6. Регистрация ионизирующих излучений.

Два способа обнаружения и регистрации ионизирующих излучений всех видов нашли применение сразу же при открытии рентгеновского излучения и явления радиоактивности. Это – люминесцентные экраны и фотоматериалы.

Оба эти способа применяются и поныне, дополняя друг друга. Например, при рентгеновском просвечивании грудной клетки теневая картина прохождения лучей сквозь тело пациента, наблюдаемая на люминесцентном экране непрерывно, может быть необходима для правильного составления обломков костей. Если же необходим фотодокумент, место экрана занимает кассета с фотопленкой большого формата.

Однако фотоматериалы дороги. При массовых обследованиях населения по поводу легочных заболеваний применяется флюорография: картина на люминесцентном экране фотографируется на фотопленку с обычным форматом фотокадра 2436 мм с помощью фотоаппарата. Такой кадр можно после проявки проецировать на экран или изучать другими оптическими приемами. Но часть диагностической информации при таком «сжатии» до формата обычного фотокадра неизбежно теряется.

Прибор-ветеран, изобретенный в начале 20 века и применяемый поныне – счетчик Гейгера. Вот его схема:

Рис.8

Счетчик Гейгера регистрирует поштучно каждую - или -частицу, проникающие в него. Для регистрации -частиц и мягкого -излучения рабочей поверхностью счетчика, обращенной навстречу потоку частиц, делают торец прибора, закрытый тонкой пленкой («воздухоэквивалентной»), и тогда частицы ионизируют газ, заполняющий прибор. Такая конструктивная разновидность прибора называется торцевой счетчик.

Бета-излучение со средней и высокой энергией частиц регистрируется счетчиком, обращенным к потоку излучения боком, т.е. цилиндрической поверхностью. Главную роль при обнаружении -частиц играет при этом материал катода, выполненного в виде металлического напыления на стекло изнутри или в виде цилиндрической трубки из металла.

Особенность счетчика Гейгера состоит в том, что если ионизирующее излучение оставляет в нем хотя бы один вторичный электрон, вызвавшая его появление частица будет зарегистрирована. Дело в том, что в пространстве между катодом и анодом создано сильное электрическое поле (U  1000 В), особо неоднородное вблизи нити анода. Даже единичный свободный электрон в таком поле становится инициатором целой лавины из электронов и ионов, возникающих на его пути. Такие возникающие и исчезающие лавины воспринимаются блоком счета как импульсы, которые этот блок и подсчитывает.

Что касается квантов рентгеновского или -излучения, то далеко не каждый из них оставит свой след в таком приборе. Доля квантов, оставивших след в счетчике Гейгера, очень сильно зависит от энергии квантов. Может оказаться, что счетчик зарегистрирует лишь один квант из ста.

Эффективностью детектора называется процентная доля частиц, им регистрируемых. Счетчик Гейгера, с его тонкими стенками и газообразным наполнением, имеет для рентгеновского и -излучения низкую эффективность.

Гораздо выше эффективность регистрации электромагнитных ионизирующих излучений в сцинтилляционных датчиках. В них рабочим телом является крупный прозрачный цилиндр, изготовленный из специально «выращиваемых» монокристаллов. Например, широко применяются кристаллы NaI, активированные таллием Tl. Объем такого «рабочего тела» в устройствах различного назначения – от нескольких см³ до сотен см³, и даже более. Вероятность того, что даже очень жесткий рентгеновский или -квант оставит свой «автограф» в такой плотной и протяженной среде, близка к единице.

Схема сцинтилляционного датчика:

Рис.9

Квант, претерпевая в объеме кристалла многоступенчатое рассеяние, выбивает электроны на всех изломах своей причудливой траектории. Выбитые электроны, тормозясь, возбуждают атомы кристалла, и на пути кванта остается цепочка световых вспышек. Примесные атомы таллия делают эти вспышки более яркими.

В контакте с кристаллом находится электронный прибор, который называется фотоэлектронным умножителем (ФЭУ). Фотокатод этого устройства представляет собой тонкий слой металла щелочной группы, напыленный изнутри стеклянного корпуса. Сцинтилляции в кристалле вызывают вырывание электронов из фотокатода (внешний фотоэффект). Эти электроны подхватываются электрическим полем и движутся в системе электродов, в очередности А₁ – А₂ – … – А_n. Общее анодное напряжение поделено между этими электродами ступенями примерно в 100 В. Любой электрон, достигнув в ускоряющем поле электрода А₁, выбивает из него один или несколько электронов (вторичная электронная эмиссия); и это происходит на всех промежуточных электродах; так что на электрод А_n приходит целая толпа электронов, численность которой прямо пропорциональна числу фотоэлектронов. ФЭУ выступает в роли «усилителя количества» электронов, с коэффициентом усиления K, который определяется режимом настройки прибора.

Цепочка событий, происходящих при регистрации каждого кванта, такова:

1. Чем больше энергия кванта, тем больше суммарная яркость вспышек (сцинтилляций) в объеме кристалла.

2. Чем больше суммарная яркость вспышек, тем больше число фотоэлектронов.

3. Чем больше фотоэлектронов, тем больше амплитуда электрического импульса на выходе ФЭУ.

Таким образом, сцинтилляционный детектор обеспечивает возможность не только фиксировать кванты, но и измерять их энергию. Справа на рис.9 – нерегулярная последовательность импульсов различной амплитуды на выходе ФЭУ. Рассортировать такие импульсы в столбики по значениям амплитуд, пересчитать и представить в виде гистограммы, характеризующей спектр исследуемого излучения – это уже задача электроники.

Изучение спектра потока излучения актуально не только для физики, но и для медицины: врач должен знать, какое излучение он будет направлять на пациента.

В тех случаях, когда данные о составе и энергетическом спектре излучений известны, и необходимо регистрировать только интенсивность потока излучения, применяются простые и надежные приборы – ионизационные камеры.

Детектором, реагирующим на излучение, в ионизационных камерах является стеклянный корпус, в котором помещены два электрода. Пространство между электродами заполнено газовой смесью. В целом, это электрический конденсатор. Напряжение между электродами сравнительно невелико, так что между обкладками этого конденсатора происходит несамостоятельный разряд: ток протекает только при наличии ионизатора; сила тока пропорциональна «производительности» ионизатора, т.е. интенсивности исследуемого потока излучения.

Индивидуальные средства дозиметрического контроля – это простые и дешевые устройства двух видов. В одном из них поглощенная доза оценивается по степени засветки фотопленки, помещенной в носимую кассету. Другой тип устройства - заряженный конденсатор, который постепенно разряжается благодаря потокам ионизирующей радиации (в том числе и естественной, связанной с радиоактивным фоном Земли).

Индивидуальные дозиметры конденсаторного типа широко применяются японцами: национальная память сохраняет печальный опыт Хиросимы и Нагасаки. В России, несмотря на опыт Чернобыля, традиция иметь индивидуальные дозиметры не появилась. А зря: период полураспада радиоактивного изотопа цезия Cs Т_1/2 = 30 лет; Энергетический спектр излучения: Е_ = 0,52 МэВ, Е _ = 0,662 МэВ.