Иванов В.И (1)

Таблица 9. Характеристика делящихся нуклидов

диатор представляет собой пакет, состоящий из слоев водородсо­ держащего вещества, разделенных слоями поглотителя протонов, не содержащего водород. Дозиметр напоминает собой слоистый пирог, в котором начинкой служит фотопленка. Протоны возника­ ют в результате взаимодействия нейтронов с водородсодержащи­ ми слоями радиатора. По имени ученого, впервые подробно опи­ савшего подобный дозиметр, такой метод дозиметрии часто назы­ вают методом Чека.

По؛ принципу действия подобный дозиметр не отличается от

пропорционального счетчика со слоистым радиатором. Измеряют число следов в ядерной эмульсии, оставленных протонами, при­ шедшими из различных слоев радиатора. Такой многослойный до­ зиметр аналогичен набору однослойных детекторов с различной чувствительностью.

При заданном составе вещества чувствительность определяется толщиной водородсодержащего слоя и слоя поглотителя протонов. Показания• каждого детектора з'،-(£) выражаются своим числом

следов в эмульсии и определяются его чувствительностью. Подби­

рая соответствующую толщину слоев радиатора и порядок их рас­ положения относительно слоя эмульсии, можно обеспечить выпол­

нение соотношения (86.2) в некотором диапазоне энергии нейтро­ нов. В этом случае суммарное число треков, образованных в эмульсии ;протонами, пришедшими из различных слоев радиато­ ра, оказывается пропорциональным эквивалентной дозе ней­

тронов.

Практический вариант подобного дозиметра быстрых нейтро­ нов, разработанного в Советском Союзе, описан Л. 3. Золиным, В. М. Лебедевым и М. И. Салацкой. Использовалась отечествен­ ная пленка типа К с ядерной эмульсией; толщина чувствительно­ го■ слоя эмульсии 20 мкм. Регистрируются протоны с энергиями 0,3—150 МэВ. Число треков подсчитывают с помощью микроско­ па. Радиатор состоит из шести чередующихся слоев алюминия и водородсодержащей пластмассы, расположенных с каждой сторо­

ны двусторонней фотопленки.

271

Указанный дозиметр предназначен для О'пределения поглощенной дозы в биологической ткани в целях оценки степени радиационной опасности в соответствии с установленными предельно допустимыми уровнями нейтронов. Толщина и расположение слоев радиатора подобраны так, что число треков в эмульсии пропорционально дозе в биологической ткани в пределах ±15٥/٥ при облучении изотропным потоком нейтронов в диапазоне энергий 0,5-

15МэВ.

Всоставе ядерной эмульсии имеется азот; это приводит к реакции на тепловых нейтронах i4N(zi, р) !4С, в результате которой возникают протоны с энергией около 0,6 МэВ. Вследствие этого

дозиметр оказывается чувствительным к тепловым нейтронам. Расчетные оценки пО'Казывают, что образующиеся в ؛реакции на тепловых нейтронах прО'ТОны создают на 1 см2 эмульсии 510 следов -при одной предельно допустимой месячной дозе тепловых нейтронов; для 'быстрых нейтронов это числосоставляет 4,1 • 0. Значения достаточно близкие, .и дозиметр -с определенн-ой погре-ш-

-н-остью можно И'Спользовать для И'Змерения суммарной дозы быстрых и тепловых нейтронов.

§ 87. СТРУКТУРА ИОНИЗАЦИИ в КОНДЕНСИРОВАННЫХ СРЕДАХ

Распределение ионов в облученной среде в значительной сте-

электронов от атомов 'ИЛИ молекул облучаемого вещества. Эти электроны захватываются на некотО'ром ра-сстоянии от места -сво-

его образования нейтральными атомами или молекулами, и, та- к-им образом, возникают отрицательные и-о-ны. Как далеко успеют электроны уйти от своей материнской -молекулы ,до образования отрицательных ионов, зависит ؛п-режде всего от свойства вещества:

его плотности и срод-ства его молекул к электронам.

