Файл: ЧС и радбез. Курс лекций 2014.pdf

Фоточувствительный слой, нанесенный на пленку, дает возможность длительно сохранять результат воздействовавшей на него дозы излучения. Этот метод позволяет получить практически любую чувствительность.

Используемая для измерения доз пленка, даже будучи перемещенной в светонепроницаемую кассету, обладает весьма малыми размерами и весом. Изготовление фоточувствительных слоев несложно, а использование их не связано с применением энергетических источников и сложных электрических схем.

Недостатки фотографического метода: чувствительность фотослоя к свету и необходимость обрабатывать его в полной темноте; сложный процесс определения доз, связанный с химической обработкой фотослоя (проявление, фиксация, неоднократная промывка, сушка)

ипоследующим измерением плотности почернения.

6.3.4.Метод, основанный на проводимости кристаллов. Все валентные электроны, находящиеся в связанном состоянии в составе атомов, образующих кристаллическую решетку, обладают некоторой энергией. В кристаллах диэлектриков и полупроводников максимальная возможная энергия валентных электронов и минимальная возможная энергия свободных электронов разделены некоторым интервалом энергий: большим – для диэлектриков, меньшим – для полупроводников.

Электроны с энергией, большей, чем у валентных, но меньшей, чем у свободных электронов, могут быть в кристаллах лишь тогда, когда в них хотя бы в небольшом количестве имеются посторонние примеси, нарушающие связи между атомами кристаллической решетки. Эти электроны легко могут переходить в свободное состояние. Такому переходу способствует воздействие на кристалл ионизирующих излучений.

При поглощении ионизирующих частиц или квантов из атома кристалла выбиваются валентные электроны с большей энергией. Эти электроны, проходя через кристалл, затрачивают энергию на отрыв от атомов большого числа других вторичных электронов. Таким образом, в кристалле возникают свободные электроны, которые могут при наличии электрического поля образовать ток даже в кристалле, обладающем свойствами диэлектрика, и увеличить проводимость, а тем самым и ток, в кристалле полупроводника.

В качестве веществ, кристаллы которых могут быть использованы для обнаружения и измерения различных характеристик ионизирующих излучений, используются кристаллы сернистого цинка, серы, ал-

104

маза, германия и др. Хорошие результаты дает применение сернистого кадмия, в зависимости от природы и концентрации примесей при температуре около 20 С он может быть и диэлектриком, и полупроводником. Сернистый кадмий применяется как в виде монокристалла, так и в виде тонкой поликристаллической пленки. Монокристаллы наиболее удобны для исследований гамма-излучения, пленки – для исследований альфа- и бета-излучений. Кристаллы имеют размеры 3 5 10 мм и меньше.

На образование свободных электронов в кристаллах расходуется 3–10 эВ, что позволяет получить больший ток при одной и той же поглощенной энергии и является, следовательно, значительным преимуществом по сравнению с воздухом, где на образование пары ионов затрачивается 34 эВ.

Достоинствами описанных кристаллов являются их простота, возможность получения с их помощью токов большой величины, высокая эффективность счета, малые размеры и малая стоимость. Поэтому их целесообразно использовать для изготовления малогабаритных и легких (переносных) приборов, медицинских зондов, которые предназначены для определения зараженности ран и других целей, дистанционных систем наблюдения за радиоактивным заражением местности и т. д.

К серьезным недостаткам кристаллов относятся: большая инерционность их (до нескольких минут для установления показаний, соответствующих измеряемой величине), плохая воспроизводимость результатов, изменение чувствительности во времени, зависимость результатов измерений от энергии ионизирующих частиц.

Значительно меньшей инертностью обладают кремниевые кристаллы с так называемой электронно-дырочной проводимостью. Это обстоятельство в сочетании с высокой чувствительностью, низкими напряжениями питания, малыми габаритами и большой надежностью делает перспективным применение их в дозиметрических приборах различного назначения.

6.3.5. Калориметрический (тепловой) метод. Энергия ионизи-

рующих излучений, поглощенная в веществе, в конечном итоге превращается в тепло. Этот тепловой эффект используется в калориметрах для измерения активности вещества или мощности дозы. Для регистрации нейтронных потоков используются термоэлементы, стан которых покрыт бором.

При калориметрических измерениях объекты, подвергающиеся облучению, должны находиться в термостатах. С помощью термопар

105

и гальванометра определяются изменение температуры этих объектов под воздействием ионизирующих излучений и соответствующее этому изменению температуры количество поглощенного тепла, которое и позволяет производить измерения в общеэнергетических единицах ит. п. Этот метод характеризуется высокой точностью.

Недостатки калориметрического метода состоят в том, что калориметры представляют собой громоздкую стационарную аппаратуру и их чувствительность мала.

6.3.6. Ионизационный метод. При ионизационном методе обнаружения и измерения различных характеристик ионизирующих излучений в качестве ионизирующей среды используются газы, в которых образующиеся ионы обладают большой подвижностью. Воздействуя на газовую среду электрическим полем, легко привести создаваемые излучением ионы в направленное движение. Возникающий при этом электрический ток не только является указанием на то, что газовая среда облучается, но и позволяет также судить об активности источников ионизирующих излучений, о создаваемой ими дозе и мощности дозы излучений.

Ионизационная камера представляет собой устройство, состоящее из двух электродов, между которыми находится газовая среда – воздух.

