Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физические основы измерений. Учебное пособие
.pdf
приводят к выходу детектора из строя. Этим ограничивается область
применения полупроводниковых детекторов.
Полупроводниковые детекторы получили широкое
распространение при изучении α-частиц, продуктов распада и β частиц, поскольку они поглощаются в тонком слое
полупроводникового материала. В γ-спектроскопии высокое
энергетическое разрешение полупроводниковых счетчиков (и прежде
всего Ge(Li)-детекторов) открыло новые возможности для исследований. Ge(Li)-детектор обычно охлаждают до температуры жидкого
азота 77 К. В рентгеновской области до энергии порядка 40 кэВ
обычно используют кремниевые детекторы, а при более высоких
энергиях — детекторы на основе германия.
Сцинтилляционные счетчики Сцинтилляционные счетчики
принадлежат к числу наиболее старых детекторов излучения.
Принцип, на котором основана их работа, чрезвычайно прост. Если
частица с высокой энергией или квант излучения падают на
соответствующий «сцинтиллятор», то это приводит к короткой
вспышке света (сцинтилляции). Эту вспышку можно наблюдать даже
невооруженным глазом, адаптированным к темноте. Наиболее
характерным примером служат сцинтилляции, вызываемые αчастицами на экране из сульфида цинка. В известном эксперименте по
рассеянию Резерфорд со своими сотрудниками Гейгером и Марсденом
облучали α-частицами тонкие золотые фольги. Этот эксперимент
привел к открытию атомных ядер. Исследователи изучали
зависимость количества вспышек света от угла падения α-частиц.
Сцинтилляции подсчитывались под микроскопом. В настоящее время
вместо человеческого глаза используют фотоэлектронный
умножитель, а импульсы тока на его выходе подсчитываются с
помощью электронной схемы. При этом прежде всего следует
позаботиться о хорошей оптической связи сцинтиллятора с
фотокатодом ФЭУ. Эти приборы соединяют с помощью световода, а в
большинстве случаев сцинтиллятор расположен непосредственно
перед фотокатодом. При этом необходимо выбрать такой умножитель,
спектральная чувствительность которого соответствует спектру
изучаемого излучения. Если частицы полностью поглощаются в
сцинтилляторе, то энергия частиц или квантов пропорциональна
201
величине импульса тока, причем коэффициент пропорциональности
зависит прежде всего от сорта частиц. Энергетическое разрешение
сцинтилляционных счетчиков существенно хуже, чем у полупроводниковых, поскольку число электронов, выбитых с фотокатода, очень
слабо зависит от энергии падающих частиц или квантов. В среднем
для генерации одного фотоэлектрона требуется ~ 200-1000 эВ. В
настоящее время используется целый ряд сцинтилляторов с
различными свойствами.
Наиболее существенно различаются органические и
неорганические сцинтилляторы с различными механизмами
сцинтилляции. Самыми известными неорганическими кристаллами
являются NaI(Tl) и CsI(Tl). Механизм сцинтилляции в них
определяется в основном влиянием кристаллической решетки.
Наиболее совершенные исследования касаются фторида лития LiF, у
которого при поглощении высокоэнергетиных фотонов имеют шесть
мета стабильных состояний в кристаллической решетке. В
органических веществах вспышка света происходит в результате
возвращения возбужденных молекул в основное состояние. Механизм
сцинтилляции не изменяется и при растворении флуоресцирующего
вещества в жидком растворителе (жидкие сцинтилляторы) или в
полимере (сцинтилляторы-пластики). Пластики легко подвергаются
механической обработке, и из них можно изготовить сцинтилляторы
любой удобной формы. В качестве сцинтилляторов используют также
органические кристаллы. Наиболее эффективным органическим
сцинтиллятором является, например, антрацен, конверсионная
эффективность которого достигает 50 % эффективности NaJ(Tl).
В ряде случаев, кроме высокого квантового выхода требуется
малая продолжительность сцинтилляционного сигнала. В этом
отношении сцинтилляторы-пластики превосходят все другие
вещества. Импульс света, возникший в сцинтилляторе, спадает по
экспоненциальному закону, и если время высвечивания для NaJ(Tl)
составляет 230 нс, а у антрацена оно равно 30 нс, то для большинства
пластиков время высвечивания лежит между 1,4 и 4 нс.
Принцип действия сцинтилляционного счетчика
иллюстрируется рис. 80. Фотоны люминесцентной вспышки
регистрируются затем фотоэлектронным умножителем. Кристалл 1 и
202
фотоумножитель закрыты отражающим светом люминесценции и не
пропускающим внешний свет тонким металлическим экраном 2.
Количество фотонов вспышки пропорционально энергии попадающей
в счетчик частицы, а количество электронов с последнего динода 5.