Расстояние же между двумя -соседними положительными иона-

М.И ؛зави-сит главным образом от ионизирующей спо-собности частицы и плотности вещества: чем выше пло-тность и тяжелее частица, тем меньше расстояние между положительными ионами, и наоборот. Это расстояние будет расти, если уменьшаются плотность вещества и ионизирующая способность частицы.

Обозначим R+ среднее расстояние между двумя соседними по-

ложительными ионами в момент их образования (оно равно сред-

нему расстоянию между двумя актами ионизации), а Я-—сред- нее расстоя٠ние между положительным -и отрицательным и-онами, образованными из одной и той же материнской молекулы. Соот- „ношение между R+ -и R- существенно влияет на характер последующей рекомбинации между положительным и отрицательным ионами.

„272

Если م-ا>مب, т. е. если электрон не успеет далеко уйти от ма٠ теринской молекулы и образует отрицательный ион вблизи «родственного» положительного иона, то родственные положительные и отрицательные ионы будут рекомбинировать .между собой предпочтительнее, чем с другими соседними ионами, которые находятся дальше. Такая рекомбинация называется предпочтительной.

Ионизация по облучаемому объему может быть равномерной

и неравномерной. Степень равномерности определяется характером пространственного распределения актов ионизации или перво-

начально, образованных положительных ионов. До сих по-р мы говорили .0 среднем расстоянии ٤ между двумя соседними положительными ионами в момент их образования в пределах.одного трека. Однако при интенсивном облучении образуется много треков и положительные ионы соседних треков могут образовываться

достаточно близкодруг к другу. Если расстояние между двумя соседними положительными ионами в момент их образования, независимо от принадлежности ؛этих ионов к тому или -иному треку, изменяется мало по облучаемому объему, то ионизация буд.ет равномерной. Критерием равномерности может служить соотношение между введенным выше расстоянием زجو и средним расстоянием между двумя сосед.ними треками частиц 7?тр. Если /?بحوماً , то ионизация равномерная, если 7?тр>٤, то ионизация неравно-

мерная.

Заметим, ЧТО' число треков в облучаемом о-бъеме, а след-ова- тельно, и среднее расстояние между ними определяются плотностью потока частиц и не зависят от свойств вещества или вида ионизирующих частиц. При фикси-рованном значении плотности потока ионизирующих частиц Ятр —также фиксированная величина -и степень равномерности ио-ни'Зации полностью -О'Пределяется

величиной ٤. Теперь легко понять, что- при прочих равных уеловиях ионизация будет тем равномернее, чем меньше плотность облучаемойсреды, и более легкие ионизирующие частицы. Наоборот, для конденсированных сред и тяжелых частиц труднее обеспечить равномерность ионизации.

Гов-Оря о равномерности или неравномерности ионизации, мы

не учитывали- 'распределения отрицательных ионов. Так как каждому положительному иону соответствует отрицательный ион, возникающий от положительного в среднем на расстоянии ٠٤, характер распределения положительных ионов 'Однозначно, оп'ределяет распределение отрицательных ионов; все рассуждения, касающиеся предпочтительной рекомбинации, п-ри- этом остаются в

силе независимо от того, равномерная или неравномерная ионизация.

Ск-орость возникновения ионных пар, определяемая мощностью дозы излучения, и скорость их исчезновени'я в результате рекомбинации определяют в конечном итоге равновесную концентрацию

ионов, которая устанавливается в .облучаемом объеме через до- -статочно большой промежуток времени после начала облучения.

Число ионов, исчезающих в единицу времени вследствие ре­

273

комбинации, существенным образом зависит от пространственно­ го распределения ионов. Так, если ионизация равномерная и то наблюдается обычная объемная рекомбинация. Про­ исходящие при этом процессы подробно рассмотрены в гл. 4. Объ­ емная рекомбинация характерна для газов при не слишком высо­

ких давлениях.

