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

преобразования излучения сцинтилляции в электрический им­ пульс.

В сцинтиллятор вводят добавку (примесь) вещества-акти­ ватора, которая повышает конверсионную эффективность сцин­ тиллятора. Например, в такие сцинтилляторы, как йодистый натрий (Nal), вводят небольшую примесь таллия. Запись Nal(Tl) означает, что сцинтиллятор — йодистый натрий — акти­ вирован таллием. Сцинтиллятор имеет оптический контакт с фотокатодом ФЭУ. Часть излучения сцинтилляции попадает на фотокатод ФЭУ, и фотоны вырывают из него фотоэлектроны (фотоэффект). Катод изготовляют напылением на стекло веще­ ства с высоким выходом фотоэлектронов. Например, сурьмяно­ цезиевый катод испускает 8— 15 фотоэлектронов на 100 падаю­ щих фотонов.

ФЭУ является электровакуумным прибором, где последова­ тельно расположено несколько (8— 13) электродов-анодов, которые называются динодами. На катод и последний анод от высоковольтного источника постоянного тока подается напря­ жение 1500—2000 в, которое через систему сопротивлений рас­ пределяется между динодами.

Фотоэлектроны, получив ускорение в электрическом поле до энергий 150—200 эв, ударяются о поверхность первого динода и выбивают из него в среднем два — четыре вторичных элек­ трона. Это явление называют вторичной электронной эмиссией.

всвою очередь ускоряется в электрическом поле между первым

ивторым динодами и выбивает из второго динода вновь два — четыре электрона и т. д. Так от динода к диноду происходит размножение электронов. Если в ФЭУ имеется п динодов, то коэффициент усиления ФЭУ будет равен ап. Коэффициент уси­ ления ФЭУ зависит от материала динодов, их числа и напря­ жения между ними. У современных ФЭУ он достигает 105— 107. Лавина электронов, падающая на последний динод, создает

импульс напряжения на нагрузочном резисторе R. Этот импульс затем усиливается и преобразуется подобно тому, как это про­ исходит в регистрирующем блоке счетчика Гейгера—Мюл­ лера.

Очень важный момент в наладке работы ФЭУ'— подбор на­ пряжения на диноды. Необходимо подобрать такое напряжение, чтобы импульс напряжения на выходе ФЭУ был пропорционален интенсивности сцинтилляции в сцинтилляторе.

Сцинтилляторами могут быть газообразные, жидкие и твер­ дые, неорганические и органические вещества с достаточной «прозрачностью» для излучения сцинтилляции, т. е. поглощение излучения сцинтилляции должно быть минимальным. Это обес-

fiO

печивает наибольший выход фотонов из сцинтиллятора, а сле­ довательно, и наибольший выход фотоэлектронов и наибольший электрический импульс на выходе ФЭУ.

Важной характеристикой сцинтиллятора является время вы­ свечивания. Время пролета частицы через сцинтиллятор состав­ ляет примерно 10~10 сек. Для получения наибольшей разрешаю­ щей способности сцинтилляционного счетчика выбирают сцин­ тилляторы с временем высвечивания 10~6— 10~9 сек. Таким образом, мертвое время сцинтилляционного детектора значи­ тельно меньше, чем у газоразрядных счетчиков. Это одно из важных преимуществ сцинтилляционных счетчиков. Последние применяют для регистрации всех видов излучений. Часто ис­ пользуют сцинтилляторы, характеризующиеся избирательной чувствительностью к отдельным видам излучения. Например, ZnS(Ag) обладает высокой чувствительностью к а-частицам. Кристаллы Nal(Tl) обычно применяют для регистрации уФ °тонов. При этом эффективность регистрации у-фотонов достига­ ет 60%, тогда как эффективность регистрации этого же вида

лучения с большой плотностью потока.

Есть еще одно важное преимущество сцинтилляционных счетчиков. Оно заключается в том, что интенсивность излучения сцинтилляции в ряде сцинтилляторов, таких, как N al(Tl), ан­ трацен, пропорциональна поглощенной энергии, выделяемой регистрируемой частицей в сцинтилляторе. Это позволяет использовать сцинтилляционные счетчики в качестве спектро­ метрических приборов-анализаторов спектров излучений.

Для некоторых специальных целей кроме жидких и твердых сцинтилляторов используют также и газовые сцинтилляторы (например, ксенон и другие благородные газы).