ФЭУ пропорционально числу фотонов, вырывающих электроны с
фотокатода 4. Поэтому импульс тока на выходе счетчика
пропорционален энергии частицы.
Рисунок 80 - Сцинциляционный счетчик: 1 – кристалл, 2 -
светозащитный экран, 3 – ФЭУ, 4 – фотокатод, 5 – динатроны
фотоумножителя
В детекторе под действием излучения возникают световые
вспышки малой продолжительности. При помощи вторичного
электронного умножителя они преобразуются в электрические
сигналы достаточно большой амплитуды.
Сцинтилляционные счетчики в основном применяют для
определения интенсивности препаратов, в целях защиты от излучений
для определения эквивалентной дозы, для спектральных измерений.
Следует отметить, что амплитуды импульсов, появляющихся на
выходе фотоэлектронного умножителя пропорциональны
поглощенной энергии, т. е. энергии инициирующего кванта
излучения. Поэтому сцинтилляционные счетчики являются наиболее
дешевыми и предпочтительными приборами для простых
энергоселективных измерений (на определенном уровне энергии).
В черенковском счетчике используется эффект ЧеренковаФранка-Тамма: при движении заряженной частицы в среде со
скоростью, большей скорости света в этой среде υ = c/n (но меньше
скорости света в вакууме c), ч
астица возбуждает световую волну,
подобную волне, образуемой сверхзвуковым самолетом в воздухе или
203
катером на поверхности воды (рисунок, 81 а), которая имеет вид
υ
n
конуса. Она является огибающей всех сферических волн, которые
испускает частица по пути следования (из точки А волна испущена
позже и поэтому сфера меньше, из точки В свет только начал
распространяться). Луч в изотропной среде перпендикулярен фронту
волны, т.е. будет наклонен к траектории частицы под углом Θ. Угол Θ
можно найти следующим образом. За некоторое время частица
пройдет расстояние АВ. За это же время из точки А свет
распространится на расстояние АС. Отношение АС/АВ равно
отношению скорости света в среде к скорости частицы:
1
с
, так что cosΘ = c/nυ
⋅
Следовательно лучи идут по образующим конуса (но не
внутри конуса) (рис. 81 б). При уменьшении υ до c/n у
гол Θ стремится
к нулю и при υ ≤ c/n излучение исчезает. Наоборот, чем больше
скорость частицы, тем уже конус волны (рисунок, 81 а.), тем больше Θ
(Θ
= arccos n-1). Это дает возможность построить счетчик – селектор
max
скоростей.
Основная часть черенковского счетчика - цилиндрическое
тело с расширением на конце (рисунок, 81 в). Оно изготавливается,
например, из оргстекла. За ним ставится линза, фокусирующая все
лучи 1, выходящие из счетчика под углом Θ, на малое отверстие
диафрагмы. За диафрагмой ставится фотоэлектронный умножитель
(ФЭУ). Лучи 2 от медленной частицы не будут сфокусированы на
отверстие. Для регистрации частиц с меньшей скоростью надо
отодвинуть отверстие и ФЭУ. Черенковские счетчики, таким образом,
ценны для различения релятивистских частиц по скоростям
(энергиям).
204
Рисунок 81 - Черенковский счетчик:
а – волновой конус; б – конус, по образующим которого идет
излучение; в – конструкция счетчика (1 – свет от быстрой частицы,
2 – свет от медленной, 3- -ФЭУ)
γ-кванты, нейтроны и другие нейтральные частицы сами не
производят ионизации. Их обнаруживают по вторичным процессам, в
результате которых появляются быстрые заряженные частицы. В
счетчиках γ-квантов используются фотоэффект, эффект Комптона и
эффект рождения пар. Во всех процессах рождаются быстрые
электроны (позитроны), которые могут регистрироваться всеми
перечисленными счетчиками. Правда, эффективность счетчика
Гейгера-Мюллера по отношению к γ-квантам невелика, лучше
использовать сцинтилляционный или полупроводниковый счетчик.
Экзоэлектронные детекторы. Во многих непроводящих
веществах при поглощении ионизирующих излучений электроны
переходят на более высокие энергетические уровни. С этих уровней
они затем под воздействием тепла или света могут вылетать с
поверхности материала, и их число может быть определено
электронным счетчиком. Число подсчитанных электронов при этом
будет мерой дозы излучения, поглощенной детектором. На практике в
качестве материалов для детекторов предпочтительно применяют
O, BaSO4 или SrSO4, которые в сочетании с соответствующей
Be
расшифровывающей аппаратурой позволяют определять и малые дозы
примерно начиная от 10-8 Гй или Св.
