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

кул. Если молекула достаточно стабильна, она возвращается в свое основное состояние, испуская квант излучения (люминесцируя).

Фотоумножители (ФЭУ). Фотоэлектронный умножитель пред­ ставляет собой электровакуумный прибор, содержащий в одном стеклянном баллоне фотоэлемент и электронный умножитель. Фо­ тоумножители, предназначенные для сцинтилляционных счетчиков, имеют в большинстве случаев полупрозрачный сурьмяно-цезиевын катод. Фотоны, поступающие с люминофора, действуют на свето­ чувствительный слон катода и выбивают из него электроны. Вдоль баллона фотоумножителя расположена серия электродов (динодов), имеющих положительный потенциал. Величина потенциала динодов постепенно повышается по мере удаления от фотокатода. Число динодов определяет количество каскадов фотоумножителя. Электроны направляются от фотокатода к первому диноду благо­ даря приложенному между ними напряжению. Попадая на динод, каждый фотоэлектрон выбивает с его поверхности некоторое коли­ чество вторичных электронов. Эти электроны устремляются к сле­ дующему диноду, имеющему более высокий положительный потен­ циал. Так как коэффициент вторичной эмиссии всех динодов боль­ ше единицы, то процесс умножения электронов продолжается. В результате чего на последнем электроде-коллекторе (аноде) со­ бирается от 106 до 109 электронов.

Даже в отсутствие излучения, в полностью затемненном фото­ умножителе, существует так называемый темновой ток. Он обуслов­ лен главным образом термоэлектронной эмиссией фотокатода и первых динодов. Темновой ток составляет основную часть фона сцинтилляционного детектора.

Полупроводниковые детекторы

Принцип работы полупроводниковых детекторов основан на ионизации атомов в кристаллах полупроводников.

В полупроводниках, в отличие от металлов, электроны внеш­ них оболочек связаны со своими атомами. Чтобы оторвать элек­ трон от атома и перевести его в зону проводимости кристалла, не­ обходимо сообщить энергию, равную энергии ионизации. Источни­ ком энергии могут быть заряженные частицы, фотоны, тепловые движения атомов и т. д. В результате перехода электрона в зону проводимости на его месте образуется «дырка», являющаяся носи­ телем положительного заряда. Количество пар электрон — дырка пропорционально энергии, потерянной заряженной частицей или •у-кваитом. Таким образом, полупроводниковые детекторы облада­ ют хорошими спектрометрическими свойствами.

Введение в кристаллическую решетку полупроводника тех или иных примесей резко меняет его электропроводность. Примеси эле­ ментов с большим числом валентных электронов—доноров добавля­ ют электроны в зону проводимости кристалла. Электрическое со­ противление полупроводника при этом снижается. Полупроводники

38

с донорной примесью называются электронными полупроводника­ ми или полупроводниками я типа. Так, кремний с примесью пяти­ валентного фосфора становится «я-кремнием». Примеси элемен­ тов с меньшим числом валентных электронов-акцепторов отнимают часть валентных электронов полупроводника. Это приводит к уве­ личению числа «дырок». Полупроводник такого типа называют «дырочным», или полупроводником р типа: добавка Li или В в кремниевый полупроводник превращает его в «р-кремний». Сопри-

Чубстбительная

область

Рис. 15. Принцип работы полупроводникового счетчика тяжелых заря­ женных частиц:

а—схема включения; б — форма импульса на выходе

косновение я- и р-полупроводников вызывает контактное электри­ ческое поле, которое удаляет электроны проводимости я-полупро- водника. и дырки ^-полупроводника от границы раздела, образуя слой, обедненный носителями электричества. Разность потенциа­ лов, приложенная к внешним участкам полупроводника, влияет на ширину этого слоя, раздвигая его в случае противоположных зна­ ков заряда электрода и полупроводника (рис. 15). При прохож­ дении ионизирующей частицы в чувствительном слое образуется большое число электронов и дырок, которые с огромной скоростью перемещаются к противоположным электродам. В других участках кристаллов скорость перемещения зарядов значительно ниже. Часть кристалла от поверхности до ближайшей границы чувстви­ тельного слоя называется «окном» детектора.

