Измерительные преобразования в полях ионизирующих излучений

ВВЕДЕНИЕ

Автоматизация производства, процесс  в развитии машинного производства, при котором функции управления и контроля, ранее выполнявшиеся  человеком, передаются приборам и автоматическим устройствам. Цель автоматизации производства заключается в повышении эффективности труда, улучшении качества выпускаемой продукции, в создании условий для оптимального использования всех ресурсов производства.

В подавляющем числе случаев, для  получения измерительной информации происходит преобразование одних физических величин в другие. Такое преобразование получило название измерительного преобразования. В данном случае, рассматриваются  эффекты, лежащие в основе измерительных  преобразований в полях ионизирующих излучений. Для автоматизации процесса измерительного преобразования в данной работе использована программа Scilab.

Scilab — пакет прикладных математических программ, предоставляющий мощное открытое окружение для инженерных (технических) и научных расчётов. Он, несомненно, служит одним из «кирпичиков» становления автоматизации какого-либо процесса.

 

1 ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ В ПОЛЯХ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1. Понятие об атоме

Атом (от греческого atomos – неделимый) – часть вещества микроскопических размеров и массы, наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств. Атомы существуют в свободном (в газе) и связанном состоянии. Связываясь друг с другом непосредственно или в составе молекул, атомы образуют жидкие и твердые тела.

Атом состоит из тяжелого ядра, обладающего положительным электрическим зарядом, и окружающих его легких частиц – электронов с отрицательными электрическими зарядами, образующих электронные оболочки атомов. Размер атома фактически определяется размером электронной оболочки (размер ядра 10^-9 …10^-8 мкм; размер атома порядка 10^-4 мкм).

Заряд ядра – основная характеристика атома, обусловливающая его принадлежность к определенному элементу. В нормальном состоянии заряд ядра равен заряду электронов. При потере электронов атом становится положительным ионом, а при присоединении – отрицательным.

Ядро состоит из положительно заряженных частиц протонов и нейтральных частиц – нейтронов. Масса протона равна массе нейтрона (≈1,67*10^-24 г). Масса электрона примерно в 1840 раз меньше (≈0,91*10^-27 г), поэтому масса атома определяется главным образом массой ядра. Число нейтронов не всегда равно числу протонов. Разновидности атомов одного и того же элемента, имеющих одинаковое число протонов, но разное число нейтронов, называются изотопами этого элемента.

 

 

2. Природа ионизирующих излучений и их характеристики

Ионизирующее излучение – потоки частиц и электромагнитных квантов, взаимодействие которых со средой приводит к ионизации ее атомов и молекул. Это рентгеновское и γ-излучение, потоки α-частиц (ядер гелия), электронов, позитронов, протонов и нейтронов.

Рентгеновское и γ-излучение по своей природе – высокочастотные электромагнитные волны. Диапазон длин волн рентгеновского излучения 10^-12…10^-8м. Диапазон длин волн γ-излучения 10^-14 …10^-10  м. Ионизирующее электромагнитное излучение называется фотонным, а ионизирующее излучение в виде потока заряженных частиц или нейтронов – корпускулярным.

Ионизация фотонами рентгеновского и γ-излучения может быть непосредственной -первичной, а также, в большей степени, вторичной, обусловленной электронами, образующимися при взаимодействии фотонов с веществом. Заряженные частицы ионизируют среду непосредственно при столкновении с ее атомами и молекулами (первичная ионизация). Выбиваемые при этом электроны, если они обладают достаточно большой энергией, так же могут ионизировать (вторичная ионизация).

