Главная >  Атомное ядро и ядерные превращения 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 [ 37 ] 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

организм человека за время его нахождения в зоне действия излучения. Человек, подвергаемый контролю, снабжается малой камерой, причем до и после облучения измеряется потенциал ее электрода на стационарном электрометре. В настоящее время для этой цели применяются более удобные карманные приборы, содержащие в себе малую у-камеру вместе с миниатюрным электрометром и микроскопом со шкалой, градуированной в единицах излучения. Такой прибор позволяет непрерывно контролировать дозу излучения в процессе работы, не возвращаясь к месту распололения стационарного прибора.

Ионизационные камеры для нейтронов. Нейтроны не могут непосредственно ионизировать газ, содержащийся в ионизационной камере. Поэтому для регистрации нейтронов должн.! быть созданы такие условия, при которых они вызывают появление частиц, ионизирующих газ. Эти условия обеспечиваются одним из процессов взаимодействия нейтрона с атомными ядрами вещества, которые можно разделить на два следующих класса:

1. Упругое взаимодействие (или рассеяние). В этом случае нейтрон прн столкновении передает свою энергию атом-но.му ядру, которое приобретает скорость, достаточную для ионизации газа . Для получения ядер отдачи междуэлектродное пространство ионизационной камеры заполняют такими газами, как например СН4, СгНб, СзНв, C4H10 и т. п. или применяют водородсодержащие материалы для стенок. Присутствие водорода выгодно потому, что ядра водорода (протоны), будучи самыми легкими из всех атомных ядер, воспринимают наибольшую долю энергии нейтронов.

2. Ядерная реакция, при которой изменяется природа сталкивающихся частиц и освоболсдается частица, ионизирующая газ. Практически используется обычно следующая реакция между нейтроном и ядром бора:


т. е. реакция типа {п, а) в результате которой получаются а-частицы (см. стр. 56). Для получения такой реакции междуэлектродное пространство ионизационной камеры заполняют каким-либо соединением бора, обычно BF3.

Ионизационная камера, наполненная газом, содержащим бор, применяется для регистрации медленных нейтронов, так как для них эффективное поперечное сечение указанной реакции сравнительно велико. Та же камера может быть использована и для быстрых нейтронов, если окружить ее слоем парафина, достаточным для их замедления. Быстрые нейтроны регистрируются также и с помощью ядер отдачи ионизационной камерой, у которой стенки или газ содерлсат водород.

Газовые счетчики частиц

Недостаток ионизационных камер - весьма малые значения силы тока (10-2 1о-13 а и ниже) и напряжении (IQ-- 10- в и ниже), реп1страция которых осуществляется весьма чувствительными приборами, иногда содержащими сложные усилительные устройства. Газовые счетчики благодаря использованию в них газового усиления позволяют получить во много раз большие токи (10- а) и напряжения (10- -10 е), которые мол-но зарегистрировать более грубыми приборами, со-дерл<ашими простые усилители.

Принцип действия и вольтамперные характеристики газовык

счетчиков

Принцип действия газового счетчика частиц основан на использовании явления вторичной ионизации, обеспечивающего огромное усиление тока (так называемое газовое усиление ). Это явление возникает при достаточно большом напряжении и заключается в том, что электроны и ионы, созданные ионизирующим излучением (первичная ионизация), движутся под действием электрического поля со столь большими скоростями, что сами ионизируют газ (вторичные электроны). Так как возникающие при этом вторичные электроны тоже могут ионизировать газ, то процесс этот развивается лавинообразно, т. е. один первичный электрон может создать лавину электронов. При этом число электронов в лавине быстро возрастает с увеличением пути, пройденного ею от точки ее возникновения до соответствующего электрода. Длина этого пути находится в прямой завнси-.мостп от напряжения, так как че.м больше напряжение, тем быстрее увеличивается скорость электрона, двил-сущегося в иоле к аноду, и тем дальше от анода начнется вторичная ионизация. Поэтому с увеличением напряжения сила тока быстро увеличивается, как это видно нз вольтамперной характеристики, изображенной на рис. 44. На этой характеристике точка В отделяет режим насыщения, используемый в ионизационной камере, от режима вторичной ионизации (справа от точки В), в котором работают газовые счетчики.

