книги из ГПНТБ / Пучеров, Н. Н. Покоренная радиация

обретают значительную энергию, движение их ускоряет­ ся. Двигаясь с большой скоростью, они сами становятся ионизирующими частицами и на своем пути порождают новые ионы. Количество ионов увеличивается, соответ­ ственно увеличивается и ток во внешней цепи. Такой про­

ренняя поверхность ее металлизирована). Нить счетчика, как правило,— анод, трубка — катод. Счетчик наполня­ ют газом.

Напряжение в счетчике должно быть таким, чтобы электроны в свою очередь вызвали ионизацию газа. За счет газового разряда возникают электроны и ионы, что позволяет получить импульс тока значительно больший, чем в ионизационной камере.

Точно так же как и в ионизационной камере, в про­ порциональном счетчике наблюдается соответствие меж­ ду энергией частицы и импульсом тока. Разница лишь в том, что в счетчике ионов значительно больше, чем при начальной ионизации. Количество ионов здесь увеличи­ вается в определенное число раз.

Важная особенность работы пропорционального

40

счетчика — прекращение разряда в газе сразу же после исчезновения внешней ионизации. Если существует на­ чальная ионизация, разряд есть, нет ионизации — и раз­ ряда нет. Такой тип разряда называется несамостоятель­

ным.

Пропорциональный счетчик включается в цепь, как и импульсная ионизационная камера. Несмотря на то, что в пропорциональных счетчиках за счет газового уси­ ления удается в десятки, сотни и даже тысячи раз увели­ чить импульсы тока, они все же остаются достаточно слабыми, и для того, чтобы их зарегистрировать, необхо­ димо последовательное усиление с помощью электронных

схем.

Повышая напряжение на электродах пропорциональ­ ного счетчика, увеличиваем газовое усиление, а следова­ тельно, и импульс тока. Однако повышать напряжение беспредельно нельзя. При высоких напряжениях счетчик начинает работать неустойчиво и, что главное, пропор­ циональности между энергией частицы и величиной по­ лученного импульса теперь уже нет.

Повышение напряжения приводит к появлению так называемого самостоятельного разряда в газе, который не прекращается, независимо от того, происходит ли еще ионизация начальной частицей или нет.

Процесс появления подобного вида разряда можно описать так: при большом напряжении скорость электро­ дов, возникающих в результате начальной ионизации, ’сильно возрастает, возникает вторичная ионизация. Ла-

;вина электронов с очень большой скоростью, полученной в сильном электрическом поле, направляется к положи­

тельному аноду. В результате столкновения электронов I с материалом анода возникает ультрафиолетовое из- ! лучение.

41

Кванты ультрафиолетовых лучей попадают на катод и вырывают из материала катода электроны, которые под влиянием электрического поля снова направляются к аноду, порождая на своем пути лавину новых электро­ нов. Процесс повторяется. Разряд в счетчике будет про­ должаться неопределенно долго. Прибор служит для того, чтобы зафиксировать появление и определить коли­ чество частиц, попавших в счетчик. Первая частица вы| зовет разряд и в дальнейшем счетчик уже не будет фик! сировать новые частицы — разряд будет продолжаться* самостоятельно. Выход из этого затруднения состоит в принятии мер по прекращению самостоятельного разряда. Для этого применяются специальные схемы включения счетчика; в газ, заполняющий счетчик, добавляются мно­ гоатомные газы. Это позволяет погасить самостоятельный разряд через некоторое время после его возникновения.

Прибор, в котором осуществляется самостоятельный разряд, называется счетчиком Гейгера—Мюллера. Мы все время пытались увеличить импульс, который возни­ кает в ионизационных приборах при прохождении через них ядерной частицы. В счетчике Гейгера—Мюллера это достигается — импульсы величиной в несколько вольт легко регистрируются. Импульс увеличивается за счет потери в счетчике Гейгера—Мюллера пропорциональ­ ности между энергией частицы и величиной импульса.

Импульс не зависит от количества пар ионов, порож­ денных начальной частицей, и определить энергию части-; цы с помощью счетчика Гейгера—Мюллера не представ­ ляется возможным. Эти счетчики получили широкое применение там, где необходимо определить лишь коли­ чество частиц. Счетчик Гейгера—Мюллера является од­ ним из наиболее распространенных ядерных детекторов.

В зависимости от назначения счетчика корпус его может быть стеклянным или тонкостенным металличе­

42

ским. Для работы с альфа- и бета-частицами малых энергий применяются торцовые счетчики. Строение их та­ кое же, как и обыкновенных цилиндрических счетчиков, с той лишь разницей, что одно из оснований цилиндра за­ крыто тонкой пленкой. Через такую пленку альфа-части­ цы могут попадать в средину счетчи­ ка, тогда как в обыкновенных счетчи­ ках их поглощает довольно толстая стенка. Существуют и другие разновид­ ности счетчиков Гейгера—Мюллера.

