Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физические основы измерений. Учебное пособие
.pdf
достижима только в пределах постоянной эталона ∆λ. По этой
причине эталон Фабри-Перо обычно используется вместе с какимлибо другим спектральным прибором, который позволяет провести
предварительную монохроматизацию с разрешением меньшим, чем
постоянная эталона. В большинстве случаев эталон Фабри-Перо
устанавливается после предварительного монохроматора,
выделяющего полосу пропускания порядка ∆λ. Таким образом,
удается добиться очень высокого спектрального разрешения, равного
106 и выше. Для реализации такого спектрального разрешения
понадобилась бы дифракционная решетка с 1200 штрихами на
миллиметр и размером заштрихованной поверхности около одного
метра.
Для решения ряда спектрофотометрических задач используют
два последовательно установленных эталона Фабри-Перо. Такая
система получила название мультиплекса. Один из эталонов обычно
имеет малую толщину, второй в несколько раз больше (рис. 75). Такая
комбинация позволяет получать высокое спектральное разрешение,
определяемое эталоном большей толщины, в более широком
диапазоне длин волн, определяемом эталоном меньшей толщины.
У эталона Фабри-Перо кроме высокого спектрального
разрешения есть еще одно важное преимущество перед
дисперсионными спектральными приборами со входными щелями.
Оно состоит в высокой светосиле прибора. Спектральная щель
выделяет только малую часть светового потока от источника,
зависящую от ширины щели. Чем большего разрешения по длинам
волн хотят достигнуть, тем уже должна быть входная щель.
Соответственно в спектральный прибор попадает только часть
энергии излучения источника света. В эталоне Фабри-Перо такие
ограничения отсутствуют, т. е. в формировании выходного сигнала
участвует весь световой поток, испускаемый источником света.
181
Рисунок 75 - Сложный эталон (мультиплекс) и его аппаратная
функция
ДАТЧИКИ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Под ионизирующими понимают излучения, обладающие
энергией, достаточной для вырывания электронов из атомов вещества,
которым они поглощаются. Различают излучения, ионизирующие
непосредственно и косвенно. К первым относятся все корпускулярные
излучения электрически заряженных частиц, т. е. быстрые электроны
(бета-лучи), альфа-лучи, быстрые протоны и потоки ионов. Косвенно
ионизирующими называются те излучения, действие которых
обусловливается частицами, высвободившимися в процессе
поглощения, например, быстрые нейтроны, которые вызывают
ионизацию под действием вырванных протонов отдачи. Хотя
квантовые излучения (рентгеновские и гамма-лучи) при их
182
поглощении тоже вырывают из атомов отдельные электроны, но
Важнейшие области применения в
Изменение проводимости
полупроводников Возбуждение
флюоресценции Влияние на
ентные
свойства твердых тел.
Фотографические действия.
Изменение цвета веществ.
Высвобождение экзоэлектронов.
Нагрев материала, поглощающего
Эталонная и практическая дозиметрия в
медицине и ядерной технике. Специальная
зиметрия и спектрометрия.
Сцинтилляционные счетчики. Защита от
излучения в медицинская дозиметрия.
Фотографическая дозиметрия в технике
защиты от излучений. Измерение больших
доз. Измерение малых доз. Эталонная
дозиметрия, определение дозиметрических
ц. Сравнение с физическими
основная часть работы ионизации совершается вырванными
электронами при их торможении. Поэтому такие излучения относятся
к косвенно ионизирующим.
При ионизации электрически нейтральные атомы вещества
приобретают один или несколько положительных зарядов
(заряжаются несколько раз) и, поскольку они могут двигаться,
например, в воде или воздухе, становятся ионами; это греческое слово
означает «блуждающие» (в электрическом поле). Вырванные при этом
электроны присоединяются к другим атомам. Для образования одной
пары ионов с разными знаками заряда в среднем нужна энергия,
равная 34 эВ. Ионизированные атомы, в особенности, если они входят
в состав органических макромолекул, изменяют их химические
свойства (рентгеновская и гамма-фотография, радиохимия, лечение
раковых опухолей, стерилизация пищевых продуктов и т. д.).
Разнообразные физические, химические и биологические действия
ионизирующих излучений в том или ином виде могут быть
использованы для измерения количества или качества (энергии)
излучений (табл. 9).