Корпус ионизационной камеры изготавливается из воздухо-экви- валентного материала, бакелита. Дешевые приборы имеют камеры из алюминия, атомный номер которого значительно отличается от эффективного атомного номера воздуха (эффективный атомный номер алюминия 13, воздуха – 7,64).

Толщина стенок камеры должна быть не меньше, чем длина пробега вторичных электронов, обладающих наибольшей энергией, благодаря чему в камере создается электронное равновесие, присущее данному материалу.

В измерительной аппаратуре ионизация газовой среды происходит в устройствах, предназначенных для восприятия энергии ионизирующих излучений и преобразования ее в энергию электрического тока. Такие устройства называются воспринимающими (или детектора-

ми излучений). К ним относятся ионизационные камеры и газоразрядные счетчики.

6.4. Детекторы ионизирующих излучений

Детекторы ионизирующих излучений – это приборы для обна-

ружения и измерения интенсивности ионизирующих излучений. В ка-

106

честве детекторов ионизирующих излучений применяются газоразрядные счетчики, ионизационные камеры, сцинтилляционные счетчики, толстослойные фотопластинки и фотопленки.

Ионизационная камера. Применяются камеры (рис. 17) с толщиной стенок примерно 1 г/см2.

1

3

2

Рис. 17. Ионизационная камера:

1 – корпус; 2 – собирающий электрод; 3 – изолятор

Внутренние стенки камеры, если она изготовлена из изолятора, покрываются токопроводящим покрытием, например графитом.

Если на камеру действуют ионизирующие излучения, то в ней образуются свободные электрические заряды, и газовая среда в рабочем объеме становится проводящей.

С подключением к электродам камеры источника питания в ней создается электрическое поле. При отсутствии ионизирующих излучений ток в цепи возникать не будет, так как в ней нет свободных электрических зарядов и сопротивление ее бесконечно велико.

Когда под воздействием излучений в газовом объеме камеры возникают свободные положительные ионы и электроны, ее сопротивление уменьшается, и даже при небольшом напряжении на электродах ионы приобретают направленное движение. Положительные ионы притягиваются к отрицательному электроду, отрицательные электроны – к положительному электроду камеры. В цепи возникает ток, называемый ионизационным (рис. 18).

При небольших напряжениях на электродах камеры силы, воздействующие на ионы, невелики, скорости их движения малы и, чтобы достичь электродов, им требуется значительное время.

В течение этого времени большое число разноименно заряженных ионов, притягиваясь друг к другу, успевает рекомбинировать. На электроды камеры попадает лишь некоторая часть образовавшихся при ионизации ионов, и ток в цепи камеры будет небольшим.

107

Воздух

Iион

–

Рис. 18. Цепь ионизационной камеры

С увеличением напряжения растет напряженность электрического поля и сила притяжения ионов к электродам, увеличиваются скорость движения ионов и уменьшается время их нахождения в камере. Большое число ионов принимает участие в образовании ионизационного тока, и он увеличивается (рис. 19), выходит на насыщение, а затем вновь увеличивается (вторичная ионизация).

Рис. 19. Вольт-амперная характеристика ионизационной камеры: I – область рекомбинации; II – область насыщения;

III – область ударной ионизации

Зависимость ионизационного тока Iион от напряжения U между электродами при неизменной мощности дозы (P = сonst) называется

вольт-амперной характеристикой камеры. Ионизационная камера работает в режиме токонасыщения (от Uнас до Uуд).

108

Газоразрядный счетчик представляет собой устройство, состоящее из замкнутого резервуара из двух электродов, между которыми находится газовая среда, где и создается электрическое поле. В отличие от ионизационной камеры, работающей в режиме насыщения, в счетчике используется режим ударной ионизации. Рабочее напряжение счетчиков составляет 410±30 В. Величина рабочего напряжения зависит от конструкции счетчика и состава заполняющей его газовой смеси.

Газоразрядный счетчик выполняется в виде тонкого металлического цилиндра, служащего его внешним отрицательным электродом

(рис. 20).

Рис. 20. Газоразрядный счетчик:

1 – металлический цилиндр (отрицательный электрод); 2 – тонкая металлическая нить (положительный электрод); 3 – изоляторы; 4 – выводные контакты; 5 – газовая среда, смесь инертных газов

сгалогенами при пониженном давлении

Сторцов цилиндр закрыт изоляторами, между которыми натянута тонкая металлическая нить, совмещающаяся с положительным электродом. Оба электрода соединяются с контактами. Рабочий объем счетчика заполняется не воздухом, а газами, атомы которых обладают незначительной способностью к захвату электронов.

К ним относятся инертные газы с полностью заполненными внешними электронными орбитами атомов – аргон, неон, гелий.

Давление газа внутри счетчика значительно меньше атмосферного (100–200 мм рт. ст.). При этом уменьшается вероятность столкновения электронов с атомами и молекулами и между двумя очередными столкновениями они приобретают большие скорости и энергии, необходимые для ударной ионизации.

Для регистрации альфа-излучений (и бета-излучений малых энергий) применяются торцовые счетчики (рис. 21), называемые так потому, что частицы проникают в них через входное окно на торце. Они представляют собой стеклянный баллон, на внутренней поверхности которого нанесен тонкий слой меди, служащий отрицательным электродом.

109