Иванов В.И (1)

ная -масса материала эмиттера; ٣ —период полураспада образуюиихся радиоактивных, атомов; ٤ —время облучения нейтро-

нами.

Электрический ток, регистрируемый во внешней цепи, пропорционален наведенной активности:

1=аАо,

где ۵ —коэффициент пропорциональности. Максимальное значение тока соответствует попаданию всех заряженных частиц на коллектор, с точки зрения эффективности попадания заряженных частиц на коллектор выгоднее эмиттер помешать внутрьколлектора, при малом периоде полураспада (Т1/2<СО ток ج

случае постоянной интенсивности нейтронов не зависит от времени облучения:

При большом периоде полураспада (71/2»^) ток пропорциона-, лен времени облучения:

Полный заряд, собранный на коллекторе за время облучения

нейтронами, можно определить, проинтегрировав формулу (69.6)

по времени t. Если учесть накопление заряда после прекращения

Радиационные элементы подобного типа были использованы’ для измерения нейтронных потоков в реакторе, в качестве эмит-

тера использовали изотоп родия о Rhe сечением захвата тепловых нейтронов 150 б. Образующийся нуклид i٥4Rh имеет период полу-

распада 44 с и испускает р-частицы с максимальной энергией 2,5 МэВ. Эмиттер был изготовлен в виде проволоки диаметром-

0,8 мм и массой 0,48 г. Коллектором служил алюминиевый цилиндр. Коллектор и эмиттер разделены слоем полиэтилена тол-

электрохимически разнородных электродов, помещенных в газо-

вый объем. Ионизация газа обусловливает возникновение разности потенциалов между электродами. Разность потенциалов؛

зависит исключительно от материала электродов (независимо

от интенсивности излучения и рода газа). Под действием этой разности потенциалов возникает ионизационный ток, который возрастает с увеличением интенсивности ионизации: ток можетслужить мерой мощности дозы излучения. Между разнородными

22И

электродами всегда существует контактная разность потенции-

.лов, которая может быть ответственна за возникновение ионирационного тока. Однако возможно, что разность потенциалов частично обусловлена электрохимическими процессами на электродах подобно тому, как это происходит в жидких электро- ,литах.

§70. ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ КОМПТОНОВСКИЙ ДОЗИМЕТР

’Для дальнейшего изложения нам необходимо знать количество электриче-

،ства, наведенного в проводнике движущимися в пространстве зарядами. Пусть © пространстве между двумя произвольно расположенными проводниками любой формы движется электрический заряд е. Количество электричества ٠, наведенное за время I на одном проводнике при условии, что второй заземлен, определяется следующей формулой, выводимой в теории электричества:

.за время ٥/٠, ^-составляющая вектора напряженности электрического ПОЛЯ по 'Направлению скорости движения заряженной частицы, созданного потенциалом, равным единице на незаземленном проводнике.

В частном случае плоскопараллельных проводников, отстоящих один от друтого на расстоянии /г, можно принять £٠=соэ 0/Л, где 0-угол между направлением движения заряженной частицы и нормалью к плоскости проводников. ?Тогда количество электричества, наведенное на одном проводнике при условии,

؟(рис. 62). Пространство между электродами заполнено диэлектриком, толщина которого Н больше пробега электронов, освобожденных у-квантами.

Предположим, что энергия у-излу- чения достаточно велика, чтобы пренеб­ речь фотоэлектронами. В результате

222

нении пучка. Тогда число электронов, освобожденных в слое диэлектрика толщи، ной dx в единицу времени, будет равно

средний угол рассеяния комптоновских электронов. Тогда средний пробег элек­ тронов в направлении распространения пучков излучения /=7?cos9.

Согласно формуле Шокли каждый электрон во внешней цепи создает заряд

($п(х^х/с,о$Ъ. Это и есть регистрируемый во внешней цепи ток, обусловленный электронами в слое диэлектрика dx:

равна 7٠ехр (-px,/cos6), где إمل- линейный коэффициент ослабления. Примем

Мощность дозы излучений связана с интенсивностью соотношением 7?=р^тв/о٠

средний пробег электронов 7? в материале диэлектрика и чем меньше расстояние между электродами Л. Уменьшение чувствительности с увеличением межэлек­ тродного расстояния в данном случае обусловлено ослаблением излучения в ма١

22&

териале диэлектрика. Однако это верно до тех пор, пока среднее расстояние, ■проходимое электронами по перпендикуляру к электродам, остается меньше рас. ؟стояния между электродами, т. е. пока /?cos ه cos 0<ة Если это условие не выполняется, то каждый электрон достигнет электрода и сообщит ему заряд, травный е. Тогда электроны, освобожденные в слое dx, создадут во внешней цепи ток di==en(x)dx/cos е и вместо формулы (70.8) получим

электронов.

