Закон радиоактивного распада

Сравнение α-источников можно проводить также с помощью различного рода счетчиков — газоразрядных, сцинтилляционных или полупроводниковых.

Для сравнения источников из β-излучающих нуклидов с максимальной энергией частиц более 0,3 Мэв можно применять ионизационные камеры с телесным углом 2π, а также 2πβ-счетчики и счетчики с ограниченным телесным углом (газоразрядные или сцинтилляционные).

Для сравнения растворов  β-активных нуклидов разработана конструкция жидкостного β-счетчика, представляющего собой цилиндрический стеклянный β-счетчик, вмонтированный коаксиально в стеклянный цилиндр, образующий кольцевой объем вокруг счетчика. Этот объем поочередно наполняют сравниваемыми растворами. Толщина слоя раствора превышает длину пробега в нем β-частиц, и поэтому скорость счета счетчика пропорциональна удельной активности нуклида в растворе. Для сравнения растворов β-нуклидов с малой энергией частиц используют счетчик с тонким окном или без окна; счетчик располагают над свободной поверхностью жидкости, представляющей собой смесь измеряемого раствора с форм-амидом, так что давление паров воды, мешающих нормальной работе счетчика, снижается до пренебрежимо малого уровня . Растворы β-нуклидов с малой энергией частиц можно сравнивать также с помощью счетчиков с жидким сцинтиллятором.

Для сравнения у-источников наиболее простым и удобным прибором является ионизационная камера. Одним из первых типов ионизационной камеры был так называемый большой конденсатор М. Кюри, примененный для сравнения радиевых эталонов и представляющий собой плоскую цилиндрическую камеру диаметром 50 см и высотой 6 см с измерительным электродом в виде диска. Измеряемые источники размещали вне камеры на ее верхней плоскости, покрытой слоем свинца толщиной 5 мм для поглощения «мягкой» составляющей y-спектра радия, благодаря чему снижался эффект самопоглощения. Недостатком камеры такого типа является сильная зависимость телесного угла, внутри которого излучение попадает на камеру, от расстояния между активной частью измеряемого источника и верхней плоскостью камеры; это расстояние зависит от количества и толщины стенок ампул, в которые заключены радиевые источники. Для исключения влияния размеров и положения источника относительно камеры, а также для увеличения чувствительности камеры были сконструированы ионизационные камеры с телесным углом 4π, из которых наибольшее распространение получили цилиндрические камеры с так называемым колодцем, т. е. с цилиндрическим каналом для измеряемого источника .

Для сравнения у-источников с малой активностью нуклидов можно применять сцинтилляционные счетчики с телесным углом 4л, содержащие кристалл больших размеров с «колодцем» (каналом) для измеряемого источника .[4]

 

 

 

 

 

 

4. Эффективность  регистрации излучения.

Эффективность регистрации  излучения является энергетической пространственно-угловой функцией вероятности процесса взаимодействия излучения с рабочей средой детектора.

Вероятность регистрации  ионизирующей частицы при прохождении  через рабочую среду детектора  определяется вероятностью передачи частицей своей энергии, частично или полностью, рабочей среде. Эта вероятность  зависит от вида излучения, его энергии, плотности рабочей среды детектора, его размеров и геометрии измерений.

Рис. 1. Эффективность регистрации гамма-квантов

сцинтилляторами NaI(Tl)

На практике понятие  эффективности регистрации используется в узком смысле только энергетической функции вероятности регистрации  данного вида излучения данным типом  детектора, среднее значение которой  определяется как отношение числа зарегистрированных частиц к числу частиц, попавших на входное окно детектора. Расчет практической эффективности регистрации производится по формуле: Э(E) = m/(s×ф(E)), где s - площадь входного окна детектора (для изотропных детекторов - площадь сечения), ф(E) - плотность потока излучения, m - частота актов регистрации выходных сигналов детектора.

Самым проникающим видом  излучения с большой длиной пробега  квантов является гамма-излучение, в связи с чем для их детектирования используются сцинтилляторы и ППД, эффективность регистрации которых тем больше, чем больше их плотность, геометрические размеры и эффективный атомный номер вещества детектора.

