Область непрерывного разряда. 1 глава

Существование разряда в этой области не связано с ионизацией в чувствительном объеме
детектора, а определяется напряжением, приложенным к его электродам.

Использование детекторов для регистрации ионизирующих излучений в данной области
вольтамперной характеристики невозможно.

Рассмотрим подробно счетчики Гейгера-Мюллера.

Счетчиком Гейгера-Мюллера можно считать число ионизирующих частиц, не
идентифицируя их природы, т.е импульсы, созданные α- и β-частицами будут идентичными.

Нечувствительность счетчика к новым ионизирующим частицам в период протекания
через него тока разряда, а также необходимость скорейшего его возврата в рабочее состояние,
приводит к введению в схему элементов, предназначенных для гашения самостоятельного
разряда после того, как он будет зарегистрирован.

Различают внешнее и внутреннее гашение.

При внутреннем гашении прерывание самостоятельного разряда достигается за счет
изменения внутреннего механизма разряда, такие счетчики называют самогасящимися.

Под действием ионизирующего излучения в счетчиках возникает непрерывный заряд,
обусловленный вырыванием фотоэлектронов из катода ультрафиолетовым излучением
Источниками ультрафиолетового излучения являются возбужденные атомы и молекулы ,
образующиеся в процессе прохождения в детекторе газового разряда.

Для гашения самостоятельного разряда в газоразрядный промежуток вводится
специально подобранная смесь газов, поглощающая фотоны ультрафиолетового света. Такими
добавками могут быть пары многоатомных органических газов (этиловый спирт, метан, ацетон
и др ) либо галогенов (бром, хлор и др).

Недостатками самогасящихся счетчиков с органическими добавками являются
постепенное разложение добавок на более простые соединения, которые, как правило, не
обладают гасящими свойствами, а также высокое рабочее напряжение (около 1000 — 1500 В).

Преимуществами галогенных самогасящихся счетчиков являются:

• практически неограниченный срок службы;

• низкое рабочее напряжение (300 — 500 В);

• широкий температурный диапазон работоспособности (от - 40° С до +60° С);

• большое количество электричества в каждом акте разряда (более простая электрическая
схема),

Недостатками галогенных самогасящихся счетчиков являются:

• большое время развития разряда (10^-5 сек против 10^-7) у высоковольтных
самогасящихся счетчиков с органическими добавками;

• необходимость использования относительно толстых стенок корпуса и катода из
коррозийно-стойкого материала.

При внешнем гашении прерывание самостоятельного разряда достигается за счет
специальной гасящей радиотехнической схемы, понижающей напряжение, приложенное к
электродам счетчиков до значений, при которых существование самостоятельного разряда
невозможно. Такие счетчики получили название несамогасящиеся. Наибольшее
распространение получили все-таки самогасящиеся счетчики (в первую очередь за счет
своего быстродействия). Эффективность регистрации α- или β-частиц, попавших в
чувствительный объем счетчика, составляет практически 100 %. В действительности же эти
частицы должны проникнуть в чувствительный объем через стенку датчика, что существенно
снижает эффективность их регистрации. С целью уменьшения поглощения излучения в стенках
счетчика используют торцевые счетчики с тонким входным окном, эффективность регистрации
для таких счетчиков составляет 80 — 100 %.

Эффективность регистрации γ-квантов с помощью счетчика Гейгера-Мюллера крайне
мала, что связано с малой толщиной стенки, и следовательно с малой вероятностью образования
вторичных электронов, которые вызывают ионизацию в чувствительном объеме счетчика.
В случае увеличения толщины стенки до размеров превышающих пробег электрона в веществе
стенки, вновь образованные электроны не будут достигать чувствительного объема. В
целом эффективность регистрации γ-квантов при помощи счетчиков Гейгера-Мюллера не
превышает 1— 3 %.

У газоразрядных счетчиков наблюдается значительная зависимость эффективности
регистрации от энергии падающего γ-излучения. Даже с использованием сглаживающих
фильтров (фильтров, поглощающих γ-излучение определенной энергии) ход с жесткостью
составляет ± 25 %.