Люминесцентные аккумулирующие детекторы. Имеется груп­ па твёрдых веществ, обладающих способностью накапливать, аккумулировать поглощенную энергию при прохождении через них ионизирующих излучений. Механизм этого явления обуслов­ лен спецификой свойств и строения некоторых твердых веществ. В таких веществах под действием излучения электроны пере­ ходят в зону проводимости и накапливаются в особых местах, которые называются электронными ловушками. Твердое веще­ ство, таким образом, может находиться в возбужденном состоя­ нии длительное время. Переход из возбужденного состояния в основное может быть стимулирован каким-то внешним воздей­ ствием: нагреванием, облучением инфракрасным светом, ультра­ звуком, электрическим полем и др. Такое внешнее воздействие разрушает центры накопления электронов в ловушках, и энергия возбуждения передается фотонам, рождаемым в процессе пере­

61

хода вещества в основное состояние, — испускается излучение люминесценции.

Например, существуют термолюминесцентные детекторы. Вы­ свобождение накопленной под действием излучения энергии в виде люминесценции в них происходит при термическом воздействии (нагревание).

Стимулированное излучение люминесценции регистрируется, как правило, также при помощи фотоэлектронных умножителей. Из известных в настоящее время веществ лучшими термолю­ минесцентными свойствами обладают поликристаллические люминофоры CaF2Mn, MgF2Mn, LiF, CaS04Mn, а также алюмо-

фосфатные стекла. Созданные на их основе детекторы могут измерять интегральные величины — поток частиц и энергию ■излучения, т. е. общее число частиц, прошедших через детек­ тор, или общую энергию излучения, поглощенную детекто­ ром.

Во вспышечных детекторах излучение люминесценции сти­ мулируется более длинноволновым светом, чем свет люминес­ ценции. В них в качестве люминофоров используют такие вещества, как SrS(Eu, Sra), NaCl(Ag), KCl(Ag).

Некоторые вещества обладают свойством переходить из возбужденного состояния в основное не путем испускания излучения люминесценции, а путем испускания электронов. Накопленные в электронных ловушках (центрах) электроны под действием какой-либо внешней стимуляции (термической или оптической) испускаются во внешнее пространство. Это явление получило название экзоэлектронной эмиссии. К таким веществам относятся, например, MnS04, ZnO, NaCl, А120 3 и др. Эмиттируемые такими интегральными детекторами электроны реги­ стрируются газоразрядными счетчиками или другими детекто­ рами электронов.

Существуют и другие твердые вещества, свойства которых используют для регистрации и измерения интегральных потоков 'излучений. Это, например, вещества, изменяющие свою окраску под действием излучения. На их основе созданы колориметри­ ческие детекторы (силикатные и фосфатные стекла, некоторые пластмассы и др.). Есть вещества, которые, накапливая погло­ щенную энергию в электронных ловушках, начинают люминесцировать при поглощении света. На их основе созданы радио-

фотолюминесцентные детекторы.

Наконец, имеются вещества, обладающие люминесценцией под воздействием видимого или ультрафиолетового света, но ухудшающие люминесцентную эффективность под воздействием излучения с высокой энергией и интенсивностью. На основе эф­ фекта затухания люминесценции созданы детектирующие уст­ ройства (антрацен, нафталин, пластмассы и др.), регистрирую­ щие степень затухания люминесценции под действием ионизи­ рующего излучения.

62

Счетчики Черенкова. В 1934 г. советские физики С. И. Вави­ лов и П. А. Черенков открыли явление испускания видимого излучения при движении заряженных частиц через прозрачные среды.

Теорию этого явления разработали также советские фи­ зики И. Е. Тамм и И. М. Франк. Они показали, что свечение может происходить только в том случае, если скорость заря­ женной частицы превосходит фазовую скорость света в данной среде (распространение электромагнитных волн), которая за­ висит от показателя преломления ее с'—с/п, где п — показатель преломления. Если заряженная частица движется в прозрачной

Рис. 2.7. Схема счетчика Черенкова:

С — прозрачное вещество; Л — собирающая линза; Ф — фотокатод фотоумножителя.

среде со скоростью v > c ', то скорость распространения электро­ магнитного поля заряженной частицы будет меньше, чем ско­ рость самой частицы, что и приводит к отрыву части электро­ магнитного поля заряженной частицы от самой частицы, т. е. рождаются свободные фотоны. Это есть своеобразное торможе­ ние заряженной частицы в собственном электромагнитном поле, и излучение Вавилова — Черенкова — излучение самоторможе­ ния заряженной частицы в среде. Согласно теории, угол рас­

число фотонов, испускаемых в единичном интервале частот, — от заряда частицы. Все это позволило на основе явления

Черенкова показана на рис. 2.7. Он внешне похож на сцинтилляционный счетчик. Только вместо люминофора детектором служит прозрачное вещество (плексиглас, вода и др.). Заря­ женная частица со скоростью V^>c', попадая в прозрачную среду, испускает под углом ф излучение, которое после несколь­ ких внутренних отражений через собирательную линзу фоку­ сируется на фотокатод фотоумножителя. Легко подсчитать, что при длине прозрачного детектора 10—20 см время вспышки света будет составлять порядка 10~10 сек. Таким образом, счет­ чики Черенкова характеризуются высокой разрешающей спо­ собностью. Они регистрируют только заряженные частицы со скоростью v > с/п (порог регистрации).

