7. Специфика измерения активности препаратов альфа-излучения

Метод измерения активности препаратов альфа излучения аналогичен методу измерения активности препаратов бета-излучения. Однако имеются специфические особенности, выте­кающие из свойств альфа-частиц.

1. Альфа-частицы имеют строго постоянную энергию в от­личие от непрерывного энергетического спектра бета-частиц.

2. Пробеги альфа-частиц в веществе малы и прямолинейны.

Эти особенности позволяют ввести единый коэффициент, учитывающий геометрию измерения и поглощение альфа излучения слоем от­деляющей среды. Обозна­чим этот коэффициент

Рассмотрим тонкий препарат альфа-излуче­ния, активность этого

препарата обозначим (расп/ед. времени).

Г еометрия измерения при проведении альфа измерений показана на рис. 13.

Рис.13. Геометрия измерений: 1 - детектор, 2 – источник. - длина пробега частиц в слое отделяющей среды, толщина слоя отделяющей среды между препаратом и детектором,

Детектором могут быть зарегистрированы только те альфа-частицы, которые ис­пускаются радиоактивным препаратом в пределы телесного уг­ла с раствором и огибающей равной длине пробега альфа-частиц. Величина телесного угла определяется по соотношению:

( 75)

Число альфа-частиц, вылетающих в единицу времени в пределах телесного угла определяется известным соотноше­нием:

(76)

или

α-частиц/ед.вр. (77)

Искомый коэффициент равен отношению т.е.

(78)

Если препарат расположен близко к детектору так, что

. Последнее соответствует геометрии

Обратное рассеяние альфа-частиц от подложки обычно не учитывается. Эффективность регистрации альфа-частиц имею­щимися детекторами равна 100 %. Исходя из выше сказанного абсолютную активность тонких препаратов альфа-излучения, можно определить по соотношению:

расп./ед. вр. (79)

8. Измерение активности методом полного телесного угла. Особенности конструкции 4 π счетчика

Сущность метода состоит в том, что регистрируется каж­дая частица, испускаемая исследуемым источником, в полном телесном угле 4π . Счетная система с телесным углом 4π стера­дианов может быть осуществлена размещением источника внутри фосфора сцинтилляционного счетчика, внутри газораз­рядного счетчика, в слое фотоэмульсии и в некоторых других детекторах.

Для измерения абсолютной активности источников в гео­метрии 4π при помощи сцинтилляторов используются твер­дые кристаллы (стильбен, антрацен) или жидкие фосфоры. В этом случае радиоактивный источник либо вводится в состав вещества твердого сцинтиллятора, либо помещается в жидкий фосфор в виде порошка или погружается в него в тонкой фольге из целлюлозы. При расчете активности источника следует вво­дить поправки на разрешающую способность счетной системы, на фон, на неполный телесный угол, на поглощение излучения в пленке и потери счета, обусловленные статистикой фотоэффекта.

Недостатком метода полного телесного угла при использо­вании сцинтилляторов является сложность приготовления ис­точника и сравнительно высокий уровень шумов фотоумножи­телей, регистрирующих сцинтилляции, что приводит к боль­шим ошибкам при регистрации мягкого бета-излучения.

Метод измерения абсолютной активности источников с по­мощью газоразрядного 4π - счетчика является наиболее совер­шенным, так как в нем сочетаются следующие достоинства:

- низкий энергетический порог;

- большая скорость счета;

- высокая чувствительность;

- хорошая точность (1÷2%).

Кроме того, в большинстве случаев при измерении активности источника с помощью 4π-счетчика не требуется введе­ния поправки на схему распада измеряемого изотопа, так как сопутствующее бета-распаду излучение (конверсионные и Оже-электроны, рассеянные бета-частицы, вторичные электроны от гамма- и рентгеновских лучей) не сосчитываются отдельно, а только увеличивают амплитуду первичного импульса на выходе детектора.

В настоящее время широкое применение получил 4π-счетчик проточного типа (конструкции Баранова-Полевого), представляющий собой отполированный цилиндр с внутрен­ним диаметром ≈ 40 мм и высотой ≈ 40 мм, закрывающийся с торцов крышками (рис. 14).

Рис.14. разрез 4π-счетчика: 1 - корпус счетчика, 2 - изоляторы, 3 -

нити счетчика, 4 - входное отверстие для протока газа, 5 - штекеры

для подачи высокого напряжения, б - рамка держатель с

источником, 7 - выходное отверстие для протока газа

На расстоянии ≈1/4 высоты от торцов по диаметру ци­линдра натянуты параллельно и закреплены на изоляторах две вольфрамовые или молибденовые нити диаметром (15÷20) ·10-6 м. На половине высоты цилиндра имеются прорезь и внутренний кольцевой паз, в который плотно вставляется алюминиевая рамка-держатель с измеряемым источником.

В рабочем состоянии рамка-держатель делит объем счет­чика на две половины: верхнюю и нижнюю. Такое расположе­ние радиоактивного источника позволяет регистрировать все частицы, испускаемые источником внутри телесного угла 4π. Смена источников не нарушает режима работы счетчика.

Цилиндр, крышки и рамка-держатель являются катодом счетчика, который заземляется. Нити на выходе счетчика со­единяются и служат анодом, на который через нагрузочное со­противление подается высокое напряжение.

Около торцов цилиндра вмонтированы два штуцера для протока рабочего газа-наполнителя через счетчик. В качестве газа-наполнителя используются чистые инертные газы (неон, аргон и пр.) с различными гасящими добавками в виде органи­ческих соединений, но наиболее широкое применение нашел технический (промышленный) метан, поставляемый в баллонах под высоким давлением. После очистки от ряда мешающих примесей в качестве газа-наполнителя можно также использо­вать природный газ из коммунальной сети.