В конденсированных средах обычно наблюдается неравномер­ ная ионизация. Крайний случай неравномерной ионизации — иони­

зация в колонках тяжелыми частицами. Ионы сосредоточены в ко­ лонках вдоль трека частицы. Сразу после своего образования ко­ лонка начинает расширяться вследствие диффузии, одновременно

идет процесс рекомбинации ионов. В результате этих двух про­ цессов концентрация ионов в пределах одной колонки уменьша­ ется. Соответствующая этому случаю рекомбинация количествен­ но рассмотрена Яффе.

Для легких ионизирующих частиц в плотных средах характер­ но образование ионов, сгруппированных в гроздья; Ли. количест­ венно рассмотрел процессы рекомбинации в этом случае, предпо­ лагая, что ионы группируются в микрообъемах сферической фор­ мы. Как и в случае ионизации в колонках, специфический объем увеличивается вследствие диффузии ионов и в его пределах число ионов уменьшается в результате рекомбинации.

Отличительной особенностью неравномерной ионизации явля­ ется группировка ионов в специфических небольших объемах, ко­ торые находятся в пределах облучаемого объема. Назовем их ячейками. Независимо от формы ячеек общую картину явлений,

происходящих при неравномерной ионизации электронами, мож­ но представить следующим образом. Сразу после начала облуче­ ния основное число ионов оказывается сосредоточенным в ячей­ ках; ячейки в свою очередь могут группироваться вдоль треков первичных электронов. В результате диффузии ячейки увеличива­ ются в объеме, а концентрация содержащихся в них ионов умень­ шается. В конце концов ячейки сливаются между собой, а оста­ точное число ионов равномерно распределяется по облучаемому объему, создавая равномерный фон. На этом фоне образуются но­ вые ячейки, которые дают новый приток ионов в равномерный фон. Через достаточно большой промежуток времени установится

динамическое равновесие, при котором концентрация ионов фона и концентрация ионов, сосредоточенных в ячейках, определяются равновесными значениями. Если к такой системе приложить элек­ трическое поле, то возникнет ионизационный ток ،, который мож­ но представить в виде суммы двух составляющих:

،=،Я_Ь،ф>

где ٤٠я — составляющая тока, обусловленная ионами, сосредоточен­

ными в ячейках; ،<؛> — составляющая тока, обусловленная ионами равномерного фона.

Очевидно, что вольт-амперная характеристика такой ионизаци­ онной камеры будет зависеть от соотношения токов ،я и ،٠ф٠ В пре-

274

дельном случае, когда |،фЗ>،я (равномерная ионизация), вольт-ам-

перная характеристика определяется общими уравнениями иони­ зационной камеры, рассмотренными в гл. 4. Эффективность соби­ рания ионов будет зависеть от временного распределения излуче­

ния (непрерывное или импульсное облучение). В другом предель­

ном случае, когда концентрация равномерного фона мала, а не­ равномерность ионизации велика (،ф<4), процесс формирования ионизационного тока можно описать теорией Яффе.

§ 88. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ НЕРАВНОМЕРНОЙ ИОНИЗАЦИИ

Теория Яффе первоначально была ؛развита для колонной иони­

зации в условиях отсутствия межколонной рекомбинации. Были; сделаны следующие предположения:

1)؛первоначально ионы образуются в пределах цилиндрическо­ го объема с осью симметрии вдоль трека ионизирующей частицы;.

2)в момент образования ко؛нцентрация ионов в плоскости се­ чения цилиндрической колонки имеет гауссово распределение с максимумом на оси симметрии;

3)сразу после образования диаметр колонки увеличивается в.

результате диффузии ионов в направлении, перпендикулярном к оси симметрии. Диффузию вдоль оси и увеличение длины колон­ ки во внимание не принимают.

