Файл: Румянцев, С. В. Радиационная дефектоскопия.pdf

эффектами [9, 15]. Количественные характеристики рентгеновско­ го и у-излучений определяются измерением тех физических свойств, на которые излучение воздействует.

Тепловые эффекты. При поглощении рентгеновского или у-излучения образуется тепло, которое можно замерять термо­ элементом, воздушным термометром, болометром или чувстви-

щины стали.

дельным калориметром. При этом повышение температуры бы­ вает очень незначительным, и, следовательно, нужны очень чув­ ствительные приборы для измерения теплового эффекта.

Ионизационные электрические эффекты. Под действием рент­ геновского или у-излучения некоторые вещества (газы, жидкие и твердые тела) становятся электропроводящими. Электриче­ ский ток возникает в результате движения ионов и электронов, образующихся в веществе (например, в объеме ионизационной камеры) под воздействием ионизирующего излучения. Наибо­ лее распространенным методом количественной оценки интен­ сивности ионизирующего излучения является ионизационный

.50

Рис. 2.11. Зависимость линейного коэффициента ослабления широкого пучка у излУченпя радио­ активных источников Ци, от толщины стали I.

Рэфф1

Рис. 2.12. Зависимость эффективного коэффициен­ та ослабления ,иЭфф от напряжения U на рентге­ новской трубке.

так как сила ионизационного тока пропорциональна измеряе­

мой интенсивности излучения.

Люминесцентный (световозбуждающий) эффект. Люминес­ ценция — холодное свечение вещества — вызывается освещением вещества ультрафиолетовыми лучами, а также облучением иони­ зирующим излучением. Световое излучение возникает при вы­ свечивании возбужденных электронных состояний вещества сцинтиллятора (фосфора), образующихся под действием заря­ женных частиц. Последние возникают в результате взаимодейст­ вия рентгеновского или у-излучения с веществом сцинтиллято­ ра. Интенсивность люминесценции может характеризовать ин­ тенсивность рентгеновского или у-излучения. В качестве люминесцирующих веществ используют неорганические монокристал­ лы Nal, Csl, KI, активированные таллием, органические моно­ кристаллы, жидкостные и пластические сцинтилляторы, а также экраны из CaW04, CdW04, CdS, ZnS.

Фотохимический эффект. Согласно общепринятой теории об­ разования скрытого изображения в бромсодержащих фотомате­ риалах [15], экспонирующий агент (фотон рентгеновского или у-излучення или заряженная частица) передает часть своей энергии кристаллу бромистого серебра, вследствие чего энергия одного пли нескольких электронов увеличивается настолько, что они переходят в зону проводимости кристалла. Попав в зону проводимости, электроны блуждают до тех пор, пока не захва­ тываются дефектами кристаллической решетки или примесными атомами — так называемыми центрами чувствительности. За­ хваченный электрон образует вокруг центра чувствительности электрическое поле.

В кристалле всегда существует определенное, зависящее от температуры очень малое количество ионов серебра, которые свободно двигаются внутри кристалла. Часть ионов Ag+ по­ падает в зону действия электрического поля, создаваемого за­ хваченным электроном. В этом случае ион серебра притяги­ вается к электрону и нейтрализуется им, в результате чего обра­ зуется нейтральный атом серебра. Описанные процессы проис­ ходят в течение всего времени экспозиции и приводят к образо­ ванию внутри кристалла и на его поверхности групп атомов серебра, которые образуют скрытое изображение. После прояв­ ления оно преобразуется в видимое.

Фотографическое проявление в принципе является простым усилением изображения. В этом процессе число атомов сереб­ ра, образующих изображение, увеличивается приблизительно в 1012 раз. При проявлении происходит реакция восстановления ионов серебра до металла, однако для начала восстановления требуются центры осаждения — катализаторы. Такими центра­ ми являются атомы серебра, образующие скрытое изображение.

Проявленное изображение необходимо закрепить (фиксиро­ вать), с тем чтобы остатки невосстановленного серебра вывести

.52

из эмульсии и сделать ее нечувствительной к действию излуче­ ния. Быстрота закрепления зависит от температуры закрепляю­ щего раствора.

Интенсивность (действие) рентгеновского или у-излучения ■оценивается степенью почернения негатива, так как это почер­ нение зависит от количества поглощенной энергии.