63

§ 4. ХИМИЧЕСКИЕ И ФОТОГРАФИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ

Излучения, проходя через вещества, производя ионизацию и возбуждение атомов и молекул, могут вызывать в них различ­ ные химические реакции.

Изучением химических реакций, происходящих в веществах под действием излучений, занимается специальная наука радиа­ ционная химия. Радиационнохимические процессы в живых организмах являются первоначальной причиной биологического действия излучений, изучением которого занимается радиобио­ логия.

Вещества, в которых происходят радиационнохимические процессы, можно использовать для детектирования излучений. Радиационнохимический эффект зависит от количества погло­ щенной энергии излучения. Следовательно, радиационнохимиче­ ские детекторы можно использовать в качестве интегральных детекторов, регистрирующих потоки энергии излучения. Мерой потока энергии излучения служит количество продукта (или продуктов) радиационнохимической реакции. В ряде случаев в результате радиационнохимических изменений среды изме­ няются некоторые физические свойства вещества (электропро­ водность, окраска, прозрачность и т. д.). В таких случаях мерой потока излучения служит изменение указанных физических свойств вещества.

Химическими детекторами могут быть газообразные, жидкие и твердые вещества. Например, в качестве реактива в газовом детекторе используется закись азота N2O. Под действием излу­ чения в качестве продуктов реакции образуются молекулярные азот, кислород и двуокись азота. При введении в закись азота двуокиси бора, лития и урана можно измерить поток нейтронов (ядерные реакции на нейтронах).

Для получения жидкостных детекторов используют органи­ ческие и неорганические растворы и их смеси. Например, в вод­ ных растворах органических веществ (индол, хлороформ, треххлорэтилен) происходят радиационнохимические процессы, в результате которых изменяются pH раствора, оптическая про­ зрачность, цвет.

В качестве примера твердых химических детекторов можно привести поливинилхлоридные пленки, в состав которых вводят краситель. Под действием излучения происходит разложение поливинилхлорида и выделяется соляная кислота, которая, дей­ ствуя на краситель, изменяет окраску пленки.

Фотографическое действие излучения. Разновидностью ра­ диационнохимического действия излучения является его фото­ графическое действие на фоточувствительные эмульсии, которые представляют собой смесь кристаллов галоидов серебра, жела­ тины и глицерина. С помощью фотографического метода было впервые открыто явление радиоактивности.

64

Фотоэмульсии наносят тонким слоем на бумагу, стеклянные пластинки и пленки (в некоторых случаях изготовляют и тол­ стые слои). При прохождении через фотоэмульсию излучения в результате ионизации высвобождаются электроны, которые захватываются ионами серебра, вследствие чего происходит восстановление серебра. Таким образом, под действием излу­ чений в фотоэмульсии происходит радиационнохимическая реак­ ция восстановления серебра. Заряженная частица, производя ионизацию по направлению своего распространения, оставляет в фотоэмульсии цепочку восстановленных атомов серебра. Сово­ купность восстановленных атомов серебра в фотоэмульсии и составляет так называемое скрытое изображение. Число атомов серебра в скрытом изображении не так велико, чтобы можно было визуально наблюдать почернение фотоэмульсии. Лишь при больших потоках прошедших частиц это почернение стано­

явления фотоэмульсии.

При обработке фотоэмульсии химическим реактивом — про­ явителем— атомы восстановленного в скрытом изображении серебра становятся центрами лавинообразного процесса восста­ новления всего серебра, содержащегося в данном кристаллике. Таким образом, при проявлении почернеют все кристаллики, через которые прошла частица излучения и вызвала образо­ вание восстановленных атомов серебра скрытого изображения. Галоидное серебро, которое не прореагировало в первичном радиационнохимическом процессе, затем удаляется из слоя фо­ тоэмульсии путем растворения в растворе гипосульфита — фик­ сирование или закрепление..

Фотографический метод используют для регистрации инте­ гральных потоков излучения. В этом случае мерой потока прошедшего излучения является степень почернения фотоэмуль­ сии после ее проявления и фиксирования. Степень почернения определяют фотометрическими методами.