Формирование импульса напряжения газоразрядного счетчика.Под действием
ионизирующего излучения в газоразрядном счетчике возникает ионизационный ток (рис. 7.6).
Этот ток заряжает конденсатор. Через некоторое время конденсатор начинает разряжаться,
и разрядный ток проходит через нагрузочное сопротивление, вызывая на нем
кратковременное падение напряжения — импульс напряжения. Слабый импульс напряжения
после усиления поступает на преобразующее, а затем на регистрирующее устройство.

Параметры газоразрядных счетчиков. Газоразрядные счетчики характеризуются
следующими параметрами, счетная характеристика, фон счетчика, разрешающая способность,
эффективность, ход с жесткостью и срок службы счетчика.

Рис.7.6. Устройство и схема включения газоразрядного счетчика:

1 — стеклянный баллон (корпус),

2 — металлическая нить (анод),

3 — металлический цилиндр или металлизированное покрытие (катод)

Счетная характеристика счетчика представляет собой зависимость скорости счета от
напряжения на счетчике при постоянной интенсивности излучения и определенном пороге
дискриминации регистрирующего устройства Порог чувствительности обычно соответствует
началу области Гейгера U_г. Счетная характеристика имеет участок 100 — 300 В, на котором
скорость счета почти не изменяется с напряжением на счетчике (рис.7.7). Рабочее напряжение
счетчика выбирают в середине или в первой трети горизонтального участка (плато) Плато
счетчика имеет некоторый подъем (наклон), обусловленный появлением ложных импульсов.
Наклон плато — относительное возрастание скорости счета при увеличении напряжения
на 1 В равно

(7.17)

где: Ν_нп — скорость счета в начале плато; Ν_кп — скорость счета в конце плато;
ΔU — протяженность плато в вольтах. У большинства типов счетчиков наклон плато не
превышает 0,1 — 0,15 %.

Рис 7.7. Счетная характеристика счетчика:

U_{н с} — напряжение начала счета,
U_нп — напряжение в начале плато,
U_раб — рабочее напряжение,
U_кп — напряжение в конце плато

Фон счетчика Ν_ф — средняя скорость счета счетчика при рабочем напряжении в
отсутствие ионизирующего излучения. Фон счетчика в основном обусловлен космическим
излучением, радионуклидами, входящими в материал счетчика (⁴⁰K, ¹⁴C и др.), его
загрязнением и ложными импульсами. Фон счетчика от космического излучения обычно
равен 2 — 3 имп./мин на 1 см² поверхности трубки. Для уменьшения фона от космического
излучения счетчики помещают в массивные (свинцовые, стальные, ртутные)
светонепроницаемые экраны.

Разрешающая способность счетчика — это время, через которое счетчик может
зарегистрировать следующую частицу. В результате внутренних процессов на некоторое
время после регистрации частицы счетчик становится нечувствителен к очередной попадающей
в него частице. Это время принято называть мертвым временем счетчика. Мертвое время
счетчика приводит к просчетам, которые необходимо учитывать введением соответственных
поправок. Истинная скорость счета N₀ при N t_M < 1 может быть определена из соотношения

N₀ = N/(l-Nt_M), (7.18)

где N — экспериментальная скорость счета; t_M — мертвое время.

Эффективность счетчика ε— отношение числа частиц, вызвавших импульс (n₁), к
общему числу частиц (n₂), попавших в счетчик в единицу времени:

ε = (n₁/n₂)100%. (7.19)

Эффективность газоразрядных счетчиков может быть от долей процента до 100%.
Эффективность 100% означает, что счетчик на каждую влетевшую частицу выдает один
импульс. Такую эффективность имеют некоторые β-счетчики. Эффективность
газоразрядных счетчиков к γ-излучению~ 1-3%. Эффективность зависит от конструкции,
материала счетчика и энергии излучения.

Ход с жесткостью. Установим связь между скоростью счета и мощностью поглощенной
дозы для счетчика, который используется для дозиметрии фотонного излучения. Выразим
через φ и φ_E соответственно плотность потока фотонов и плотность потока энергии фотонов.
Тогда мощность поглощенной дозы

Рγ= μ_en,mφ_E = μ_en,m Е· φ = μ_en,m ·Е(n_cч/ ε _сч), (7.20)

где E — средняя энергия фотонов; μ_en,mι — массовый коэффициент поглощения энергии
фотонов в воздухе; n_cч — число разрядов в счетчике за 1 с, отнесенное к единице поверхности
счетчика; ε_сч —эффективность счетчика.