4π -счетчики могут работать в пропорциональной области, в режиме ограниченной пропорциональности и в гейгеровской области. Пропорциональная область используется при опреде­лении абсолютной активности источников по альфа-излучению. Измерение бета-активных источников целесообразно прово­дить в области ограниченной пропорциональности, так как в этом случае счетчик регистрирует без просчетов гораздо боль­шие активности, чем при работе в гейгеровском режиме.

При измерении на 4π -счетчике источником может быть только твердый, практически невесомый образец. Абсолютная активность источника может быть определена с точностью ±1%. Однако такая точность достигается при условии учета сле­дующих факторов:

- эффективности счетчика;

- поглощения частиц в подложке (пленке);

- поглощения частиц в материале источника (самопоглощения);

- эффекта электризации пленки.

На эффективность влияет величина газового усиления, пре­жде всего при работе в области ограниченной пропорциональ­ности. Конструкция 4π-счетчика обеспечивает необходимое га­зовое усиление, что позволяет измерять активность изотопов с мягким бета-излучением.

Эффективность зависит от геометрии измерения источника, которая должна быть равна 4π стерадианам. Для выполнения этого условия необходимо, чтобы источник был плоским и не превышал в диаметре 5÷6 мм, а держатель его (подложка) был как можно более тонким (≈20 мкг/см²).

Чистота газа, наполняющего счетчик, также является важ­ным условием, способствующим достижению максимальной эф­фективности, ибо в противном случае возникают ложные им­пульсы. При соблюдении всех условий эффективность 4π-счетчика будет равна ~100%.

Поглощение бета-частиц в подложке зависит от макси­мальной энергии бета-излучения измеряемого изотопа и тол­щины пленки. При толщине пленки, равной 10÷20 мкг/см², и энергии спектра бета-излучения более 0,3 МэВ поглощение бета-частиц в пленке незначительно и поэтому не учитывается. При измерении активности бета-излучателей с меньшей максималь­ной энергией величина поправки может достигать нескольких процентов и должна обязательно учитываться. Величина поправки определяется экспериментально следующими двумя методами.

В первом методе поочередно производятся три измерения скорости счета источника:

скорость счета в той половине счетчика, к которой об­ращен источник, имп/мин;

скорость счета в противоположной половине счет­чика, имп/мин;

скорость счета при одновременной работе обеих по­ловин счетчика, имп/мин.

В еличина поправки на поглощение бета-частиц в пленке определяется из соотношения:

(80)

Истинная скорость счета источника т.е. число бета-частиц, излучаемых источником в единицу времени (мин ), оп­ределяется по формуле:

(81)

Данный метод определения применяется в том случае, когда есть возможность поочередного отключения верхней и нижней половин счетчика.

Сущность второго метода определения заключается в том, что производятся два измерения скорости счета источника в 4π-ой геометрии: первое - измерение источника на пленке в обычных условиях, второе - измерение того же источника, но накрытого сверху чистой пленкой такой же толщины, что и пленка с источником.

И стинная скорость счета определяется по формуле:

(82)

г де - скорость счета при первом измерении, имп/мин. - скорость счета при втором измерении, имп/мин. Из формул (81) и (82) следует, что поправка на поглощение излучения будет равна:

(83)

Самопоглощение бета-частиц в материале источника является основным фактором, влияющим на точность измерения ак­тивности с помощью 4π-счетчика. Влияние эффекта самопогло­щения становится более существенным по мере того, как энергия бета-излучения уменьшается.

Учет самопоглощения ведется в основном двумя методами:

- стремятся готовить однородные, невесомые, легковоспроизво­димые источники из радиоактивных материалов, в которых эф­фект самопоглощения минимален и им можно пренебречь;

- экспериментально определяется величина самопоглощения в источнике, как функция его толщины.

Получение однородных источников с минимальным по­глощением бета-излучения зависит от химического соединения, в которое входит измеряемый радиоактивный изотоп, от спосо­ба обработки поверхности пленки и метода нанесения на пленку радиоактивного изотопа.

В случаях, когда не удается изготовить источники с мини­мальным самопоглощением, производится экспериментальная оценка величины самопоглощения. Для этого готовится серия источников различной толщины, но одинаковой активности, на 4π-счетчике определяется скорость счета в зависимости от тол­щины источника. Затем рассчитывается относительная удельная активность источника (счетность на единицу веса образца), которая рассматривается как функция толщины источника и строится зависимость (рис. 15).

Рис.15. Самопоглощение бета-нзяучеяая в материале источника

Экстраполяция кривой к нулевой толщине источника дает абсолютную удельную активность, а при толщине - удельную активность (при т.д.). Поправка на самопоглощение бета-частиц ,... для данной толщины источника определяется как отноше­ние:

(84)

В еличина коэффициента самопоглощения может быть так­же рассчитана по формуле:

(85)

где - толщина источника, мг/см²;

- слой половинного ослабления излучения, мг/см².

При толщине источника ~ 100 мкг/см² и энергии спектра бе­та-излучения более 0,5 МэВ поглощение бета-частиц в материа­ле источника незначительно и может не учитываться.

П осле определения поправочных коэффициентов абсолют­ная активность источника рассчитывается по формуле:

(86)

где - абсолютная активность источника, расп/мин;

- зарегистрированная 4π-счетчиком скорость счета от ис­точника, исправленная на разрешающее время и фон, расп/мин;

- поправка на поглощение бета-частиц в пленке;

- поправка на самопоглощение бета-частиц.

Метод проточного газоразрядного 4π -счетчика в настоя­щее время является наиболее точным методом измерения абсо­лютной активности.