Таблица 9 - Воздействия излучения, используемые при дозиметрии и
их основные области применения
Воздействие и
Ионизация в воздухе и газах
злучения
дозиметрии
фосфоресцентные и люминесц
излучение. Биологические действия.
Основные понятия, измеряемые величины и единицы
Поле излучения (т. е. область пространства, пронизываемая
излучением) может быть описано следующими величинами:
183
до
едини
дозиметрами, аварийная дозиметрия
а) видом частиц (фотоны, электроны, ионы и т. д.), а также
количеством частиц на 1 см2, их направлением и энергией;
б) величиной их взаимодействия с некоторым определенным
веществом, находящимся в поле излучения;
в) силой (активностью, скоростью распада) источника излучения, разновидностью частиц, энергией и геометрией пучка лучей.
Эти характеристики поля излучения применимы в основном к
радиоактивным изотопам (радионуклидам). Исходя из их основных
параметров, можно определить (рассчитать) величины, упомянутые в
пп. «а» и «б».
Величины, характеризующие поле излучения
Плотность потока частиц ϕ показывает, сколько частиц в
определенном месте за данный промежуток времени t проходит через
пространство. Чтобы определить плотность потока частиц, рассматриваемую точку заключают в сферу с площадью большого круга
∆A и п
одсчитывают количество частиц ∆N, проникших в сферу за
промежуток времени ∆t. Плотность потока частиц при этом составляет
ϕ = ∆N/(∆A ∆t),
что можно записать и в виде отношения производных:
2
Nd
ϕ =
dAdt
[см
-2.с-1
],
При таком подходе можно определить и плотность потока
энергии (интенсивность излучения) как сумму энергий отдельных ча-
стиц W:
Направление распространения описывается уравнением распределения плотности потока по направлению:
2
ψ =
Wd
, [Дж.см
dAdt
-2.с-1
] или [Вт.см-2]
Поток представляет собой интеграл плотности потока за отрезок времени от t1 до t2:
t
2
Ф =
поток энергии излучения ψ =
ϕ
∫
t
1
[см-2];
dt
t
2
∫
t
1
dt
ψ
[Дж.см
-2.с-1
] или [Вт.см-2].
184
Как указывалось выше, поле излучения полностью характеризуется в количественном отношении плотностью потока, а в качественном— энергией, а также направлением излучения.
Для описания качества излучения используются выражения
для спектральной плотности потока
ϕE =
dE
)E(dϕ
или ψ
=
E
dE
)E(dψ
где Е - энергия частиц.
Дозиметрические величины
Широкое распространение ионизирующих излучений в
радиобиологии и в медицине, а также все большая значимость защиты
от излучений, привели к росту использования дозиметрических
величин, нежели величин, характеризующих поле излучения. При
промышленном использовании излучений обычно говорят об
определении действия излучений, о величине которого также можно
наиболее просто судить с использованием методов дозиметрии.
Доза энергии (поглощенная) определяется как отношение
D =
dW
dm
D
=
dW1
D
dV
ρ
где dWD — часть энергии, которая поглощается массой dm, имеющей
плотность ρ и объем dV. Эту дозу энергии чисто терминологически
можно сравнить с плотностью энергии или с концентрацией энергии.
Прежде употреблялась единица поглощенной дозы излучения
«рад»; с 1985 г. новой единственно разрешенной единицей дозы
излучения является «грэй»:
1 рад = 10-2 Дж/кг; 1 Гй = 1 Дж/кг; 1 Гй = 100 рад; 1 Гй = 1
Дж/кг = 2,38.10-4 кал/г.
Поглощенная доза энергии представляет собой
фундаментальный показатель, потому что биологическое действие
излучения может быть поставлено в связь с энергией излучения,
выдерживаемой живой тканью.
Можно также воспользоваться ионной (экспозиционной) дозой
фотонного излучения в воздухе как стандартной (эталонной) среде,
которая определяется по формуле
J =
dQ
dm
L
=
dQ1
,
dV
ρ
L
185
где dQ — электрический заряд ионов одного знака, создаваемый
излучением в 1,293 мг воздуха. Эта единица ионной (экспозиционной)
дозы, которую было разрешено применять до 1985 г., получила
название «рентген» (Р): 1 Р = 2,58.10-4 Кл/кг.
Единственно разрешенной с 1985 г. единицей измерения
ионной дозы в системе СИ является «кулон на килограмм» (Кл/кг),
определяемая соотношением 1 Кл/кг = 3,78.104 Р.
