01.09.2017
31.08.2017
08.08.2017
14.07.2017
06.07.2017
19.06.2017
19.06.2017
19.06.2017
15.06.2017
12.06.2017
Химические и ионизационные детекторы радиоактивности
 12.09.2012

В основу данных методов положена способность излучений инициировать химические реакции атомов и молекул при их возбуждении и ионизации. Химическими детекторами могут быть газообразные, твердые и жидкие вещества (например, в газовом детекторе используют закись азота N2O). Под влиянием ионизирующих излучений N2O образует N2, NO, О2. Количество образовавшихся за фиксированное время продуктов пропорционально активности радионуклида. Химические методы регистрации излучений в настоящее время применяют редко из-за невысокой чувствительности.
Фотографический метод (радиоавтография) является разновидностью химических методов регистрации излучений. Исторически это первый метод регистрации излучений, с помощью которого была открыта радиоактивность. Так, в светочувствительных материалах ионизирующее излучение, так же как видимый свет, создает скрытое изображение. Для получения такого изображения (радиоавтографа) изучаемый образец помещают непосредственно на фотопластинке или фотопленке и экспонируют определенное время. Частицы, или кванты высокой энергии, взаимодействуют с галоидным серебром (например АgВr) фотоэмульсии, восстанавливая его до металлического серебра. Затем пластинку проявляют и по степени потемнения судят о наличии и локализации радионуклидов в объекте (рис. 6.2).

Химические и ионизационные детекторы радиоактивности

Эти методы основаны на эффекте ионизации, который приводит к появлению электрических зарядов в газах или твердых веществах. Реализацию ионизационных методов осуществляют различными приборами: электроскопом, ионизационной камерой, пропорциональным счетчиком, счетчиком Гейгера-Мюллера, полупроводниковыми детекторами. Наибольшее распространение из этих приборов получили счетчики Гейгера-Мюллера и полупроводниковые детекторы.
Счетчик Гейгера-Мюллера представляет собой герметичную емкость, заполненную газом определенного состава. Внутри счетчика находятся два электрода: положительно заряженный анод и отрицательно заряженный катод. Анод выполнен обычно в виде металлической нити, расположенной в центре счетчика. Катод - в виде металлического цилиндра - размещен, как правило, у стенки счетчика (рис. 6.3).
Химические и ионизационные детекторы радиоактивности

В качестве газовой среды часто используют инертные газы, например аргон. На электродах при помощи источника постоянного тока создается напряжение U1 = 200-3000 В.
На рис. 6.1 схематично показан принцип действия счетчика Гейгера-Мюллера. Вверху в каждой из четырех частей рисунка представлены процессы, происходящие в самом счетчике; внизу (в виде графиков) - изменение напряжения на аноде на разных этапах.
Частицы высокой энергии, например β-частицы (е1), при попадании в газовую среду вызывают ионизацию газа, т. е. образование пар электронов (е2) и положительно заряженных частиц (рис. 6.4а). Образовавшиеся электроны, ускоряясь электрическим полем, приобретают энергию, достаточную для вторичной ионизации атомов газа - е3, е4, е5 и т. д. с соответствующим количеством положительных ионов (рис. 6.4б).
Химические и ионизационные детекторы радиоактивности

Размножение электронов (и положительно заряженных ионов) происходит лавинообразно (рис. 6.4б). Так, при попадании одной β-частицы в чувствительный объем счетчика в газе-наполнителе образуется до 10в9 электронов. Электроны устремляются к положительно заряженному аноду, собираются на нем и вызывают падение напряжения ΔU = (U1 - U2), которое фиксируется регистрирующим устройством в виде импульса (рис. 6.4а). Через промежуток времени (t4 - t3) = 10в-5 -10в-4 с положительный потенциал на аноде восстанавливается источником тока. В этот период, называемый «мертвым временем», счетчик не реагирует на ионизирующее излучение (рис. 6.4г). В связи с этим при большой плотности потока частиц значительное количество их не регистрируется, и возникает необходимость введения соответствующей поправки. Поэтому обычно счетчики Хейгера-Мюллера используются для регистрации сравнительно небольших плотностей потока частиц.
Газоразрядные или счетчики Гейгера-Мюллера применяют большей частью для регистрации излучения β-активных радионуклидов.
В основу работы полупроводниковых детекторов положены особенности взаимодействия ионизирующих излучений полупроводниками, например германием и кремнием.
Полупроводниковый детектор можно рассматривать как аналог газоразрядного счетчика, в котором рабочим телом является не газ, а твердый полупроводник. Взаимодействие между излучением и веществом в газе и в твердом теле принципиально одинаково, однако плотность и тормозная способность твердого тела гораздо больше, чем у газа. Полупроводниковые счетчики с твердым наполнением имеют ряд преимуществ по сравнению с газоразрядными: меньшие размеры, большее быстродействие, высокая эффективность.
Основная проблема использования твердых тел в качестве детекторов излучений - выбор подходящей электропроводности: вещество должно быть изолятором и превращаться в проводник под действием ионизирующего излучения. Для регистрации излучений применяют электронно-дырочные полупроводники, в которых n-р-переход занимает часть объема (в n-полупроводнике концентрируются свободные электроны, в р-полупроводнике - «дырки» - носители элементарного положительного заряда). К ним подключают источник питания - отрицательное напряжение - к р-слою, в n-слой заземляют через нагрузочное сопротивление R (Рис. 6.5).
Химические и ионизационные детекторы радиоактивности

Рабочее напряжение полупроводникового детектора - 200-2000 В. При таком включении через него протекает собственный темновой ток Im. Заряженная частица, попадая в детектор, возбуждает и ионизирует атомы германия и кремния. Образующиеся электроны переходят в зону проводимости, в результате создается пара электрон-«дырка».
Электроны и «дырки» под действием внешнего источника тока перемешаются соответственно к аноду и катоду. Возникает электрический ток, а на сопротивлении нагрузки R - импульс напряжения. Для работы полупроводникового детектора необходимо условие Ia>>Im. Оно выполняется для кремниевых полупроводников при комнатной температуре, для германиевых - при охлаждении до -140...-160°С.