Преобразовав (7.20) к виду

n_cч/Рγ=ε _сч/(μ_en,mЕ),

(7.21)

получим выражение для энергетической зависимости чувствительности счетчика (ход с
жесткостью). В дозиметрии фотонного излучения с помощью газоразрядных счетчиков
зависимость их чувствительности от энергии играет большую роль и, по существу, определяет
их пригодность для этого. Полностью избавиться от хода с жесткостью не представляется

возможным, однако использование специально подобранных многослойных фильтров
позволяет добиться практически постоянной чувствительности по плотности потока энергии
некоторых счетчиков в диапазоне энергий фотонов 0,09 — 2,5 МэВ.

Срок службы счетчика определяется общим числом зарегистрированных частиц без
существенных изменений параметров счетчика. Например, срок службы высоковольтных
счетчиков — порядка 10⁹—10¹⁰ импульсов. Несамогасящие и галогенные счетчики
характеризуются более длительным сроком службы.

Определение активности радионуклида на регистрирующих установках. Существуют
два основных метода измерения активности радионуклида на регистрирующих установках:
относительный и абсолютный.

Сущность относительного метода измерения активности радионуклида состоит в
сравнении скорости счета от источника с известной активностью, со скоростью счета от
источника с неизвестной активностью. Активность радионуклида определяется по формуле

A_x = A_изв^. N_x/ N_изв, (7.22)

где A_изв — активность источника; N_x и N_изв — скорости счета соответственно от источника с
неизвестной и известной активностью.

Для определения активности радионуклидов относительным методом необходимо иметь
большой набор источников, различающихся по активности, изотопному и химическому составу.
При относительном методе определения активности вносятся поправки на разрешающее
время и фон. Относительный метод прост и точен, но может иметь большую погрешность
измерений из-за неэквивалентности сравниваемых источников.

Сущность абсолютного метода измерения активности сводится к определению
полной (4π) активности источника. Активность источника рассчитывается как произведение
измеренной скорости счета N от источника на ряд поправочных коэффициентов:

A=K_і^.N, (7.23)

где К_і — суммарный поправочный моэффициент, или иначе, цена одного деления в импульсах.

Для регистрации нейтронов используют ионизацию, возникающую в результате ядерных
реакций или упругих соударений с нейтронами. Для регистрации медленных нейтронов
применяют счетчики с борными наполнителями (типа BF₃), а для регистрации быстрых
нейтронов — с органическими наполнителями. Так как детектирование нейтронов, как
правило, ведется при наличии высокого γ-излучения, которое вызывает ионизацию
Чувствительного объема вторичными электронами, (и следовательно ионизация меньше, чем
от атомных ядер и протонов, образующихся при ядерных реакциях), то для регистрации
нейтронов используют газоразрядные счетчики, работающие в пропорциональном режиме.

Основная задача в дозиметрии — определение поглощенной энергии в жизненно важных
тканях организма человека. Так как эффективный атомный номер этих тканей Ζ_эф = 7,42
близок к эффективному атомному номеру воздуха Ζ_эф = 7,64, то можно определять
поглощенную энергию в тканях организма человека по результатам измерения ионизации,
создаваемой рассматриваемым излучением воздухе.

Установим связь между током насыщения в ионизационной камере и мощностью
поглощенной дозы в воздухе. В соответствии с (7.12) при электронном равновесии

ΔЕ_В = μ_еn,В^.ΔЕ_z/μ_en,Z, (7.24)

где ΔΕ_Β— энергия, поглощаемая в единицу временив единице объема воздуха при нормальных
условиях в месте расположения камеры.

