Теоретичні відомості, опис приладів та методики вимірювання

Радіоактивний розпад ядер супроводжується a-, b-, g- і дуже рідко р-випромінюванням. Швидкість розпаду ядер залежить від природи радіоактивного елементу і характеризується фізичною величиною, яка називається активністю. Під активністю радіоактивного джерела розуміють кількість розпадів його ядер за одиницю часу. Знаючи активність джерела, можна розрахувати потужність експозиційної дози на різних відстанях від джерела і, допустимий час перебування в його полі.

Випромінювання радіоактивного препарату взаємодіє з середовищем, що призводить до утворення електричних зарядів різних знаків, тобто до іонізації середовища. Ця здатність випромінювання до іонізації використовується для його реєстрації в різних детекторах.

Лічильник Гейгера − Мюллера застосовується для реєстрації заряджених і незаряджених частинок. Реєстрація незаряджених частинок здійснюється за вторинними зарядженими частинками, що виникають під час взаємодії незаряджених частинок з робочою речовиною детектора. Лічильник працює в режимі самостійного газового розряду. В цьому режимі величина сигналу не залежить від енергії частинок, що реєструються.

У циліндричному лічильнику катодом є металевий або скляний з металевим покриттям циліндр, анодом − тонка металева нитка, що натягнута вздовж осі катоду (рис.42).

Електроди вміщені в герметичний резервуар, що наповнений аргоном або неоном до тиску 100 ¸ 200 мм рт. ст.

Електроди лічильника Гейгера − Мюллера, що знаходяться під напругою U₀, утворюють газорозрядний проміжок із сильно неоднорідним електричним полем. Якщо напруга U₀ перевищує початковий потенціал запалювання U_з, то будь яка заряджена частинка, що потрапила в робочий об'єм лічильника і утворила хоча б одну пару іонів, викличе в ньому спалах газового розряду, розвиток якого відбувається за час 10⁻⁷ ¸ 10⁻⁶ с.

Виникаючий під час цього імпульс струмі в зовнішньому електричному колі підсилюється в підсилювачі П і реєструється перерахунковим пристроєм ПП (рис. 43).

Іони газу, що утворилися в робочому об'ємі лічильника, під дією електричного поля переміщуються до електродів. Якщо газ не електровід'ємний, тоді від'ємними зарядами будуть тільки електрони. Рухаючись до аноду (нитки лічильника), вони потрапляють в зону з високою напруженістю електричного поля і прискорюються до енергій, що достатні для збудження та іонізації атомів газу, з якими відбувається зіткнення. Такім чином, кожен електрон на своєму шляху до аноду створив деяку кількість пар іонів та збуджених атомів, тобто діє так зване газове підсилення, що приводить до лавини електронів. У той самий час збуджені атоми і молекули газу висвічуються, випромінюючи фотони, частина з яких, потрапляючи на катод лічильника, вириває з його поверхні фотоелектрони. Ці електрони, рухаючись від катоду до аноду, іонізують на своєму шляху нейтральні атоми, утворюють наступну лавину, а з катоду фотонами виривається нова партія електронів і т.д. Через розрядний проміжок лічильника за короткий час проходить послідовно серія електронних лавин.

Якщо якимось чином різниця потенціалів між електродами лічильника знизиться і стане на 1 ¸ 3 В менше, ніж U_з, струм у лічильнику стане нестійким і газовий розряд, завдяки випадковим флуктуаціям, обірветься. З цією метою в коло лічильника (рис. 43) вмикають досить великий опір (порядку 10⁸ ¸ 10¹⁰ Ом), при якому значення струму в лічильнику потрапляє в зону нестійкості. При виконанні цих умов спалах газового розряду, що викликаний іонізуючою частинкою, яка потрапила в зону лічильника, через деякий час (близько 10⁻⁴ с) припиняються. Багатоомний опір R у колі лічильника необхідний ще й для того, щоб сповільнити підвищення напруги між електродами і дати час для видалення позитивних іонів з робочої зони. В самогасному лічильнику гасіння розряду добиваються додаючи до основного наповнювача пари спирту, етилену чи галогени − хлор, бром, йод. Молекули багатоатомних газів поглинають фотони, не випромінюючи під час цього електронів, а в якості одноатомних добавок вибираються електронегативні гази − електрони легко захоплюються такими атомами, утворюючи малорухливі комплекси, які вже не беруть участі в розряді.

