книги из ГПНТБ / Мазин П.Н. Основы ядерной электроники учеб. пособие

ет зависимость биологического воздействия излучения от распределения внутренних источников при неоднородности последних, и другие коэффициенты. В настоящее время оп­

ределять эти коэффициенты очень сложно. Обычно применя­ ют эквивалентную дозу, представляющую собой произведе­

ние поглощенной дозы на коэффициент качества. Единицей эквивалентной дозы является бэр - биологический эквива­ лент рада. Бэр - единица поглощенной дозы любого вида ядерного излучения в биологической ткани, которая соз­ дает такой хе биологический эффект, как и поглощенная доза квантового излучения в I рад.

Формула, связывающая мощность эквивалентной дозы с плотностью потока, в общем случае имеет вид

180

где ср - плотность потока;

- энергия частицы, поглощенная полностью в данной среде;

кк- коэффициент качества.

Вразвернутом виде для моноэнергетических бета-час­

тиц эта формула имеет такой вид:

лучения нетрудно определить дозу облучения, которую по­ лучил данный объект.

181

МЕТОДЫ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ ЯДЕРНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ

§ I . Ионизационный метод детектирования ядетоых излучений

I . Физические основы метода

Сущность ионизационного метода детектирования ЯИ заключается в получении ионизационного эффекта в веще­ стве чувствительного объема детектора и установлении связи меяду ним и параметрами ядерного излучения с по­ следующей регистрацией этого эффекта. Метод, таким об­ разом, основан на способности ядерного излучения про­ изводить непосредственную или косвенную ионизацию ве­ щества.

Для осуществления метода создается электроразрядный промежуток меаду двумя электродами, который заполняет­ ся детектирующим веществом (газообразным, диэлектричес­ ким, полупроводниковым). Ядерная частица взаимодейству­ ет со средой, создавая в итоге определенное количество положительных и отрицательных ионов. Параметры этой ионизации пропорциональны параметрам ЯИ. Для формирова­ ния сигнала на выходе детектора ионы собираются на электроды под действием электрического поля. При движе­ нии ионов на электродах наводятся заряды, которые и оп­

182

ределяют выходной сигнал детектора. Так как ионизацион­ ный эффект зависит от вида рабочей среды, ядерного из­ лучения, его энергии и интенсивности, а такие от напря­ женности поля в межэлектродном пространстве, определе­ ние сигнала на выходе детектора и последующий его ана­ лиз довольно сложны.

Рассмотрим процессы в детекторе более подробно. Прежде всего необходимо особое внимание обратить на статистический характер взаимодействия ядерного излуче­ ния с веществом детектора. Ядерная частица тратит свою энергию не только на ионизацию атомов, но и на сообщение ионам скорости, на возбуждение атомов и молекул. Поэто­ му энергия, которую ядерная частица передает веществу, значительно больше энергии, которую она затрачивает на

энергия равна примерно 34 эв.

Количество пар ионов, созданных ядерной частицей с энергией £ , будет определяться зависимостью

( 4 . I . I )

где ft - среднее число пар ионов, созданных части-

Ецей с единичной энергией.

Величина считается распределенной по закону Пуассона, если не учитывать связи между отдельными акта­ ми взаимодействия. Закон Пуассона для этого случая име­ ет вид _ у

Щ )= ^ 7 Г Г е '" е ■

N£ .

183

Этот случай характерен для малых энергий ядерных частиц. При большой их энергии возрастает вероятность образования дельта-электронов, которые вносят корреля­ цию в случайный процесс. Если при выполнении закона Пуассона взаимодействие было однородным и энергия пере­ давалась небольшими порциями, т.е. каждый акт взаимо­ действия вносил примерно одинаковый вклад в процесс, то появление дельта-электронов, способных производить самостоятельную ионизацию, приводит к появлению неод­

нородностей, как энергетических, так и пространственных. Строго говоря, закон Пуассона в этом случае не выпол­ няется. В каждом конкретном случае корреляционные связи нужно учитывать отдельно. Фано [ IJ предложил способ оп­ ределения дисперсии закона распределения числа пар ио­ нов по формуле

ет разное значение, определяемое по табли­ цам. Обычно фактор Фано для воздуха колеб­ лется в пределах 0,3 - 0,5.

