх фона счетчика. Измерение актив­ ности препаратов в единицах скорости счета счетчика называется относительным. Измерение активности по числу распадов в секунду (расп/сек) или в кюри называется абсолютным измере­ нием.

При относительном измерении активности препаратов необ­ ходимо измерять скорость счета в присутствии радиоактивного препарата N и скорость счета в его отсутствие, т. е. фон счет­ чика Nф. Тогда активность препарата, выраженная в единицах

55

При большой скорости счета, регистрируемой счетчиком, могут возникнуть просчеты частиц за счет мертвого времени счетчика. В этом случае следует экспериментально определить мертвое время счетчика т и ввести поправку на него по фор­ муле

где N и N' — истинная и зарегистрированная скорость счета соответственно.

На практике часто пользуются приближенной формулой введения поправки на мертвое время, которая справедлива при iV4<C 1:

При измерении активности радиоактивных изотопов часто важно осуществить не только относительные, но и абсолютные измерения. Методика абсолютных измерений довольно сложна. Остановимся лишь на простейшем приеме абсолютного изме­ рения активности препаратов.

Для перехода от активности препарата в относительных еди­ ницах (скорость счета) к абсолютным единицам (кюри) нужно знать так называемую эффективность счета.

Эффективностью счета при регистрации излучения данного радиоактивного изотопа называется отношение активности ра­ диоактивного изотопа, выраженной в единицах скорости счета Д, к его абсолютной активности Дабе, выраженной числом распадов

Эффективность счета можно определить измерением относи­ тельной активности А препарата-эталона * с известной абсо­

счета и абсолютной активности одинаковы (сек~1).

Таким образом, эффективность счета показывает, какая доля распадов ядер радиоактивного изотопа фиксируется счетчиком посредством регистрации излучения этого изотопа. Если отно­ сительная активность измеряется в импульсах в секунду, а абсолютная в кюри, то эффективность счета измеряется в им­ пульсах в секунду на кюри [имп/(сек-кюри)].

При последующих измерениях активности других препара­

56

условий измерения переход от относительной активности к аб­ солютной осуществляется по формуле

величины. Фон счетчика также флуктуирующая величина. Из статистической теории измерения таких величин (распределе­ ние Пуассона) следует, что средняя квадратическая статистиче­ ская погрешность (или стандартное отклонение) при регистра­

Смысл этой формулы состоит в том, что в большинстве слу­ чаев число отсчетов п будет отличаться от среднего числа

В этом случае можно утверждать, что если за время t зареги­ стрировано п частиц ( п ^ 20), то среднее_число частиц с ве­

роятностью 68,3% лежит в пределах п ± У п .

Средняя квадратическая статистическая погрешность ско­ рости счета (N = n/t) равна

Относительная статистическая погрешность выражается следую­ щим образом:

т. е. относительные погрешности полного числа зарегистрирован­ ных отсчетов и скорости счета одинаковы. Из (2.9) следует, что

погрешность измерения тем меньше (относительная погрешность меньше), чем больше скорость счета N или продолжительность времени измерения t.

Ясно также, что для достижения заданной погрешности из­

57

Сказанное в равной мере относится к оценке погрешности измерения как общей скорости счета N, так и фона Л/ф.

Но важно дать оценку погрешности измерения активности препарата A = N — Ыф.

Для скорости счета фона

Тогда относительная погрешность измерения активности пре­ парата

АN-Ыф

Другие ионизационные детекторы . В некоторых случаях,

кроме перечисленных ионизационных детекторов, основанных на газовом разряде, применяются жидкостные ионизационные камеры (регистрация ионизации в жидкостях), а также кри­ сталлические и полупроводниковые детекторы (регистрация ионизации в кристаллах и полупроводниках).

§3. ОПТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ

Как уже отмечалось, излучения, проходя через среду, про­ изводят ионизацию и возбуждение ее атомов и молекул. Часть энергии частиц, входящих в состав излучения, в конечном счете превращается во внутреннюю энергию тела, усиливается тепло­ вое движение атомов и молекул, среда нагревается. Другая часть энергии, расходуемая на возбуждение атомов и молекул, после их перехода в основное состояние выделяется в виде излучения — инфракрасного, видимого, ультрафиолетового и даже характеристического рентгеновского. Выход и спектр этого излучения зависят от химического состава среды, ее со­ стояния, а также природы проходящего через среду излучения. Явление испускания излучения веществом под действием про­ ходящего через него другого излучения называется люминес­ ценцией. Часть возбуждаемого излучения люминесценции поглощается внутри самой среды, и энергия его превращается во внутреннюю энергию, другая часть испускается средой во внешнее пространство.

58

Частица высокой энергии, проходя через среду, может со­ здать довольно интенсивную вспышку излучения люминесцен­

подробнее.

Сцинтилляционые счетчики. Счетчик, схема которого пока­ зана на рис. 2.6, состоит из двух основных частей: люмино­ фора-сцинтиллятора, который может быть жидким или твердым, и фотоэлектронного умножителя (ФЭУ). Сцинтиллятор является детектором регистрируемого излучения. ФЭУ предназначен для

59