Лабораторнаяработа №1 радиометрия источников ионизирующих излучений

Теоретическая часть

Газовые счетчики предназначены для регистрации отдельных ионизирующих частиц. Благодаря высокой чувствительности счетчик реагирует на каждую ионизирующую частицу, появившуюся внутри чувствительного объема счетчика.

а б

Рис. 1.1. Конструкции счетчиков Гейгера-Мюллера (а - цилиндрического, б - торцевого).

Цифрами обозначены: 1 - анод, 2 - катод, 3 - слюдяное окно.

Конструкция газового счетчика представляет собой герметичный тонкостенный цилиндр, внутренняя поверхность которого является катодом. Анодом служит тонкая (около 0,05 мм) металлическая нить, протянутая вдоль оси цилиндра. Счетчик такой конструкции называется цилиндрическим. Он предназначен для регистрации рентгеновского, -излучения, и жесткого -излучения. Для регистрации мягкого -излучения (иногда и альфа-частиц) используют торцевой счетчик (рис.1.1). Его особенностью является наличие окна в торце счетчика, закрытого тонкой (0,01 мм) пластинкой из слюды или пластмассы. Внутренний объем счетчика чаще всего заполняют одноатомным газом – неоном, аргоном, их смесью.

В отличие от ионизационных камер в газовых счетчиках для усиления ионизационного тока используется газовый разряд. В зависимости от характера используемого газового разряда газовые счетчики делят на два типа: пропорциональные счетчики и счетчики Гейгера-Мюллера.

Особенности физических процессов в газоразрядных счетчиках обусловлены резкой асимметрией в геометрии электродов. Их можно разделить на три стадии.

1. Первичная ионизация. Эта ионизация возникает вдоль траектории заряженной частицы, проходящей через счетчик. Если трек частицы уместился в объеме счетчика, то число ионов пропорционально энергии частицы.

2. Вторичная ионизация. Ассиметрия электродов приводит к тому, что напряженность электрического поля велика вблизи анода и мала в остальном объеме счетчика. Первичные электроны, у самого анода-нити резко ускоряются, приобретая энергию достаточную для проведения вторичной ионизации. Поле вблизи анода столь велико, что образовавшиеся вторичные электроны успевают разогнаться и произвести новые ионизации так, что процесс носит лавинный характер – развивается вспышка несамостоятельного газового разряда. Вторичная ионизация происходит в очень малом объеме (r10^-2 см). Поэтому можно считать, что первичная ионизация происходит вне этой области, а, значит, любой первичный электрон вызывает лавину одной и той же величины. Так как число первичных электронов пропорционально энергии ионизирующей частицы, то и полное количество электронов достигших анода будет пропорционально энергии этой частицы.

3. Повторные лавины. После первой лавины электронов, инициированной первичной ионизацией, могут возникать повторные лавины в результате образования новых электронов за счет двух механизмов. Во-первых, двигающиеся к аноду электроны, возбуждают молекулы среды, которые, переходя в основное состояние, испускают фотоны. Эти фотоны путем фотоэффекта выбивают из катода электроны. Во-вторых, положительные ионы, достигая катода в процессе нейтрализации выбивают из него электроны, которые вместе с фотоэлектронами и являются родоначальниками новых лавин. В результате, при достаточно высоком напряжении на электродах (гейгеровская область) развивается самостоятельный газовый разряд.

Важнейшими характеристиками счетчиков являются:

1. Разрешающее время - минимальный интервал времени следования двух импульсов, при котором каждый импульс регистрируется в отдельности. Максимальное число ионизирующих частиц регистрируемых счетчиком за 1с, называется разрешающей способностью детектора.

2. Эффективность счета - отношение числа зарегистрированных частиц к числу частиц, попавших в чувствительный объем счетчика. Выражается в процентах.

3. Счетная характеристика - зависимость скорости счета от напряжения на электродах. Данная зависимость имеет вид кривой с очень широким, почти горизонтальным плато, наклон которого и протяженность определяют качество работы счетчика. Счетчик тем лучше, чем шире плато и чем ближе оно к горизонтальному.

Пропорциональные счетчики (ПС) работают в области несамостоятельного газового разряда, при котором выходной импульс пропорционален энергии регистрируемой частицы. Поэтому ПС не только регистрирует частицу, но и измеряет ее энергию.

