Елохин Автоматизированные системы контроля радиационной обстановки окружаюсчей среды 2012

могут быть измерены скорость воздушного потока в некоторой точке внутри вентиляционной трубы вблизи ее устья и мощность дозы от радиоактивной примеси, то задача определения мощности выброса может быть успешно решена.

Для определения этого параметра были разработаны конструкции датчиков, отличающиеся принципом действия, и проведены эксперименты, в рамках которых исследовалась их работоспособность. В основе работы ионизационно-индукционного датчика лежит эффект разделения зарядов в электрическом поле плоской ионизационной камеры и при наличии продольной составляющей скорости ионов, обусловленной переносом воздушного потока, возбуждением магнитного поля, максимальное значение которого сосредоточено в центре между электродами, где располагается соленоид.

В этом датчике для оценки скорости воздушного потока использовались следующие соображения. В электрическом поле при разделении ионов в приэлектродных областях ионизационной камеры возникают униполярные заряды. Если скорость воздушного потока в вентиляционной трубе при заданной мощности дозы, обусловленной прохождением газоаэрозольной радиоактивной примеси по трубе, будет изменяться, то соответственно в приэлектродных областях ионизационной камеры будет изменяться и продольный ток униполярных зарядов и, соответственно, магнитное поле, создаваемое движением этих зарядов. Объемную активность концентрации радиоактивной газоаэрозольной примеси в этом датчике находили по ионизационному току, связывая последний с мощностью дозы ионизирующего излучения. Однако чувствительность этого датчика оказалась низка за счет невысокой чувствительности блока регистрирующего ЭДС индукции, обусловленной изменением магнитного поля. В связи с этим пришлось отказаться от такого метода регистрации скорости воздушного потока и разработать систему датчиков, основанную только на измерении ионизационных токов, состоящую из проточной и непроточной ионизационных камер, чувствительность которых оказывается на порядок выше ионизационно-индукционного. Скорость воздушного потока в указанной системе датчиков пропорциональна разности ионизационных токов проточной и непроточной ионизационных камер, а

21

величина объемной активности – мощности дозы, которая регистрировалась непроточной ионизационной камерой.

В качестве перспективных методов контроля окружающей среды рассматривается использование радиолокационных станций, позволяющих по измеренному коэффициенту отражения сканирующей электромагнитной волны и ряду метеорологических параметров определять величину плотности поверхностной активности загрязненной подстилающей поверхности или величину мощности выброса радиоактивной примеси в атмосферу. Кроме того, к перспективным методам контроля окружающей среды следует отнести и методы, основанные на использовании беспилотных дозиметрических комплексов, позволяющих определять концентрацию газоаэрозольной радиоактивной примеси либо в воздухе при ее распространении по ветру, либо на подстилающей поверхности в следе радиоактивного облака. В рамках предлагаемого учебного пособия излагаются принципы использования РЛС для указанных целей и дается краткое содержание методов оценки объемной или поверхностной концентрации газоаэрозольной радиоактивной примеси при помощи БДК.

22

Глава 1. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕИОНИЗИРУЮЩЕГОИЗЛУЧЕНИЯ

СВЕЩЕСТВОМ

1.1.Взаимодействие фотонов с веществом

Основными видами взаимодействия фотонов с веществом являются: фотоэффект, эффект Комптона и образование электроннопозитронных пар [1,2].

1.1.1. Фотоэффект

Фотоэффектом называется такой процесс взаимодействия фотона с электроном, связанным с атомом, при котором электрону передается вся энергия фотона. При этом электрон выбрасывается за пределы атома с кинетической энергией

Очевидно, что при Eγ < Iк фотоэффект возможен только на L-, М-,... и т. д. оболочках и невозможен на K-оболочке; при Eγ < IL фотоэффект возможен только на M-, N-,..., и т.д. оболочках и невозможен на K- и L-оболочках и т.д. Освободившееся в результате фотоэффекта место на электронной оболочке заполняется электронами с вышерасположенных оболочек. Этот процесс сопровождается испусканием флуоресцентного излучения или испусканием ожеэлектронов (непосредственная передача энергии возбуждения атома электрону этого же атома). При этом энергия оже-электрона не зависит от энергии возбуждающего излучения, а определяется структурой энергетических уровней атома.