Час тривалості імпульсу з лічильнику називають мертвим часом і визначають його роздільну здатність. Чим менший мертвий час, тим більше число іонізуючих частинок може зареєструвати лічильник за одиницю часу.

Лічильна характеристика лічильника Гейгера − Мюллера наведена на рис. 44: вона показує залежність швидкості лічби N (при постійних умовах опромінювання) від величини напруги на електродах лічильника U).

В області напруг І (від U₃ до U_н) швидкість лічби різко зростає із збільшенням напруги і спостерігається велика розбіжність в амплітудах виникаючих у лічильнику електричних імпульсів. Далі в області II (від U_н до U_к) швидкість лічби практично не залежить від прикладеної до лічильника напруги. Це так зване "плато" − робоча частина лічильної характеристики. Лічильники доброї якості мають "плато" протяжністю не менше 100 В, а швидкість лічби в його межах змінюється не більша ніж на 3 ¸ 5 %. В області ІІІ при U > U_к з'являються несправжні імпульси, не пов'язані з реєстрацією радіоактивного випромінювання, внаслідок чого швидкість лічби починає зростати. Робочу напругу лічильника вибирають на середині "плато".

У даній лабораторній роботі використовується радіометр типу Б-2. В його комплект входять виносний блок БГС-2 з тримачем лічильника Гейгера − Мюллера та основний блок ВСП. Катод лічильника, з'єднаний з рухомим контактом тримача, заземлюється і з'єднується з вхідним контактом виносного блоку. На анод лічильника за допомогою високовольтного кабелю подається висока напруга від високовольтного випрямляча, що знаходиться в основному блоці. Величина напруги, що подається, регулюється за допомогою потенціометра, ручка якого − "регулювання високої напруги" − виведена на передню панель приладу.

Основний блок радіометра складається із перелічувального пристрою, блоку живлення та високовольтного випрямляча. В перелічувальному пристрої імпульси проходять через підсилювач-обмежувач і поступають на вхід першої з шести послідовно з'єднаних подвійних перелічувальних комірок. Кількість перелічувальних комірок, що працюють, може змінюватися поворотом перемикача на передній панелі приладу. Коефіцієнт перелічування можна вибрати рівним ´1, ´4, ´16, ´64. Із виходу останньої з увімкнених комірок імпульси потрапляють на вхід замкненого мультивібратора, який дає на виході імпульси позитивної полярності тривалістю 3 ¸ 5 мс. Ці імпульси потрапляють на сітку керування запертої вхідної лампи підсилювача потужності. її анодним навантаженням є обмотка електромагніту електромеханічного лічильника СБМ.

При визначенні активності препарату необхідно мати на увазі, що число імпульсів, які реєструються лічильником, не дорівнює числу частинок, що випромінюються препаратом. Це пояснюється присутністю природного фону, що зумовлений космічним випромінюванням, і тим, що не всі частинки, які випромінюються препаратом, потрапляють у робочий об'єм лічильника і реєструються ним. Лічильник реєструє ті частинки, що поширюються всередині тілесного кута w (рис. 42 ), який розраховується за формулою:

де L − довжина лічильника, r − радіус лічильника, h − відстань від препарату до нитки аноду лічильника.

Активність препарату в мікрокюрі з урахуванням поправок на фон і тілесний кут визначається за формулою:

де n − кількість імпульсів, ще реєструє прилад з препаратом за 1 хв;

n_сер − кількість імпульсів, що реєструє прилад без препарату, за 1 хв;

р − поправка на "мертвий час" лічильника, яка тим ближча до одиниці, чим менша швидкість лічби і чим більша кратність перелічби; при малій швидкості лічби і кратності перелічби ´64 р = 1;

r − величина, що характеризує кількість b-частинок, що припадають на 1 акт розпаду; для препарату, що використовується в роботі, r = 1;

q − поправка на зворотне розсіяння випромінювання від підкладки, на яку нанесено препарат, для алюмінієвої підкладки q = 1;

f − поправка на поглинання випромінювання повітрям та стінками лічильника, що дорівнює 0,7;

k − поправка, що враховує поглинання випромінювання у самому препараті (шар активної речовини препарату дуже незначний і можна вважати k = 1);

e − ефективність лічильника, що визначена відношенням кількості розрядів у лічильнику до кількості електронів, що потрапили до лічильника (ефективність газорозрядних лічильників для b-частинок досягає 0,95).