Термолюминесцентные детекторы. У некоторых твердых тел,
подвергавшихся облучению, электроны, поднятые облучением на
более высокие энергетические уровни, при нагреве могут быть
возвращены в исходное состояние. Часть высвобождающейся при
этом энергии может излучаться в виде термолюминесцентного
свечения, которое поддается измерению. Термолюминесценция
205
кристаллов, например LiF, CaF2, CaSO4 или Li2B4O7, используется в
обычных имеющихся в продаже приборах для дозиметрических целей.
Достижимый диапазон измерения зависит от типа и размера детектора
и от чувствительности фотометрической системы. При выборе
детекторов решающую роль играют чувствительность кристаллов, ее
зависимость от энергии излучения и способность кристаллов
запоминать свое состояние (релаксация).
Радиолюминесцентные детекторы. Под воздействием
ионизирующего излучения некоторые твердые тела изменяют
характер поглощения ими светового потока. Возникающие при этом
центры люминесценции используются для обнаружения
ионизирующего излучения. Распространение получили детекторы из
метафосфатов щелочноземельных и щелочных металлов, в которые в
качестве активатора введено серебро. Расшифровывающий прибор
возбуждает люминесцентные центры, пропорциональные
поглощенной энергии, и измеряет получившийся при этом
радиофотолюминесцентный световой поток.
Окрашиваемые детекторы. Многие вещества, например,
стекла, кварц, алмаз и другие твердые аморфные и кристаллические
вещества, а также пластмассы под влиянием больших доз
ионизирующего излучения окрашиваются. Этот эффект после
градуировки с применением известных доз тоже может быть
использован для целей дозиметрии.
Химическая дозиметрия. Н
аряду с методами для абсолютного
измерения поглощенной дозы следует в первую очередь назвать
дозиметр Фрикке, основанный на восстановлении ионов Fe3+ до ионов
Fe2+, - определенное значение для измерения больших доз излучения
получили и многие другие радиационнохимические эффекты. Для
этой цели предпочтительно используют химические изменения в
высокомолекулярных веществах, происходящие под влиянием
излучений. Изменения цвета полимерных пленок (полистирол,
полиамид, поливинилхлорид) тоже могут быть простыми
индикаторами поглощенной дозы излучения в диапазоне от
нескольких килорад до нескольких мегарад.
Среди перечисленных методов за последние годы наибольшее
значение приобрели те, которые основываются на образовании
206
свободных радикалов в некоторых органических веществах,
например, в аминокислотах. Эти радикалы могут быть обнаружены по
способу электронно-спинового резонанса (ESR), при помощи
окрашивающихся жидкостей или на основе лиолюминесценции. Такие
способы подходят в первую очередь для определения больших доз и
характеризуются благоприятной зависимостью от уровня энергии
излучения и хорошей точностью.
Фотографические детекторы. Почернение фотографических
слоев (фотопленок) уже в ранний период становления рентгенологии
использовалось для целей дозиметрии. Однако очень скоро выявились
недостатки этого метода, заключающиеся в плохой
воспроизводимости и сильной зависимости от энергии излучения.
Напротив, преимуществами фотографического (фотопленочного)
метода являются его сравнительная простота, дешевизна и высокая
информативность. Для учета зависимости результата от уровня
энергии применяют два способа - компенсационный фильтровой
метод и метод фильтрового анализа. Первый метод заключается в том,
что при мягких излучениях (с малой энергией) повышенная
чувствительность эмульсионной пленки ослабляется помещенным
перед ней фильтром из свинца толщиной около 1 мм, поскольку этот
фильтр предпочтительно задерживает мягкие составляющие
излучения. При помощи таких фильтров можно измерять дозу
излучения квантов с энергией начиная с 50 кэВ и более практически
независимо от уровня энергии. При втором из вышеупомянутых
методов перед эмульсионной пленкой помещают несколько фильтров
различной толщины и возможно из разного материала, чтобы по
различному почернению пленки за разными фильтрами можно было
судить о виде излучения и о его качестве, т. е. о составе излучения.
Диапазон измерения фотографическими дозиметрами при
использовании двух или трех фотоэмульсий различной
чувствительности может достигать примерно до 10 мкГй до 10 Гй
(или же при дозиметрических измерениях с целью защиты от
излучений от 10 мкСв до 10 Св). Такой диапазон и достигаемая
точность определения дозы ±15 % достаточны для требований дозиметрии при защите от излучений. Преимуществом фотографической
дозиметрии, которая позволяет определять не только количество, но и
207
качество излучения, а также судить о направлении падения излучения,
о распределении экспозиции во времени, о возможных радиоактивных
загрязнениях и т. д., считается большой объем информативного
Специальные применения датчиков ионизирующих
излучений. В современной технике все чаще применяют методы, при
которых излучение измеряется не само по себе, а только как мера
другой величины, представляющей интерес. Чаще других
используются два метода — метод меченых атомов и активационный
анализ, которые характеризуются разносторонней применимостью и
весьма высокой эффективностью.
