Розрахункові задачі:

1. Визначіть швидкість лічби та похибку вимінювання у відсотках: При вимірюванні з джерелом зареєстровано 2567 імп за 5 хв, при вимірі фону зареєстровано 100 імп за 15 хв.

2. Протягом якого часу потрібно проводити вимір з джерелом, щоб виміряти швидкість лічби з точністю 1 % (якщо швидкість лічби з джерелом ~ 300 імп/хв, швидкість лічби фону – 35 імп/хв.

Контрольні запитання

1. Загальні правила роботи в навчальній лабораторії.

2. Правила ТБ при роботі з електрообладнанням та джерелами високої напруги.

3. Аварійні ситуації при роботі з електрообладнанням та джерелами високої напруги.

4. Запобігання та ліквідація наслідків аварійних ситуацій при роботі з електрообладнанням та джерелами високої напруги.

5. Можливості аварійних ситуацій при роботі з радіоактивними ізотопами.

6. Запобігання та ліквідація наслідків аварійних ситуацій при роботі з радіоактивними ізотопами.

7. Як розрахувати похибки вимірів під час радіоактивних досліджень?

Література

1. Норми радіаційної безпеки України (НРБУ-97; Державні гігієнічні нормативи. – Київ: Відділ поліграфії Українського центру держсанепіднагляду МОЗ України, 1997. – 121 с.

2. Практикум по ядерной физике. Изд. Казанского университета, – 1985.

Лабораторна робота №2

Вивчення будови і принципу дії сцинтиляційного детектора

Мета роботи: ознайомитися з|із| роботою сцинтиляційного детектора, його основних частин|часток|: сцинтиляторів і фотоелектронних помножувачів, а також з|із| використанням сцинтиляційного детектора в якості γ -спектрометра.

Прилади та обладнання: установка для вивчення будови та принципу дії суинтиляційного детектора.

Теоретичні відомості

Сцинтиляційний метод, що застосовувався на початку минулого сторіччя|століття| (візуальний рахунок спалахів від α-частинок у спінтарископі| з|із| екраном із|із| сцинтилятора ZnS|), був одним з перших методів реєстрації радіоактивного випромінювання. Спінтароскоп швидко поступився місцем газорозрядним лічильникам та іонізаційним камерам.

Заміна ока високочутливим фотопомножувачем і застосування|вживання| досконаліших|довершених| сцинтиляторів привели до того що сцинтиляційна методика реєстрації радіоактивного випромінювання зайняла|позичала| одне з провідних місць.

Вперше|уперше| повідомлення|сполучення| про успішне застосування|вживання| сучасного сцинтиляційного детектора з’явилися|появлялися| в 1947 р. На сьогодні цей метод реєстрації радіоактивного випромінювання дуже широко розвинений.

Сцинтиляційний (люмінесцентний) лічильник. Принцип дії люмінісцентного лічильника заснований на тому, що в ряді речовин ядерні частинки, що проходять через ці речовини, викликають люмінесцентні спалахи видимого світла, які називають сцинтиляціями. Це явище використовувалося для реєстрації заряджених частинок ще на зорі ядерної фізики. В якості сцинтилятора використовували сірчистий цинк ZnS, а спалахи від окремих частинок рахували, спостерігаючи їх просто оком.

Згодом цей метод полишили як малоефективний. Головною причиною неефективності стало дуже слабке розділення за часом, що для ока не перевищує 10^-1 с (хоча у відношенні чутливості до світла очі – прилад дуже високої якості). Проте два важливих удосконалення дозволили відродити сцинтиляційний метод. По- перше , замість непрозорого сірчистого цинку стали використовувати речовини, прозорі стосовно власного люмінісцентного випромінювання. Це призвело до того, що ефективним у відношенні реєстрації став весь об’єм сцинтилятора, а не тільки його поверхневий шар. По- друге, для реєстрації спалаху замість ока стали використовувати фотоелектронні помножувачі (ФЕП) – прилади виняткодіючі і високочутливі.

На рис. 1 приведена схема типового люмінесцентного лічильника, у якому сцинтилятором служить кристал йодистого натрію NaJ. Іонізована частинка, що реєструється, потрапляє в кристал і гальмується в ньому. Як і у всякій речовині, енергія частинки при гальмуванні витрачається на іонізацію і збудження електронів у кристалі. У кристалі, що виступає сцинтилятором, енергія збудження частково виділяється у виді спалаху видимого світла. Спалах відбувається за 2·10^-7 с і уносить в якісних кристалах декілька відсотків повної енергії первинної частинки. Фотони спалаху потрапляють на прилягаючий до кристала фотокатод ФЕП (рис.3.8). Не прилягаючі до ФЕП грані кристала покриті відбиваючим (усередину) екраном, так що до фотокатода доходять майже всі фотони спалаху. Кількість цих фотонів вважається приблизно пропорційною енергії первинної частинки.

Рис. 1. Схема люмінесцентного лічильника. 1 – сцинтилятор, 2 – світлопровід, що зв’язує сцинтилятор з ФЕП, 3 – фотокатод, 4 – діафрагма, 5 – диноди, 6 – подільники напруги, 7 – анод.