Практически важно!! задачей является обеспечение режима вторичной ионизации при возможно меньшем напряжении. Для этого принимают следующие меры:

а) конструкцию электродов выбирают цилиндрическую, т. е. изготовляют катод в виде цилиндра и анод в виде тонкой нити диаметром порядка нескольких десятков микронов. Увеличение

15 Зашита от ра-лиоакт.ициы.х ii:).Tiy4eiwii




а с

Рис. 44. Вольтамперная .характеристика газового счетчика частиц

напряженности поля возле нити обеспечивает большую скорость электронов при сравнительно небольшом напряжении. Рабочее напряжение газозы.х счетчиков не превосходит 1000 в;

б) вводят в разрядный промежуток газы с низким ионизационным потенциалом. Та КИМ газом, одновременно удовлетворяющим и другим требованиям, является аргон;

з) при наполнении указанными газами счетчики герметизируют, что позволяет подобрать ои-ти.мальное давление газа.

Если снимать вольт-амперную характеристику счетчика при различных ионизирующих излучениях, то получится семейство вольтамперных характеристик, в которое в качестве параметра входит ионизирующая способность излучения (рис. 44). При этом в вольтамперной характеристике выявляются следующие три области:

а) область ВС, где сохраняется та пропорциональность между силой тока и ионизирующей способностью излучения, которая имеется в области насыщения. ВС называется поэтому областью пропорциональности газового усиления;

б) область CD, где указанная пропорциональность постепенно нарушается, называемая областью ограниченной пропорциональности газового усиления;

в) область выше точки D, где сила тока не зависит от иони-зируюшен способности излучения. Следовательно, в этом режиме газовый разряд, возникший при действии излучения, может существовать и после прекращения действия излучения, т. е. получается самостоятельный разряд. Область выше точки D называется областью самостоятельного разряда или областью Гейгера.

В зависимости- от выбора режима газового усиления различают счетчики пропорциональные, работающие в режиме пропорциональности, н счетчики Гейгера-Мюллера, работаюшие в режиме самостоятельного разряда. Преимуществом пропорциональных счетчиков является их способность различать частицы различной природы и различной энергии, т. е. обеспечивать импульсы тока или напряжения, величина которых пропорциональ-


на ионизирующей способности частиц. Применяя электронные устройства, отделяющие один от другого импульсы различной величины (амплитудные дискриминаторы и ограничители), можно с помошью пропорциональных счетчиков считать импульсы от а-частиц, отфильтровывая от них импульсы, созданные другими частицами, либо получить энергетический спектр излучения. Однако коэффициент газового усиления (т. е. отношение тока в режиме вторичной ионизации к току насыщения) пропорциональных счетчиков не превосходит нескольких сотен, что является их недостатком. Счетчики Гейгера-Мюллера, наоборот, дают возможность получить очень большие импульсы тока и напряжения, но не позволяют различать регистрируемые частицы по амплитудам импульсов. Кроме того, режим Гейгера получается при более высоком напряжении, чем режим пропорциональности. Чтобы обеспечить режим Гейгера при напряжении, не превосходяшем 1000 в, необходимо подобрать газ с низким потенциалом ионизации (обычно аргон с примесями многоатомных газов или галогенов) и оптимальное давление газа (порядка нескольких сантиметров ртутного столба). Поэтому счетчики Гейгера-Мюллера должны быть герметически закрытыми, что затрудняет их применение для регистрации а-излучения.

Сушествование указанных областей в режиме газового усиления объясняется следующими физическими процессами в счетчике. В области пропорциональности число лавин приблизительно равно числу первичных электронов и поэтому ионизационный ток пропорционален току насыщения, который, в свою очередь, пропорционален ионизирующей способности излучения (линия аЬ на рис. 44). При увеличении напряжения растет число электронов в лавине, но число лавин почти не меняется и остается равным числу первичных электронов. Однако при переходе в область больших напрял-сений, т. е. в область ограниченной пропорциональности, постепенно начинает играть заметную роль фотоэмиссия катода. Фотоэмиссия катода вызвана тем, что в лавине, кроме процессов ионизации, происходят процессы возбуждения атомов газа с последующим их возвращением к нормальному состоянию и высвечиванием фотонов. При напряжении, соответствующем области ограниченной пропорциональности, число фотонов в лавине настолько возрастает, что фотоэффект на катоде становится заметным, и число лавин отличается от числа первичных электронов на величину числа лавин, созданных фотоэлектронами катода. При это.м процесс образования фотоэлектронных лавин может повторяться многократно. С увеличением числа лавин возникает и причина, ограничивающая их развитие. Лавины возникают только на небольшом расстоянии от нити порядка ее радиуса, т. е. в области сильного поля, причем электроны быстро уходят на нить, а оставшиеся ионы окружают 15*