Таким образом, максимальная чувствительность в рассматриваемой системе

няя энергия электронов Ёе и cos О зависят от энергии ^-излучения. Зависимость пробега электрона от энергии можно представить в виде

؟где f(Ee) —функция, слабо зависящая от энергии.

Энергия комптон-электрона, выбитого у-квантом с энергией £v и вылетевше،

у-излучения и абсолютную величину дозовой чувствительности комптоновского дозиметра.

224

3

Рис. 63. Возможный вариант электретного дозиметра Рис. 64. Восстановление заряда электрета после облучения фотонами

после интегрирования выражения (71.1)

Да/٥=айг(р/р0). (71.2)

Таким образом, измеряя плотность заряда до и после облу­ чения, можно судить о дозе излучения. Измерения поверхност­ ной плотности заряда электрета основаны на принципе электро­ статической индукции и не приводят к нарушению электретной

структуры, что допускает многократное использование в каче­ стве дозиметра одного и того же электрета.

Согласно формуле (71.2) плотность заряда должна умень­ шаться линейно с увеличением дозы излучения, что и наблюдал в эксперименте О. А. Мяздриков. В некоторых работах, однако, наблюдался логарифмический спад поверхностной плотности за­ ряда с ростом экспозиционной дозы; удовлетворительно объяс­ нить эту закономерность пока не удалось. Чувствительность элек­ третного дозиметра может зависеть от того, какой стороной обра­ щен электрет к направлению распространения излучения. После прекращения облучения поверхностная плотность заряда посте­ пенно восстанавливается до своего первоначального значения.

На рис. 64 показано восстановление заряда, полученное в од­ ном из исследований, после облучения у-квантами 60Со в экс­ позиционной дозе около 2000 Р. Эта доза уменьшила плотность заряда более чем в 5 раз.

Представляется целесообразным использовать электреты для дозиметрии излучений достаточно высокой интенсивности. При­

менять электретные дозиметры на практике следует с некото­ рыми предосторожностями, вызванными тем, что электреты чув­ ствительны к загрязнениям, влаге, изменению температуры; име­

ются определенные трудности в приготовлении электретов с хо­ рошо воспроизводимыми свойствами. По-видимому, эти обстоя­ тельства являются причиной того, что пока еще не создан штат­

ный дозиметр с электретным детектором излучения.

226

§ 72. ТЕПЛОВОЕ ДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ

После сообщения теплоизолированному телу некоторого ко­ личества теплоты (Д٠ Дж) температура тела повысится на Д7١ градусов. Величины Д٠ и ДГ связаны между собой соотношением

При взаимодействии ионизирующих излучений с веществом вся поглощенная энергия в конечном счете преобразуется в тепло (при отсутствии необратимых химических реакций).

Пусть теплоизолированный поглотитель цилиндрической фор­

мы облучается пучком ۴квантов, направленным перпендикуляр­

энергия, поглощаемая в цилиндре в единицу времени:

нейный коэффициент ослабления пучка для вещества поглотителя.

Мощность экспозиционной дозы Рх=[1ктъ/1о ىد—массовый коэффициент передачи энергии для воздуха), поэтому, учитывая энергетический эквивалент рентгена, равный 8,8٠10-б Дж на 1 г воздуха при нормальных условиях, получаем энергию, Дж, ПОГЛО’ щенную за время

من٢=محن Так как масса поглотителя т=р٤5Л, где рг —его плотность, г/см3, из формул (72.1) и (72.3) можно получить

на единицу экспозиционной дозы при условии отсутствия теп­

лопередачи в окружающую среду. Нагрев тела пропорционален дозе излучения, и это лежит в основе теплового метода дози­ метрии. Формула (72.4) определяет максимальную чувствитель­ ность теплового метода без учета многократного рассеяния у- квантов в поглотителе. Оценим нагрев для тканеэквивалентного поглотителя при gz/i<Cl. В этом случае |Л/гтг<Сцьпв=1, с=4,2 и

не определяет биологического действия излучения.

Необходимость измерять чрезвычайно малые изменения тем­ пературы, а также другие экспериментальные трудности огра­

ничивают применение теплового метода лабораторными усло­ виями преимущественно для исследовательских целей. Тем не менее тепловой метод является единственным прямым абсолют­ ным методом дозиметрии, так как он основан на непосредствен­ ном измерении поглощенной энергии в отличие от других методов, в которых измеряется косвенный эффект (ионизация, химическое разложение и т. п.).

