Регистрация радиоактивных излучений

Радио 1956 №8

В конце прошлого века (1896 - 1898 гг.) было обнаружено, что некоторые химические элементы (радий, уран, торий и др.) создают невидимые излучения. Эти излучения, а также элементы, создающие их, были названы радиоактивными.

Дальнейшие исследования показали, что радиоактивные излучения являются результатом внутриядерных превращений (как правило, распада атомов) и носят сложный характер.

Рис. 1.

Входящие в состав излучения (см. рис. 1) бета-лучи представляют собой потоки движущихся с большими скоростями, до 300000 км/сек, электронов (бета-частиц), которые, как известно, обладают отрицательным электрическим зарядом. Альфа-лучи - это потоки ядер гелия (альфа-частиц), движущихся со скоростью 10000-20000 км/сек.

Что же касается гамма-лучей, то это излучаемые отдельными порциями (квантами) электромагнитные волны очень высокой частоты (f=10¹⁴-10¹⁷ мГц).

Радиоактивные излучения превращают нейтральные атомы облучаемого вещества в положительные либо отрицательные ионы, т. е. атомы с недостатком либо избытком электронов (см. рис. 2).

Рис. 2.

Наиболее сильно ионизируют вещество альфа-лучи. Так, например, одна альфа-частица на 1 см пути в воздухе может создать несколько десятков тысяч пар ионов. Бета-частица при тех же условиях, создает около ста пар ионов, а гамма-квант - всего несколько пар ионов. Альфа-частицы, производя интенсивною ионизацию, быстро теряют запас энергии, и поэтому путь их пробега в воздухе не превышает нескольких сантиметров. Путь пробега бета-частиц составляет в воздухе несколько метров, а в твёрдых веществах (например в металлах) несколько миллиметров. Что же касается гамма-лучей, то их проникающая способность очень велика. Так, например, для того, чтобы ослабить гамма-лучи хотя бы в два раза нужен слой воздуха толщиной примерно в 100 м, либо слой алюминия толщиной в несколько сантиметров.

Познакомимся с некоторыми характеристиками радиоактивных излучений.

1. Состав излучения. Распад радиоактивных веществ не всегда сопровождается всеми тремя видами излучения - альфа, бета- и гамма-лучи. Так, например, если радиоактивное вещество поместить в герметический толстостенный металлический экран, то за пределами экрана можно будет обнаружить только гамма-лучи, так как альфа- и бета-частицы будут полностью задержаны стенками экрана. Кроме того, часто встречаются вещества, создающие только бега- и гамма-излучения (например одни из изотопов кобальта - «Кобальт-60»), либо только бета-излучение (изотоп бериллия - «Бериллий-10»).

2. Энергия движущихся частиц и гамма-квантов. Единицей измерения этой энергии выбран электрон-вольт (эВ), представляющий собой энергию, которую приобретает электрон, при движении в ускоряющем электрическом поле с разностью потенциалов 1 А. Производной величиной является мегаэлектрон-вольт 1 МэВ = 10⁶ эВ. В обычном представлении величины эти очень малы (1 эВ ~ 4,5*10^-26 кВтч). Однако в мире атома - 1 эВ большая величина. Так, электрон, обладающий энергией всего лишь в 1 эВ, движется со скоростью около 600 км/сек. Электрон, летящий к аноду радиолампы, обычно обладает энергией 100-300 эВ. В то же время электрон в составе радиоактивного излучения может обладать энергией в сотни тысяч эВ и даже несколько МэВ. Примерно такой же энергией обладают входящие в состав радиоактивных излучений альфа-частицы и кванты гамма-лучей.

3. Доза излучения. Величина эта характеризует суммарную энергию частиц и гамма-квантов, поглощенную в каком-либо объеме. Единицей измерения дозы служит 1 рентген, представляющий собой такое количество гамма-излучения, которое в 1 см³ сухого воздуха создаёт примерно 2 миллиарда пар ионов с суммарным зарядом, равным 6*10^-10 кулона (по 3*10^-10 кулона зарядов каждого знака). На образование в воздухе такого количества ионов затрачивается энергия 6,8*10^-4 МэВ (примерно по 33 эВ на каждую пару ионов). Для того чтобы представить себе, что такое 1 рентген (1 р), укажем, что при рентгеноскопии грудной клетки человек получает дозу излучения около 0,05 р. Доза эта совершенно безопасна. С другой стороны, доза 100-200 р является опасной, так как человек, в течение короткого времени получивший такую дозу, как правило, заболевает лучевой болезнью. Для измерения поглощенной дозы радиоактивного излучения используются специальные приборы дозиметры.

