spez_fiz_pr_zachita

где . – отношение высоты пика к высоте фона, E – полуширина ППП. После градуировки следует провести проверку энергетической шкалы

спектрометра [20]. Для этого можно использовать каскадные переходы (рис. 11.8) либо пики в аппаратурном спектре (рис. 9.3), расстояние между которыми в энергетических единицах хорошо известны (внутренняя проверка).

В первом случае снимают спектр нуклида с каскадным переходом и по имеющейся градуировочной кривой определяют полученные значения энергий E1, E2, E3 . С доверительной вероятностью 0,95 при этом должно выполняться условие

β γ . На спектрометре, проградуированном по энергии, можно проводить

измерения энергий частиц. Зная энергию и массу атома M , возникшего после вылета частицы, можно определить энергию перехода, введя поправку

на отдачу. Например, если -квант с энергией E испущен неподвижным

свободным атомом, то из законов сохранения энергии и импульса следует, что энергия перехода

Зная энергии перехода можно сделать определенные предположения о схеме энергетических уровней ядра. Например, в случае трех переходов ( E1 1 , E2 2 , E3 3 ) возможны 16 схем уровней. Однако если для

измеренных значений энергий выполняется условие (11.38), то остаются лишь две схемы (рис. 11.8).

12. ПРИМЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ ДЕТЕКТОРОВ

Из множества различных примеров мы можем привести здесь лишь некоторые, охватывающие область от медицины до космических полетов и физики высоких энергий. В медицине используются радиоактивные нуклиды для определения размеров и функций внутренних органов. При этом активные нуклиды вводятся и концентрируются в определенных областях

тела. В геофизике используют естественные или искусственные -излучатели в качестве индикаторов при поиске минералов и нефти. В космосе измерение заряженных частиц и -излучения важно уже потому, что позволяет

321

космонавтам избежать большой дозы облучения. С другой стороны, измерение потоков заряженных частиц или -излучения, прилетающих от Солнца или из Галактики, важно для изучения астрофизических процессов. Многие из детекторов были изобретены и развиты для экспериментов по атомной и ядерной физике: например, пропорциональные и полупроводниковые счетчики. В физике высоких энергий эти методы были освоены и получили дальнейшее развитие. При этом для экспериментов на сверхмощных ускорителях были созданы новые детекторы, такие, как пропорциональные камеры, дрейфовые камеры и черенковские счетчики. Физика высоких энергий исследует элементарные составляющие материи и проникает в область длин порядка 10-18 м, которые доступны только для высокоэнергетичных (1100 ГэВ) столкновений. Системы детекторов, предназначенные для этих исследований, имеют большие размеры (1 10 м),

массу (1 2000 т) и весьма сложны.

Самый мощный в мире адронный коллайдер БАК построен в CERN в 2008 г. усилиями всех ведущих физиков планеты, в том числе и ученых из России. Основной целью экспериментов, проводимых на адронном коллайдере, является изучение мельчайших частиц – фундаментальных строительных блоков материи. Находится ускоритель на глубине 100 метров под землёй. Предназначен для ускорения протонов (до 3 1012) и тяжелых ионов. Длина кольца ускорителя составляет 27 км. При этом для удержания и коррекции частиц используются 1624 сверхпроводящих магнита, которые работают при температуре -2712 C . Коллайдер способен разогнать протоны

до энергии 14 1012 эВ, что в 10 раз больше чем у американского ускорителя «Теватрон» в штате Иллинойс.

12.1. Применение в медицине

Самое известное использование радионуклидов основано на накоплении йода щитовидной железой. С помощью препаратов, содержащих радиоактивный I , можно измерять ход процесса обмена веществ, а также размер щитовидной железы по -излучению этого изотопа. Детектором в этом случае, как правило, является кристалл NaI(Tl) , который регистрирует в

разных точках щитовидной железы интенсивность -излучения. Если измерять интенсивность во многих точках в прямоугольной системе координат, то это будет равносильно сканированию, поэтому прибор называют сканером [12].

Другие внутренние органы также могут быть таким путем сделаны видимыми для детекторов -излучения, и потому в фармацевтике используют

радионуклид технеций-99 ( 99Tc ), который откладывается в некоторых органах в результате обмена веществ. С помощью сканера -излучения можно локализовать опухоли в мозге, в печени и в костях. Время, необходимое для сканирования, будет значительно уменьшено, если использовать вместо одного сцинтиллятора сеть таких детекторов с ФЭУ на каждом из них для одновременной регистрации -излучения. В качестве альтернативного

322

решения может быть использована схема с одним сцинтиллятором, свет которого регистрируется двумерной матрицей ФЭУ. Направление, под

которым падает на сцинтиллятор -излучение может быть выбрано с помощью соответствующего расположения коллиматоров, каналы которых могут быть параллельны или ориентированы в разных направлениях.

этого метода, если детекторы -излучения, испускаемого органом, осуществляют измерения, по меньшей мере, в трех направлениях. На рис. 12.1 [25] изображен в качестве

1,7 см концентрацию 99Tc в опухоли мозга.

