Студопедия Главная Случайная страница Обратная связь

Разделы: Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Тема 4 Методы измерения активности источников




1 Активность источников и методы ее измерения.

2 Измерение активности источников a-частиц.

3 Измерение активности источников b-частиц.

4 Измерение активности источников g-квантов.

Основные понятия по теме

Активностью образца называется физическая величина, изме­ряемая числом распадов атом­ных ядер, происходящих в этом образце за одну секунду. Из основного закона радиоактивного распада

 

,

где N – число ядер; l – константа распада, следует, что актив­ность

 

(4.1)

 

Таким образом, активность пропорциональна числу ядер радиоак­тивного вещества и, следовательно, может служить мерой послед­него.

Наиболее распространенной единицей активности является кюри. Активность препарата равна 1 кюри, если в нем за 1 сек происходит 3,7×1010 распадов. На практике часто используют производные еди­ницы: микрокюри (10-6 кюри), милликюри (10-3 кюри. Приближенно активность в один кюри соот­ветствует активности 1 г радия.

Активность источников измеряют, регистрируя их излучение. Если рядом с источником расположить соответствующий детектор, то регистрируемый им за единицу времени эффект а будет пропор­ционален активности источника А:

 

(4.2)

 

Здесь под показаниями детектора понимается или число отсчетов счетчика, или показания токового прибора, или почернение фото­пластинки, или какая-нибудь другая непосредственно измеряемая на опыте величина. Коэффициент пропорциональности е, который здесь будет называться эффективностью измерительной установки, зависит от ряда факторов: эффективности самого детектора, геомет­рии и т.п. Если известна, то определение активности сводится к элементарной операции.

Инте­гральными называются методы измерений, при которых регистри­руется суммарный эффект от более или менее длительного воздей­ствия излучения на детектор (накопление электрического заряда на пластинах ионизационной камеры, выделение тепла в калори­метре, потемнение стекла и т. п.).

Дифференциальными называются методы, при которых регистри­руются отдельные частицы (электрические импульсы в камерах и счетчиках, треки частиц в фотопластинках и камерах Вильсона.

Абсолютными назы­ваются измерения, при которых прежде всего определяется коэффи­циент ε, а затем по показаниям детектора а находится истинное зна­чение активности источника А. Значительные трудности при выпол­нении этой операции заставляют всегда, когда это только возможно, прибегать к относительным измерениям, при которых показания детектора при работе с исследуемым источником ах сравниваются с показаниями аэ от некоторого эталонного источника, активность которого Аэ заранее известна.

Метод малого телесного угла.Если изотропный точечный источ­ник излучения И и детектор Д расположены на одной прямой на некотором расстоянии друг от друга, то вероятность попадания части­цы в детектор определится отношением телесного угла , под кото­рым детектор виден из точки расположения источника, к полному углу 4 . Это отношение называется обычно геомет­рическим фактором и обозначается буквой G

 

(4.3)

 

Вероятность того, что частица вылетит в сторону детектора и будет им зарегистрирована, равна произведению , где – собственная эффективность де­тектора.

Метод 4 -геометрии. Трудности нахождения телесного угла с достаточной для проведения абсолютных измерений точностью при­вели к попыткам создания детектора, рабочее тело которого пол­ностью, со всех сторон окружало бы исследуемый источник. В такой детектор попадали бы все частицы, вылетающие из источника по любым направлениям в пределах полного телесного угла 4 , откуда данный метод и получил свое название. Промежуточный между двумя выше рассмотрен­ными методами измерений – метод 2 -геометрии, при котором источник располагается на плоскости, отделяющей рабочее тело детектора от окружающей среды. В этом случае G равно 0,5.

Метод совпадений. Если при одном акте распада образуется две (или больше чем две) частицы, то активность можно определить ре­гистрацией совпадений импульсов от двух независимых детекторов. Суть этого метода сводится к следующему.