Фотони спалаху при попаданні на фото катод вибивають з нього фотоелектрони. Ці фотоелектрони всередині ФЕП спеціальними електричними полями фокусуються і направляються на проміжний електрод, що зветься динодом. Матеріал динода вибирається таким, щоб на ньому інтенсивно йшла повторна електронна емісія. В середньому кожний електрон, що падає на динод, вибиває з нього від 3 до 10 нових електронів. З першого динода потік електронів надходить на другий динод і т.д. Усього в ФЕП встановлено приблизно 10-20 динодів, що дозволяє посилювати потік електронів у 10⁵ ÷ 10⁸ раз. Особливістю ФЕП є добре додержання лінійності підсилення. З останнього динода посилений потік електронів надходить на анод, створюючи електричний імпульс, що реєструється радіотехнічними методами.

Основними характеристиками сцинтиляторів є|з'являються| конверсійна ефективність, спектр випромінювання і час висвічення.

Конверс|ійна эф|ект|ивніс|ть – це відношення|ставлення| енергії світлового спалаху, до енергії, втраченої|згубити| зарядженою частинкою|часткою| в сцинтиляторі. Конверсійна ефективність характеризує ефективність перетворення сцинтилятором енергії зарядженої частинки|частки| в світлову.

Кількість світла, що випускається сцинтилятором характеризується світловим виходом.

Світловий| вихід – це відношення|ставлення| енергії середнього числа фотонів люмінесценції до енергії, втраченою|згубити| іонізуючою| частинкою|часткою| в сцинтиляторі. Конверсійна ефективність залежить від типу|типа| і якості сцинтилятора; для сцинтиляторів, які часто використовуються, вона лежить в діапазоні від доль відсотка|процента| до декількох десятків відсотків|процентів|. У ідеальних сцинтиляторах конверсійна ефективність не залежить від густини іонізації, тобто від енергії зарядженої частинки|частки|. В цьому випадку енергія світлового спалаху пропорційна|пропорціональна| енергії, втраченою|згубити| частинкою|часткою| в сцинтиляторі. У реальних сцинтиляторах, проте|однак|, це виконується не завжди, і для частинок|часток|, що володіють різними іонізуючими| здатностями конверсійна ефективність може бути різною. Взагалі, конверсійна ефективність нелінійно залежить від густини іонізації, причому із|із| зростанням|зростом| останньої конверсійна ефективність зменшується. Тому повільні частинки|частки| і частинки|частки| з|із| кратним зарядом дають менший світловий вихід, чим швидкі однозарядні частинки|частки|.

Велика конверсійна ефективність речовини ще не визначає його придатності як сцинтилятора. Дійсно, щоб|аби| зареєструвати світловий спалах необхідно, щоб|аби| світлові фотони вийшли за межі сцинтилятора. Відношення|ставлення| світлової енергії, що вийшла з сцинтилятора, до енергії, втраченої|згубити| в ньому зарядженою частинкою|часткою| називають технічним виходом або технічною ефективністю. Технічний вихід залежить від величини зрушення|зсуву| спектрів випускання і поглинання, тобто від прозорості сцинтилятора до власного випромінювання, а також від ряду|лави| чисто практичних причин: товщина шару сцинтилятора, кількості домішок|нечистот| що зменшують його прозорість, стани|достатки| поверхні і ін.

Оскільки|тому що| світловий спалах сцинтилятора реєструється при допомозі фотоелектронного помножувача, область спектральної чутливості якого лежить в діапазоні довжин хвиль видимого світла і близького ультрафіолета|, то спектр частот, що випромінюються сцинтилятором, повинен добре укладатися|вкладатися| в чутливій області ФЕУ.

На рис. 2 показані для прикладу|зразка| спектри поглинання і випромінювання антрацену.

Рис. 2. Спектри поглинання (а) та випромінювання кристала антрацена, (в) – технічний спектр випромінювання.

Незначне перекриття між смугами поглинання і випромінювання забезпечує гарну|добру| прозорість сцинтилятора до власного випромінюванню.

У більшості випадків інтенсивність спалаху I спадає з|із| часом t за експоненціальним законом:

(1)

Величина – час, протягом якого інтенсивність зменшується в e разів, характеризує тривалість свічення і називається часом | висвічування сцинтилятора.

Переваги люмінесцентних лічильників такі. У них висока ефективність реєстрації, що дорівнює майже 100% для заряджених частинок і 30% для γ -квантів.

У люмінесцентних лічильників дуже малий „мертвий час”, границя якого визначається тривалістю люмінесцентного спалаху. Тривалість спалаху залежить від речовини сцинтилятора. Для неорганічних кристалів, таких, як NaJ, цей час має порядок 10^-7 с, для органічних кристалів (антрацен, нафталін) – приблизно 10^-8 с, для пластикових сцинтиляторів може складати 10^-9 с. Тому неорганічні та пластикові сцинтилятори використовуються там, де потрібно високе розділення за часом.

Можливість вимірювань енергії як заряджених частинок, так і γ-квантів.

Для виміру енергії більш придатні неорганічні кристали, тому що в органічних кристалах і пластиках погано виконується лінійність залежності інтенсивності спалаху від енергії первинної частинки. Але навіть в лічильниках з неорганічними кристалами енергія вимірюється з точністю порядка 10% в області енергій від сотень кеВ і вище, і з точністю порядка 50% в області десятків кеВ. Люмінесцентним лічильником можна вимірювати не тільки енергію, але і швидкість важких заряджених частинок з енергіями в області десятків МеВ.

Недоліки: Висока чутливість до зовнішнього світла. Наприклад, кристал NaJ може псуватися від великих потоків світла. Тому цей кристал необхідно старанно герметизувати і екранувати від зовнішнього освітлення.