Файл: Баранов, В. И. Радиогеология учебник.pdf

§ 1. СПОСОБЫ РЕГИСТРАЦИИ РАДИОАКТИВНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ

Радиоактивные излучения обнаруживают (детектируют) по тем первичным и вторичным эффектам, которые возникают при их взаимодействии с веществом. Почти все методы регистрации излу­ чения основаны на эффектах, прямо или косвенно связанных с ионизацией или возбуждением атомов. Наиболее широкое распро­ странение нашли детекторы, в которых энергия радиоактивного излучения тем или иным способом преобразуется в электрическую (ионизационные, полупроводниковые, сцинтилляционные).

Детекторы, в которых амплитуда электрического импульса пропорциональна энергии поглощенной частицы или кванта, назы­ ваются спектрометрическими.

Важной характеристикой детектора является его эффектив­ ность к тому или иному виду излучений — отношение числа заре­ гистрированных частиц к числу частиц, попавших в его рабочий объем.

Ионизационные детекторы

Ионизационный метод регистрации радиоактивного излучения использует способность этого излучения вызывать ионизацию. Соб­

средняя энергия ионизации). Вырываемый при ионизации электрон и положительный остаток молекулы быстро захватывают несколько нейтральных молекул (около 10). При тепловом движении молекул газа положительные и отрицательные ионы время от времени сталкиваются друг с другом. В этом случае возможно явление вос­ соединения (рекомбинации) газовых ионов. Оно состоит в том,-что два сталкивающихся иона взаимно нейтрализуют друг друга и рассыпаются на группы нейтральных молекул. Таким образом, для поддержания газа в ионизированном состоянии действие иони­ заторов должно быть непрерывным.

Ионизационные камеры

Ионизационные камеры — простейшие ионизационные детек­ торы. Они состоят из двух электродов, помещенных в замкнутый объем, заполненный воздухом или другим газом. Между электро­ дами приложена высокая разность потенциалов. Если в камеру

32

поместить источник ионизирующего излучения, в газе возникнут ионы. В сильном электрическом поле камеры ионы будут переме­ щаться к противоположно заряженным электродам и создадут меж­ ду ними электрический (ионизационный) ток (рис. 11). Величина ионизационного тока пропорциональна концентрации ионов.

I

Ионизационные камеры наиболее чувствительны к а-излучению благодаря его высокой ионизирующей способности и малой длине пробега частиц.

Камеры, приспособленные для раздельной регистрации каж­ дой ионизирующей частицы, называются импульсными. Раздель­

нии. Между энергией а-частицы и числом создаваемых ею ионов существует прямая зависимость. Благодаря этому в импульсных ионизационных камерах амплитуда импульса пропорциональна энергии излучения. В радиогеологии ионизационные камеры при-

меняются для измерения а-излучення, главным образом для ис­ следования энергетических спектров изотопов.

достаточную для дальнейшей ионизации газовых молекул. Отноше­ ние числа электронов, появившихся в результате ударной иониза­ ции, к числу первичных электронов, созданных ядерной частицей или квантом, называется коэффициентом газового усиления М. Величина М меняется в зависимости от разности потенциалов меж­ ду электродами. При малых значениях разности потенциалов, ког­ да счетчик работает как ионизационная камера, УИ = 1.

Повышение напряжения приводит к вторичной ионизации и М возрастает. На некотором интервале напряжений коэффициент га­

порциональным счетчиком. В пропорциональном счетчике величина импульса на нити пропорциональна числу пар ионов, возникших в результате первичной ионизации.

Дальнейшее повышение разности потенциалов приводит к по­ стоянству амплитуды импульса. В этой области, называемой об­ ластью Гейгера, достаточно одной пары ионов, чтобы в рабочем пространстве счетчика возник самостоятельный разряд. Коэффи­ циент газового усиления здесь достигает 1012, а величина импульса на выходе счетчика — единиц п даже первых десятков вольт. Это

распространение в радиометрии получили именно эти счетчики. Обычные счетчики представляют собой проводящий цилиндр

(катод), по оси которого натянута тонкая изолированная от него металлическая нить (анод). Пространство между электродами за­ полнено инертным газом или смесью газов при пониженном давле­ нии. К инертному газу добавляют небольшое количество тяжелых многоатомных газов (метана, изопентана и т. д.) или • галоидов (Вг2 , СЬ) для поглощения ультрафиолетового излучения возбуж­ денных молекул. Кванты ультрафиолетового излучения могут вы­ бивать из катода счетчика фотоэлектроны, которые приводят к по­ явлению ложных разрядов, не связанных с внешним воздействием. Газоразрядные счетчики применяют главным образом для реги­ страции р- и у-излучения.

34

Бета-счетчики обладают высокой эффективностью регистрации частиц. Для измерения (5-иэлучения с энергией больше 0,5 мэв используют тонкостенные цилиндрические счетчики с корпусом из алюминия или нержавеющей стали. Мягкое излучение регистри­ руют так называемыми торцовыми счетчиками, имеющими в своей торцовой части слюдяное окно для (5-частиц.