Пусть для определенности при каждом акте распада испускают­ся (b-частица и g-квант. Пусть, далее, недалеко от источника распо­ложено два детектора, один из которых регистрирует только b-частицы, а другой – только g-кванты. Скорости счета этих детекто­ров:

 

(4.4)

(4.5)

 

Если импульсы от обоих детекторов подать на схему совпадений, то при отсутствии угловой корреляции между направлениями вылета (b-частиц и g-квантов число регистрируемых совпадений

 

(4.6)

 

Из трех последних соотношений следует

 

(4.7)

 

Таким образом, активность источника оказалась выраженной толь­ко через измеряемые на опыте скорости счета детекторов и число совпадений, а неизвестные эффективности регистрации и со­кратились. Однако при проведении конкретных измерений и в этом случае требуется введение некоторых поправок, которые обсуждают­ся в соответствующих местах ниже.

Калориметрический метод. Если известна энергия распада Q, то активность источника можно определить по интегральному теп­ловому эффекту, измеряемому обычным калориметром. Обозначая долю поглощаемой в калориметре энергии fк, можно связать коли­чество выделяющегося в калориметре тепла q в секунду с активностью источника А:

(4.8)

 

Основной недостаток калориметрического метода связан с его низкой чувствительностью. Погрешность метода складывается из погрешностей тепловых из­мерений, погрешностей в принимаемых значениях Q и погрешностей при определении поправочного множителя fк. Последние особенно велики, если значительная доля энергии распада приходится на проникающее излучение.

Измерение активности источников a-частиц.Поскольку пробег a-частиц в твердых вещест­вах измеряется микронами, образцы a-активных веществ для аб­солютных измерений следует изготавливать в виде очень тонких слоев или пленок, иначе поправки на самопоглощение частиц в ис­точнике и связанные с их введением погрешности будут слишком велики. По этой же причине между источником и рабочим телом де­тектора не должно быть толстых перегородок или стенок. Лучше всего, если это только возможно, ввести источник непосредственно в рабочее тело детектора.

Наиболее распространенные детекторы при подобных измере­ниях – ионизационные камеры и счетчики с тонкими окошками, сцинтилляторы из NaI, CsI, ZnS, пластиковые сцинтилляторы и по­лупроводниковые детекторы. Использование сцинтилляционных счетчиков для регистрации a-частиц затрудняется тем, что, световой выход от a-частиц во всех сцинтилляторах оказывается значительно ниже, чем от a-частиц той же энергии.

Измерение активности источников b-частиц. Способы регистрации a- и b-частиц во многом аналогичны. Однако, существенные различия в поведении этих час­тиц при их прохождении через вещество накладывают специфичес­кие особенности на конструкцию детекторов. Так, значительно большие пробеги b-частиц позволяют изготавливать детекторы с го­раздо более толстыми стенками. С другой стороны, сильное рассея­ние b-частиц и меньшая ионизирующая способность затрудняют их регистрацию, тогда как регистрация a-частицы, попавшей в рабочее тело детектора, происходит практически со 100%-ной вероятностью.

Для измерений активности b-источников особенно эффективен метод 4p-геометрии, так как он позволяет исключить необходимость внесения большинства трудно определяе­мых поправок. 4p-геометрия реализуется расположением b-источника между двумя пропорциональными, сцинтилляционными или полупроводниковыми счетчиками. Источник и подложка, на которую он нанесен, должны быть достаточно тонкими, чтобы поправочные коэффициенты на по­глощение b-частиц в них были невелики.

Следует отметить, что при измерениях в 4p-геометрии применение сцинтилляционных счетчиков вместо пропорциональных часто ока­зывается более удобным по конструктивным соображениям, однако из-за высокого энергетического порога таких счетчиков величина eД для b-частиц малых энергий может снижаться вплоть до нуля.

Если радиоактивное вещество находится в каком-либо газе, например в воздухе, то его активность проще всего определить, введя этот газ прямо в ионизационную камеру. Особенно эффективно этот метод применяется для ре­гистрации b-излучения с малой энергией.

Измерение активности источников g-квантов.Гамма-кванты обладают еще большей проникаю­щей способностью, чем b-частицы, что позволяет свободнее выбирать материал и толщины стенок измерительных приборов. С другой стороны, относительно малая вероятность взаимодействия g-квантов с веществом приводит в большинстве случаев к низкой собственной эффективности детекторов eд. К тому же при вычислениях eя при­ходится учитывать очень много различных факторов и точность расчетов оказывается низкой. Поэтому активность источников ста­раются определять по заряженным частицам, а не по сопутствующим им g-квантам. В тех случаях, когда все же приходится иметь дело с g-излучением (например, при работе с источниками, запаянными в герметичные ампулы), силу источника обычно определяют по соз­даваемому им интегральному ионизационному эффекту и выражают в грамм-эквивалентах Ra. Но в некоторых случаях на практике все же приходится сталкиваться с необходимостью определения числа испускаемых источником g-квантов.