323

Дальнейшее улучшение диагностики возможно, если использовать два-кванта с энергией 511 кэВ, которые образуются при аннигиляции позитрона в теле. В качестве позитронных излучений можно использовать изотопы

11C, 13N, 15O или 86 Rb. Преимуществом этого метода является то, что оба

-кванта испускаются коллинеарно (под углом 180° друг к другу), так что при регистрации обоих квантов определяется прямая, на которой находится

излучаемый нуклид. В этом случае не требуется коллимировать -излучение. С помощью этой методики можно исследовать сердце, печень и мозг. Нуклид

11C , например, может вводиться внутрь путем вдыхания пациентом 11CO,

который затем в виде 11C -карбоксигемоглобина входит в кровообращение. Сцинтилляторы NaI могут в настоящее время заменяться на детекторы

из германата висмута ( BGO ), энергетическое разрешение которых выше, чем у NaI .

12.2. Терапия опухолей тяжелыми частицами

Классические методы лечения опухолей с помощью -излучения обладают существенным недостатком: излучение экспоненциально ослабляется при прохождении через вещество. Поэтому здоровые ткани, находящиеся вблизи поверхности тела, подвергаются более сильному воздействию, чем нуждающиеся в облучении ткани на глубине. И хотя этот эффект можно уменьшить вращая источник вокруг пациента («маятниковая радиотерапия»), тем не менее, большая часть энергии будет поглощаться именно в здоровых тканях.

Рис. 12.3. Формирование пучка частиц для лечения опухолей: МППК – многопроволочная пропорциональная камера

Заряженные частицы обладают тем неоспоримым преимуществом, что у них потери на ионизацию возрастают к концу пробега («кривая Брэгга»). Следовательно, область, в которой будет поглощено максимальное количество энергии, и место, нуждающееся в облучении, можно совместить, выбирая соответствующую энергию заряженных частиц. Поэтому пучок заряженных частиц представляет собой идеальный «скальпель».

324

Относительная биологическая эффективность -мезонов, измеренная в естественных условиях, оказалась равной 2,4 в случае энергетических потерь, и – 3,6 в случае образование «звезды». По сравнению с распределением

выделения энергии -излучения по глубине, степень разрушения больных участков ткани возрастает примерно в три раза [121, 122].

При лечении опухолей головного мозга наряду с радиотерапией с использованием заряженных частиц применяются и быстрые нейтроны.

12.3. Применение в геофизике

Детекторы излучения используются в геофизике главным образом в двух областях: для поиска урансодержащих минералов на поверхности земли и нефтеносных или содержащих уран пластов в буровых скважинах [12].

В первом методе с помощью низколетящих самолетов ведется разведка площадей с избыточным содержанием радионуклидов

пород в буровых скважинах в зависимости от глубины с помощью детектора-излучения, который опускается в скважину на кабеле. Детектор

регистрирует естественную -активность ( 40 K, 232Th и 238U ) пластов, через

которые проходит скважина, что позволяет делать заключение о наличии определенных элементов. Эффективность этого метода увеличивается, если

вместе с -детектором в скважину опускается экранированный от детектора источник нейтронов или -излучения. На рис. 12.6 изображен собранный по такому принципу зонд. Гамма-кванты, испускаемые источником, рассеиваются породой в скважине, и малая часть их попадает в детектор. Вероятность такого рассеяния зависит от толщины и атомного номера окружающего материала. Полученный таким образом профиль вероятности рассеяния по глубине для одной или многих -линий может быть использован

326

для локализации определенных слоев материалов и в особенности высоких концентраций отдельных элементов (например, металлов).

В качестве источников нейтронов для таких зондов используют либо стандартные нейтронные источники (например, -источники с бериллием), либо малые ускорители дейтронов, которые генерируют нейтроны с энергией 14 МэВ в результате ( d, t )-реакций. Преимущество последних заключается в

том, что ускоритель может работать в импульсном режиме, так что можно измерить временную задержку -излучения, вызванного нейтронами в окружающих скважину материалах. Таким способом можно отделять-кванты, образованные в реакциях неупругого рассеяния нейтронов, от-квантов, испускаемых при захвате нейтронов [12]. Этот метод селективен для реакций нейтронов с отдельными элементами и может быть использован для определения соотношений концентраций C :O и Si :Ca и, таким образом,

помогает отличать нефть от воды в пористых слоях.

12.4. Применение в космических исследованиях

Одним из первых открытий в космическом пространстве с помощью детекторов частиц было наблюдение больших плотностей заряженных частиц на относительно небольшом удалении от Земли в полете американского спутника EXPLORER-I в январе 1958 г. С помощью единственного счетчика Гейгера–Мюллера тогда было установлено, что Земля на расстоянии 5000 и 20000 км от ее поверхности окружена двумя радиационными поясами, из которых внутренний пояс состоит, в основном, из протонов, а внешний – из электронов. Эти радиационные пояса содержат частицы солнечного ветра, захваченные магнитным полем Земли. Поскольку эти пояса пересекаются космическими кораблями с человеком на борту лишь в течение короткого времени, они не представляют существенной опасности для космонавтов. Геостационарные спутники, орбиты которых проходят на расстоянии 36000 км, также не подвергаются воздействию этих поясов, поскольку они находятся за их пределами.