При этих предположениях теория позволяет определить харак­ тер изменения концентрации ионов в пределах колонки с течени­ ем времени, а при наличии электрического поля оценить ту часть,

ионов, которая, избежав рекомбинации, достигнет электродов. Впоследствии теория Яффе была модифицирована Ли приме­

нительно к сферическим ячейкам.

Конечные формулы в обоих случаях содержат ряд параметров,, которые либо неизвестны, либо известны очень приближенно. Этоне позволяет использовать теорию для точных количественных, расчетов. Однако теория дает верное описание закономерностей ионизационных камер и позволяет получить полезные экстраполя­ ционные соотношения.

Основные выводы теории следующие.

1. При отсутствии электрического поля число ионов в специфи­ ческом объеме (колонке или ячейке) изменяется по закону

٩+،;,٠ ،88•‘<

где ٨٢،— число ионов в колонке через время / после ее образова­

комбинации ионов, а также геометрические параметры специфиче­ ского объема в момент его формирования. Эти коэффициенты за­

висят от плотности' и состава облучаемой среды, а также от вида• ионизирующих частиц.

275-

Рис. 78. Экстраполяционный метод опре٠ деления тока насыщения

Формула (88.1) получена строгим решением уравнения

диффузии с учетом рекомбина­ ции ионов:

где п — концентрация ионов на расстоянии г от оси симметрии

специфического объема в момент времени а — коэффициент ре­ комбинации ионов; ٥ — коэффициент диффузии ионов, принятый

одинаковым для ионов разного знака. Предполагается, что в пре­ делах колонки происходит обычная объемная рекомбинация.

Заметим, что первоначальное число ионов в специфическом объеме (колонке) пропорционально ЛПЭ заряженной частицы, т. е. А٢о~٤. Это позволяет записать формулу (88.1) в таком виде:

где Л٢،/Л٢о определяет относительное изменение числа ионов с те­ чением времени, а множитель а отличается от множителя Ь тем,

что учитывает коэффициент перехода от No к Ь.

2. При наличии электрического поля эффективность собирания

где ٤— ионизационный ток при напряженности электрического по­

где /7(،Г) зависит не только О'Т напряженности ПОЛЯ, но и от плотности среды. Эта функция табулирована ,для газов.

При увеличении, напряженности ПОЛЯ /7((Г) уменьшается, стре-

мясь к нулю. Для больших значений جم ٠(٩٠г, причем это соотношение тем точнее, чем больше (Г. Последнее 'Обстоятельст-

ВО' дает простой способ определения тока насыщения в ионизаци-

онной камере при неравномерной ионизации. Для этого -по экспериментальным данным нужно построить график за-висимости ве-

276

ших значениях с§— неравномерной. В этом случае разные участ­ ки вольт-амперной характеристики будут описываться различны­ ми уравнениями.

В заключение подчеркнем то обстоятельство, что эффектив­ ность собирания ионов при неравномерной ионизации зависит от ЛПЭ: чем выше Ь, тем меньше эффективность собирания ионов. Эта закономерность используется в рекомбинационном методе оп­ ределения коэффициента качества излучения.

§ 89. РЕКОМБИНАЦИОННЫЙ МЕТОД

Зависимость эффективности собирания ионов / в камере при неравномерной ионизации от ЛПЭ заряженных частиц позволяет с помощью ионизационных камер измерять линейную передачу энергии в поле смешанного излучения. Перепишем формулу

где /٠) —'функция, зависящая от напряженности электрического поля & и включающая в себя все параметры, которы٠е в фор-

=3,5 кэВ/мкм воды. Примем, что ио٠низация обусловлена заря-

женными: частицами с одним 'И тем же значением ЛПЭ.

Рекомендованные значения коэффициента качества к в зави-

связь между коэффициентом качества к и эффективностью собирання И-ОН0В Л

пряженности 0جم=جم, при котором т(&о)=с. При этом условии формула (89.4) упрощается

278

Формула (89.5) определяет связь между коэффициентом качества излучения и эф’фективностью собирания ионов при условии, что ==0جم• Эта связь оказывается линейной. Если выполняется-ус-

ловие т(<Г)=с, то говорят, чт-0 камеранаходится в линейном ре-

жиме рекомбинации.