На рис. 1 приведены графики спектральной эффективности регистрации гамма-излучения неорганическими сцинтилляторами NaI(Tl) различных размеров. При регистрации низкоэнергетических гамма-квантов (менее 100 кэВ) существенную роль начинает играть поглощение излучения в контейнере детектора и в защитной конструкции блока детектирования, если он не имеет специального входного окна.

Рис. 2. Эффективность регистрации гамма-квантов газонаполненными счетчиками

 

Эффективность регистрации  гамма-излучения газонаполненными счетчиками в интервале энергий  от 100 кэВ до 3 МэВ не превышает 2% и  практически не зависит от размеров счетчиков, а в области энергий ниже 200 кэВ существенно зависит от материала корпуса (катода) счетчика, в котором осуществляется конверсия гамма-квантов в электроны. В качестве материала катода обычно используется вольфрам, медь и железо. Пример эффективности регистрации газонаполненных счетчиков приведен на рис. 2.

Что касается эффективности  регистрации бета- и альфа-частиц, то практически для всех видов  детекторов она близка к 100% в связи  с малой проникающей способностью этих видов излучения. Последнее  обстоятельство выводит на первое место по влиянию на эффективность регистрации фактор поглощения излучения во входном окне детектора, особенно при регистрации низкоэнергетических частиц.

Понятие практической эффективности  регистрации обычно применяется  к датчику в целом (с данным типом детектора) и выражается в % (от 0 до 100%). Для характеристики блоков детектирования и устройств с фиксированной геометрией измерений применяется также понятие светосилы, как отношение числа регистрируемых частиц к числу частиц, испускаемых источником излучения. Значение светосилы является безразмерной величиной в интервале 0-1.[1]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Факторы,  влияющие на эффективность регистрации.

5.1. Геометрический фактор.

 

ГЕОМЕТРИЧЕСКИЙ ФАКТОР - величина, определяющая геометрию пучка излучения; используется в фотометрии, космофизике при регистрации излучений и потоков частиц. Г. ф. G зависит от размеров и взаимного расположения диафрагм, совместно выделяющих из всех возможных прямых то множество направлений, которое определяется пучком излучения и температурой  приёмника излучения. Г. ф. инвариантен относительно любых поверхностей, пересекаемых прямыми, входящими в данное множество направлений, и принимается за меру этого множества (понятие о мере множества лучей впервые введено А. А. Гершуном в 30-х гг. 20 в.). Напр., для сопряжённых диафрагм источника и приёмника А_и и А_п (или сопряжённых начальной и конечной диафрагм оптич. системы) где dA_и dA_п-площади сопряжённых участков диафрагм источника и приёмника; - углы между направлением излучения и перпендикулярами к излучающей и освещаемой поверхностям; и - телесные углы, под к-рыми видны dA_и и dA_п co стороны диафрагм А_и и А_п. Инвариантность Г. ф. сохраняется и для широких пучков. Г. ф. используется также при построении системы фотометрич. величин: яркость вдоль луча , где Ф - световой поток.[3]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.2. Конструкция  счетчика.

Рис.3.

 

Для определения  относительной неравномерности нанесения активного слоя α- и β-источников можно применять разработанную во ВНИИМ установку типа УСЧ-5 с приставкой ПСЧ-6  (рис. 3). Детектором α-частиц в этой установке служит сцинтиллятор из ZnS (Ag), соединенный с фотоэлектронным умножителем типа ФЭУ-13. Фон α-счетчика составляет около 0,02 имп./сек, разрешающее время 35 мксек, эффективность регистрации частиц около 95%. Импульсы от счетчика регистрируются электронной аппаратурой, в состав которой входит усилитель типа УШ-2, измеритель скорости счета типа ИСС-1 и пересчетный прибор. Источником напряжения для фотоумножителя служит стабилизированный выпрямитель типа ВС-22.

Измеряемый  источник закрепляют на специальном  столике-держателе, перемещаемом   с  помощью особого механизма.[4]

 

 

 

 

6. Экспериментальная часть.

6.1. Ход и  описание эксперимента.

 

Проверка  α-источников

Поверка образцовых и рабочих α-источников заключается в измерении их основной характеристики — активности нуклида, а также ряда дополнительных: внешнего излучения (числа частиц, испускаемых в единицу времени в телесном угле 2π), спектральных характеристик внешнего излучения и неравномерности распределения активного вещества по рабочей поверхности источника.

