ПРАКТИКУМ радиология

менение напряжения на аноде на разных этапах.

Частицы высокой энергии, например β-частицы (обозначим их на рисунке как е1), при попадании в газовую среду вызывают ионизацию газа – образуют свободные электроны (обозначим их е2) и положительно заряженные частицы, которые под действием электрического тока устремляются соответственно на анод и катод (рис. 7А). На пути к аноду электроны ускоряются электрическим полем до такой энергии, при которой они, в свою очередь, ионизируют встречные атомы газа. Происходит вторичная ионизация атомов газа − образование вторичных электронов е3, е4, е5 и т.д. с соответствующим количеством положительных ионов (рис. 7Б).

Образование электронов и положительно заряженных ионов происходит по типу цепной реакции. В результате формируется лавина электронов (рис.7Б). Так, при попадании одной бета частицы в тело счетчика в га- зе-наполнителе образуется до 109 электронов. Электроны устремляются к положительно заряженному аноду, собираются на аноде и вызывают падение напряжения U1 – U2, которое фиксируется регистрирующим устройством в виде импульса напряжения (рис.7В). Через промежуток времени (t4 – t3) = 10–5–10–4 с положительный потенциал на аноде восстанавливается

источником тока. В этот период, называемый “мертвым временем”, счетчик не реагирует на ионизирующее излучение (рис.7Г). В связи с этим при большой плотности потока частиц значительное количество их не регистрируется, и возникает необходимость введения соответствующей поправки. Поэтому обычно счетчики Гейгера-Мюллера используются для регистрации небольших плотностей потока частиц.

Счетчик Гейгера-Мюллера успешно применяется для регистрации излучения β-активных радионуклидов.

Полупроводниковые детекторы

В основу работы полупроводниковых детекторов положены особенности взаимодействия ионизирующих излучений с 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, тормозная способность твердого тела во много раз больше по сравнению с газом. Ионизационные камеры и счетчики с твердым наполнением имеют ряд преимуществ по сравнению с газоразрядными (меньший объем, высокая эффективность).

12

А)			Б)			анод
			е3			е3	е2
	е2		е4
е2		е1		е3	е2	е2
	е2			е2
е1		катод	е1				катод
U	атомы газа-		U
	наполнителя
U1			U1
t1		t		t2			t
В)		анод	Г)			анод
е─ е─ е─ е─ е─ е─
		катод					катод
U			U
U1			U1
U2			U2
	t3	t				t4	t
Рис. 7. Принцип действия счетчика Гейгера-Мюллера: А) первичная
ионизация атомов газа; Б) вторичная ионизация и формирование лавины
электронов; В) собирание электронов и падение напряжения на аноде; Г)

13

восстановление напряжения на электродах; завершение цикла регистрации частицы.

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 полупроводники, в которых n-p-переход (электронyо-дырочная проводимость) занимает часть объема (в n-полупроводнике концентрируются свободные электроны, в p-полупроводнике – «дырки» – носители элементарного положительного заряда). К ним подключают источник питания – отрицательное напряжение – к p-слою, а n-слой заземляют через нагрузочное сопротивление

R (рис. 8).

γ-квант
заряды
полупроводник	Рис. 8. Схема полупро-
	водникового детектора
Uвыс
R	Эл.импульс

Рабочее напряжение полупроводникового детектора – 200-2000 В. При таком включении через детектор протекает собственный темновой ток Iт. 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 перемещаются соответственно к аноду и катоду. Возникает электрический ток Iа, а на сопротивлении нагрузки R – импульс напряжения. Для работы полупроводникового детектора необходимо условие Iа >> Iт. Оно выполняется для кремневых полупроводников при комнатной температуре, для германиевых – при охлаждении до −140… −1600 С.

Следует отметить некоторые особенности полупроводниковых детекторов: энергия образования пары электрон–«дырка» не зависит от типа и энергии заряженной частицы, время собирания электронов и «дырок» (около 10–8 с) значительно меньше времени собирания ионов в ионизаци-

14

онной камере. Поэтому полупроводниковые детекторы обладают хорошим быстродействием и малым разрешающим действием.

1.4.3. Оптические детекторы радиоактивности

Сцинтилляционные детекторы

Метод основан на регистрации сцинтилляции (свечения) довольно интенсивных вспышек света (люминесценции) в некоторых кристаллах при прохождении через них частиц высокой энергии (рис.9).

Вещества, способные к сцинтилляции, например, сернистый цинк, модифицированный серебром, иодистый натрий, модифицированный таллием, антрацен и пр., называют сцинтилляторами, люминофорами или фосфόрами. Люминофор может быть твердым или жидким, минеральным или органическим.