Дифференциальные измерения с малыми телесными углами. Для таких измерений, которые наиболее просты по технике выполнения, обычно применяют счетчики Гейгера-Мюллера или сцинтилляционные счетчики. Основные трудности при этом связаны с нахож­дением собственной эффективности детектора eд. Для нахож­дения eл необходимо учесть ослабление g-излучения стенками счет­чика, вероятность рождения электронов в стенках, угловое и энерге­тическое распределение возникающих электронов, самопоглощение и рассеяние электронов в стенках счетчика, вероятность вылета электрона в направлении чувствительного объема счетчика, вероят­ность того, что попавший в чувствительный объем электрон будет зарегистрирован, а также некоторые другие факторы. Провести точ­ный расчет эффективности с учетом всех этих факторов весьма труд­но. Точность определения eд и G при данном методе измерений очень низкая, поэтому для получения точ­ных результатов он мало пригоден.

Интегральные измерения с малыми телесными углами.Для аб­солютных измерений этого типа наиболее пригодны наперстковые ионизационные камеры, эффективность которых можно найти расче­том. Наперстковыминазываются ионизационные камеры с очень маленьким объемом газовой полости, порядка 1 см3 и меньше. Допустим, что толщина стенок такой камеры больше пробега самых быстрых электронов, возникающих под действием g-квантов в ее стенках, а размеры полости малы по сравнению с пробегом тех же электронов в наполняющем газе. При этих условиях основная иони­зация газа в камере будет вызываться электронами, возникшими в ее стенках. Можно показать, что при выполнении этих же условий наличие небольшой газовой полости в толще твердого вещества не вызывает искажения скоростного и пространственного распределе­ния электронов, пересекающих ее поверхность.

Большие сцинтилляционные детекторы.Измерение активности гамма-источника в 4p-геометрии можно осуществить, поместив его в центре большого блока рабочего вещества сцинтилляционного детектора. Для получения значения eд, близкого к единице, раз­меры сцинтиллятора должны быть достаточно протяженными. По­скольку большие кристаллы неорганических сцинтилляторов очень дороги, чаще такие счетчики делают в виде баков объемом до несколь­ких сотен литров, заполняемых жидким сцинтиллятором. Заметим, что размеры бака можно существенно уменьшить, применяя сцинтиллирующую жидкость повышенной плотности, например гексафторбензол вместо обычно применяемого толуола. По сравнению с большим баком такой компактный счетчик с тяжелым сцинтиллятором при равной эффективности к g-квантам источника обладает значительно меньшим уровнем фона. Основные трудности при кон­струировании больших сцинтилляционных детекторов и при работе с ними связаны с необходимостью обеспечения хорошего сбора света с большого объема, а также с борьбой с фоном и с шумами, которые могут быть весьма значительными.

 

Вопросы для самоконтроля

 

1 Дайте определение: 1) активности радиоактивного ис­точника; 2) удельной, объемной и поверхностной активности ра­диоактивного источника. В каких единицах измеряются указан­ные величины?

2 Как называются приборы, предназначенные для измере­ния активности источника?

3 Какие вы знаете методы измерения активности?

3 Какие пробы называются «толстыми»?

4 Почему в качестве фоновой пробы при определении ак­тивности методом «толстых» проб используется дистиллированная вода?

5 Какими радионуклидами обусловлена в настоящее время бета-активность продукции растениеводства и животноводства, получаемой на территориях, загрязненных радионуклидами в ре­зультате аварии на ЧАЭС?

 


Поможем в написании учебной работы
Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой





Дата добавления: 2014-11-10; просмотров: 2761. Нарушение авторских прав; Мы поможем в написании вашей работы!

Studopedia.info - Студопедия - 2014-2022 год . (0.027 сек.) русская версия | украинская версия
Поможем в написании
> Курсовые, контрольные, дипломные и другие работы со скидкой до 25%
3 569 лучших специалисов, готовы оказать помощь 24/7