Подобные счетчики регистрируют примерно половину излуче­

в нужном режиме (рис. 13). Счетчик работает в непрерывном токе

Гамма-счетчики обычно имеют стеклянный корпус, с внутрен­ ней стороны которого нанесено металлическое покрытие или укреп­ лен металлический цилиндр — катод. Разряд в у-счетчике возни­ кает практически за счет фотоэлектронов, образующихся при взаи­ модействии у-квантов с материалом катода. Малая вероятность образования фотоэлектронов определяет малую эффективность

у-счетчнков: от долей процента до целых единиц процента. Помимо у-излучения стеклянные счетчики регистрируют и жесткое р-нзлу- чепие.

Сцинтилляционные детекторы

Сцинтилляционный метод регистрации излучения основан на счете световых вспышек — сцинтилляций, возникающих в некото­ рых веществах под действием излучения. Метод является наиболее распространенным и постепенно вытесняет ионизационный. Сцин­ тилляционный детектор состоит из люминофора (сцинтиллятора), в котором возникают световые вспышки — сцинтилляции, и фото­ электронного умножителя, преобразующего их в электрические импульсы (рис. 14).

Рис. 14. Принципиальная схема сцинтилляционного счетчика:

/— люминофор; 2 — светопровод; 3 — фотокатод; 4 — фокусиру­ ющий электрод; 5—// — эмиттеры или диноды; 12— анод

Люминофоры. В качестве люминесцирующих веществ — лю­ минофоров используют неорганические кристаллические вещества и органические твердые и жидкие соединения.

Неорганические люминофоры применяют главным образом для регистрации у- и а-излучения. Возникновение сцинтилляций — сложный процесс, связанный с ионизацией и возбуждением атомов и рекомбинацией ионов. Кристаллы с правильным строением обыч­ но не люминесцируют. Люминесценция возникает в том случае, если в кристалле имеются дефекты, искажающие кристаллическую решетку. Такие дефекты могут возникнуть в случае появления чу­ жеродных атомов. При изготовлении неорганических люминофоров к основному веществу добавляют незначительную примесь другого вещества — активатора, например таллия в кристалле йодистого натрия Nal(Tl) .

Для измерения у-тлученш наиболее распространенным лю­ минофором является Nal(Tl) . Он обладает наибольшей эффектив­ ностью среди родственных ему люминофоров и используется в виде прозрачных монокристаллов. Nal(Tl) сильно гигроскопичен, поэто­ му его кристаллы заключают во влагонепроницаемую оболочку, что ограничивает его применение для регистрации менее проникающих излучений.

36

Эффективность сцинтилляционных детекторов к мягкому излу­

Для измерения а-излучения наиболее обычным люминофором является сернистый цинк, активированный серебром или медью: ZnS(Ag). Он применяется в виде тонкокристаллического порошка, нанесенного на прозрачную поверхность. Толщина слоя не превы­ шает 15 мг/см2, благодаря чему эффективность люминофора к у- и р-излучениям, обладающим низкой удельной ионизацией, очень мала.

Для повышения эффективности счета малоактивных препара­ тов их смешивают с порошком ZnS(Ag). Из полученной смеси прессуют плоские таблетки, которые одновременно являются и об­ разцом и детектором.

В некоторых случаях применяют тонкие (0,2—0,5 мм) про­ зрачные пластинки Csl (Т1). Такие детекторы обладают спектро­ метрическими свойствами для а-частиц с энергией от 4 до 8 мэв.

Органические люминофоры обладают сравнительно большей простотой изготовления крупных люминофоров, малым временем высвечивания, высокой прозрачностью к собственному излучению. К недостаткам органических люминофоров относится малый коэф­ фициент поглощения у-излучения и нелинейная зависимость интен­ сивности сцинтилляций от энергии тяжелых заряженных частиц. Такие люминофоры используют для регистрации R-излучения, реже у-излучения.

Наибольшей способностью люминесцировать обладают органи­ ческие соединения, которые отличаются химической устойчивостью к воздействию радиоактивных излучений и имеют прочную струк­ туру. К таким веществам прежде всего относятся ароматические соединения, имеющие кольцевые структуры и сопряженные двой­ ные связи: бензол, нафталин, антрацен, трифенал, трансстильбен, стильбен и т. д. Органические люминофоры применяются в виде монокристаллов (чистых или активированных), жидких или твер­ дых растворов (пластмасс). Жидкие или пластмассовые сциитилляторы удобны там, где требуется большая воспринимающая по­ верхность. Например, одним из лучших жидких сцинтилляторов является раствор я-терфенила в ксилоле.

При измерении малых р-активностей можно получить эффек­ тивность счета, близкую к 100%, растворяя активный препарат в жидком сцинтилляторе или получая тонкодисперсную взвесь в пластмассовом сцинтилляторе. Для регистрации р-активности жид­ кого образца молено изготовить кювету из прозрачной пластмассы, которая одновременно будет служить детектором.

Механизм возникновения сцинтилляций в органическом люми­ нофоре связан с фотохимической диссоциацией органических моле-

37