книги из ГПНТБ / Мазин П.Н. Основы ядерной электроники учеб. пособие

При очень больших расстояниях, когда телесный угол со очень нал, ЫЭ(р~1,5с(» Эта зависимость ЫЭ(р от а; объясняется тем, что ядерные частицы попадают в чувстви­ тельный объем детектора под различными углами и сле­ довательно, проходят слои поглотителя, толщина которых

Фактор, учитывающий самоослабление. Если радиоак­ тивный источник имеет значительную толщину, то часть излучения будет поглощаться в самом источнике. Фактор, определяющий потери в этом случае, может быть рассчи­ тан по формуле

160

Рис. 3.9

Ш

Обычно для гамма-излучения этот фактор не учиты­ вается, так как поглощение гамма-квантов очень мало. Для бета-излучений оно может быть значительным.

Формула, приведенная нами, дает лишь приближенную оценку, поэтому если требуется определить <3° боле© точно, то его определяет экспериментально.

Фактор, учитывающий обратное рассеяние от подлож- ££. Бета-частицы, вылетающие из образца по направлению к подложке, могут в результате многократного рассеяния попадать в детектор и детектироваться. Это явление на­ зывается обратным рассеянием. Оно определяется энерги­ ей бета-частиц, атомным номером вещества подложки и толщиной последней, причем с возрастанием всех этих величин возрастает и обратное рассеяние. Поэтому при выборе материала подложки его толщина и атомный вес должны быть минимальными. Теоретический расчет факто­ ра, учитывающего обратное рассеяние, затруднителен,по­ этому его определяют экспериментально.

Учитывая вымеизложенное, измерение активности ис­ точников ЯИ абсолютным методом целесообразно произво­ дить по следующей схеме. Вначале необходимо установить связь мекду активностью изотопа в радиоактивном источ­ нике и его ядерннм излучением, т .е. учесть схему рас­ пада данного изотопа, так как многие изотопы дают на один акт распада не одну, а несколько ядерных частиц (квантов). Поэтому от случайного числа распадов в еди­ ницу времени нужно перейти к случайному же числу ядер-

162

ншс частиц определенного типа, появившихся в источнике в результате этого распада. Если известна вероятность распада ядра (или закон распределения активности изото­ па в источнике), можно найти вероятность появления ядерной частицы данного типа (или закон распределения числа частиц данного типа в источнике). Далее необходи­ мо учесть все факторы, составлящие эффективность и яв­ ляющиеся при этом детерминированными коэффициентами или функциями для данного типа ядерной частицы. Сведя их в общий коэффициент, можно сделать переход от числа ядериых частиц данного типа к числу ядерных частиц, по­ павших на чувствительную поверхность детектора, через математическую операцию линейного преобразования слу­ чайных величин:

у. = ях + \$,

у- число частиц данного типа на чувствительной

”поверхности детектора.

Следующим этапом является определение значения сиг­ нала в чувствительном объеме детектора - числа пар ио­ нов, созданных частицей в детекторе, числа импульсов на выходе детектора типа Гейгера-Мюллера и т.д . В пос­ леднем случае, а измерение активности изотопа в радио­ активном источнике часто производят именно этими детек­ торами, необходимо знать вероятность детектирования ядерной частицы данного типа детектором, что дает воз­

можность определить закон распределения числа импульсов

163

на выходе детектора и установить связь между сигналом на выходе детектора, представляющий собой число импуль­ сов в единицу времени (скорость счета), и измеряемой активностью. Таким образом, в общем случае измерения активности сигнал, несущий информацию об активности, представляет собой дискретный случайный процесс, испы­ тывающий различные, случайные хе, воздействия.

На практике многие случайные факторы заменяются их математическими ожиданиями, что значительно упрощает процесс преобразования и анализа сигнала. При этом ши­ роко используется аппарат "поправок", т.е. детерминиро­ ванных коэффициентов, определяющих роль того или иного фактора в формировании сигнала на выходе прибора.

Рассмотрим некоторые формулы, получающиеся при ис­ пользовании такого подхода.

При абсолютном измерении активности изотопа по бе­ та-излучению связь между скоростью счета и активного изотопа имеет вид

т - кГ'ЧЪЪЪЦра ,

где <PL - поправки на г -е воздействие;

а- активность изотопа;

к- размерный коэффициент;

Р- поправка на схему распада.

Если источник бета-излучения обладает сложным спект­ ром, поправки Фк f фу, <Рсtp вычисляются для каждой составляющей отдельно, а формула приобретает вид

Точность измерения зависит от того, как точно может

164

быть произведено определение поправок. Поправки на гео­ метрию, например, дают ошибку в несколько процентов. Для получения более точных результатов необходимо соз­ дать такие условия измерения, чтобы роль поправок была мала. Так, линейные размеры источника должны быть не больше, чем -I--------- диаметра детектора. Приготовлять

его следует в виде тонкого слоя, нанесенного на тонкую пленку из вещества с малым атомным номером. Во избежа­ ние обратного рассеяния от поверхности, на которой раз­ мещен и j h h h k , изотоп на пленке должен находиться от нее на расстоянии 3-5 см. Для уменьшения поглощения бе­ та-частиц в стенках детектора измерения должны произво­ диться на торцовом детекторе с весьма тонким окном (не более 15-20J 4-).

При абсолютном измерении активности изотопа по гам­ ма-излучению связь между скоростью счета и активностью определяется по формуле

(3 .2 .6 )

где величины имеют тот же смысл, что и в формуле

(3 .2 .5 ) .