На основании формулы Брэгга-Грея [формула (7.9)] с учетом (7.24) и соотношения
і_н = q· V·e [формула (7.15 )], где q = N и используя соответствующие коэффициенты поглощения
энергии, рассчитанные на электрон, получим следующее соотношение между мощностью
поглощенной дозы в воздухе P_γ и током насыщения в ионизационной камере:

(7.25)

где а — постоянный коэффициент, учитывающий размерность величин.
Для чувствительности камеры получим отсюда следующее выражение:

(7.26)

Если эффективный атомный номер материала стенок камеры равен эффективному атомному
номеру воздуха, то μ_en,э,Z/μ_еn,э,В = 1. ·

Для камер с твердыми воздухоэквивалентными стенками можно считать также,
что S_э,в/S_э,Z = 1. Тогда чувствительность ионизационных камер с воздухоэквивалентными
стенками равна е · V/(а·ω) и не зависит от энергии фотонов. Коэффициент а определяется из
условия, что при мощности поглощенной дозы 1 Гр/с заряд, образующийся в 1 см³ камеры
за 1 с, равен

3,8_·10^-8Кл/(с_·см3). (7.27)

Отсюда

i_н = 3,8 ·10^-8·V·P_γ. Ρ_γ=2,6·10⁷·i_н/V, (7.28)

где P_γ — мощность поглощенной дозы в воздухе, Гр/с; i_H — ток насыщения в камере,
наполненной воздухом при температуре 0 ⁰C и давлении 1013 гПа (760 мм рт.ст.), А;
V — объем камеры, см³. Если ток насыщения измеряется при температуре t ⁰C и
давлении р₀, гПа, то

(7.29)

При регистрации отдельных

частиц ионизационными камерами амплитуду импульса

напряжения, поступающего на вход усилителя, определяют по формуле

ΔU=e^.N/C.

(7.30)

где е — заряд электрона; N — число пар ионов, образованных за единицу времени в
единице объема газа; С — электрическая емкость камеры.

СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ МЕТОД

Название данного метода указывает, что в его основу положено явление сцинтилляции.

Некоторые вещества (сцинтилляторы) обладают той особенностью, что процесс
прохождения через них ионизирующих излучений сопровождается слабыми световыми
вспышками, которые могут быть обнаружены и измерены аппаратурой, обладающей высокой
светочувствительностью.

Физическая основа спинтилляционного метода — возбуждение и ионизация атомов и
молекул вещества при прохождении через него заряженных частиц. Через определенное
время они переходят в основное состояние, испуская световое излучение, спектр которого
зависит от структуры энергетических уровней атомов и молекул вещества. Вспышка света
может произойти и при прохождении через сцинтиллятор косвенно ионизирующего
излучения за счет вторичных частиц. При прохождении фотонов это электроны отдачи и
фотоэлектроны, а при прохождении нейтронов это ядра отдачи или заряженные частицы,
появившиеся в результате (n, α)-, (n,р)-реакций и т.д.

Рассмотрим механизм высвечивания неорганического сцинтиллятора. Свечение связано с
существованием центров люминесценции, обусловленных наличием каких-либо примесей.

Рис. 7.8. Механизм высвечивания неорганического сцинтиллятора.

1 — переход электрона из валентной зоны в зону проводимости,

2 — захват дырки центром люминесценции,

3 — рекомбинация электрона с дыркой на центре люминесценции,

4 — возбуждение центра люминесценции,

5 — излучательный переход в основное состояние

Для объяснения протекающих процессов воспользуемся зонной моделью энергетических
уровней электронов в кристалле. Электроны в изолированных атомах могут иметь лишь
некоторые дискретные значения энергии. В результате существования химических связей
между атомами в кристалле, каждый энергетический уровень электрона расщепляется в
непрерывный набор разрешенных уровней, называемый зоной. Совокупность разрешенных
энергетических уровней для свободных электронов называется зоной проводимости, а для
электронов, которые участвуют в образовании валентных связей между атомами
кристалла, — валентной зоной. Для перевода электрона из связанного состояния в валентной
зоне в свободное состояние в зоне проводимости необходимо передать ему энергию, равную
энергии валентной связи. Эта энергия определяет ширину запрещенной зоны, разделяющей
зону валентных уровней и зону проводимости. Запрещенная зона не содержит электронных
энергетических уровней, если в кристалле отсутствуют примеси и дефекты структуры.

