Экспериментальные методы ядерной физики (ЭМЯФ) / Деменков

тельного предусилителя, включая меры предосторожно сти работы с ним. Представлены линейные звенья форми рования детекторных сигналов, используемые в составе спектрометрического усилителя, его функциональная схе ма и основные характеристики.

Рассматриваются линейные устройства выделения и формирования детекторных сигналов. Их задержка, рас ширение, линейное суммирование и пропускание. Устрой ства восстановления постоянной составляющей в цепях передачи сигналов, а также их аналоговое мультиплекси рование и применение этих устройств в линейной обра ботке сигналов детекторов ядерного излучения. Именно данная совокупность вопросов и ряда аспектов нашла от ражение в содержании первого раздела.

Г Л А В А 1

БАЗОВЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ РЕГИСТРАЦИИ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

Ионизирующие излучения являются результатом ядер ных превращений. Основными из них принято считать ядерные реакции и радиоактивный распад. Продукты этих превращений в виде легких и тяжелых частиц, как заря женных, так и нейтральных, являются объектами изуче ния. Практический и научный интерес представляют ре зультаты и последствия их взаимодействия, которые так же становятся предметом исследований. При изучении таких превращений используются экспериментальные методы ядерной физики и физики деления, ионизацион ные и сцинтилляционные методы, спектрометрия, дози метрия, радиометрия.

1.1.

ИСТОЧНИКИ РАДИОАКТИВНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

ИИХ ВИДЫ

Впрактике повседневной жизни встречается внуши тельное разнообразие источников радиоактивного излу чения. Их можно разделить на два основных вида: есте ственные и искусственные. Воздействуя на материалы, радиоактивное излучение проникает вовнутрь, вызывая в них ионизацию. В силу этого их называют еще источника ми ионизирующего излучения. Естественные источники —

это излучение окружающей среды, а искусственные — результат целенаправленной деятельности человека.

Первым из них служит космическое излучение (Солн це, звезды, галактики и т. п.). Взаимодействуя с атмосфе рой Земли, это излучение образует большое количество вторичных частиц, весьма разных по виду. Первичное кос мическое излучение, представляющее научный интерес, исследуется с помощью аппаратуры, доставляемой раке тами, спутниками и другими космическими аппаратами за пределы земной атмосферы.

В свою очередь, вторичное излучение, связанное с кос мическим излучением у поверхности земли, регистриру ется уже как фоновая его составляющая. Именно такой фон затрудняет поиск и исследование источников естест венной радиоактивности слабой интенсивности. Естествен ная радиоактивность, обусловленная , или излуче нием, была открыта еще в 1896 г. Беккерелем в урановых рудах. Изучение такой радиоактивности ориентировано на поиск полезных ископаемых и оказывает неоценимые услуги в разведке залежей газа, нефти, полиметалличе ских руд и т. п.

Естественная радиоактивность используется для опре деления возраста минералов в геологии, находок в архео логии, включая и другие сферы, например метеориты, лунный грунт и т. п. Определяя концентрацию изотопа углерода 14, имеющего период полураспада 5730 лет, мож но судить о времени утраты жизнеспособности представи теля флоры либо фауны, т. е. вида растения или животно го мира. Следует заметить, что других методов такой на правленности в распоряжении ученых пока нет.

Результатом жизнедеятельности человека, как уже отмечалось, являются искусственные источники ионизи рующего излучения. Среди них отметим научно исследо вательские реакторы и ядерно физические установки, ре акторы атомных электростанций (АЭС) и ускорители за ряженных частиц, нейтронные генераторы, изотопные установки и источники, радиоактивные отходы и т. д. Та кое постоянно растущее количество искусственных источ ников радиоактивного излучения позволяет говорить уже

о загрязнении ими окружающей среды, и их объемы, есте ственно, увеличиваются. Данная тенденция и связанные с ней последствия вызывают обеспокоенность и озабочен ность человечества.