Для фотоэффекта весьма существенна связь электрона с атомом, которому передается часть импульса фотона. Фотоэффект возможен только на связанном электроне. Чем меньше связь электрона с атомом по сравнению с энергией фотона, тем менее вероятен фотоэффект. Это обстоятельство определяет все основные свойства фотоэффекта: ход сечения с энергией, соотношение вероятностей фотоэффекта на разных электронных оболочках и зависимость сечения от заряда среды.

23

На рис. 1.1 представлена зависимость массового коэффициента фотонного излучения (см. ниже) для платины, который в данной области энергий пропорционален сечению фотоэффекта, как функция энергии Eγ. Из рисунка видно, что при больших энергиях фотонов (для которых все электроны атома cлабо связаны) сечение мало.

Рис. 1.1. Зависимость массового коэффициента фотонного излучения для платины (Pt) как функции энергии E

i

По мере убывания Eγ (возрастания связанности электронов, отнесенной к энергии фотонов IкEγ ) сечение возрастает. Рост сече-

ния продолжается до тех пор, пока Еγ не станет равной потенциалу ионизации для K-оболочки (Eγ = Iк). Начиная с Eγ < Iк, фотоэффект на K-оболочке становится невозможным,, и сечение фотоэффекта определяется только взаимодействием фотонов с электронами L-, М-, и т. д. оболочек. Но электроны этих оболочек связаны с атомом слабее, чем электроны K-оболочки.

Поэтому при равных энергиях фотонов вероятность фотоэффекта электрона с L- и тем более с М-оболочки существенно меньше, чем с K-оболочки. В связи с этим при Еγ= IК на кривой сечения наблюдаетсярезкийскачок.

24

При Eγ < Iк сечение фотоэффекта снова начинает расти, так как опять возрастает относительная связанность электрона IL Eγ . Рост

прекращается при Eγ = IL, где наблюдается новый резкий скачок сечения, и т. д.

Ход сечения фотоэффекта для каждой из электронных оболочек приблизительно передается законом 1Eγ3 . Суммарное сечение фотоэффекта (для электронов всех оболочек) при Еγ > Iк меняется по закону σфот ~ 1Eγ72 , а при Еγ >> Iк (когда относительная связанность

электронов с дальнейшим ростом энергии меняется мало) по закону

σфот ~ 1Eγ .

Вероятность фотоэффекта очень резко зависит от заряда Z атома, на котором происходит фотоэффект: σфот ~ Z 5 . Это объясняется

опять-таки различной связанностью электронов. В легких элементах (при малых Z) электроны связаны кулоновскими силами ядра относительно слабее, чем в тяжелых.

Таким образом, для сечения фотоэффекта получается следующая зависимость от энергии фотонов и заряда среды:

Фотоэффект особенно существен для тяжелых веществ, где он идет с заметной вероятностью даже при высоких энергиях фотонов. В легких веществах фотоэффект становится заметен только при относительно небольших энергиях фотонов.

Фотоэффект является главным механизмом поглощения мягких фотонов в тяжелых веществах. Специфический характер фотоэлектрического поглощения (наличие резких селективных полос) находит практическое применение при измерении энергии фотонов. В табл.1.1 приведены значения граничных энергий поглощения фотонов для некоторых веществ.

Таблица 1.1

Граничные энергии поглощения фотонов различных веществ

25

1.1.2. Рассеяниефотонов. ЭффектКомптона

Взаимодействие фотонов со средой может приводить также к их рассеянию, т. е. отклонению от первоначального направления распространения. Рассеяние бывает двух видов: с изменением и без изменения длины волны или энергии фотона. Рассеяние длинноволнового излучения происходит без изменения длины волны. Такое рассеяние обычно называется классическим, или томсоновским. Оно возникает, когда энергия фотона недостаточна для вырывания электрона из атома

где εе – энергия связи электрона в атоме.