Характеристики ионизирующего  излучения:

• Поток ионизирующих частиц (частиц/с) – число ионизирующих частиц, проникающих в единицу времени в объем элементарной сферы.
• Плотность потока ионизирующих частиц (частиц/м²с) – отношение числа ионизирующих частиц, проникающих в единицу времени в объем элементарной сферы, к площади поперечного сечения этой сферы.
• Перенос энергии ионизирующих частиц (Вт/м²) – переносимая ионизирующим излучением энергия в единицу времени через элементарную сферу к площади поперечного сечения этой сферы.
• Доза ионизирующего излучения (СИ: Дж/кг; вне СИ: рад = 10^-2 Дж/кг) – энергия ионизирующего излучения, поглощенная в единице массы облучаемого вещества.
• Экспозиционная доза фотонного излучения (СИ: Кл/кг; вне СИ: рентген (Р) = 2,58*10^-4 Кл/кг) – отношение суммарного заряда всех ионов одного знака, созданных в элементарном объеме воздуха к массе воздуха в указанном объеме.
• Мощность дозы ионизирующего излучения (СИ: Вт/кг; вне СИ: рад/с = 10^-2 Вт/кг) – приращение поглощенной дозы в единицу времени.
• Мощность экспозиционной дозы фотонного излучения (СИ: А/кг; вне СИ: Р/с = 2,58*10^-4 Кл/кг) – приращение экспозиционной дозы фотонного излучения в единицу времени.

 

 

3. Взаимодействие фотонного излучения с веществом

Рассмотрим взаимодействие фотонного  излучения с веществом. Рентгеновское и γ-излучение при прохождении через вещество теряют свою энергию за счет рассеяния и преобразования в кинетическую энергию электронов. Взаимодействие фотонного излучения с веществом происходит по одному из следующих вариантов:

• Фотоэлектрический эффект: энергия кванта излучения hυ₁ полностью передается электрону с более глубоких уровней (K, L) атома облучаемой среды (рис. 1.3.1).

Рис. 1.3.1. Фотоэлектрический эффект взаимодействия фотонного излучения с веществом

 

• Эффект Комптона: этот эффект соответствует упругому соударению фотона с энергией hυ₁ и электрона с одного из внешних атомных уровней, энергия связи которого мала (). При соударении происходит освобождение электрона с кинетической энергией и излучение вторичного кванта с меньшей энергией.

Рис. 1.3.2. Эффект Комптона взаимодействия фотонного излучения с веществом

 

• Образование пар: фотон может преобразоваться в поле ядра в пару электрон и позитрон (рис. 1.3.3). Минимальная энергия, требуемая для такого преобразования, равна энергии масс покоя двух этих частиц:

где m_e – масса покоя электрона; с – скорость света.

Рис. 1.3.3. Эффект образования пар при взаимодействии фотонного излучения с веществом

В соответствии с описанными процессами взаимодействия фотонного излучения с веществом линейный коэффициент ослабления μ представляется суммой:

 

где – коэффициент, определяющий преобразование первичного излучения в рассеянное и характеристическое,

  – коэффициент электронного преобразования, характеризующий преобразование первичного излучения в кинетическую энергию вторичных электронов (фотоэлектронов, электронов отдачи, пары электрон-позитрон).

 

 

4. Взаимодействие корпускулярного излучения с веществом

Альфа-частицы. α-частица представляет собой ядро атома гелия , которое образовано двумя протонами и двумя нейтронами. Ее электрический заряд положителен и численно равен удвоенному заряду электрона 2q_e , а масса α-частицы примерно в 7000 раз превышает массу электрона.

Эффекты, вызываемые α-частицами в веществе, обусловлены их взаимодействием с электронами на атомных орбитах и бывают двух видов. Если энергии α-частицы достаточна для освобождения электрона, то имеет место ионизация атома, который становится положительным ионом. Если энергия a частицы недостаточна для освобождения электрона, то имеет место возбуждение атома, переход которого в основное состояние сопровождается испусканием кванта электромагнитного излучения, например света.

Бета-частицы. Хотя к β-частицам относятся как ускоренные электроны, так и позитроны, широкое практическое использование для измерительных преобразований имеет главным образом электронное излучение.

β-частицы обладают, при равной энергии, значительно большей (примерно в 5*10² раз) проникающей способностью, чем α-частицы. Энергетические затраты, приводящие к замедлению β-частиц, связаны с возбуждением и ионизацией атомов, а также с торможением частиц с большой энергией в поле тяжелых атомных ядер, сопровождаемым испусканием тормозного рентгеновского излучения.