Заряженные частицы оставляют в фотоэмульсии следы в виде цепочек проявленных зерен. Таким образом, слои фото­ эмульсии можно использовать для исследования свойств заря­ женных частиц. Такие методы широко используются, например,

вфизике элементарных частиц, физике космических излучений

ит. п. Многие элементарные частицы были открыты по их сле­

дам (трекам), которые они оставляли в слоях фотоэмульсии. В биологических исследованиях фотографический метод ре­ гистрации излучений также получил широкое применение. На­ пример, топографическое распределение меченных радиоактив­ ными изотопами элементов в живых организмах (в клетках, тканях, растениях) можно изучать с помощью так называемого

авторадиографического метода. Объект, содержащий радиоак­ тивный изотоп, помещают на поверхность фотографической

Камера Вильсона. Это один из старейших приборов, позво­ ляющих визуально наблюдать следы (треки) заряженных частиц. Схема камеры Вильсона показана на рис. 2.9. Принцип работы камеры основан на способности ионов быть центрами конден­ сации паров жидкости. Камера представляет собой плоский цилиндр с поршнем. Сверху камера закрывается стеклом. Воз­ дух в камере тщательно очищается от пыли (пылинки могут стать центрами конденсации пара). Камера наполняется на-

Рис. 2.9. Схема камеры Вильсона:

/ — цилиндр; 2 — поршень; 3 — прозрачное стекло; 4 — капля жидкости (воды) для насыщения камеры парами; 5 — иони­ зирующая частица, оставляющая след.

сыщенным паром (вода, спирт). При резком опускании поршня происходит адиабатическое расширение газа в камере, и газ охлаждается. Насыщенный пар при этом переходит в пере­ сыщенный. Если в этот момент в камеру проникает заряженная ионизирующая частица, то на пути ее движения образуются ионы, которые служат центрами конденсации пара. Так появ­ ляется в камере след частицы, который можно наблюдать визуально и фотографировать.

Пересыщенное состояние пара в камере сохраняется не бо­ лее 1—2 сек, после чего камера становится не пригодной для регистрации треков частиц до тех пор, пока не будет осущеществлен очередной цикл адиабатического расширения газа.

Диффузионная камера. В этой камере состояние пересыщен­ ного пара возникает в градиентном температурном поле, созда­ ваемом двумя поверхностями с разными температурами. Схема диффузионной камеры показана на рис. 2.10. Чувствительный слой пересыщенного пара (спирта) толщиной в несколько санти­ метров сохраняется неограниченное время, что создает опреде­ ленные преимущества диффузионной камеры по сравнению с камерой Вильсона.'

3* 67

Г л а в а 3

хи м и я ИЗОТОПОВ, РАДИОХИМИЯ И РАДИАЦИОННАЯ ХИМИЯ

§ 1. ОСНОВЫ х и м и и и з о т о п о в

Химия изотопов занимается изучением физико-химических свойств и поведения изотопов химических элементов. Эта дис­ циплина имеет важное значение для понимания сущности про­ цессов, которые изучаются в биологии и сельском хозяйстве с применением изотопных методов.

Рассмотрим основные понятия химии изотопов и явления, которые она изучает. В химии изотопов атомы изотопов дан­ ного химического элемента называются изотопными. У водорода, например, могут быть изотопные атомы протия JН, дейтерия jH

и трития fH. Углерод может быть представлен изотопными

Число разновидностей изотопных атомов, естественно, совпа­ дает с числом изотопов данного химического элемента. Изотоп­ ные атомы, входя в состав молекул, образуют разновидности молекул, различающиеся изотопным составом. Такие молекулы называются изотопными. Изотопные разновидности атомов и молекул по совокупности называют изотопными формами. Уже у двухатомных молекул число изотопных форм (изотопных мо­ лекул) больше числа изотопных форм атомов химического эле­ мента (изотопных атомов). Число изотопных форм быстро увеличивается с усложнением химического состава молекул

(табл. 3.1).

Изотопные молекулы могут различаться и расположением изотопов в химической структуре молекул. В связи с этим в сложных молекулах могут существовать изотопные изомеры молекул. Например, общее число изотопно-изомерных форм глицериновой кислоты, включающей изотопы водорода, угле­ рода и кислорода, достигает нескольких сот, даже если не учи­ тывать скрытую изотопную оптическую изомерию.

Изотопный обмен. В результате молекулярно-теплового дви­ жения, атомно-молекулярных взаимодействий и внутримолеку­ лярных движений в природе непрестанно происходят процессы обменного обновления атомно-молекулярного состава среды.

69