нить положительно заряженным чехлом. Электрическое поле между ионным чехлом и нитью направлено в сторону нити (рис. 45), т. е. навстречу полю, созданному напряжением между

нитью и катодом. В результате ионный чехол ослабляет поле возле нити, что препятствует развитию лавии (рис. 46). При одном и том же напряжении (см. прямую cd на рис. 44) чем больше число первичных электронов, тем больше должно быть и лавин (в том числе и фотоэлектронных). Однако при большом числе лавин увеличивается ионный чехол, что замедляет рост тока с увеличением ионизующей способности излучения. Это нарушение пропорциональности выражено тем резче, чем больше напряжение, так как с повышением напряжения растет сила тока, и следовательно, плотность ионов в чехле.

При дальнейшем увеличении напряжения вольтамперные характеристики сливаются. Уже при приближении напряжения к точке слияния характеристик (точка D) число фотоэлектронных лавин превосходит число лавин, созданных первичными злектронами. Но процесс повторения лавин остается еше затухающим. При напряжении, при котором процесс повторения фотоэлектронных лавин станет нарастающим, возникнет самостоятельный разряд, продолжающийся и при отсутствии новых первичных электронов. Сила тока самостоятельного разряда, следовательно, не зависит от первичной ионизации, а определяется условиями равновесия между фотоэлектронами, возникающими на катоде, и создающими их фотонами, возникающими в лавине. Это равновесие должно состоять в том, что число фотонов, возникающих в лавине, должно быть достаточным, чтобы на катоде 3 результате фотоэффекта освободился хотя бы один электрон. С повышением напряжения сформулированное условие самостоятельного разряда выполняется при большем токе, поэтому вольт-амиерная характеристика продолжает возрастать.


Рис. 45. Электрическое поле между элект-родами газового счетчика частиц при наличии ионного чехла вокруг нити:

/ - анод; 2 - катод; 3 - ионный чехол; 4 - электроны

При развитии самостоятельного разряда вокруг нити возникает и растет ионный ,

чехол, который ослабляет поле возле нити и служит причиной прекращения самостоятельного разряда. После этого ионы движутся к катоду и могут освобождать на нем в результате вторичной эмиссии электроны, которые вызовут новый самостоятельный разряд, т. е. повторный импульс тока. Этот импульс тока, являющийся ложным с точки зрения регистрации частиц, может повторяться многократно. Поэтому в счетчике Гейгера-Мюллера необходимо принять меры к тому, чтобы не допустить повторения испульса, вызванного регистрируемой части-


Рис. 46. Раапределение потенциала и- напряженности поля между нитью и цилиндром:

/ - при отсутствии ионов; - при наличии ионов; г - расстояние от центра нити; С,. - потенциал; ВJ. - нагруженность поля

цей. Эти меры называются гашением разряда в счетчике.

Гашение разряда в счетчиках Гейгера-Мюллера

В счетчиках Гейгера-Мюллера применяются два способа гашения:

1) за счет процессов во внешних иепях, присоединенных к счетчику;

2) с помощью гасящего газа, вводимого в объем счетчика.

Счетчики, содержащие гасящий газ, называются самогасящимися; счетчики, требующие для гашения изменения внешней цепи, называются несамогасящимися.

Несамогасящиеся счетчики Гейгера-Мюллера. Принцип гашения в несамогасящихся счетчиках заключается в том, что к моменту прихода иона на катод, где он может освободить электрон, напряжение мел-еду нитью и катодом понижается до значения меньшего, чем напрялсенне начала области Гейгера. В ре-



1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 [ 37 ] 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70