Тепловым методом измеряются и уточняются основные кон­

станты других методов дозиметрии, например средняя энергия ионообразования, радиационно-химический выход и т. п.

Важная область применения теплового метода — прямое из­

мерение плотности потока энергии излучения. Если вся энергия

падающего излучения преобразуется в теплоту в некоторой мас­ се поглотителя, то количество воспринятой теплоты является непосредственной мерой плотности потока энергии. Практически полное поглощение можно осуществить лишь для рентгеновского и корпускулярного излучений низкой энергии. При отсутствии пол­ ного поглощения необходимо вводить поправку на ту часть энер­ гии излучения, которая унесена за пределы поглотителя.

Тепловой метод применяют также для целей радиометрии: количество теплоты, соответствующее полному поглощению из­ лучения от радиоактивного препарата, пропорционально актив­ ности препарата.

§ 73. ОДИНОЧНЫЙ КАЛОРИМЕТР

Принципиальное устройство калориметрической системы по­ казано на рис. 65. Поглотитель 5 на подвесках 4 помещен в термостат 2. Излучение, проходящее через диафрагму /, погло­ щается в поглотителе и нагревает его. Обычно измеряют раз­ ность температур между поглотителем и оболочкой 3. В калори­ метрах может быть несколько оболочек с заданными темпера­ турными режимами. Калориметр, имеющий только один погло­ титель, называется одиночным.

Во всех случаях желательно обеспечить минимальную пе­ редачу теплоты оп поглотителя в окружающую среду. Передача теплоты осуществляется тремя процессами: излучением, конвек­ цией и теплопроводностью.

Передача теплоты излучением зависит от материала и тем­ пературы тела, характера и площади поверхности. Эффективные

средства снижения тепловых потерь через излучение — серебре­ ние поверхности и установка тонких экранов между поглоти­ телем и оболочкой калориметра.

Потери теплоты вследствие конвекции устраняют созданием

достаточного вакуума в камере калориметра.

Наиболее существенна потеря теплоты теплопроводностью. Основными проводниками теплоты являются крепления погло-

228

где к — коэффициент теплопередачи; Sn — площадь поверхности поглотителя; Т — температура поглотителя; Т' — температура

окружающей среды.

При небольшом изменении температуры коэффициент тепло­ передачи сохраняет постоянное значение.

Уравнение теплового баланса одиночного калориметра в пред­

положении, что вся поглощенная энергия излучения преобра­ зуется в теплоту, имеет вид

пропорциональная мощности источника теплоты. Уравнение (73.2) учитывает тот факт, что выделяемая энергия частично идет на

нагрев тела, а частично передается окружающей среде.

В зависимости от температурного режима оболочки различают изотермический и адиабатический калориметры. В изотермических калориметрах температуру оболочки поддерживают все время

постоянной. Между поглотителем и оболочкой существует за­ метный теплообмен, поправку на который нужно определять в каждом конкретном случае. Для изотермического режима инте­ грирование уравнения (73.2) дает

температура оболочки (постоянная); То — температура поглоти­ теля в начальный момент.

229

Обычно в начальный момент обеспечивается равенство тем­

Для малого времени, когда кЗ^/стт<^Л, температура возрас­ тает пропорционально времени:

Формулы (73.3) и (73.4) можно использовать для определения поглощенной дозы излучения.

В адиабатическом калориметре температуру оболочки с по­ мощью регулирующих устройств поддерживают равной темпе­ ратуре поглотителя, т. е. Т—Т'. При этом условии، интегриро­ вание уравнения (73.2) также приводит к формуле (73.4), од­ нако для адиабатического калориметра пропорциональная зави­

поглотителем и оболочкой значительно ниже, чем при изотер­ мическом.

Помимо измерения разности температур количество теплоты

в калориметре можно определять по изменению объема погло­ тителя. Увеличение температуры тела Д7١ приводит к увеличе­ нию его объема

ДУ=р٨٠/су. Именно на этом принципе основан калориметр Румпа, с помощью которого были выполнены начальные изме­

рения средней энергии ионообразования рентгеновского излу­ чения.

В некоторых типах калориметров в качестве поглотителя используют жидкий азот. Количество выделенного газа служит

мерой поглощенной энергии.

Помимо измерения интенсивности излучения и поглощенной дозы калориметры применяют в метрологии для абсолютного измерения активности препаратов.

§ 74. КВАЗИАДИАБАТИЧЕСКИИ РЕЖИМ КАЛОРИМЕТРА

Обратимся еще раз к исходной формуле (73.2), описывающей тепловой баланс в калориметре. Перепишем ее в следующем виде:

230