Для поверки  α-источников необходимы следующие средства измерений:

а)  набор α-источников, аттестованных в качестве   рабочих эталонов единицы активности   соответствующих . нуклидов, для поверки образцовых α-источников 1-го разряда, наборы образцовых α-источников 1-го   или   2-го разряда — для поверки образцовых α-источников 2-го разряда или соответственно рабочих α-источников;

б)   поверочная установка (или комплект поверочных установок) для измерения активности нуклидов и внешнего излучения относительным методом в диапазоне значений активности от 2 до 2-10⁶ расп./сек для источников площадью активной поверхности от 1 до 160 см²;

в)   установка для исследования спектральных характеристик внешнего излучения (желательно,   чтобы   функции этой установки могла выполнять поверочная установка, указанная в пункте б);

г)  установка для измерения относительной неравномерности распределения радиоактивного вещества по рабочей поверхности источников.

Установка для  поверки α-источников должна удовлетворять следующим основным техническим требованиям:

1.  Должна  иметь приспособление для фиксации  измеряемых источников в одном или нескольких определенных положениях относительно детектора излучения; максимальное допустимое изменение скорости счета частиц или силы тока из-за неточной фиксации при повторной установке источника в то же положение не должно превышать 0,5%.

2.  Для ослабления  α-излучения (в случае необходимости) должна быть обеспечена возможность увеличения расстояния от источника до детектора.

3.  В конструкции  установки   должна   быть  предусмотрено возможность помещать перед детектором фильтр, служащий для определения идентичности   спектральных   характеристик сравниваемых источников.

4.  Эффективность  детектора и регистрирующей аппаратуры установки,   работающей   в   импульсном режиме, должна быть не менее 50%.

5.  При   перемещении   «точечного»   источника α-излучения в пределах площади активной поверхности поверяемых источников при наименьшем рабочем расстоянии  между этой поверхностью и детектором эффективность установки не должна изменяться более, чем на 10% по отношению к среднему значению.

6.  Нестабильность  установки (при неизменном  положении  источника) не должна  превышать ±1,5% за 8 ч непрерывной работы в нормальных условиях эксплуатации.

7. К установке  должна быть приложена градуировочная  таблица для определения зависимости результатов сравнения источников от толщины активного и защитного слоев сравниваемых источников.

 

К установке  для измерения относительной неравномерности распределения радиоактивного вещества по активной поверхности источников предъявляются следующие основные требования:

1.  Детектор  частиц должен иметь сменные  диафрагмы с отверстиями площадью 3 и 5 см².

2.  Расстояние  между   активной    поверхностью   источника и плоскостью диафрагмы  не должно превышать 3 мм.

3.  Должна  быть предусмотрена возможность проводить измерения относительной неравномерности распределения радиоактивного вещества по рабочей поверхности    источников    площадью от 10 до 160 см², внешнее излучение которых в телесном угле 2π более 2 част.(сек-см¹).

4.  Нестабильность    установки не должна превышать ±2% за 8 ч непрерывной работы при нормальных условиях эксплуатации.

Все меры, измерительные приборы и измерительные установки, применяемые при поверке α-источников, должны иметь свидетельства об аттестации или поверке.

Измеряемый  источник закрепляют на специальном  столике-держателе, перемещаемом   с   помощью особого механизма поэтому он может быть рекомендован в основном лишь для аттестации образцовых α-источников 1-го разряда. Для поверки же образцовых α-источников 2-го разряда и рабочих α-источников может быть применен более простой способ, заключающийся в выборочной проверке соблюдения установленных техническими условиями допусков на толщину активного слои и защитного покрытия поверяемых источников. Эту проверку совмещают с измерением активности нуклида и внешнего излучения источников и выполняют с помощью установки УСЧ-7 следующим образом .

Рис. 4. Зависимость D от средней энергии α-частиц

 

Поверку начинают с подбора образцового источника, однотипного с поверяемым по роду нуклида и по площади активной поверхности и отличающегося по активности нуклида не более чем в 10 раз. Далее выбирают такие геометрические условия измерений, при которых число регистрируемых импульсов в секунду для сравниваемых источников не превышает 0,05/т, где т — разрешающее время установки в секундах. Время измерения скоростей счета выбирают с таким расчетом, чтобы число зарегистрированных   импульсов   было не меньше 1000.