Детекторы ионизирующих излучений

Детекторами ионизирующих излучений называют устройства, предназначенные для обнаружения излучений и частиц, определе­ния состава излучения и измерения его энергетического спектра. Детекторы являются датчиками сигнала по отношению к измерительной аппаратуре.

Для реализации детекторов используют разнообразные эффек­ты, возникающие при взаимодействии излучения с веществом.

Следовые детекторы позволяют определять траекторию частицы и длину ее пробега в веществе. Так, в камере Вильсона, заполненной перегретым паром, движущаяся частица оставляет след в виде мелких капелек жидкости на центрах конденсации, например, на ионах, образующихся на пути движения заряженной частицы. Капельки достигают видимых размеров и могут быть сфотографированы. Природу и свойства исследуемых частиц устанавливают по величине пробега и искривлению следов частицы под действием магнитного поля. В пузырьковой камере следчастицы образуется за счет вскипания перегретой жидкости вдоль траектории частицы. Этот след отмечается цепочкой пузырьков пара и может быть сфотографирован.

Действие широко распространенных ионизационных детекторов основано на измерении числа и параметров электрических импуль­сов, возникающих из-за движения ионов, образовавшихся в газе или полупроводниковых материалах под действием излучений.

Например, детектор, используемый в счетчикечастицГейгера (см. рис.3.2) представляет собой цилиндрическую трубку, наполненную газом при давлении 100-200 мм. рт. ст. По оси трубки укрепляется на изоляторах анод в виде тонкой нити. Вторым электродом (катодом) служит корпус счетчика. Зачастую это устройство заключается в оболочку из стекла.

Между катодом и анодом газоразрядной трубки, создается раз­ность потенциалов. При попадании частицы в детектор в газе образуется некоторое количество ионов. Под действием разности потенциалов между катодом и анодом возникает импульс тока, протекающего по сопротивлению R. Амплитуда этого импульса пропорциональна числу ионов, участвующих в его образовании, и за­висит от напряжения.

Не производя детального анализа работы этого детектора отметим, что по амплитуде электрического сигнала можно судить об энергии ионизирующих частиц, а по числу импульсов – об их количестве.

Детектирование фотонного излучения и частиц ионизационными детекторами производится по степени ионизации в определенном объеме вещества. Рентгеновские и гамма-кванты, имеющие большую длину пробега в газе, в небольшом его объеме редко производят ионизацию. Они, преимущественно, выбивают электроны из атомов вещества стенок трубки, которые, попадая в газ, его ионизируют.

Сцинтилляционные детекторы (см. рис.3.3) основаны на регистрации вспышек света, возникающих при попадании на вещество (сцинтиллятор) ионизирующих излучений. При взаимодействии со сцинтиллятором ионизирующие излучения порождают его видимую люминесценцию. С помощью чувствительных фотоэлектрических устройств (фотоумножителей) световые сигналы пропорционально преобразуются в электрические и обрабатываются с помощью электроизмерительной техники. В детекторах небольших размеров сцинтилляторы наносятся непосредственно на катод фотоумножителя. В ряде случаев между сцинтиллятором и фотокатодом помещают световод. Амплитуда электрического сигнала фотоумножителя пропорциональна интенсивности световой вспышки, которая, в свою очередь, пропорциональна энергии частицы. Поэтому, выбрав для каждого вида излучений соответствующие сцинтилляторы, можно определять энергетические спектры излучений.

В люминесцентных детекторах используются особые вещества (люминофоры), которые способны накапливать поглощенную энергию ионизирующих излучений, а затем выделять ее в виде света под действием дополнительного возбуждения. Это возбуждение осуществляется нагревом люминофора или ультрафиолетовым облучением. Особенностью люминесцентных детекторов является их способность сохранять информацию о дозе. В нужный момент она может быть получена путем дополнительного облучения.

Фотографические детекторы основаны на том, что степень почернения дозиметрической фотопленки в некотором диапазоне почернений пропорциональна экспозиционной дозе.

В химических детекторах регистрация частиц производится по тем химическим превращениям, которые происходят под действием ионизирующего излучения. Причем, измеряемая концентрация продуктов химической реакции пропорциональна интенсивности излучения. Достоинством химических детекторов является возможность реализовать их свойства поглощать энергию ионизирующих излучений совпадающими с поглощающими свойствами биологической ткани, т.е. создавать тканевоэквивалентные детекторы.

Рассмотрим теперь особенности детектирования различных ионизирующих частиц (см. рис.3.4).

Наиболее сложна регистрация альфа-частиц. Это связано с малой длиной их пробега в веществе – порядка нескольких микрометров. Поэтому стенки детектора должны быть крайне тонким, чтобы альфа-частицы могли попасть в рабочее вещество, вызвать его ионизацию и обусловить последующее формирование электрического импульса. Естественно, что при исследовании радиоактивности различных объектов, альфа-излучение может быть зарегистрировано лишь с их тонкого поверхностного слоя. Поэтому необходима специальная подготовка образцов для исследования (изготовление тонких срезов, растворение, нанесение на подложку и др.).

Детектирование бета - частиц, обладающих большей длиной пробега, несколько проще. Однако, надо иметь в виду, что длина пробега бета-частиц зависит от их энергии. Поэтому обнаружить бета-частицы, возникающие при распаде , проще чем при распаде , поскольку максимальная энергия последних намного меньше, и эти бета-частицы практически полностью поглощаются миллиметровыми слоями вещества.

Наиболее просто детектируются гамма - излучение, возникающие при радиоактивном распаде, т.к. гамма-кванты обладают большой длиной пробега. Они могут быть зарегистрированы даже в том случае, когда излучающие их радионуклиды расположены глубоко внутри исследуемого образца.

Так, при распаде возникает за единицу времени большое число гамма-квантов высокой энергии (активность высока из-за малого периода полураспада). Поэтому детектирование гамма-излучения этого радионуклида, находящегося в окружающей среде и внутри организма, не представляет технических сложностей. Регистрация гамма-квантов, образующихся при распаде , также не вызывает особых проблем.

Для оценки степени радиационного заражения среды и организма важно знать не только общую активность, но и радионуклидный состав радиационного заражения, т.е. знать, какие конкретно радионуклиды его обуславливают и каково количественное соотношение их содержания в среде и организме. Для гамма-активных радионуклидов эта проблема решается измерением энергетического спектра гамма-излучения – зависимости его интенсивности от энергии гамма-квантов. Каждому радиоактивному превращению таких радионуклидов соответствует свой набор гамма-квантов вполне определнных энергий – свой энергетический спектр. В качестве примера на рис.3.5. приведен спектр гамма излучения, возникающего при превращении в за счет отрицательного бета-распада.