Эффективность счета по отношению к заряженным частицам составляет 100%. Однако, счетная характеристика ПС такова, что их использование для регистрации -частиц возможно лишь при использовании высокочувствительных схем или при наполнении газом под давлением более 1 атм. Разрешающее время ПС составляет 10^-410^-3 с. Возможно снижение разрешающего времени до 10^-610^-8 с. У счетчиков предназначенных для регистрации заряженных частиц в корпусе счетчика вырезают входное окно, которое закрывают тонкой фольгой или слюдой. Такие ПС работают при атмосферном давлении.

Счетчики Гейгера-Мюллера (СГ) работают в области самостоятельного газового разряда. Поскольку счетчик, в котором развился самостоятельный газовый разряд, становится не пригоден для регистрации излучения, для его нормальной работы этот разряд необходимо погасить. По способу гашения газового разряда СГ подразделяют на два типа.

В несамогасящихся СГ последовательно аноду включено высокоомное сопротивление (порядка 10⁹ Ом). Благодаря этому восстановление напряжения на электродах происходит медленно и газовый разряд затухает. В самогасящихся счетчиках роль гасителя выполняют молекулы органического соединения - этанола, этилена, изопентана и др. В таком счетчике прекращение разряда достигается за счет поглощения молекулами спирта фотонов, препятствуя этим образованию повторных лавин. Так как молекула, поглотившая фотон, необратимо диссоциирует, то гаситель со временем «выгорает» и счетчик становится неработоспособным. Таким образом, срок службы такого счетчика определяется числом молекул спирта и составляет 10⁸ импульсов.

Более широкое распространение получили галогеновые СГ, в которых в качестве гасителя используется хлор или бром. Применение галогенов делает срок службы СГ практически неограниченным т.к. молекулы галогенов диссоциируют обратимо. Помимо этого преимущества, галогеновые СГ имеют небольшое рабочее напряжение - 300400 В (для обычных СГ - 700  1600 В), не боятся перегрузок, имеют сравнительно высокую скорость счета (до 210³ имп./с). К недостаткам следует отнести значительный наклон плато счетной характеристики (более 5% на 100 В) и длительное время развития разряда (примерно на два порядка выше, чем у высоковольтных СГ). Из-за химической активности галогенов для изготовления счетчиков применяются коррозийностойкие материалы - нержавеющая сталь, тантал, вольфрам и др.

Разрешающее время для счетчиков Гейгера составляет 10^-3-10^-7с. Большее разрешающее время характерно для счетчиков с радиотехнической системой гашения разряда. Эффективность счета СГ для заряженных частиц составляет около 100%, для γ-квантов - 1-2%.

Практическая часть

Цель работы:

Получение навыков измерения и расчета дозиметрических величин с помощью комбинированного прибора РКСБ-104.

Задачи работы:

1. Определить плотность потока β-частиц и рассчитать активность контрольных источников ионизирующих излучений (источники №1 и №2).

2. Определить активность контрольного источника β-излучения путем прямого замера.

3. Определить активность контрольного источника γ-излучения (источник №3), рассчитать гамма-постоянную, определить радионуклид - источник γ-излучения.

Описание комбинированного прибора РКСБ-104.

Д

Рис.1.2 Лицевая поверхность прибора РКСБ-104

анный прибор предназначен для индивидуального использования населением с целью контроля радиационной обстановки на местности в жилых и рабочих помещениях Он выполняет функции радиометра и дозиметра и дает возможность измерения:

• мощности эквивалентной дозы γ-излучения;

• плотности потока β-излучения;

• активности некоторых радионуклидов;

Обеспечивает звуковую сигнализацию при превышении порогового значения мощности эквивалентной дозы γ-излучения, установленного потребителем.

Прибор выполнен в виде единого блока, включающего в себя детектор, преобразователь и регистратор.

Детектор состоит из двух цилиндрических счетчиков Гейгера-Мюллера (тип СБМ20), включенных параллельно по импульсной схеме и корректирующих фильтров. Детектор расположен на тыльной поверхности прибора и закрыт крышкой-фильтром. При измерения крышку-фильтр необходимо удалить.

