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

гладкую полированную поверхность. Однако они имеют небольшой коэффициент улавливания. Кроме того, коэффи­ циент улавливания у них зависит от многих факторов,на­ пример от дисперсности и сорта частиц, влажности и тем­ пературы воздуха. Наиболее подходящими из волокнистых фильтров являются фильтры типа ФПА и ФПП. Они обладают высоким коэффициентом улавливания, высокой химической стойкостью, термостойкостью и гидрофобностью.

При выборе способа осаждения дисперсной фазы нужно руководствоваться конкретными соображениями, предъяв­ ляемыми к измерениям и условиям, при которых будут про­ изводиться измерения.

Контроль активности аэрозолей может производиться непрерывно и эпизодически. В последнем случае обычно применяется метод отбора разовых проб. Пробы отбирают­ ся при помощи специальных отборников проб аэрозолей са­ мых различных конструкций. В простейшем случае это фильтродержатель, воздух через который прокачивается при помощи пылесоса. После отбора пробы активность осадка измеряется на обычном счетном приборе. Удельная актив­

t- время отбора пробы;

к- размерный коэффициент;

I - коэффициент улавливания фильтра. Достоинством данного метода является простота, не­

достатком - относительно долгое время измерения.

170

При непрерывном контроле обычно применят специ­ альные летчики с лентопротяжным механизмом, позволяю­ щие осуществлять автоматический контроль концентрации аэрозолей. Обычно они включаются последовательно с дат­ чиками радиоактивных газов для использования общей си­ стемы трубопроводов. Градуировка приборов для измерения аэрозольной активности производится с помощью обычных эталонных источников ЯИ. Этот способ градуировки не учитывает целый ряд факторов, что приводит к значитель­ ным неточностям. Так, например, не учитывается точность отбора пробы, которая зависит от параметров воздуходув­ ки, фильтра, дисперсности аэрозолей.

3. Спектрометрия ядерного излучения

Энергетические спектры ядерных излучений, как из­ вестно, делятся на сплошные и дискретные. Форма записи дискретного спектра имеет вид

г-о

Форма записи сплошного спектра источника ЯИ анало­ гична:

171

В методике нами была приведена блок-схема метода измерения энергетического спектра ядерного излучения. С помощью ее происходит сортировка ядерных частиц по энергиям, причем обычно используется преобразование энергетического спектра в амплитудный спектр импульсов на выходе детектора ЯИ. Связь между этими спектрами должна быть однозначной, т.е. амплитуда импульса А должна быть связана с энергией частицы линейной зависи­ мостью типа А = у (Е) • Тогда по известной из экспе­

римента функции амплитудного спектра /(А ) и связи ам­ плитуды с энергией находят искомое энергетическое рас­ пределение.

В общем случае энергетический спектр определяется не только по амплитуде сигнала на выходе детектора.Так,

Ф ( А ) = J f ( A ' ) d A ' .

172

сов, соответствующих этим частицам.

Как видно из блок-схем амплитудных анализаторов, интегральный анализатор проще дифференциального, одна­ ко время снятия спектра с его помощью больше, так как обычно ищут дифференциальный спектр, а не интегральный. Кроме того, большинство дифференциальных анализаторов являются многоканальными, что резко сокращает время сня­ тия спектра; интегральные же анализаторы, как правило, одноканальные. Схема прохождения сигнала в анализаторе

Ф- телесный угол (геометрический фактор),

вкотором ядернне частицы попадают в чувствительный объем детектора.

Очевидно, детектор детектирует только часть частиц M ( E )d E • Величина Н(Е) определяется эффективно­ стью детектора, т.е.

где 6 - эффективность детектора.

173

Далее сигнал детектора анализируется с помощью дис­ криминаторов, пороги которых различаются на величину

44 (окно анализатора). Другими словами, параметр А определяется не точно, а в некотором интервале, что при­ водит к приближенному представлению спектра в виде гис­ тограммы. Естественно, чем меньше окно анализатора, тем точнее отображается спектр. При измерении дифференци­

дифференциальное распределение

174

дискриминируются аппаратурой: ионизация, вызываемая ими в детекторе, мала, так как пробег частицы не укла­ дывается в объеме детектора.

При спектрометрии легких ядерных частиц также не­ обходимо обеспечить линейную зависимость между энерги­ ей частицы и амплитудой импульса, что требует примене­ ния чувствительных объемов детекторов большей величины, чем в случае тяжелых заряженных частиц. При спектро­ метрии частиц монохроматическая спектральная линия мо­ жет быть представлена в виде пика конечной иирины

(рис. 3 .II).

вается формой спектральной линии. В анализаторе кван­ тов эта форма сложнее. Дело в том, что кванты при вза­ имодействии с веществом детектора участвуют в трех ос­ новных процессах: фотоэффекте, комптоновском рассеянии и образовании пар. Каждый из этих процессов дает свое распределение импульсов по амплитудам на выходе детек­ тора. Накладываясь друг на друга, эти распределения со-

175

здают сложную форму спектральной лилии даже от монохро­ матического квантового излучения. При этом наблюдается зависимость формы спектральной линии от вещества чув­ ствительного объема детектора и энергии кванта.