4. Мощность дозы излучения. Эта величина показывает дозу излучения, поглощенную за единицу времени, и измеряется в рентгенах за час (р/час). Местность считается заражённой радиоактивными веществами, если на высоте 50-70 см от земли наблюдается гамма-излучение с мощностью дозы более 0,1 р/час. Доза излучения и мощность дозы связаны между собой простым соотношением: (доза в р) = мощность (в р/час) * время облучения (в часах).

Приборы, предназначенные для измерения мощности дозы,- называются рентгенометрами.

Источник радиоактивных излучений характеризуется его активностью, показывающей число распадов атомов, происходящих за 1 сек. В результате распада атома выбрасываются альфа- или бета-частицы и следовательно активность характеризуется числом частиц, испускаемых источником за 1 сек. Единицей измерения активности служит кюри, соответствующий 37 миллиардам распадов атомов в течение 1 сек. (1 кюри - 37*10⁹ распадов/сек).

Иногда активность характеризуют числом распадов в минуту, приходящихся на 1 см² поверхности источника (число распадов/см²).

Активность источника излучений тем больше, чем больше количество вещества и чем интенсивнее происходят в нем ядерные превращения. Так, например, 1 г радия обладает активностью 1 кюри. В то же время 1 г урана-235 - около 1,8 микрокюри (1,8-6 10 кюри), а 1 г кобальта-60 - около килокюри (1000 кюри).

Мощность дозы излучения падет при удалении от источника излучений и возрастет при увеличении его активности.

Для определения активности источника излучений пользуются специальными счетными установками, позволяющими определить число испускаемых источником частиц. Для измерения активности применяют также чувствительные и относительно простые приборы, получившие название радиометров.

Для обнаружения и измерения радиоактивных излучений используют их способность засвечивать фотоматериалы, повышать температуру облучаемых веществ, изменять окраску некоторых растворов, вызывать свечение ряда кристаллов и т. п. Принцип действия полевых и ряда лабораторных измерительных приборов основан на способности излучений ионизировать воздух (приборы с ионизационными камерами), либо инертные газы (приборы с газовыми счётчиками).

Рис. 3.

Рис. 3 поясняет принцип действия рентгенометра с ионизационной камерой. Ионизационная камера представляет собой сосуд, наполненный воздухом или другим газом. Внутри сосуда находятся электроды, к которым подводится постоянное напряжение. В обычном состоянии воздух является диэлектриком и ток в цепи отсутствует. Под действием радиоактивных излучений в воздухе создаются положительные и отрицательные ионы и в цепи появляется так называемый ионизационный ток (I_и). Величина его тем больше, чем больше ионов образуется в рабочем объеме камеры за единицу времени, и поэтому по показаниям гальванометра можно судить о мощности дозы излучения, проникающего в камеру.

Рис. 4.

В реальном случае, даже при измерении очень сильных излучений, I_и не превышает десятых долей микроампера. Ввиду того, что непосредственное измерение таких малых токов стрелочным прибором практически невозможно, в рентгенометре применён усилитель тока (см. рис. 4). Малый (доли микроампера) ионизационный ток Iа создаёт на нагрузочном сопротивлении напряжение, которое управляет значительным (десятки микроампер) анодным током лампы I_a.

Трудности, встречаемые при постройке таких усилителей, в основном связаны с тем, что у обычной электронной лампы, даже при больших отрицательных смещениях, существует сеточный ток I_с порядка 10^-2 мкА. Наличие I_с такой величины делает невозможным измерение I_и, который при малых мощностях дозы составляет 10^-4 - 10^-6 мкА.

Поэтому для усиления ионизационных токов используются специальные электрометрические лампы (обозначаются буквой «Э»), отличающиеся очень малыми сеточными токами (порядка - 10^-8 мкА).