Вместе с тем на практике весьма широко используется изотопный анализ. Его применяют в различных областях науки, в ряде отраслей промышленности, геологии, ме дицине и т. п. Проведение активационного анализа необ ходимо для металлургии и химии, не исключая некото рых направлений добывающей и пищевой промышленно сти. Важно отметить эффективное использование меченых атомов в разных областях науки и техники.

1.2. КЛЮЧЕВЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ

В ИЗУЧЕНИИ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

Разнообразие принципов преобразований является ос новой измерений и фиксации параметров ионизирующих излучений. В результате частных, но характерных и обо собленных видоизменений в веществе под действием ядер ных излучений осуществляется их регистрация. Как уже известно, это может быть ионизация, люминесценция, конденсация, сцинтилляция, возникновение искрового разряда, нарушение кристаллической структуры, калори метрия и т. п. Процессы преобразования этих превраще ний идут в определенной последовательности и выпол няются до тех пор, пока интересующий исследователя параметр ядерного излучения не будет представлен в не обходимом виде и в установленной форме.

Между тем в ядерной физике можно выделить три ос новных направления, связанных с изучением параметров и характеристик ионизирующих излучений: дозиметрия, радиометрия и спектрометрия. Эти направления в реше нии своих задач используют практически идентичную тех нику в виде специальных электронных средств измерений. Однако они в существенной степени отличаются постанов кой и сферой решаемых задач.

Дозиметрия решает задачи определения величин, ха рактеризующих перенос, передачу и поглощение энергии излучения. С ее помощью решают проблемы контроля ра диационной безопасности, воздействия излучения на ок ружающую среду, вопросы лучевой терапии, определения степени или дозы облучения и т. д. Это направление при звано способствовать применению ядерных технологий в различных сферах науки и техники с высочайшим уров нем безопасности их реализации.

Радиометрия решает задачи определения активности источников, создаваемых ими полей излучения, опреде ления активности конкретного изотопа в различных сре дах, материалах и объектах. С ее помощью находят отве ты на вопросы объемной и поверхностной концентрации радионуклидов. Отслеживается их миграция в простран стве и во времени, ведется оперативный контроль радиа ционной обстановки, включая применение меченых ато мов в различных областях науки и техники.

Спектрометрия решает задачи измерения распреде ления частиц по энергии, их зарядам и массам в простран стве и во времени. Перечень ее методик, их варианты реа лизации необычайно широки и многогранны. Техника и электронные средства, призванные решать вопросы и за дачи спектрометрии, наиболее сложные из всей совокуп ности экспериментальных методов ядерной физики. Это одно из самых дорогостоящих, высокозатратных и наибо лее сложных направлений прикладной ядерной физики.

В каждом из направлений, несмотря на различие за дач, методы их решения в ряде случаев тесно переплета ются. Области соприкосновения лежат в сфере использо вания методик измерений, применяемых в них техниче ских средств. Нередко здесь же присутствуют и способы обработки полученных результатов исследований. Это наиболее характерно и достаточно четко прослеживается в двух последних направлениях.

Тем не менее следует признать, что задачи спектромет рии более масштабны, а уровень их сложности существен но выше. Действительно выдвигаемые требования при этом становятся более жесткими. Такую ситуацию можно

объяснить тем, что при спектрометрии нередко регистри руется и фиксируется весьма значительный набор пара метров исследуемого ядерного процесса. Это является необходимым условием при доскональном изучении и установлении характера их взаимосвязи. Данной совокуп ностью измеряемых при этом параметров может быть энер гия, угол разлета компонентов, интенсивность взаимодей ствия, вид излучений, одновременность их поступления и т. п.

1.3.

ТРУДНОСТИ В ИЗМЕРЕНИИ ПАРАМЕТРОВ

ЯДЕРНЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ

Одной из характерных особенностей измерения пара метров ионизирующих излучений является то, что в за фиксированных данных обязательно присутствует вклад сторонних эффектов. Их вносит фоновая составляющая ионизирующих излучений. В ряде случаев даже примене ние специальных мер не гарантирует благоприятный ис ход в достижении результата. Действительно, фон явля ется весьма обременительным фактором в изучении и ре гистрации параметров ионизирующих излучений.

