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 кюрисоот­ветствует 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 а_х сравниваются с показаниями а_э от некоторого эталонного источника, активность которого А_э 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 f_к, можно связать коли­чество выделяющегося в калориметре тепла q в секундус 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 f_к. 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 e_Д 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 e_д. К тому же при вычислениях e _я 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 e_д. Для нахож­дения e_л 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 e_д 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. Наперстковыми называются 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 e_д, 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?