Интенсивность частиц космических лучей, а также электронов и протонов солнечного ветра может быть измерена с помощью зондов, запускаемых на большие высоты или с помощью спутников. Подобным же

образом может регистрироваться -излучение и рентгеновское излучение. Первое наблюдение такого космического -излучения [124] было получено с помощью детектора CsI(Tl) , который находился в полете на расстоянии

105 км от Земли, так что большое удаление от радиационных поясов позволяло сделать измерения практически без фоновой подложки.

Дальнейшие измерения, в которых было определено также направление

прихода -излучения, показали, что наша Галактика содержит множество источников такого излучения, у некоторых из них интенсивность излучения

периодически меняется, пульсирует. Исследование этих -источников открыло новую ветвь астрономии.

327

Особенно следует упомянуть специально с этой целью сконструированный спутник, который был запущен в 1985 г. Он имел на

борту большой телескоп -излучения, который содержал поверх кристалла NaI c поперечным сечением 76:50 см2 и толщиной 20 мм сборку из

искровых камер, на радиаторе которых -кванты давали пару e e . Пара

регистрировалась искровыми камерами и таким образом определялось направление прилета -кванта. Прибор был предназначен для области

энергий 1–20 МэВ; у -квантов с энергией 0,02–1 МэВ измерялась только энергия.

Рис. 12.7. Спектрометр NaI для измерения -излучения на борту космического корабля APOLLO-16 [125]: 1, 2, 7 – муметалл; 3 – керамика; 4 – ФЭУ диаметром 75 мм; 5 – сапфировое окно; 6 – стеклянное окно; 8 – ФЭУ диаметром 38 мм; 9 – корпус из алюминия; 10 – калибровочный источник; 11 – сцинтиллятор NaI(Tl); 12 – пластмассовый сцинтиллятор для антисовпадения; 13 – отражатель MgO; 14 –

сопротивления динодного делителя. Сцинтиллятор выполнен в виде цилиндра Σ 70 мм и длиной 70 см

Другим применением детекторов излучения является определение химического состава поверхности Луны по измерению -излучения с корабля, движущегося по круговой орбите вокруг Луны (APOLLO-16). Кристалл NaI был окружен пластическим сцинтиллятором в качестве антисовпадательной защиты, чтобы снизить фоновую скорость счета заряженных частиц (рис. 12.7).

Чтобы получить энергетический спектр образующегося на поверхности

Луны -излучения, необходимо сначала снизить фон от других -источников. В этот фон давали вклад взаимодействие космического излучения с материалом самого корабля, тормозное излучение электронов космических

328

лучей и солнечного ветра и пр. После вычитания фоновой подложки был получен энергетический спектр -излучения, который показан на рис. 12.8.

Среди -линий естественных радионуклидов 40 K, 232Th и 238U можно различить -линии изотопов ( O, Si, Fe, Ti, Mg, Al, Ca ), которые обязаны

излучению, образованному в результате бомбардировки поверхности Луны высокоэнергетичными частицами космических лучей и солнечного ветра (в основном протонами).

Рис. 12.8. Энергетический спектр -излучения, испускаемого с поверхности Луны, измеренный детектором, изображенным на рис. 11.4 [126] (400 каналов соответствуют энергии 7 МэВ)

Примерно 10% поверхности Луны было обследовано таким образом с целью выяснения химического состава, что явилось дополнением к массспектрометрическому и химическому анализам образцов Луны, доставленных на Землю.

Дальнейшим развитием в этой области явилось открытие вспышек-излучения, в которых наблюдался быстрый рост интенсивности -излучения (в 10–100 раз) в области энергий 0,2–1 МэВ в течение 0,1–100 с. В настоящее

время выясняется, находятся ли источники -вспышек за пределами нашей Галактики или внутри нее и каков механизм этого явления.

Исследование доли тяжелых ядер в космических лучах и их энергетического спектра служит еще одним примером использования сложных детекторов в физике космических лучей. Такого типа эксперимент был спроектирован и осуществлен группой из Чикаго [12]. На рис. 12.9 показана схема этого телескопа для исследования космического излучения. Он состоит из двух полусферических газовых черенковских счетчиков, между которыми расположены шесть детекторов переходного излучения.

329

качестве теплоизолятора. На рис. 12.10 показан выход переходного излучения в зависимости от лоренц-фактора , измеренный в шести камерах,

заполненных смесью 25%Xe 15%CH3 60%He и расположенных позади волоконного радиатора толщиной 20 см. Видно сильное увеличение сигнала

Рис. 12.10. Амплитуды импульсов от детекторов переходного излучения с пеной или с волокном в качестве радиаторов в зависимости от лоренц-фактора частицы [127]:

1 – электрон; 2 – -мезон; 3 – протон; 4 – электрон

при 500 для электронов. С помощью этой калибровочной кривой каждой падающей частице с высокой энергией можно сопоставить определенное