4. Прохождение нейтронов через вещество

Нейтронное излучение представляет собой поток незаряжен­ ных элементарных частиц — нейтронов [11, 16]. Нейтроны возни­ кают в процессе ядерных реакций при бомбардировке атомных ядер заряженными частицами или у-фотонами, а также в про­ цессе деления ядер. Источниками нейтронов могут служить ра­ диоактивные изотопы, реакторы и ускорители. Ниже приводится классификация нейтронов по энергиям в электронвольтах:

При прохождении через вещество нейтроны взаимодейст­ вуют в основном лишь с ядрами химических элементов. Ве­ роятность протекания того или иного ядерного процесса (ядерной реакции) характеризуется эффективным поперечным сече­ нием. Эффективное сечение данного взаимодействия, отнесенное к одному ядру, определяется выражением

мают такую мишень, проходя через которую, пучок нейтронов заметно не ослабляется. За единицу сечения принимается вели­ чина, равная 10~24 см2, которая называется барном (барн).

Процесс взаимодействия нейтронов с ядрами вещества раз­ личен для нейтронов разных энергий и ядер разных химических элементов. Различают два основных вида взаимодействия ней­ тронов с ядрами атомов вещества: рассеяние и захват.

Для быстрых нейтронов основным видом взаимодействия с атомными ядрами является рассеяние. При упругом рассеянии нейтрон отдает часть своей энергии ядру среды (ядро отдачи). Так, на ядрах железа быстрый нейтрон теряет примерно 3,5% энергии, на ядрах углерода — 14— 17%, на ядрах водорода — 50%. При неупругом рассеянии часть кинетической энергии ней­ трона идет на возбуждение ядра, и он может потерять, при этом до 90% своей энергии. Возбужденное ядро возвращается в

53

основное состояние, испуская нейтроны и один или несколько у-фотонов.

Для медленных нейтронов наиболее характерным ' видом взаимодействия с атомными ядрами является захват. Такое взаимодействие приводит к различным ядерным реакциям. Так, при поглощении нейтронов ядром бора идет реакция с образо­ ванием а-частицы:

Эту реакцию, имеющую большое эффективное сечение захвата, часто используют для регистрации медленных нейтронов, ибообразующиеся в результате этой реакции ядра лития и гелия создают в веществе детектора высокую удельную ионизацию.

ГЛАВА III

МЕТОДЫ РЕГИСТРАЦИИ И ИЗМЕРЕНИЯ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Прибор для регистрации и измерения излучения обычно со­ стоит из детектора и измерительной аппаратуры. Детектор пред­ ставляет собой чувствительный элемент, в котором энергия ионизирующего излучения вследствие взаимодействия с вещест­ вом преобразуется в другой вид энергии, удобный для регист­ рации.

Измерительная аппаратура обычно состоит из регистрирую­ щего устройства, усилителя и источников питания.

В качестве детекторов используют ионизационные камеры, счетчики — газоразрядные (пропорциональные, Гейгера — Мюл­ лера), полупроводниковые, сцинтилляционные, а также фотогра­ фические и химические регистраторы, калориметры, термоэле­ менты и др.

К основным характеристикам детекторов ионизирующего из­ лучения относятся эффективность, чувствительность, энергети­ ческое и временное разрешение. Важной характеристикой де­ текторов излучения является их эффективность (табл. 3.1) — отношение числа зарегистрированных детектором заряженных частиц, у-фотонов или нейтронов к числу частиц, падающих на детектор излучения.

Под чувствительностью детектора понимают отношение из­ менения числа зарегистрированных в единицу времени импуль­ сов или среднего значения заряда к изменению плотности пото­ ка или интенсивности излучения.

Энергетическое (амплитудное) разрешение детектора — от­ ношение ширины кривой амплитудного распределения импуль­ сов, вызванных моноэнергетическим излучением, на полувысоте

54

Т а б л и ц а 3.1

Эффективность регистрации ядерных излучений некоторыми типами счетчиков,

максимума к величине импульса, соответствующей максимуму распределения.

Временным разрешением детектора называют минимальный временной интервал, разделяющий акты независимой регистра­ ции падающих на детектор частиц излучения.

