В. МЕТОДЫ РЕГИСТРАЦИИ РАДИОАКТИВНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Существует много методов регистрации радиоактивных излучений. Остановимся лишь на тех, которые наиболее широко применяются в практике, и в частности в работах, описанных в этой главе.

§ 13. Ионизационные методы

На ионизационном эффекте, производимом радиоактивным излучением, основан принцип работ следующих типов детекторов: ионизационной камеры, пропорционального счетчика и счетчика Гейгера — Мюллера. Все эти детекторы представляют собой наполненные той или иной газовой смесью сосуды, которые имеют два электрода. Схема включения детектора показана на рис. 125. Механизм ионизации газов излучением различного типа и энергии не одинаков, но энергия, затрачиваемая на образование пары ионов во всех случаях составляет около . Величина первичной ионизации, т. е. ионизация, производимая ядерной частицей непосредственно, зависит только от доли энергии, которую ядерная частица (фотон) теряет на пути в детекторе.

Вторичные эффекты зависят от величины напряжения, приложенного к электродам детектора. Величина напряжения обусловливает также механизм регистрации излучения и тип детектора.

Изменение величины импульса тока от напряжения, приложенного к электродам детектора, выражается кривой, приведенной на рис. 126.

При отсутствии напряжения большая часть образовавшихся под действием излучения ионов рекомбинирует. С приложением напряжения ионы начинают направленно перемещаться к катоду, а электроны — к аноду. Часть их, не рекомбинируя, доходит до электродов, в цепи протекает ток, импульс которого появляется на сопротивлении 4 при разряде и заряде емкости 3 (см. рис. 125). По мере возрастания напряжения на участке ОА (см. рис. 126) все большая доля ионов достигает электродов и амплитуда импульса тока растет. На участке АВ все порожденные излучением ионы достигают электродов, поэтому амплитуда импульса остается постоянной; ионизационный ток, протекающий в детекторе, называется током насыщения. В области напряжений, при которых получается ток насыщения, работают ионизационные камеры. С помощью ионизационных камер измеряется ионизационный ток, который пропорционален интенсивности излучения, а следовательно, активности радиоактивного вещества.

Рис. 125. Схема включения ионизационных детекторов излучения: 1 — детектор; 2 — источник напряжения: 3 — емкость; 4 — высокоомное сопротивление.

При напряжениях, лежащих выше точки В, электроны, образовавшиеся под действием радиоактивного излучения, разгоняются в электрическом поле до таких скоростей, что производят вторичную ионизацию молекул газа. В области ВС вторичная ионизация пропорциональна величине первичной ионизации. Эта область напряжений, в которой работает пропорциональный счетчик.

При увеличении напряжения выше точки D каждая попавшая в детектор частица вызывает лавинный разряд. В этой области, называемой областью Гейгера, работают счетчики Гейгера — Мюллера. В области Гейгера величина вторичной ионизации не зависит от величины первичной ионизации, амплитуда импульса не зависит от рода ионизирующих частиц, но зависит от напряжения на электродах детектора. Влияние величины напряжения на работу счетчика Гейгера — Мюллера иллюстрируется кривой, представленной на рис. 127. Эта кривая называется рабочей или счетной характеристикой счетчика Гейгера — Мюллера. При измерении активности счетчиками Гейгера — Мюллера пользуются участком BD (амплитуда импульса почти постоянна), это так называемое плато счетчика. Считается, что счетчик нормально работает, если наклон плато (А) не превышает 0,15% на 1 в:

Как было сказано выше, в счетчиках Гейгера — Мюллера происходит лавинообразный разряд, вызываемый одной ионизирующей частицей, проникшей в счетчнк. Кроме того, быстрые электроны при ударе возбуждают молекулы, стабилизация которых происходит высвечиванием в ультрафиолетовой области. Ультрафиолетовое излучение вызывает образование фотоэлектронов, которые порождают в электрическом поле новые лавины электронов. Новые лавины электронов могут появиться и в результате процесса рекомбинации положительных ионов на катоде. При этом получаются возбужденные молекулы газа, стабилизация которых опять приводит к образованию фотонов и фотоэлектронов. Таким образом, лавинный разряд может продолжаться.