кристалл	фотокатод	диноды	фотоэлектронныйумножитель
(сцинтиллятор)
частица
или
γ-квант
сцинтилляция		фотоэлектроны	крегистрирующемуустройству
Рис. 9. Сцинтилляционный детектор

Оптический сигнал – вспышка света – превращается в электрический сигнал при помощи электровакуумного прибора − фотоэлектронного умножителя (ФЭУ), с фотокатодом которого сцинтиллятор имеет оптический контакт. Фотокатод ФЭУ выполнен в виде нанесенного на стекло материала с высоким выходом фотоэлектронов, например, сурьмяно-цезиевый сплав. Фотоэлектроны с катода попадают на систему динодов − электро- дов-анодов (8-13 шт.), которые расположены последовательно.

15

На катод и диноды от высоковольтного источника постоянного тока подается напряжение. Фотоэлектроны, получив ускорение в электрическом поле до энергий 150-200 эВ, ударяются о поверхность первого динода и создают вторичную электронную эмиссию – выбивают из него 2-4 вторичных электрона, которые, в свою очередь ускоряются и выбивают вторичные электроны из следующего динода. Число вторичных электронов, образованных при вторичной электронной эмиссии, называется коэффициентом размножения. Таким образом, на последний динод падает лавина электронов и создает импульс напряжения на нагрузочном резисторе R. Этот импульс усиливается и фиксируется регистрирующим устройством. Мертвое время сцинтилляционного счетчика составляет 10−8–10−5 с, что гораздо меньше, по сравнению с газоразрядными счетчиками и обеспечивает возможность измерения излучений большой плотности потока.

Сцинтилляционные детекторы применяют для регистрации любых видов излучения. Сцинтилляционные счетчики часто применяются в спектрометрах (см. лаб.раб. №10).

Люминесцентные аккумулирующие детекторы

Некоторые твердые вещества обладают способностью аккумулировать поглощенную энергию проходящих через них ионизирующих излучений и удерживать ее достаточно долгое время. Для перевода таких веществ из возбужденного состояния в основное необходимо специфическое воздействие: нагревание, электрическое поле, облучение инфракрасным светом или ультразвуком.

Применяются, например, термолюминесцентные детекторы. Термолюминофорами таких детекторов являются поликристаллические вещества разного состава (CaF2Mn, LiF, CaSO4Mn), алюмофосфатные стекла и пр. Поглощенная в термолюминофорах энергия излучений высвобождается в виде люминесценции под действием нагревания. Люминесценция регистрируется, как правило, фотоэлектронным умножителем.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Цель работы: приобретение навыков работы с радиометрической аппаратурой; измерение скорости счета препаратов.

Принцип работы

Прибор, состоящий из детектора (счетчика) излучения, блока высокого напряжения, таймера (электронного секундомера) и регистрирующего

16

устройства, называется радиометром. Радиометр при фиксированном времени измерения (t) регистрирует количество импульсов напряжения (n). В результате можно рассчитать скорость счета (N = n/t) – количество импульсов в единицу времени, например, имп/с.

Радиометр регистрирует отдельные импульсы даже в том случае, если образец отсутствует. Это число зарегистрированных импульсов представляет собой фон счетчика (Nф). Источником его являются космическое излучение и излучение отдельных рассеянных в окружающей среде естественных радиоактивных нуклидов. Для снижения фона счетчика измеряемый образец помещают в свинцовый домик со стенками свинца толщиной 2 см и более. При определении скорости счета препарата (образца) скорость счета фона всегда вычитают: Nпр = N – Nф.

Измерения скорости счета проводят на радиометре «Эксперт-М»

(рис.10).

Радиометр «Эксперт-М» состоит из пересчетного устройства, блока питания и счетчика Гейгера-Мюллера (СБТ-10), помещенного в свинцовый домик.

17

Рис. 10. Блок-схема радиометра «Эксперт-М»

Порядок работы на радиометре «Эксперт-М»:

Прибор подключается к сети переменного тока (220 В, 50 Гц) при помощи блока питания. Пересчетное устройство имеет жидкокристаллический дисплей и несколько функциональных ползунковых тумблеров управления. Радиометр включается ползунковым тумблером, расположенным на лицевой панели вверху слева. На жидкокристаллическом дисплее появляются цифры. Под тумблером включения расположен тумблер, который задает альтернативные режимы времени измерения: 10 или 100 секунд.

Измерения производят перемещением ползунка «Пуск», расположенной на лицевой панели прибора внизу справа, в любом направлении. При этом предыдущие показания автоматически обнуляются, и прибор регистрирует сигналы (импульсы), поступающие со счетчика за соответствующий режиму промежуток времени. Окончание времени измерения можно контролировать по звуковому сигналу.

Для измерения скорости счета препараты помещаются в свинцовый домик на специальных подложках или кюветах, которые вставляются в направляющие прорези, расположенные под счетчиком. В зависимости от задачи препарат помещают на верхнюю (ближнюю к счетчику) или нижнюю позицию, либо на дно свинцового домика. Скорость счета фона (Nф) измеряют в свинцовом домике без препарата.