Преобразователь представляет собой электронную схему, состоящую из делителя частоты, устройства управления, счетчика импульсов, порогового устройства, таймера, преобразователя напряжения.

Регистратор данного прибора состоит из четырехразрядного жидко-кристаллического индикатора (ЖКИ) и оповещающего звукового устройства.

На лицевой панели прибора (рис. 1.2) расположены:

• ЖКИ. Показывает результаты измерения и сигнальные символы: «F» - при завершении времени измерения; «V» - при разряде батареи.

• Переключатель установки времени измерения (1). В верхнем положении задает время измерения не более 40 с, в нижнем - не боле 400 с.

• Переключатель режимов работы (2). В положении РАБ. задает режим измерения активности, дозы, и мощности потока излучения. Положением ДЕЖ. задается режим слежения за превышением порогового значения.

• Переключатель 3, служит для включения и выключения прибора.

На тыльной поверхности прибора, кроме детектора, расположен блок микропереключателей, которые задают разные режимы измерения и пороговые значения мощности эквивалентной дозы; батарейный отсек, закрытый крышкой. Схема расположения микропереключателей при разных режимах измерений показана на рис.1.3.

Ход работы.

Выполнение задачи №1.

1. С

   

   А П Д

   Рис. 1.3. Схема расположения микропереключателей при разных режимах измерения: А – активности, П -плотности потока β-излучения, Д - мощности эквивалентной дозы.

   Примечание: положение переключателей 100, 200, 400, 800 может быть произвольным.

   нимите крышку-фильтр с задней поверхности прибора и установите микропереключатели в соответствии с рис.1.3-П. Выключатель 1 установите в положение «Х0,01»; выключатель 2 в положение «РАБ».

2. Поместите источник β-излучения в центральную часть кюветы и расположите прибор над источником (рис.1.4)

3. Откройте источник излучения и переведите переключатель 3 в положение «ВКЛ». Измерение потока прекратится автоматически с одновременным включением прерывистого сигнала.

4. Запишите полученное значение. После 9с звучания прерывистый сигнал прекращается, и прибор автоматически переходит в режим измерения (В случае необходимости измерения можно прервать, переведя переключатель 3 в положение «ВЫКЛ».) Замеры производят несколько раз и вычисляют среднее арифметическое: φ_изм=(φ₁+φ₂+φ₃+ …+ φ_n)/n, n=10.

5. У

   

   Рис.1.4. Схема расположения прибора РКСБ-104 на кювете (для наглядности показан и источник β-излучения).

   берите источник (предварительно закрыв его). Измерьте фон, повторив пп 3, 4. рассчитайте среднее значение фона φ_{ф =} (φ₁+ φ₂+ φ₃ + … + φ_n )/n, n=10.

6. Определите значение плотности потока β-излучения частиц [част./см²•с] по формуле: φ_иии=(φ_изм-φ_ф)•К₁, где К₁ – пересчетный коэффициент =0,01.

7. Рассчитайте активность контрольного источника №1 и №2, используя формулу (8) (R₁=1,3 см R₂=1,2 см)

Выполнение задачи №2.

1. Установите микропереключатели на тыльной стороне прибора в соответствии с рис. 1.3-А. Выключатель 1 установите в положение «Х200», выключатель 2 в положение «РАБ».

2. Поместите источник β-излучения в центральную часть кюветы и расположите прибор с удаленной защитной крышкой над источником (рис.1.4.)

3. Откройте источник излучения и переведите выключатель 3 в положение «ВКЛ». Измерение активности прекратится автоматически с одновременным включением прерывистого сигнала.

4. Запишите полученное значение. Замеры производят несколько раз и вычисляют среднее арифметическое:. A_изм = (А₁ + A₂ + A₃ +… + A_n)/n, n=10

5. Уберите источник (предварительно закрыв его). Измерьте значение фона, повторив пп 3, 4. Вычислите среднее A_ф = (А₁ + A₂ + A₃ +… + A_n)/n, n=10

6. Определите значение активности источника [Бк] и сравните их со значением активности, полученным косвенным методом (по плотности потока).

Активность вычисляется по формуле A_иии= (A_изм- A_ф)•К₁•К₂ - где К₁ – пересчетный коэффициент = 200; К₂ – изотопный поправочный коэффициент

Выполнение задачи №3.