Метод меченных атомов. То обстоятельство, что
распадающиеся атомы могут быть сравнительно просто обнаружены
средствами техники измерений по возникающему излучению без
применения особо чувствительной аппаратуры, привело к созданию
метода меченых атомов или радиоактивных индикаторов (изотопов).
Метод заключается в том, что к веществу, за состояниями или
изменениями состояния которого при технических, биологических и
химических процессах нужно качественно и количественно
проследить, добавляют определенную (обычно очень небольшую)
дозу радиоактивных атомов, так что молекулы, за траекториями
движения которых нужно следить, как бы «маркируются». При этом
можно воспользоваться радиоактивными изотопами
(радионуклидами) с подходящим периодом полураспада, которые
могут быть искусственно получены практически у всех элементов и
дают излучение, которое по своему виду и энергии легко
обнаруживается средствами техники измерений. Однако примерно из
1500 ра
зличных искусственно полученных радиоактивных изотопов
практическое значение для метода меченых атомов получили только
около 100. Особенно важно то, что атомы, используемые для
маркировки вещества или молекулы, в физическом и химическом
отношениях ведут себя совершенно так, как и обычные
нерадиоактивные изотопы соответствующих элементов. Благодаря
высокой чувствительности метода меченых атомов (минимально
обнаруживаемая концентрация может доходить до 10
-14
м
оль/л) при
соответствующем выборе радионуклидов, используемых для
208
маркировки, можно ограничиться радиационной нагрузкой
(получаемой дозой облучения), в том числе и при биологических
применениях, как правило, приемлемой, а обычно пренебрежимо
малой.
Мессбауэровская спектроскопия. Атомные ядра также могут
поглощать или излучать электромагнитные волны при переходе из
одного состояния в другое. Энергия квантов этого излучения
превышает 6 кэВ и может достигать нескольких мегаэлектронвольт (γизлучение). При этом наиболее глубоколежащие ядерные состояния
имеют относительно большое время жизни. Из соотношения
неопределенностей следует, что эти состояния имеют соответственно
малую естественную ширину линии Y
(или Г
O
в энергетических
0
единицах) соответствующих переходов. Относительная ширина линии
ГO/h
ω
(или Го/ω
0
) составляет по порядку величины 10-8—10
0
-15
. Ни
один из детекторов для γ - квантов не имеет разрешения, сравнимого
с этими величинами, Поэтому до недавних пор наблюдать
невозмущенные ядерные переходы было практически невозможно.
Рассмотрим покоящееся атомное ядро, которое испускает
квант электромагнитного излучения. Высокая энергия этого кванта Е
= hν соответствует большому значению импульса р = hω/с. Поэтому
из закона сохранения импульса следует, что ядро, испустившее гаммаквант, приобретет и больший импульс в противоположном
направлении (эффект отдачи). Действительная частота испущенного
излучения о будет на ν = EK/h меньше частоты ωo без учета отдачи.
Рисунок 82 - Спектры испускания (а) и поглощения (б)
переходов покоящихся атомных ядер,
отдачи
209
ω
— частота перехода без
o
γ
-
При поглощении γ-квантов ядро, наоборот, приобретает
импульс и профиль линии поглощения соответственно смещается на
ωk в сторону более высоких частот. На рис. 82 показаны профили
линий испускания и поглощения для покоящихся атомных ядер. Они
смещены относительно друг друга на ωk. Отсюда понятно, почему в
этом случае испущенное γ - излучение не может поглощаться тем же
атомом: резонансное поглощение не наблюдается. Как и при
переходах между состояниями в электронных оболочках атома,
тепловое движение ядер приводит к доплеровскому уширению линий
(рис. 83). Линии испускания и поглощения расположены симметрично
относительно частоты ω=ω0 и резонансное поглощение возможно на
участке перекрывания профилей этих линий.
Рассмотрим теперь эмиссию γ-лучей атомами, которые
образуют кристаллическую решетку. Поскольку химические связи
между атомами в кристалле препятствуют их свободному
перемещению, теперь импульс передается всему кристаллу в целом.
При этом энергия отдачи ER, а с
ледовательно, и смещение частоты ωo
будут пренебрежимо малыми. При понижении температуры
доплеровское уширение линий в кристалле тоже быстро уменьшается.
Поэтому атомы в кристалле будут испускать излучения с очень
узкими спектральными линиями, ширина которых будет близка к
естественной ширине линии, обусловленной соотношением
неопределенностей.
Рисунок 83 - Относительное положение линий поглощения и
испускания γ-перехода. Линии уширены за счет эффекта Доплера
Эти узкие линии были открыты Рудольфом Мессбауэром в
1958 г. И
х называют сегодня линиями Мессбауэра, а физический
эффект, приводящий к их появлению — эффектом Мессбауэра.
210
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]