Гашение лавинного разряда происходит в результате понижения потенциала анода и образования у катода слоя положительных ионов, которые за время собирания электронов сек практически остаются на месте. Для предотвращения образования повторных лавин в цепь счетчика включается высокоомное сопротивление порядка 109 ом, которое замедляет восстановление напряжения, так что оно происходит медленнее собирания положительных ионов на катоде сек). После регистрации одной лавины разряд в счетчике прекращается, и через сек счетчик готов к регистрации новой частицы. Такие счетчики называются несамогасящимися.

Для уменьшения времени восстановления счетчика, так называемого мертвого времени, в счетчик вводят пары вещества, потенциал ионизации молекул которого меньше потенциала ионизации основного компонента газовой смеси, наполняющей счетчик, — аргона. В качестве таких веществ применяют галогены, этиловый спирт и другие многоатомные молекулы.

Многоатомные молекулы передают электрон положительным ионам аргона, образовавшимся под ионизирующим действием излучения, а последние рекомбинируют на катоде. Возбуждение многоатомных молекул гасится при их разложении без выделения фотонов, и вторичные лавины не образуются. Это позволяет уменьшить сопротивление в цепи счетчика и время восстановления счетчика до 10-4 сек. Такие счетчики называются самогасящимися.

В счетчиках с гасящим наполнителем из органических веществ происходит разложение их молекул в каждом акте гашения разряда, поэтому срок службы этих счетчиков ограничен. Галогенные счетчики могут работать неопределенно долгое время, так как процесс разложения галогена на атомы обратим.

Рис. 126. Зависимость амплитуды импульса тока в ионизационном детекторе от напряжения на его электродах: — область работы ионизационной камеры; — область работы пропорционального счетчика; — область работы счетчика Гейгера — Мюллера.

Рис. 127. Рабочая характеристика счетчика Гейгера — Мюллера: А — начало счета; В — начало плато; - конец плато; — рабочее напряжение.

При регистрации и -частиц счетчиком Гейгера — Мюллера каждая частица, попавшая в счетчик, дает лавинный разряд и регистрируется. Ионизация газа внутри счетчика -лучами маловероятна, более вероятно выбивание электронов фотоном из стенок счетчика, поэтому эффективность счетчика по отношению к -лучам составляет .

Счетчики Гейгера — Мюллера имеют различную конструкцию и назначение. Основные виды счетчиков показаны на рис. 128. По форме различают цилиндрический (128, а) и торцовый (128,6) счетчики. Цилиндрический счетчик с толстыми стеклянными стенками, покрытый изнутри металлом, с натянутой по его оси изолированной металлической нитью служит для регистрации -лучей. Такой же счетчик с тонкими металлическими стенками предназначен для регистрации -частиц. Торцовый счетчик имеет тонкое слюдяное окошечко и вертикально расположенную нить. Он позволяет регистрировать -излучение малой энергии и при очень малой толщине окна даже -частицы. В отдельных случаях такой счетчик делается без слюдяного окна и в него непрерывно подается струя наполняющего газа. Для регистрации активности жидкостей служит счетчик погружения (рис. 128, d) и счетчик с рубашкой (рис. 128, г). Для полной регистрации активности служит -счетчик (рис. 128,в), который представляет собой как бы два соединенных торцами торцовых счетчика. Активность газов регистрируется проточным, или туниковым, счетчиком (рис. 128, е). При этом радиоактивный газ вводится внутрь его.

Для регистрации активности счетчик Гейгера—Мюллера включают в схему, в которой импульс тока под действием напряжения, создаваемого высоковольтным выпрямителем, поступает на усилитель, не только усиливающий малый ток импульса, но и формирующий его для дальнейшей регистрации. С усилителя импульс тока подается на пересчетное устройство и затем на электромеханический счетчик импульсов. Назначение пересчетного устройства пропускать на механический счетчик лишь малую, определенную долю импульсов тока, так как электромеханический счетчик не может регистрировать большие скорости счета.

Рис. 128. Схема счетчиков Гейгера — Мюллера: а — цилиндрический для регистрации 0- или -излучення; б - торцовый для регистрации мягкого -излучеиня; в — -счетчик; г — цилиндрический счетчик с рубашкой; д — счетчик погружения; — проточный счетчик для измерения активности газов.