Такая ситуация имеет место, если интенсивность сто роннего, т. е. фонового, излучения в значительной мере превышает интенсивность, которая обусловлена самим исследуемым ядерным процессом. Следует заметить, что фоновая обстановка, как показывает практика измере ний, формируется главным образом за счет естественных источников ионизирующих излучений. В их составе не последнее место занимает все многообразие космических излучений.

В ряде случаев фоновая составляющая явно обуслов лена самим экспериментом. При этом эффект и фон в ходе измерений регистрируются одновременно. В такой ситуа ции остро встает вопрос о корректном учете вклада фоно вой составляющей. Радикальным решением данной зада чи может служить дополнительное, т. е. обособленное,

измерение фона при тех же условиях и в той же самой геометрии эксперимента.

Это успешно решает возникшую проблему. Действи тельно, если отдельно измеренную составляющую фона затем вычитают из данных, зарегистрированных в ходе эксперимента, то полученные результаты, в свою очередь, будут непосредственно связаны с изучаемым ядерным про цессом. На практике при регистрации параметров иони зирующих излучений для снижения вклада фоновой со ставляющей применяют и с успехом используют самые разнообразные подходы.

Эффективным решением проблемы принято считать защиту детекторных устройств с помощью специальных материалов, которые хорошо поглощают фоновое излуче ние. Нередко используют комбинированную защиту в виде набора различных материалов. Их непосредственно объе диняют и оформляют в единую конструкцию, например в виде цилиндрического контейнера. Изучаемое излучение поступает на детектор уже через коллиматор, т. е. специ альное отверстие в защите. Такое сооружение позволяет эффективно защитить детекторное устройство от внешних излучений разного вида.

Наряду с вариантами конструкционного подхода к борьбе с проявлениями фона нередко применяют различ ные методические решения с использованием соответствую щих электронных средств. В первую очередь это связано с применением методов совпадений и антисовпадений для отбора событий при экспериментальных исследованиях. Эти методы, как и электронные средства, реализуемые в виде схем совпадений и антисовпадений, являются дей ственным инструментом в снижении фоновых составляю щих при регистрации. Применение электронных средств данного вида обеспечивает вполне приемлемые результа ты в измерении параметров изучаемых ядерных процес сов. Повышается эффективность регистрации и улучша ется отношение «эффект — фон» в десятки и сотни раз, а иногда и выше.

Не последнее место на фронтах борьбы с негативными проявлениями фоновых составляющих занимают нели

нейные методы обработки детекторных сигналов. Различ ные варианты амплитудной дискриминации, которые относятся к нелинейным методам, являются весьма эф фективным средством борьбы с фоном. Такие методы, как электронная техника их реализации, считаются одной из разновидностей радикальных средств решения проблемы снижения вклада фоновых составляющих в результаты измерений.

Применение всего разнообразия электронной техники отбора событий позволяет успешно преодолеть трудности, обусловленные проявлениями различных фоновых ситу аций. Существуют и другие подходы к данной проблеме борьбы с фоном. В известной мере корректное решение вопросов фона при организации и проведении исследова ний, которое зачастую весьма неординарно, а иногда и до статочно специфично, нередко служит одним из критериев оценки зрелости и мастерства экспериментатора.

1.4. ИОНИЗАЦИОННЫЙ МЕТОД РЕГИСТРАЦИИ

РАДИАЦИОННЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ

Все многообразие природных субстанций реагирует на воздействие радиационного излучения. Характер их вза имодействия зависит от состава вещества и вида излуче ния. Реакция материалов окружающей среды при таком воздействии тоже будет различна. Физические процессы, происходящие в них, будут отличаться и зависеть, если можно так выразиться, от субъекта воздействия — посту пила заряженная или нейтральная частица. Рассмотрим наиболее общие стороны этих процессов.