Порядок выполнения работы:

1.Познакомьтесь с устройством переносного радиометра "Эксперт-М".

2.Включите прибор в сеть.

3.Установите режим измерения – 100 с.

4.Измерьте количество импульсов (nф) при отсутствии в свинцовом домике какого-либо образца (природный радиационный фон). Рассчитайте скорость счета фона: Nф = nф/tф, имп/с.

5.Препарат, предложенный преподавателем, положите на специальную подложку (рис.11) и поместите в свинцовый домик радиометра. Закрыв домик, измерьте количество импульсов за 100 с (n). Рассчитайте скорость счета: N = n/t, имп/с.

6.После окончания измерений препараты переложите из свинцового домика в специальный контейнер и выключите радиометр, отсоединив блок питания от источника тока.

7.Рассчитайте скорость счета исследуемого препарата: Nпр = N – Nф, имп/с

18

Рис. 11. Препарат 90Sr на специальной подложке для измерений.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

1.Что такое радиоактивность, радиация, радионуклид, изотопы?

2.Какие виды излучения Вы знаете?

3.На чем основан химический метод регистрации излучения?

4.На чем основан ионизационный метод регистрации излучения?

5.Каков принцип работы счетчика Гейгера-Мюллера?

6.На чем основан оптический метод регистрации излучения?

7.Что такое сцинтиллятор?

8.Какое явление взаимодействия излучений с веществом лежит в основе химических, ионизационных и оптических методов регистрации излучения?

9.Опишите порядок работы на радиометре «Эксперт-М».

10.Что такое а) скорость счета фона; б) скорость счета препарата?

19

Лабораторная работа № 2

Определение эффективности счета радиометрической установки для различных препаратов. Факторы, влияющие на эффективность счета

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Цель большинства радиометрических измерений – определить активность препаратов (Апр), т.е. определить истинное количество распадов атомов, происходящих в единицу времени.

В Международной системе единиц (СИ) активность измеряется в беккерелях [Бк]; 1Бк = 1 расп/с (распад одного атома в секунду, независимо от типа распада). Иногда используется внесистемная единица измерения

активности – кюри [Ки]; 1Ки = 3,7 • 1010 Бк (количество распадов атомов в 1 г 226Ra за 1 секунду).

Активность является количественной мерой содержания радионуклидов в изучаемом образце и широко используется при оценке уровней загрязнения сельскохозяйственных объектов.

Скорость счета препарата (Nпр) и его активность (Апр) пропорциональны, но не равны:

Nпр = Апр • F

Коэффициентом пропорциональности является величина F, которая называется эффективностью счета.

Под эффективностью счета F понимают отношение скорости счета препарата к полному числу распадов атомных ядер, происходящих в препарате в единицу времени, т.е. к активности препарата. Эффективность счета – это величина, которая показывает, какая часть активности препарата регистрируется радиометром.

Nпр

F = Апр • 100 %

Эффективность счета может измеряться в долях единицы или в процентах (%). Например, эффективность счета препарата, содержащего 90Sr, на радиометре «Эксперт-М» составляет 15%. Это означает, что только 15% от всех частиц, образовавшихся при распаде радионуклида в препарате, попало в объем детектора, вызвало ионизацию атомов газа и цепную реакцию образования лавины электронов, падение напряжения на аноде и ре-

20

гистрацию импульса. Остальные 85% распадов атомов в данном примере
не зарегистрированы (рис. 12).
				Природный
			Регистрирующее	радиационный
				фон, Nф
			устройство
				имп/с
Счетчик				00125
Гейгера-Мюллера
−−	++	−	+
−	+
		−	+
Радиоактивный
препарат				Скорость счета:
				Nпр = N − Nф
				имп/с
Свинцовый				Активность:
домик				Апр
				Бк, Ки
Рис. 12. Общая схема установки для радиометрических измерений.

Эффективность счета зависит от целого ряда факторов, важнейшие из которых следующие:

1.геометрический фактор (при радиоактивном распаде частицы испускаются по всем направлениям, и в детектор попадают только те, которые движутся в сторону детектора, т.е. геометрический фактор определяет, какая часть пространства используется счетчиком для регистрации излучения);

2.поглощение и рассеяние излучения в слое воздуха и окошке счет-

чика;

3.обратное рассеяние от подложки препарата;

4.самопоглощение излучения в препарате;

5.собственная эффективность детектора к данному виду излучения (например, в основе работы газоразрядного счетчика лежит ионизация атомов газа под действием излучения, однако разные виды излучения имеют разную ионизирующую способность, следовательно, образующийся

вдетекторе сигнал может быть достаточным или слишком малым, чтобы регистрирующее устройство смогло его зафиксировать);

21