Если источник ЯИ испускает гамма-кванты энергии, поправки необходимо определять отдельно для каждого зна­ чения энергии. Если гамма-кванты сильно отличаются по энергии друг от друга, то следует учитывать поглощение наиболее мягких гамма-квантов в стенках детектора.

Точность определения активности по вышеприведенным формулам довольно низка: по бета-излучению - около 5£, по гамма-излучению - 10 - 15£.

165

Относительное измерение активности изотопа в радиоактивном источнике

Принцип этого метода был нами уме изложен. Опреде­ лим область его применения и точность.

Относительные измерения могут производиться только в том случае, если измеряемый источник и эталонный ис­ точник приготовлены из одного и того же изотопа или по крайней мере из изотопов, имеющих одинаковые схемы рас­ пада при близких значениях энергии излучений. Условия измерения должны быть одинаковыми, т.е. измерения дол­ жны производиться на одном и том же детекторе при тож­ дественных геометрических условиях измерения, одинако­ вых линейных размерах источника и т.д. В этом случае точность измерений будет определяться точностью, с ко­ торой известна активность эталонного источника.

2.Измерение концентрации радиоактивных газов

иаэрозолей

Контроль концентрации радиоактивных газов вызван необходимостью предотвращения опасности поражения об­ служивающего персонала действием ядерного излучения га­ зов.

Обычно концентрации радиоактивных газов измеряют прямым методом, который в простейшем случае заключает­ ся в том, что детектор ядерных излучений помещается в фиксированный объем с радиоактивными газами и по сигна­ лу детектора судят о концентрации радиоактивных газов. Однаке такой метод в большинстве случаев сопряжен с трудностями принципиального и технического порядка. В

166

частности, трудно компенсировать влияние загрязнения детектора за счет сорбции и осаждения на нем радиоак­ тивных золей. Связь между скоростью счета и активно­ стью источника в этом случае имеет вид

где - функция, определяющая зависимость числа частиц, доведших из элемента объема до де­ тектора, от координат этого объема}

- функция, учитывающая поглощение частиц

/ 5 - Функция, учитывающая поглощение ядерннх частиц в самом объеме газа.

Вычисление этого интеграла достаточно сложно.

В большинстве случаев концентрации радиоактивных газов измеряют при помощи специальных датчиков, в ка­ честве которых используются проточные камеры с помещен­ ными внутрь детекторами или проточные ионизационные ка­ меры и другие газоразрядные детекторы. Воздух, предва­ рительно очищенный от аэрозолей и влаги, при помощи спе­ циальных воздуходувок прокачивается через чувствитель­ ный объем этих датчиков. При установившемся режиме связь между концентрацией активного газа и током насы­ щения проточной ионизационной камеры будет иметь вид

167

где у - функция, учитывающая использование энергии возникающих при распаде частиц на ионизацию в камере;

V- объем ионизационной камеры;

г_ концентрация радиоактивного газа.

При более строгом анализе работы проточной иониза­ ционной камеры необходимо учитывать постоянную радиоак­ тивного распада (формула (3.2.7) написана для долгожи­ вущих изотопов), эффект уноса ионов потоком прокачивае­ мого газа и влия ie фона.

Особенностью измерения ^онцентр ции 4иоактивных газов является отсутствие образцовых газовых препаратов, которые позволили бы прогоадуировать аппаратуру. Особое значение поэтому приобретает расчетный метод.

Прежде чем приступить к рассмотрению вопроса изме­ рения аэрозольной активности воздуха, необходимо крат­ ко остановиться на характеристиках радиоактивных аэро­ золей.

Аэрозолями (аэродисперсными системами) называются дисперсные системы с газообразной средой и с твердой или жидкой дисперсной фазой. Радиоактивные аэрозоли, как правило, состоят из небольших частил радиоактивных изотопов, сорбированных на частицах дисперсной фазы. Они имеют ряд свойств и характеристик, общих с нерадио­ активными аэрозолями (счетная и весовая концентрация, • распределение и средние размерь частиц). В то же время ряд важных характеристик свойствен только им. Например, такая характеристика, как удельная активность, под ко­ торой понимают активность дисперсной фазы, отнесенную к единице объема аэрозолей (кюри/м , кюри/л).

Другой, не менее важной характеристикой радиоактив­ ных аэрозолей является изотопный состав дйаперсной фа­ ем. Обычно различают короткоживущие и долгоживущие изс-

168

топы. Знание изотопного состава аэрозолей позволяет однозначно ответить на вопрос о предельно допустимых концентрациях аэрозолей в воздухе.

Измерение концентрации аэрозолей производится дву­ мя общими методами: прямым и измерением с накоплением (осаждением). При использовании пряного метода или де­ тектора ЯИ помещается в среду, где находятся аэрозоли, или последние прокачиваются через чувствительный объем детектора. В обоих случаях в процессе измерения детек­ торы загрязняются радиоактивными веществами за счет вы­ падения дисперсной фазы аэрозолей на их поверхностях, что приводит к искажению результатов измерений. Кроме того, из-за наличия естественной радиоактивности сре­ ды и космического фона этому методу присуща низкая чув­ ствительность. Поэтому обычно применяется косвенный ме­ тод. Измерение с осаждением дисперсной фазы на поверх­ ность заключается в том, что из определенного объема воздуха дисперсная фаза осаждается на поверхность филь­ тра и измеряется активность этой поверхности. Зная ак­ тивность поверхности и объем, из которого произведено осаждение, определяют удельную активность аэрозолей по формуле

ас

зы аэрозолей наиболее широкое распространение получило электростатическое осаждение и осаждение на волокнис­ тых фильтрах. Электрофильтры имеют малое сопротивление потоку воздуха и позволяют производить осаждение на

I6S