Нейтроны. Взаимодействие нейтронов с веществом имеет совершенно иной механизм, чем взаимодействие с ним заряженных частиц. Поскольку нейтрон не имеет заряда, он не испытывает кулоновских взаимодействий и может свободно перемещаться через вещество до тех пор, пока не столкнется с ядром атома.

Нейтроны взаимодействуют с веществом двумя способами: либо рассеиваются ядром, либо поглощаются им. В первом случае нейтрон при каждом столкновении с ядром отдает ему часть кинетической энергии, в результате чего его энергия уменьшается до уровня средней кинетической энергии поглощающей среды. Такой нейтрон называется тепловым.

В случае приближения нейтрона к ядру на расстояние действия ядерных сил может происходить захват нейтрона ядром. Это приводит к высоковозбужденному состоянию ядра. Достижение устойчивого состояния происходит в результате выбрасывания протона, α-частицы или испускания фотонного излучения. Потеря ядром составных частиц является, по сути, ядерным превращением.

 

 

 

5. Источники ионизирующих излучений

 

Для получения ионизирующих излучений используются главным образом ускорители электронов (реже других заряженных частиц), радиоактивные источники и ядерные реакторы.

Ускорители. Принцип работы ускорителей электронов основан на воздействии на электрон силами электрического и магнитного полей. Общим для всех ускорителей электронов является наличие источника электронов, наличие ускоряющего электрического поля и создание в рабочей зоне ускорителя вакуума, обеспечивающего беспрепятственное движение ускоряемых электронов.

По характеру ускоряющего электрического поля различают высоковольтные, индукционные и резонансные ускорители. В высоковольтных ускорителях траектория электронов является преимущественно прямолинейной (линейный ускоритель). В ускорителях других типов для многократного воздействия на электрон одной и той же ускоряющей системы обеспечивается их циклическое движение по круговым орбитам (циклические ускорители).

В результате воздействия на электроны электрическим полем на выходе ускорителя формируется непрерывный либо импульсный поток ускоренных моноэнергетических электронов (β-частиц).

Радиоактивные источники. Ядра атомов, содержащие избыточное число протонов или нейтронов, нестабильны. Они самопроизвольно превращаются в другие, более стабильные ядра, и называются радионуклидами или радиоизотопами. Поэтому другим названием радиоактивного источника является радионуклидный. Дополнительно помечаются звездочкой: *.

Превращение радионуклида сопровождается испусканием частиц, характеризующих данное ядерное превращение. Именно эти потоки частиц, которые испускает радионуклид, образуют ядерное излучение, используемое, в том числе, для измерительных преобразований.

Самопроизвольное превращение радионуклида можно выразить с помощью уравнения:

*→ + излучение (α,β, γ,нейтроны и др.)

Это ядерное превращение описывается следующей временной зависимостью:

,

где n(t) и n₀ – число нуклидов * в момент времени t и начальный момент времени, соответственно; s – постоянная распада (с^-1).

Характеристикой активности радиоактивного источника является период полураспада Т, представляющий собой интервал времени, необходимый для того, чтобы половина начального количества радиоизотопа претерпела ядерный переход:

В настоящее время используются главным образом полученные искусственным путем радиоизотопы ⁶⁰Co, ¹³⁷Cs, ¹⁹²Ir, ¹⁷⁰Tm и другие. Существует три основных способа получения искусственных радиоизотопов: при помощи нейтронной активации путем облучения в ядерном реакторе, разделением продуктов ядерного деления, бомбардировкой заряженными частицами на ускорителях.

 

 

 

6. Приемники ионизирующих излучений

 

Регистрация ионизирующих излучений основана на эффектах, сопровождающих ионизацию газов (ионизационное преобразование), полупроводников (фотоэлектрическое преобразование), воздействие на сцинтилляторы (сцинтилляционное преобразование) и фотоэмульсию (рентгенографическое преобразование). В первых двух случаях имеет место электрический эффект, в третьем – оптический, в четвертом – химический.