До сих -пор мы предполагали, что- по-ле излучения состоит из частиц с одним и тем же значением л ПЭ. в случае смешанного излучения, ионизируюши-е ча-стицы которого обладают некоторым спектральным распределени-ем по лпэ, поглошенная доза

0=٢ة)غ(مغ٠

где ة)ملر — дозовый ЛПЭ-спектр.

Эквивалентная доза -смешанного излучения н зависит -от коэффициента качества:

где к (٤)—рекомендованное значение коэффициента качества для

ЛПЭ, равной خ Коэффициент качества смешанного излучения к определяется формулой (89.7)

1-آيم-1-آآتغ

Отсюда окончательно ؛-получим формулу (89.9)', которая определи -ет коэффициент качества смешанного излучения к через экспери -ментально находимую эффективность соби-рания ионов ^эксп в ли нейном режиме рекомбинации:

279

Метод использования ионизационных камер, работающих в не­ насыщенном режиме при неравномерной ионизации, для опреде­

ления коэффициента качества излучения называется рекомбина­ ционным методом. Ненасыщенный режим означает, что существен­ ную роль играет рекомбинация ионов в камере—отсюда назва­ ние метода. Рекомбинационный метод на практике применяют для определения значений коэффициента качества при оценке ра­ диационной опасности в полях смешанного излучения. Рассмот­ ренный метод разработан М. И. Зельчинским и положен в основу так называемой рекомбинационной камеры, в которой специально создаются условия неравномерной ионизации; эффективность со­ бирания ионов находят сопоставлением ионизационного тока в этой камере с током насыщения в полностью идентичной по на­ полнению и геометрии другой камере.

Практическая применимость рекомбинационного метода осно­

вана на том, что линейный режим рекомбинации’ может быть обеспечен подбором соответствующей напряженности электриче­ ского поля. Однако это возможно лишь при определенных функ­ циональных зависимостях коэффициента качества от ЛПЭ, в

частности при той, которая дается формулой (89.2). Рассмотренный метод предполагает выполнение одновременно

двух условий: обеспечение неравномерной ионизации и отсутст­ вие режима насыщения. Чем плотнее ионизируемая среда, тем для более широкого диапазона значений ЛПЭ выполняются эти условия. В частности, они легко обеспечиваются в жидкостных ионизационных камерах, основные закономерности которых изло­ жены в § 67. Изменение эффективности собирания ионов при из­

менении ЛПЭ для заданного значения напряженности электриче­

ского поля означает, что форма вольт-амперной характеристики жидкостной ионизационной камеры должна зависеть от ЛПЭ ионизирующих частиц. Это открывает определенные возможности в применении жидкостных ионизационных камер для определения коэффициента качества смешанного излучения.

На рис. 79 показана типичная вольт-амперная характеристика жидкостной камеры. Характерным является наличие прямолиней­

ного участка выше некоторого значения напряженности поля б?о٠ Если продолжить прямолинейный участок вольт-амперной харак­ теристики до пересечения с осью абсцисс, то место расположения точки пересечения А окажется зависящим от ЛПЭ излучения. На основе этого факта разработан практический метод измерения коэффициента качества, который можно рассматривать как раз­ новидность рекомбинационного метода. Графики на рис. 79 иллю­

стрируют принцип метода. Для поля фотонного излучения при различной мощности дозы экстраполяция прямолинейных участ­

ков вольт-амперных характеристик приводит к их пересечению с осью абсцисс в одной и той же точке Ау (см. рис. 79). Расстояние от начала координат до точки А? является мерой коэффициента ка­ чества фотонного излучения. При облучении смешанным потоком нейтронов и фотонов различной композиции расстояние от начала

280