Ввиду малой величины I_и для получения достаточного управляющего напряжения сопротивление R_н делают очень большим (десятки тысяч мегом). Отсюда следует, что сопротивление изоляции сеточной цепи должно быть во много раз большим.

Рис. 5.

Ионизационные камеры используются также в приборах для определения поглощенной дозы излучения. На рис. 5 изображен индивидуальный дозиметр, который носит при себе человек, подвергающийся опасности радиоактивного облучения. По внешнему виду прибор напоминает авторучку. Он содержит небольшую герметизированную ионизационную камеру и конденсатор с высококачественным (обычно стирофлексным) изолятором. Перед тем как выдать прибор его владельцу, конденсатор заряжают определенным напряжением в U_нач. Под действием радиоактивных излучений в камере возникнет ионизационный ток, конденсатор будет разряжаться и напряжение на его обкладках уменьшится до некоторой величины U_кон. Чем большую дозу излучения получила ионизационная камера, тем сильнее разрядится конденсатор и тем меньше будет U_кон. Измеряя с помощью специальной контрольной установки U_кон и U_нач можно определить дозу, полученную ионизационной камерой, а следовательно и её владельцем. Достоинством описанного дозиметра является простота, а недостатком - необходимость дважды являться на контрольный пункт для зарядки конденсатора и определения полученной дозы.

Рис. 6.

От этого недостатка свободен индивидуальный дозиметр со шкалой (см. рис. 6), работающий на том же принципе, что и обычный школьный электроскоп. Одним из электродов ионизационной камеры прибора является трубка 5, а другим - металлический держатель 4, к которому прикреплена тончайшая металлизированная кварцевая нить 3. При зарядке дозиметра кварцевая нить отклоняется от держателя, а под действием радиоактивных излучений - возвращается в первоначальное положение. Тень от нити попадает на экран со шкалой 2, который наблюдают с помощью оптической системы 1. Шкалу прибора градуируют в единицах дозы (в рентгенах либо миллирентгенах).

Рис. 7.

Очень часто вместо ионизационной камеры в качестве устройства, воспринимающего излучение, используется газовый счётчик. Это позволяет конструировать относительно простые приборы для измерения малых мощностей дозы (микрорентгены в час) и подсчёта отдельных альфа- и бета-частиц. Так же как и на ионизационную камеру, на счётчик подают высокое напряжение Е_сr = 300-900 В. Электрод, подключаемый к «плюсу» источника, называется анодом и выполняется в виде тонкой металлической нити. Электрод, подключаемый к «минусу» источника, называется катодом и выполняется в виде металлического цилиндра (см. рис. 7). Величину напряжения Е_сr обычно выбирают с таким расчётом, чтобы попавшая в счётчик частица создавала в нём лавинную ионизацию. Сущность этого явления состоит в том, что ионы, образованные первичной частицей, будут ускоряться электрическим полем, создавать при этом новые пары ионов, которые также будут ускоряться полем и ионизировать газ и т. д. и т. д. Вследствие лавинной ионизации в счётчике быстро возникает большое количество ионов (в десятки миллионов раз больше, чем было создано первичной частицей), а это обеспечивает высокую чувствительность приборов с газовыми счётчиками.

Рис. 8.

К недостаткам газовых счётчиков относится возможность возникновения в них непрерывного разряда под действием первой же ионизирующей частицы. Для борьбы с этим явлением используется специальное гасящее устройство. Схема одного из таких устройств приведена на рис. 8. До облучения камеры лампа Л1 заперта напряжением Е_с, при этом I_а = 0 и всё напряжение анодной батареи Е_а полностью приложено к счётчику. При попадании в счётчик ионизирующей частицы в цепи его возникает импульс ионизационного тока I_н, который создаёт на сопротивлении Rн импульс напряжения, отпирающего лампу. При этом за счёт появившегося анодного тока I_а создается падение напряжения на R_а, напряжение на счётчике уменьшается и разряд гаснет. Другим методом борьбы с указанным выше недостатком является использование самогасящихся счётчиков. В этих счётчиках к инертным газам добавляют специальные примеси (обычно галогены: бром, фтор и др.), благодаря. которым лавинная ионизация в нужный момент прекращается и таким образом устраняется опасность непрерывного разряда.