Под воздействием ионизирующего излучения происходит переход электрона из
"валентной зоны" "в зону проводимости". Дырка, или вакансия, которая образуется при
этом, переходит из "валентной зоны" в "запрещенную зону" на уровень L и становится
центром высвечивания (люминесценции). Электрон притягивается избыточным
положительным зарядом и рекомбинирует с дыркой. Центр люминесценции переходит в
возбужденное состояние, которое снимается излучением светового фотона.

Высвечивание органических сцинтилляторов объясняется внутримолекулярными
процессами возбуждения одной из химических связей с последующим снятием возбуждения
излучением светового фотона.

Сцинтиляторы характеризуются следующими параметрами:

• сцинтилляционной конверсионной эффективностью;

• световым выходом;

• временем высвечивания;

• прозрачностью к собственному излучению.

Конверсионная эффективность η_κ—отношение энергии световых фотонов Е_фк энергии
заряженной частицы E_n, поглощенной в сцинтилляторе (та часть поглощенной в сцинтилляторе
энергии ионизующего излучения, которая преобразовалась в энергию световой вспышки);

η_κ=Е_ф/Е_n. (7.31)

Значение η_κ зависит от типа сцинтиллятора и изменяется в пределах от 0,01 до 0,3.
Из соотношения (7.31) можно определить число фотонов n_ф, испущенных спинтиллятором:

n_ф =η_к E_n/E, (7.32)

где E — средняя энергия фотона.

Световой выход χ — отношение числа фотонов световой вспышки к энергии
ионизирующего излучения, поглощенной в сцинтилляторе:

χ =n_ф/E_n= η_к/E. (7·33)

Время высвечивания τ — среднее время жизни, которым характеризуются возбужденные
состояния атомов. Это время характерно для каждого сцинтиллятора и колеблется в
пределах 10^-9— 10^-5 с. Временное распределение фотонов подчиняется экспоненциальному
закону

n=[n₀^.exp(-t/τ)]/τ, (7.34)

где n — число фотонов, испускаемых в единицу времени. Постоянная времени
высвечивания τ характеризует время, необходимое для уменьшения максимального
количества испускаемых фотонов в е раз.

Различают органические и неорганические сцинтилляторы. Органические сцинтилпяторы
представляют собой монокристаллы некоторых органических соединений — антрацена,
стильбена. нафталина, толана. Содержание водорода в органических сцинтилляторах позволяет
использовать их для регистрации быстрых нейтронов. Антрацен обладает наибольшей
конверсионной эффективностью (η_κ ~ 0,04) среди всех органических кристаллов, но очень
чувствителен к резким изменениям температуры, которые приводят к потере
сцинтилляционных свойств.

Более устойчивым монокристаллом является стильбен, который широко используется
для регистрации быстрых нейтронов. Стильбен удобен также при использовании в аппаратуре
разделения при регистрации частиц разных типов. Он обладает очень малым временем
высвечивания быстрой компоненты (τ ~ 6 · 10^-9 с) и относительно высокой конверсионной
эффективностью (η_κ ~ 0,02).

При детектировании тяжелых частиц, органические сцинтилляторы имеют низкий и
нелинейный (в зависимости от энергии) световой выход.

Существуют также жидкие и пластические органические сцинтилляторы. В
сцинтиллирующих пластмассах некоторые органические вещества образуют твердые растворы
в полистироле (например, терфенил в полистироле С₁₈ H₁₄ ). Пластмассовые органические

сцинтилляторы состоят из растворителя, активаторов и сместителя спектра. Высокая
прозрачность материалов позволяет изготовить детекторы больших размеров.
Пластмассовые сцинтилляторы хорошо обрабатываются механически. Конверсионная
эффективность пластмассовых сцинтилляторов 0.05 — 0,5 относительно антрацена, время
высвечивания (2 — 8)·10^-9 с. При понижении температуры люминесцентные свойства
пластмассовых сцинтилляторов улучшаются.