Сложная форма спектральной линии существенно затруд­ няет анализ экспериментального распределения. Еще труд­ нее производить определение энергетического спектра ней­ тронов, так как их детектирование производится с по­ мощью ядерных реакций. Например, при измерении энергии нейтрона с помощью сцинтилляционного детектора, работа­ ющего в спектрометрическом режиме, происходит передача энергии от нейтронов протонам отдачи в актах упругого рассеяния. При этом распределение энергии у протонов равновероятно от нуля до полной энергии нейтрона. И только протон вызывает в сцинтилляторе вспышку света, интенсивность которой однозначно связана с энергией про­ тона. Путем анализа амплитуд импульсов на выходе детек­ тора получают энергетический спектр протонов отдачи,по которому судят о спектре нейтронов.

4. Измерение интенсивности и плотности потока ЯИ

Для непоглощающей среды оно производится аналогич­ но измерению параметров источника ЯИ. Разница заключает­ ся в учете площади проекции чувствительного объема де­ тектора, перпендикулярной к направлению на источник, т.е. нужно делить полученное число импульсов на величи­ ну этой площади.

Положение резко усложняется, если необходимо учиты­ вать влияние среды, в которой распространяется излучение. Если эта среда поглощающая, то происходит уменьшение ин­ тенсивности или плотности потока излучения с расстояни­

176

ем, проходимым излучением. По мере проникновения излу­ чения в среду будут изменяться энергетические и угло­ вые распределения ядерных частиц. При рассмотрении па­ раметров поля в разных точках в направлении распростра­ нения излучения обычно вводят так называемую функцию ослабления j \ :

%

Ч

где f - функция ослабления плотности потока;

(pj. , (Ц. - значения плотностей потока в точках I и П, Определение функции ослабления является в общем случае сложной задачей. Существует целый раздел теории защиты от излучений, занимающийся расчетами полей ЯИ в поглощающей среде. При строгом рассмотрении вопроса учитываются пространственные, энергетические и угловые распределения излучения, которые определяются из реше­ ния уравнения переноса излучения, или интегродифференциального уравнения Больцмана, описывающего баланс яде] ных частиц в элементе шестимерного фазового пространст­ ва координат и импульсов ядерных частиц. Коэффициенты

этого уравнения являются сложными функциями энергии, углов и пространственных координат, поэтому точное ре­ шение этого уравнения практически невозможно. В ядерной электронике чаще применяют простые формулы, имею­ щие место в ряде частных случаев. Так, для случая па­ раллельного моноэнергетического пучка ядерных частиц е качестве функции ослабления принимается экспонента,т.е

где JU- - линейный коэффициент ослабления данного

вида ядерных частиц;

х- расстояние между точками I и П.

Эта формула пригодна, например, для определения ослабле­ ния потоков электронов с энергиями, распределенными по спектру, которые идут от плоского мононаправленного ис­ точника через поглотитель толщиной х $ для узкого пучка моноэнергетических гамма-квантов, если считать, что из процесса выбывает каждый поглощенный и каждый рассеянный квант.

Определенную сложность представляет абсолютное из­ мерение потоков нейтронов. Точность таких измерений со­ ставляет обычно несколько процентов.

5. Измерение лоз и мощностей доз ЯИ

Выше ухе говорилось, что поле излучения характери­ зуется дозой излучения. В большинстве случаев определе­ ние дозы необходимо для оценки поражающего действия ядерного излучения как на технику, так и на человека. Последнее требует определения дозы в биологической тка­ ни. Непосредственное измерение дозы в ткани практичес­ ки возможно только в лабораторных условиях. Поэтому обычно дозу измеряют в тканеэквивалентной среде, а за­ тем пересчитывают на ткань. В качестве тканеэквивалент­ ной среды для квантового излучения удобным оказалось взять сухой атмосферный воздух, ионизация в котором, созданная квантовым излучением, служит количественной оценкой дозы. Выбор воздуха обусловлен близостью эффек­ тивных атомных номеров воздуха и ткани по фотоэффекту:

178

Напомним, что под эффектным атомным номером слож­ ного вещества в дозиметрии понимается атомный номер та­ кого условного простого вещества, для которого коэффи­ циент передачи энергии излучения, рассчитанный на один электрон среды, является таки» же, как и для данного сложного вещества. Другими словами, для любых двух ве­ ществ, имеющих одинаковые эффективные атомные номера, энергия излучения, переданная ионам на один электрон среды, должна быть одинаковой при тождественных усло­ виях облучения [14].

Таким образом, при одинаковых эффективных атомных номерах в широком диапазоне энергий квантового излуче­ ния имеют место одинаковые эффекты в веществе и корпус­ кулярное вторичное излучение состоит из частиц одного типа - электронов и позитронов, независимо от вида по­ глотителя. Для других видов ядерных излучений это не так, так как эффекты в среде поглотителя зависят от ви­ да излучения, энергии частиц и атомного состава погло­ щающего вещества. Поэтоцу определение дозы, поглощен­ ной данной средой, производят по плотности потока дан­ ного вида ядерного излучения Ф , соответствующего мощности эквивалентной дозы излучения Р.

Под эквивалентной дозой излучения понимается погло­ щенная доза, умноженная на различные коэффициенты, опи­ сывающие характер распределения поглощенной энергии в среде, дробность облучения, вид излучения и другие фак­ торы, которые влияют на биологическое воздействие ядер­ ного облучения. На первом месте стоит коэффициент каче­ ства кк . Это коэффициент, пропорциональный линейной передаче энергии (ЛПЭ) и учитывающий зависимость биоло­ гического эффекта от вида ядерного излучения. Значения коэффициента качества для разных ЛПЭ в воде приведены в табл. 3.2.

179