Однако прежде чем выяснять эти аспекты, следует на помнить, что вся совокупность ионизирующих излучений может быть разделена на две основные группы. Одна из них является квантовым электромагнитным ионизирую щим излучением ( излучение, рентгеновское и т. п.), а другая — корпускулярным, состоящим из частиц ( ча стицы, протоны, частицы, нейтроны и т. д.), и тоже счи тается радиационным излучением. При взаимодействии

излучения со структурой различных материалов обычно происходит ряд элементарных актов, результаты которых положены в основу регистрации всех радиационных из лучений и составляют ее неотъемлемую часть. Известно, что заряженная частица при движении в этих веществах производит ионизацию материала, что вызывает появле ние в нем носителей зарядов обоих знаков.

Вгазовых, жидких и твердых средах это электроны и ионы, которые соответственно будут заряжены отрица тельно и положительно. Такая разновидность носителей зарядов образуется за счет нарушения в структуре мате риала химических связей. В полупроводниковых матери алах данными носителями зарядов служат соответствен но электроны и дырки. Процесс регистрации ядерных из лучений, связанный с образованием носителей зарядов разных знаков, называется ионизационным методом.

Гамма кванты, нейтроны и ряд других частиц явля ются, в принципе, электрически нейтральными и в силу этого не могут непосредственно производить ионизацию. Однако их взаимодействие со средой вызывает образова ние и появление заряженных частиц, которые, в свою оче редь, уже могут осуществлять ионизацию среды. В этом случае ядерные излучения такого вида являются косвен но ионизирующими. Нетрудно понять, что решение зада чи регистрации заключается в подборе состава среды, где преобладает природа данного физического процесса.

Вцелях регистрации на последующих этапах осуще ствляется разделение зарядов с помощью электрического или магнитного поля. Такие поля создаются в специаль ных устройствах, которые получили название детекторы.

Вэтих устройствах с помощью поля, осуществляя пере мещение зарядов, а также их сбор на электродах, преоб разуют результаты ионизации в электрический сигнал. Устройства такого назначения в измерительной технике называются первичными преобразователями или датчи ками. В ядерной физике все многообразие таких устройств сохранили свое название — детекторы. Стало быть, детек тором является прибор специализированного назначения,

обеспечивающий регистрацию ядерных превращений в различных формах радиационных излучений.

Ионизационный метод положен в основу работы раз ных видов газонаполненных детекторов — это ионизаци онные камеры, пропорциональные счетчики, счетчики Гейгера — Мюллера. Полупроводниковый детектор то же можно считать камерой, но с твердым наполнителем. В последнее время наблюдается тенденция роста в исполь зовании газонаполненных камер в измерениях. Этому со действуют новые материалы, новые конструкции камер (многослойные, плоские, полусферические, с нескольки ми сетками и т. п.). Заметим, что камера является одним из детекторов, где исследуемый делящийся материал или другой источник излучения можно разместить внутри са мого детекторного устройства.

1.5. ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЙ МЕТОД —

ОСНОВА СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫХ ДЕТЕКТОРОВ

Наряду с ионизацией в практике регистрации радио активных излучений широко используется люминесцен тный метод. Он основан на измерении уровня интенсив ности световых вспышек, возникающих в веществе. Их появление связано с переходом структуры вещества из возбужденного состояния, вызванного радиационным воз действием, в основное.

Вещества, обладающие способностью испускать свет при воздействии ионизационных излучений, называются фосфорами или люминофорами. Они могут быть газооб разные, жидкие или иметь кристаллическую форму. Про цесс испускания ими фотонов света под действием иони зирующего излучения называется сцинтилляцией. Все материалы как искусственного, так и естественного про исхождения, обладающие такой способностью, именуют ся, в свою очередь, сцинтилляторами.

Регистрация сцинтилляций ведется с помощью разных устройств и структур, преобразующих вспышку света в