Другим недостатком газового счётчика является наличие у него «мертвого времени» - времени, в течение которого разряд в счётчике полностью заканчивается и он снова становится готовым к регистрации частицы. Обычно мёртвое время составляет 0,0001 сек., и поэтому счётчик может зарегистрировать не более 10000 частиц в секунду. При интенсивном потоке частиц многие из них могут оказаться незарегистрированными. В качестве оконечного регистрирующего устройства в приборах с газовыми счётчиками используются головные телефоны, стрелочные гальванометры и специальные электро-механические счётчики.

С помощью головных телефонов по частоте повторения импульсов можно ориентировочно оценить мощность дозы излучения либо активность источника.

Стрелочный гальванометр используется в интегрирующем радиометре, блок-схема которого изображена на рис. 9.

Рис. 9.

Первый каскад прибора не только усиливает импульсы напряжения, поступающие с R_н, но и формирует их - делает одинаковыми по величине, длительности и форме. Далее импульсы поступают на цепочку из R2C1 и заряжают конденсатор С1. Чем выше активность исследуемого источника, тем чаще повторяются эти импульсы, тем меньше конденсатор успевает разрядиться через R2 и тем, следовательно, большим будет напряжение на С1. Это напряжение измеряется ламповым вольтметром, шкалу которого градуируют в единицах активности, либо мощности дозы.

Используемый в качестве оконечного устройства электромеханический счётчик непосредственно показывает число поступающих на него за секунду импульсов напряжения. Однако электромеханический счётчик не может фиксировать более 100 импульсов за секунду, и поэтому для использования его вводят пересчётное устройство (см. рис. 10). С помощью этих устройств число импульсов, подающихся на электромеханический счётчик, уменьшается в 2, 4, 8, 16, 32, 64 и более раз по сравнению с числом импульсов тока в газовом счётчике. В этом случае для определения числа зарегистрированных частиц нужно показания электромеханического счётчика умножить на коэффициент пересчёта.

Рис. 10.

На рис. 11 изображена схема такого устройства с коэффициентом пересчёта 2 («бинарная ячейка»). Она имеет два устойчивых состояния, в одном из которых заперта лампа Л1, а в другом лампа Л2. Каждый импульс, поступающий от газового счётчика, поочередно переводит устройство из одного устойчивого состояния в другое. Так, например, каждый чётный импульс переводит устройство из первого устойчивого состояния (заперта Л1) во второе (заперта Л2), а каждый нечётный импульс - из второго устойчивого состояния в первое. Поэтому сигнальная неоновая лампочка Л4 будет загораться только после чётных импульсов, а Л3 только после нечетных, а регистрирующий прибор будет фиксировать только чётные импульсы. Импульсы напряжения подают одновременно на сетки ламп Л1 и Л2 через конденсаторы либо через диоды ДГ-Ц.

Для получения коэффициента пересчёта 4, 8, 16 и т. д. несколько подобных устройств включают последовательно.

Рис. 11.

Наряду с ионизационными камерами и газовыми счётчиками в последнее время все более широко применяются сцинтилляционные счётчики - приборы, в которых используется способность радиоактивных лучей вызывать слабые вспышки света (сцинтилляции) в некоторых кристаллах (нафталин, антрацен, йодистый цезий, йодистый натрий и др.).

Современный сцинтилляционный счётчик (рис. 12) содержит фотоэлектронный умножитель, который может в миллион раз увеличивать число электронов, вылетевших из фотокатода под действием сцинтилляции.

Рис. 12.

Одним из достоинств сцинтилляционного счётчика является малое мертвое время (примерно 10 сек), а следовательно возможность быстрого счёта частиц и гамма-квантов.

Регистрацией радиоактивных излучений, определением их состава, дозы, мощности дозы и других характеристик, измерением активности источников излучений занимаются специальные отрасли физики - дозиметрия и радиометрия.

Радиометрические и дозиметрические измерения проводятся при эксплуатации атомных реакторов, поисках рудных месторождений, исследованиях методов меченых атомов и многих других работах. Эти измерения являются также важнейшими мероприятиями противоатомной защиты (ПАЗ).

В дозиметрии и радиометрии широко используются радиотехнические методы и устройства, и поэтому у радиолюбителей имеются большие возможности для работы в этих областях.

Р. Сворень