Сцинтилляционные * счетчики. В 1911 г., проводя исследования по рас­ сеиванию альфа-частиц, Э. Резерфорд открыл атомное ядро. При эксперимен­ тах для регистрации использовался спинтарископ (рис. 10).

Основная часть этого прибора—эк­ ран, покрытый тонким слоем сернисто­ го цинка. Попадая на такой экран, альфа-частицы вызывают вспышки света (сцинтилляции), которые при не­ большом увеличении могут быть за­ фиксированы человеческим глазом.

Принцип действия этого простого и вместе с тем полезно­ го прибора стал основой для сцинтилляционных методов регистрации ядерных часгиц.

Сцинтилляционные счетчики основаны на способности некоторых веществ светиться под действием ядерных из­ лучений. Свечение возникает вследствие возбуждения атомов вещества сцинтиллятора при прохождении ча­ стиц. Свет, который при этом возникает, может быть и в видимой части спектра, однако чаще всего излучение находится в ультрафиолетовой области. Примеры сцин­ тилляционных веществ: сернистый цинк (2 п8 ), йодистый

43

натрий (N8.1 ), йодистый цезий (СэЛ), некоторые органи­ ческие вещества (антрацен) и пластмассы. Свет, кото­ рый возникает в сцинтилляционном кристалле, увидеть

Рис. 11. Схема сцинтилляционного счетчика:

1 — кристалл, 2 — фотоумножитель, 3 — фотокатод, 4 — электроды, 5 — усилитель, 6 — регистрирующее устройство.

глазом очень и очень трудно, кроме того, необходимо не только наблюдать, а еще и подсчитывать количество ча­ стиц. Всю эту работу выполняют специальные чув­

44

ствительные приборы. Современный сцинтилляционный счетчик состоит из двух частей: сцинтилляционного кри­ сталла с фотоэлектронным умножителем (ФЭУ) и электронной схемы (рис. 1 1 ).

Допустим, что в кристалл попала ядерная частица и вызвала кратковременную вспышку света. Кванты света попадают на очень чувствительный к свету фотокатод фотоумножителя и выбивают из него электроны. Элек­ троны, которые вылетели из фотокатода, попадают на электроды фотоумножителя. Проходя через последний, электронный ток во много раз усиливается.

Фотокатод и электроды расположены в стеклянном баллоне. Внутри баллона образован высокий вакуум. Между электродами — электрическое напряжение. Элек­ троны, попавшие на первый электрод, выбивают из него электроны, которые под действием электрического поля направляются ко второму электроду, затем к третьему и т. д. Количество электронов при каждом очередном стол­ кновении с электродами увеличивается, образуется лави­ на электронов. На последнем электроде фотоумножителя возникает ток, достаточный для регистрации.

Человеческий глаз зафиксирует небольшое количест­ во световых вспышек на экране спинтарископа, и, конеч­ но, он не может состязаться с электронным глазом, кото­ рый отметит тысячи и десятки тысяч вспышек в течение секунды. Однако дело не только в том, что сцинтилляци­ онный счетчик характеризуется большой скоростью сче­ та, хотя и это важно. Сцинтилляционный счетчик прежде всего является универсальным прибором, способным за­ регистрировать все виды излучения в широком интервале энергий.

Вторая важная особенность сцинтилляционного счет­ чика состоит в том, что соблюдается пропорциональность между энергией частицы и количеством света. Высота

45

полученного на выходе фотоумножителя импульса будет зависеть от энергии частицы, что важно при определении этой энергии.

И, наконец,— быстрое действие сцинтилляционного счетчика. Как уже было сказано, в счетчиках Гейгера — Мюллера после того как в них попадают частицы процесс возникновения разряда, а главное — его гашения, зани­ мает значительное время (почти 10~4 сек или больше) ., В течение этого времени счетчик не может фиксировать] иную частицу («мертвое» время). Фотоумножители с кри-1 сталлом работают значительно быстрее. На высвечивание кристалла и умножение электронов в фотоумножителе тратится намного меньше времени (около 10~8 сек), чем при регистрации частицы в счетчике Гейгера—Мюллера. Это свойство позволяет использовать сцинтилляционные счетчики для регистрации больших потоков излучения.

Фотографический метод. Влияние ядерных излучений на фотопластины известно давно. Выявление этого свой­ ства привело А. Беккереля к открытию явления радио­ активности.