Жидкие сцинтилляторы явпяются растворами некоторых органических веществ, например
паратерфенила, в органических растворителях — толуоле, ксилоле и др. Жидкие органические
сцинтилляторы подразделяются на двухкомпонентные (раствор и активатор) и
многокомпонентные (раствор, активатор и сместитель спектра). Световой выход у жидких
сцинтилляторов меньше, чем у органических кристаллов. Он составляет от 0,04 до 0,4
относительно светового выхода антрацена; конверсионная эффективность относительно
антрацена та же, что и у пластиковых сцинтилляторов, время высвечивания меньше, чем у
антрацена и составляет 10^-9с. Жидкие сцинтилляторы позволяют изготавливать детекторы
больших размеров, имеют хорошую прозрачность, просты и дешевы, пригодны для
регистрации всех видов излучений в геометрии 4π. Для регистрации тепловых нейтронов в
раствор вводят соединения бора, кадмия, гадолиния и др.

Жидкие и пластмассовые сцинтилляторы имеют ряд существенных достоинств возможно
приготовление сцинтилляторов очень большого объема, введение в них радиоактивных
веществ, что особенно ценно при измерениях мягких β-излучателей (Н³, С¹⁴, S³⁵).

Неорганические сцинтилляторы, применяемые для детектирования и спектрометрии
ионизирующего излучения, можно разделить на три группы: сульфиды (ZnS,
активированные серебром или медью; CdS, активированные серебром); галогениды щелочных
металлов (NaI, CsI, LiI, активированные таллием; CaL₂, LiI, активированные европием, CsF —
неактивированный) и вольфраматы (CaWO₄, CdWO₄). При выращивании кристаллов в
большинство из них вводятся специальные примеси (активаторы), которые увеличивают
плотность центров люминесценции. В таблице 7.1 даны характеристики некоторых
неорганических кристаллических сцинтилляторов.

Таблица 7.1.
Характеристики некоторых неорганических сцинтилляторов

В настоящее время в большинстве сцинтилляционных счетчиков используется йодистый
натрий, активированный таллием. Химическая формула записывается как NaI(Tl). Добавки
таллия позволяют увеличить световыход кристаллов при комнатной температуре. Когда
при потерях энергии фотонов образовътаются фотоэлектроны, комптоновские электроны и
электронно-позитронные пары, то в фосфоре они преобразуются в световую вспышку с
длительностью около четверти микросекунды. Световые фотоны находятся в голубой
области оптического спектра (длина волны около 4100 ангстрем или 410 нанометров). Из-за
малого времени формирования вспышки счетчик может работать при больших скоростях
счета. Интенсивность световой вспышки прямо пропорциональна энергии, потерянной
фотоном в кристалле. Кристаллы NaI(TI) почти исключительно используются для регистрации
гамма-излучения. Основная причина — его гигроскопичность. Кристалл поглощает влагу
из окружающего пространства. Незащищенный кристалл NaI, оставленный на неделю без
соответственной упаковки, разрушится, превратившись в мелкий порошок. Это означает,
что кристалл должен быть всегда в герметичной упаковке, предотвращающей его контакт с
содержащим влагу окружающим воздухом. Преимущественно кристаллы упаковываются в
алюминиевый стакан, покрытый изнутри светоотражающим составом. Кристалл NaI(Tl)
плотно помещается в стакан и закрывается стеклянным или кварцевым окном (рис 7.9).
Металлический контейнер эффективно защищает кристалл от попадания в него α- или
β-частиц.

Рис 7.9 Упакованный кристалл NaI(Tl).

Для того, чтобы получить спинтилляционный детектор, упакованный кристалл
соединяется оптически с входным окном фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) —
электронного прибора, преобразующего слабые световые вспышки в большой электрический
сигнал. Работа ФЭУ поясняется на чертеже, показанном на рис.7. 10. Световые фотоны из
сцинтиллятора (1) через светопровод попадают во входное окно ФЭУ. Внутренняя
поверхность входного окна, покрыта материалом, который испускает электроны при
попадании в него световых фотонов, называется фотокатодом. Электроны из фотокатода (2)
через фокусирующую диафрагму (3) притягиваются к металлическим элементам (4),
называемым динодами, благодаря приложенной снаружи разности потенциалов. Каждый
ускоренный электрон, тормозясь в диноде, выбивает из него несколько вторичных электронов,
которые благодаря специальной геометрии динода направляются на последующий динод