Специальным термином для области защиты от излучений
является эквивалентная доза. Она отличается от поглощенной дозы
энергии тем, что представляет собой чисто расчетную величину,
характеризующую степень опасности частиц различного вида и с
различной энергией. Эквивалентная доза определяется как
произведение поглощенной дозы энергии на коэффициент оценки Dq
= qD.
Поскольку коэффициент оценки q б
езразмерен, эквивалентная
доза измеряется в тех же единицах, что и поглощенная (Дж/кг). Чтобы
подчеркнуть, что речь идет о величине дозы в области защиты от
излучений и что физическая измеряемая величина — поглощенная
доза — умножена на условный коэффициент оценки q, старая единица
эквивалентной дозы (разрешенная тоже только до 1985 г.) получила
название «рэм», а новая единица системы СИ названа «сиверт» (Св),
причем соотношение между ними принято следующим: 1 Св = 100
рэм. Коэффициент оценки q для фотонных и электронных лучей равен
1, а для плотно ионизирующих α-излучений и нейтронных лучей в
зависимости от энергии, облучаемого объекта и рассматриваемой
реакции от 2 до 20.
Была введена мера «качества» излучения, по которой, как и в
дозиметрических величинах, для характеристики энергии излучения
используется его взаимодействие с каким-либо материалом. В
качестве сравнительной величины принята толщина слоя некоторого
вещества, в котором плотность потока, поток, мощность дозы или
поглощенная доза воздействующего излучения уменьшаются вдвое по
сравнению с их исходным значением. Необходимым условием для
измерения такой толщины слоя половинного поглощения
(сокращенно HWSD) является формирование узко сфокусированного
пучка лучей одного направления.
186
Характерные константы радионуклидов
Для практических целей могут иметь значение следующие
характеристики.
Под активностью А некоторого количества радиоактивного
изотопа, содержащего N атомов в момент времени 1, понимается
математическое ожидание степени превращения
А = dN/dt,
т. е. число актов распада за единицу времени.
Ранее применялась единица активности Кюри (Ки), а с 1985 г.
введена новая единица системы СИ — обратная секунда (с-1),
получившая специальное наименование «беккерель» (Бк), причем 1
.Ки = 3,7.1010 Бк или 1 Бк = 2,7.10
-11
Ки.
Сила источника (скорость распада) В представляет собой
отношение математического ожидания dNa ч
исла частиц или фотонов,
вышедших из источников излучения за некоторый промежуток
времени dt, к продолжительности этого промежутка:
В = dNa/dt
Под периодом полураспада T
какого-либо радионуклида
1/2
понимается промежуток времени, в течение которого количество
первоначально имевшихся атомов в результате радиоактивного
превращения уменьшается наполовину:
T
, = (In 2)/λ,
1/2
где λ — постоянная распада радиоактивного изотопа.
По активности А и расстоянию r можно рассчитать стандарт-
ную мощность дозы Ds, зная постоянную мощности дозы Гσ а
(которая раньше называлась удельной константой γ - излучения Г):
Ds = A Гσ/r2
Единицей постоянной мощности дозы Гσ в системе СИ является
Гй..м2.ч
-1.
ГБк-1. На практике применяется единица мГй-м2.ч
-1.
ГБк-1.
Численные значения характерных констант некоторых важных
радионуклидов представлены в табл. 10.
187
Таблица 10 - Некоторые важные радиоактивные изотопы, их
Технеций
характеристики и основные области применения
E max., МэВ
β
Радионуклид
Кобальт 60Со _ 1,33 5,3 года 3,2 10
Стронций
90
Sr
98
Тс
123
Иод
I — 0,159 13,2 ч 1,6 10
131
Иод
I 0,61 0,64 8,1 сут 5,4.10
137
Цезий
Cs
-
излучен
ие
0,53
0,20 – 0,14
0,52 0,66 30 лет 8,0 1012
γ
-
излучени
е
Τl/2
28 лет
6 ч
Гσ,
1,5.10
Гйм
чБк
-11
-12
-12
-12
2
Основные области
применения
Испытание материалов и
медицина
Измерение толщины.