Действие ядерного излучения на фотоэмульсию связано с теми же процессами и явлениями, которые наблюдаются и при действии обыкновенного света. Фото­ эмульсия — это слой желатины с вкраплениями зерен бромистого серебра. Ядерная частица, двигаясь в эмуль­ сии, образует центры невидимого (скрытого) изображе­ ния. Кристаллы галоидного серебра со скрытым изобра­ жением при проявлении восстанавливаются в металличе­ ское серебро. Все невосстановленное галоидное серебро удаляется из эмульсии при фиксировании. Таким обра­ зом, в тех местах, где прошла ядерная частица, возникает почернение.

По степени почернения фотопластинки можно судить об интенсивности излучения. Этим широко пользуются

46

при установлении дозиметрического контроля в лабора­ ториях и на производстве, где работают с ядерными из­ лучениями. Используются фотопластинки и в дефек­ тоскопии, при просвечивании гамма-лучами разных деталей. На этом свойстве основан и метод авторадио­

графии.

Если фотопластинку после воздействия на нее ядерГных частиц рассматривать под микроскопом, то можно ¡•заметить отдельные зерна бромистого серебра, восста- ■новленные в результате проявления.

Эти черные зернышки как бы пунктиром отмечают путь, который прошла частица. Если изучить следы, ос­ тавленные ею на всем пути, подсчитать количество зерен на нем, можно определить, какая это частица, определить направление ее движения и энергию. Такой метод широ­ ко используется в ядерной физике.

Безусловно, этим не исчерпывается арсенал средств, которые имеют в своем распоряжении физики, работаю­ щие с ядерными излучениями. Имеется, например, каме­ ра Вильсона. В ней при специально созданных условиях частица оставляет на своем пути капельки тумана, по которым можно проследить путь частицы, подобно тому как наблюдают полет реактивного самолета по туман­ ному следу, оставленному в разреженных слоях атмо­ сферы.

Для регистрации частиц высоких энергий используют­ ся пузырьковые камеры, в которых частицы оставляют след в виде пузырьков в сжиженном газе (водороде, пропане). Можно упомянуть счетчик Черенкова, кри­ сталлические и полупроводниковые счетчики ядерных частиц, искровые камеры.

Наша промышленность для регистрации ядерных излучений выпускает большое количество самых разно­ образных приборов. Приборы для определения количе­

47

ственных параметров ионизирующихся излучений назы­ ваются радиометрическими. Если такие приборы програ­ дуированы в единицах, принятых в дозиметрии ядерных излучений, то они называются дозиметрами. Стандарт­ ный прибор состоит из детектора с устройством для уси­ ления и необходимого преобразования сигнала детек­ тора.

Активность радиоактивного источника

Способность радиоактивного вещества за единицу времени испускать определенное количество частиц на­ зывается активностью. Активность определяется количе­ ством ядер, которые распадаются за единицу времени, и служит мерой мощности излучения радиоактивного препарата.

Активность пропорциональна количеству радиоактив­ ных ядер и быстроте (скорости) радиоактивного распада. Чем больше скорость распада, тем меньше среднее время существования данного радиоактивного ядра, тем боль­

48

Количество ядер, которые распадаются, не всегда совпа­ дает с количеством выпущенных ядерных частиц. Напри­ мер, при одном распаде радиоактивного ядра кобальта Со60 возникают одна бета-частица (электрон) и два гам­ ма-кванта. Это обстоятельство следует учитывать при экспериментальном определении активности.

Количество радиоактивных ядер радиоактивного пре­ парата в течение определенного времени уменьшается по закону радиоактивного распада. Поэтому и активность препарата не остается неизменной — она также умень­ шается.

Разные радиоактивные источники имеют разный пе­ риод полураспада и активность.

Активность препарата зависит также и от его веса. Допустим, мы имеем какое-то количество радиоактивной соли. Эта соль может быть растворена и в стакане воды, и в 1 л, и в 100 л воды. Ясно, что качество таких раство­ ров в радиоактивном отношении будет весьма различ­ ным. Поэтому наряду с активностью источника во время работы с радиоактивными препаратами надо учитывать концентрацию радиоактивного вещества в том или ином препарате или образце.

Для оценки концентрации используются такие едини­ цы: кюри/г, кюри/см3. Они показывают активность по от­ ношению к единице веса или объема радиоактивного вещества. Чтобы оценить действие радиоактивного излу­ чения, недостаточно знать активность источника. Источ­ ник излучает за единицу времени определенное число ча­ стиц, и они равномерно разлетаются во все стороны. Если окружить источник сферой, то на единицу площади в лю­ бом месте сферы придется одинаковое количество частиц, излучаемых веществом. Если расстояние от источника до сферы увеличивать, то на единицу площади будет при­ падать все меньше и меньше частиц: количество излучен-