Формула (4 .I.I) не учитывает того факта, что энер­ гия ядерной частицы также меняется по какому-то случай­ ному закону. Это особенно характерно для бета-излуче­ ния, которое имеет сплошной энергетический спектр.Тог­

где Ы£ - математическое ожидание числа пар ионов, созданных частицей с единичной энергией;

184

£- математическое ожидание энергии ионизирую­ щей частицы.

Очевидно, закон распределения пар ионов в этом случае будет определяться двумя законами для /Vf и Е .

Вслед за ионизацией в детекторе начинается процесс переноса ионов на электроды. При этом имеют место два основных процесса: диффузия и дрейф, могут иметь место второстепенные процессы, например рекомбинация, прили­ пание ионов к молекулам и атомам. Плотность тока ионов в межэлектродном промежутке в общем случае состоит из четырех частей.

Плотность тока положительных ионов за счет диффузии определяется формулой

е- заряд иона.

Знак минус появляется из-за противоположного направле­ ния тока и градиента.

Плотность тока отрицательных ионов за счет диффузии определяется аналогично?

Знак минус отсутствует, так как учтен еще минус заряда

электрона.

Плотность тока положительных и отрицательных ионов за счет дрейфа соответственно равна

+ enf w-+

186'

7пак. минус во втором случае отсутствует из-за дрейфа электронов против поля.

Суммарный ток, очевидно, равен

1 i=i ^ S '

Перемещаясь к электродам, ионы могут рекомбиниро­ вать, если они достаточно долго находятся вблизи друг друга. Изменение концентраций ионов во времени за счет рекомбинации пропорционально величинам этих концентра­ ций:

нейтральным молекулам с образованием малоподвижного от­ рицательного иона. Характеризуется прилипание вероятно­ стью этого процесса -h , которая зависит от состава газа. Наиболее вероятно прилипание у кислорода, паров воды, галогенов. При конструировании детекторов это нужно учитывать.

Несколько

186

зависит от напряженности поля, состава газа и его дав­ ления:

р- давление газа.

Часто можно встретить другое написание формулы:

В этом случае подразумевается, что давление газа равно 760 ш рт.ст. При пользовании таблицами для определе­ ния подвижности [ 13 ] необходимо обращать внимание на ее размерность. Приведем пример такой таблицы

(табл. 4.1).

2. Вольтяштепная характеристика разряда в газах

Вольтамперная характеристика представляет собой за-

187

нии напряженности электрического поля скорость движе­ ния ионов возрастает, а вероятность рекомбинации умень­ шается, доля заряда, собранного на электродах, увели­ чивается. Ток подчиняется закону Ома, и вольтамперная характеристика пойдет по наклонной прямой, проходящей через начало координат. В связи с этим участок I но­ сит название участка подчинения закону Ома. При даль­ нейшем повышении напряжения доля рекомбинации падает настолько, что пропорциональность между током и напря­ жением становится нелинейной. Когда доля рекомбинации становится пренебрежимо малой, наступает насыщение, т.е. практически число заряженных частиц, уносимых на электроды, становится равным числу заряженных частиц, образуемых за то же время источником НИ. Дальнейшее увеличение напряженности поля не вызывает возрастания

тока. Участок П носит название области неполной пропор­ циональности. Участок Шназывается областью тока насы­ щения или "плато". На этом участке работают ионизацион­ ные камеры, которые используют зависимость между током насыщения и числом пар ионов, образующихся в рабочем объеме ионизационной камеры под действием источника ядерных излучений.

При напряженности поля, соответствующей окончанию плато, в газоразрядном промежутке начинается процесс образования лавин (лавинная теория предложена Таунсен­ дом в 1900 г .) . Механизм образования лавин можно описать следующим образом (рис. 4.2).

189