Медицина, диагностика
Медицина, диагностика,
терапия
Медицина (исследование
щитовидной железы)
Испытание материалов и
медицина
Эффекты, используемые для измерения ионизирующих
излучений, датчики и приборы
Ионизационные явления в газах. Методы измерения излучений
и приборы, основанные на применении двух изолированных один от
другого электродов, установленных друг против друга в объеме газа,
отличаются простотой, высокой чувствительностью и надежностью
реализации. Вольт - амперная характеристика таких систем (рис. 26)
при этом может быть использована различным образом.
Поскольку газы в их исходном состоянии являются
эффективными изоляторами, при наличии некоторой разности
потенциалов между электродами ток остается равным нулю.
Ионизационные детекторы. Если излучение с достаточно
высокой энергией проходит через газ, то в результате прямой ударной
ионизации или за счет взаимодействия с возникающими вторичными
частицами могут появляться электронно-ионные пары. В этом случае
говорят о первичной ионизации. Этот процесс служит физической
основой для работы всех ионизационных детекторов. Наиболее
простыми среди них являются ионизационные камеры. Если в объеме
газа под влиянием облучения образуются ионы, то появляется ток,
188
зависящий от величины приложенного напряжения согласно рис. 26.
Ввиду незначительной скорости дрейфа ионов имеется возможность
рекомбинации положительных и отрицательных ионов в измеряемом
объеме, которые при этом не попадают в результат измерения.
Соответствующим повышением напряжения, приложенного к
ионизационной камере, можно повысить напряженность поля
настолько, что практически все образовавшиеся ионы успеют дойти
до электродов до их рекомбинации. В таком случае ионизационный
ток не зависит от напряжения на камере и зависит только от
плотности потока частиц или от мощности дозы.
Рисунок 76 - Вольт-амперная характеристика газонаполненных
детекторов излучения: I — омическая область; II— промежуточная
область без насыщения; III — область работы ионизационной
камеры; IV — область работы пропорционального счетчика;
V — область работы счетчика с инициированием (самостоятельным
разрядом)
Это и является обычным режимом работы ионизационных
камер. При дальнейшем повышении напряжения попадают в так
называемую область пропорциональности. Кинетическая энергия
образовавшихся ионов настолько велика, что они при соударениях в
свою очередь образуют пары ионов, в результате чего обеспечивается
эффект усиления. В таком диапазоне напряжений работают
189
пропорциональные счетчики (несамостоятельного разряда). В них
измеряемый сигнал (сила тока) пропорционален ионизации,
полученной под действием облучения. При последующем увеличении
напряжения можно попасть в область с самостоятельным разрядом.
При этом каждая первичная ионизация вызывает возникновение
разрядных импульсов в камере. Измеренный ток практически
ограничивается только числом импульсов и внутренним
сопротивлением источника тока и показывающего прибора. В таком
режиме работают счетчики Гейгера—Мюллера и счетчики искровых
разрядов.
Способы обнаружения элементарных частиц (α-частиц, βчастиц, т.е. быстрых электронов, протонов, мезонов, нейтронров,
нейтрино и т.д.) зависят от того, имеют ли они заряд.
Заряженная частица при своем движении ионизирует атомы
среды, через которую она пролетает. Поскольку энергия частицы
обычно много больше энергии ионизации атома, частица создает на
своем пути большое количество пар ионов. Это и дает возможность
обнаружить частицу. Количество созданных пар ионов на единицу
длины пробега частицы, как показывает теория, приблизительно
пропорциональна плотности среды, квадрату заряда частицы и не
зависит от массы частицы. Так, α-частица создает гораздо больше
ионов на единицу своего пути, чем β-частица, поскольку заряд у нее
вдвое больше, а скорость при той же энергии много меньше.
Ионизационные приемники (детекторы) быстрых заряженных
частиц различаются способами обнаружения этой ионизации.
Ионизационные камеры - э
то камеры, содержащие объем газа,
в котором пролетающая частица создает определенное количество пар
ионов. Подключенный источник тока, создавая электрическое поле,
приводит эти ионы в движение. Попадая на электрод, N ионов, если
они однозарядные, изменяют потенциал электрода на ∆U = eN/C, где
С – электроемкость электродов камеры. Это изменение потенциала
(импульс напряжения) подается на вход усилителя. На выходе
усилителя ставится измерительный прибор. По величине ∆U можно
судить об ионизирующей способности частицы (N), а следовательно,
различать частицы и определять их энергию.
190
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]