1. Ионизационный метод

а. Ионизационные камеры [29—31]

Одним из простейших и наиболее широко применяемых де­ текторов ионизирующего излучения является ионизационная камера. Ионизационная камера состоит из электродов, разде­ ленных газовой средой. Между ними приложена разность потен­ циалов. Регистрация заряженных частиц происходит за счет не­ посредственной ионизации этими частицами наполняющего ка­ меру газа. Регистрация рентгеновского или у-излучения иониза­ ционными камерами обусловлена в основном ионизирующим действием вторичных электронов, которые образуются в резуль­ тате взаимодействия излучения с атомами материала стенок камеры. Если увеличить разность потенциалов между электро­ дами камеры, то вначале, при малом напряжении на электро­ дах, ток растет пропорционально напряжению. Это объясняется тем, что часть ионов, обладая небольшой скоростью, успевает рекомбинировать и не достигает электродов. По достижении по­ тенциала насыщения U„ (рис. 3.1) все ионы, образованные ядерной частицей в чувствительном объеме детектора и не успевшие рекомбинировать, собираются электрическим полем, и

55

где N — плотность потока излучения, частица!(см2-сек)-, е — эф­ фективность регистрации; /г — число пар ионов, создаваемых ча­ стицей на 1 см пути; L — путь частицы в камере, см\ s — пло-

Рис. 3.1. Вольт-амперная характеристика типичного газоразряд­ ного счетчика при различных режимах работы:

= 100 пар ионов!см, s=200 см2, ионизационный ток i = 3,2-10~9 а.

Для регистрации a-излучения используют ионизационные ка­ меры плоской, цилиндрической, а иногда и сферической формы небольшого объема. Эффективность регистрации а-частиц до­ стигает 100%. Камеры для регистрации р-частиц по объему больше, чем для а-частиц. Наиболее часто применяют цилинд­ рические камеры объемом 1—2 л.

Ионизационные камеры для регистрации рентгеновского или у-излучения значительно отличаются от камер для а- и р-частиц. Отличие обусловлено тем, что ионизирующая способность рент­ геновского или у-излучения сравнительно мала — ионизация создается в основном вторичными электронами. Поэтому боль­ шое внимание уделяют выбору химического состава вещества

56

стенки камеры и его оптимальной толщины (даже в случае оп­ тимальной толщины стенок эффективность регистрации состав­ ляет лишь 1—2%). Таким образом, в качестве детекторов рент­ геновского или у-излучения ионизационные камеры используют лишь в тех случаях, если интенсивность излучения достаточно высока. Для регистрации излучения небольшой интенсивности применяют другие методы.

Ионизационные камеры можно использовать и для регистра­ ции тепловых и быстрых нейтронов. Поток нейтронов часто со­ провождается другими видами излучения, например у-нзлуче- нием. Поэтому необходимо оценивать, в какой степени различ­ ные типы нейтронных детекторов чувствительны к у-излучению.

Методы регистрации нейтронного потока различаются по то­ му, какой процесс взаимодействия нейтронов с веществом ле­ жит в основе метода. Перечислим основные процессы:

1) ядерные реакции, в которых под действием нейтронов возникают частицы или фотоны. Их можно зарегистрировать одним из рассмотренных выше методов. Примером служат ре­ акции (п, а), (п, у), (п, р) и (п, f). а-Частицы, протоны, у-фо- тоны или продукты деления f дают мгновенную информацию о нейтронном потоке;

2) ядерные реакции, в которых под действием нейтронов возникают радиоактивные ядра. Распад этих ядер дает инфор­ мацию о нейтронном потоке;

3) упругие соударения, при которых регистрируются заря­ женные частицы отдачи. Наиболее важным примером процесса такого рода является упругое рассеяние нейтронов на протонах, так как протонам может быть передано до 100% энергии ней­ тронов.

Детектор нейтронов состоит из вещества, в котором под действием нейтронов протекает одна из перечисленных выше ядерных реакций, и собственно детектора, регистрирующего про­ дукты реакции. Для обнаружения тепловых нейтронов иониза­ ционные камеры обычно покрывают слоем В10 или других взаи­ модействующих с нейтронами веществ. Применяют также газо­ образные соединения бора, в основном BF3. Для регистрации быстрых нейтронов борный счетчик помещают в замедлитель, например парафин, в котором падающие нейтроны замедляются в результате упругих соударений. Известны счетчики нейтро­ нов с замедлителем, у которых чувствительность практически не зависит от энергии нейтронов в интервале приблизительно от 10 кэв до 3 Мэе. Счетчики такого типа получили название все­ волновых счетчиков, так как их эффективность остается постоян­ ной в широком диапазоне энергии.

На механизме реакции деления основаны некоторые методы регистрации ядерных излучений. При этом учитывается либо кинетическая энергия осколков деления, либо их радиоактив­ ность. Ионизация,.возникающая в результате замедления оскол­

57