Для регистрации а-излучения применяют два типа полупро­ водниковых детекторов: поверхностно-барьерный и диффузионный.

акцептора. Диффузионный детектор изготавливают путем напыле­ ния фосфора на р-кремний. Диффузия атомов фосфора в кристалл кремния создает на его поверхности тонкий слой п-кремния. Для спектрометрии силы-юпроиикающих излучений (у, рентген, р-части- цы) используют диффузионно-дрейфовые я—i—р-детекторы. Де­ тектор такого типа состоит из пластинки чистого полупроводника, на одной стороне которой создан слой с я-проводимостью, на дру-

39

гой — с ^проводимостью. Центральный f-слой полностью обеднен носителями электричества и является чувствительной областью де­ тектора (рис. 16). В качестве полупроводника используют герма­ ний, помещенный в термостат с низкой температурой.

/2

Особенности измерения н е й т р о н о в

Для регистрации нейтронов используют, так же как и для ре­ гистрации других типов излучения, эффект их взаимодействия с веществом. Основной результат этого взаимодействия — ядерные реакции. Продуктами реакций являются ионизирующие частицы, которые регистрируются описанными выше методами.

В рабочий объем детектора вводят изотопы, обладающие вы­

Альфа-частицы, ядра отдачи и у-кваиты вызывают ионизацию ато­ мов и регистрируются детектором.

В качестве детекторов нашли широкое распространение сцинтилляционные детекторы с люминофорами, содержащими литий и бор: L i l ( T I ) ; ZnS(Ag), смешанный с бором; литиевые стекла и т. д. Пропорциональные счетчики, заполненные газообразным BF3, так­ же используются при измерении нейтронов.

§ 2. ЛАБОРАТОРНЫЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА ЕСТЕСТВЕННЫХ РАДИОАКТИВНЫХ ИЗОТОПОВ

Для естественных радиоактивных изотопов характерны очень низкие природные концентрации, что определяет специфику их анализа. Исключение составляют основные изотопы урана и тория, которые могут образовывать собственные минералы и в этих слу­ чаях анализироваться обычными химическими и физико-химиче­ скими методами. Для анализа всех других естественных радио­ активных изотопов, а также кларковых концентраций урана и то­ рия применяют исключительно физико-химические и физические

40

методы. Среди них важнейшее место занимают специфические радиохимические и радиометрические методы, использующие ра­ диоактивные свойства изотопов.

Радиохимические методы состоят из двух стадий: химического выделения исследуемого элемента и последующего измерения его радиоактивности.

Радиометрические методы состоят в измерении радиоактивного излучения исследуемых изотопов и не требуют предварительной химической обработки проб. Эти методы отличаются экспрессностью, простотой, не уступают физико-химическим методам по точ­ ности, но обладают более низкой чувствительностью.

Для анализа долгоживущих радиоактивных изотопов нерадио­ активных элементов (4 0 К, 8 7 Rb, 1 8 7 Re и др.) используют постоян­ ство отношений изотопов в природной смеси и определяют общее

нашли применение все виды детекторов радиоактивных излучений,, описанные в предыдущем параграфе. Выбор детектора, как пра­ вило, зависит от поставленной задачи.

Измерения выполняют на типовых стандартных установках. Они состоят из детектора, источника питания и счетного устройства

энергетических спектров. В спектрометрических установках исполь­ зуют только те детекторы, в которых амплитуды электрических импульсов на выходе пропорциональны энергиям поглощенных ча­ стиц или квантов излучения. В а-спектрометрах применяют полу­ проводниковые детекторы и ионизационные камеры, в у-спектро- метрах — сцинтилляционные и полупроводниковые детекторы.

Анализ амплитуд импульсов осуществляется на специальных, многоканальных анализаторах импульсов, в которых каждый ка­ нал регистрирует импульсы в пределах определенного интервала

41