Источниками рассеянного излучения являются связанные электроны атома, которые приходят в резонансные колебания под действием падающего излучения и вследствие этого сами становятся излучателями фотонов такой же частоты [1,2]. Сечение рассеяния, рассчитанное на один электрон, равно

m0 – зарядэлектронаиего массасоответственно; c – скоростьсвета.

Комптоновский эффект на связанном электроне. В рас-

сеянии фотона связанным (атомным или молекулярным) электроном, в отличие от случая рассеяния на свободном электроне, эффект связи электрона в атоме в основном состоянии приводит в процессе комптоновской ионизации к уширению комптоновской линии, т. е. к появлению распределения по частотам ω' = 2πν' вылетающих фотонов при фиксированном угле рассеяния θ [3]. Комптоновский эффект на связанном электроне лежит в основе метода изучения электронной структуры атомов, молекул и кристаллов. Этот эффект наиболее важен в области низких энергий фотонов.

Второй вид рассеяния – с изменением длины волны – возникает в тех случаях, когда энергия фотонов превосходит энергию связи электрона в атоме

26

дованию свойств жестких рентгеновских лучей. Эти опыты показали, что проникающая способность жестких рентгеновских лучей после рассеяния становится меньше, т. е. их длина волны возрастает. Так как электроны содержатся во всех атомах и для них выполняется условие Еγ > εе (связь с атомом несущественна), то рассматриваемый процесс можно описать в любой среде как рассеяние фотона на свободном электроне.

В связи с этим характер рассеяния (под данным углом) не зави-

где Λ = (h/m0c) = 2,42·10-10 см – комптоновская длина волны электрона. Из формулы (1.7) следует, что длина волны смещенной линии λ' растет с углом рассеяния θ, но величина Δλ не зависит от λ. Разрешая выражение (1.6) относительно v', получают формулу для энергии фотона, рассеянного на угол θ:

где E = hν и E′ = hν′ – энергии соответственно падающего и рассеянного фотонного излучения.

27

Из формулы (1.8) следует, что при E > m0c2 для достаточно малых углов рассеяния, а при E << m0c2 для всех углов рассеяния

ного кванта с ростом угла рассеяния соответствует возрастание энер-

новского рассеяния была получена Клейном и Нишина и советским физиком И. Е. Таммом. Она имеет следующий вид:

где re определено в формуле (1.4). Рассмотривают два частных случая.

1. При ε <<1 формула (1.10) переходит в следующую:

28

где σтомс определено формулой (1.4).

Для малых энергий сечение комптоновского рассеяния линейно убывает с ростом энергии.

где rе и ε имеют прежние значения. Таким образом, сечение комптоновского рассеяния на электроне при Eγ > m0с2 (ε >> 1) меняется обратно пропорционально энергии фотона. Так как в атоме Z электронов, то сечение, рассчитанное на атом, будет в Z раз больше, и, следовательно, изменяется пропорционально Z/Eγ:

Комптоновский эффект является одним из основных механизмов, определяющих потери энергии при прохождении фотонов через вещество. Этот процесс наиболее вероятен в области энергий примерно от 200 кэВ до 5 МэВ. Образовавшийся комптоновский электрон производит ионизацию среды, частично затрачивая энергию на образование тормозного излучения.

1.1.3. Образование электронно-позитронных пар

При достаточно высокой энергии фотонов Eγ > E0 = 2m0c2, наряду с фотоэффектом и эффектом Комптона, может происходить

третий вид взаимодействия фотонов с веществом образование

электронно-позитронных пар.

Процесс образования электронно-позитронных пар происходит в поле ядра или электрона. Действительно, если предположить обратное, то в соответствии с законами сохранения энергий и импульса должны выполняться два равенства:

29