Особенности работы счетчиков излучения (стр. 4 из 7)

В качестве единицы измерения дозы принята международная единица — рентген.

Рентген (р) — это такая доза рентгеновского или гамма-излучения, при которой в 0,001293 г сухого воздуха (т. е. в 1 см3 воздуха при 0°С и нормальном атмосферном давлении) образуется 2,08 • 10 пар ионов, обладающих одной электростатической единицей заряда каждого знака. Более мелкими единицами для измерения дозы являются миллирентген (мр) и микрорентген (мкр).

Средняя работа, затрачиваемая гамма-излучением на образование одной пары ионов в воздухе, составляет 33 эВ, поэтому дозе 1 р соответствует энергия, поглощенная в 1 см3, Wвозд =2,08 109 33 = 68,64 10 эВ или (умножая на 1,6 • 10 для перевода в эрги) Wвозд = 0,11 эрг.

При дозе 1 р в воздухе энергия, поглощаемая в 1 см живой ткани, составляет

Единицу измерения дозы — рентген можно использовать также для характеристики дозы бета- и альфа-излучений.

Дозу бета- и альфа-излучений, которая создает в единице объема воздуха такое же количество пар ионов, как и доза 1 р гамма-излучения, принято называть физическим эквивалентом рентгена (фэр).

Так как биологическое действие на живые организмы различных излучений не одинаково, было введено понятие биологического эквивалента рентгена. Биологический эквивалент рентгена (бэр) — это такая доза альфа-, бета- или нейтронного излучения, которая эквивалентна по биологическому действию на живой организм одному рентгену гамма-излучения. При непосредственном облучении тканей живых организмов 1 р гамма-излучения соответствует 1 фэр бета-излучения и 0,1 фэр альфа-излучения. Это соответствие установлено в результате длительных наблюдений и многочисленных опытов.

Физическая доза излучения (или облучения) характеризует поглощенную энергию независимо от времени облучения. Например, дозу в 10 р можно получить за 1 час, за . 100 дней или за какой-либо другой промежуток времени. Для характеристики скорости нарастания дозы во времени

введено понятие мощности физической дозы {сокращенно — мощность дозы). Мощностью дозы (Р) называется энергия, поглощаемая единицей объема облучаемой среды в единицу времени. Единицами измерения мощности дозы являются рентген в час (р/час) , миллирентген в час (мр/час), микрорентген в секунду (мкр/сек) и др.

Мощность дозы зависит от интенсивности излучения; для монохроматического гамма-излучения эта связь определяется соотношением

где Iγ - интенсивность излучения;

µa - линейный коэффициент поглощения гамма-лучей в веществе, подвергающемся облучению;

n - число гамма-квантов, проходящих через 1 см3 облучаемой среды в 1 сек.;

Еγ - энергия одного гамма-кванта.

Если интенсивность излучения постоянная, то мощность дозы соответствует дозе облучения за единицу времени. В этом случае дозу облучения Dγ за любой другой промежуток времени ∆t можно рассчитать по формуле

В этой формуле поэтому

Полученное выражение показывает, что доза облучения зависит от числа гамма-квантов (Zγ ), проходящих через объем в 1 см3 облучаемой среды за все время облучения ( ∆t), а также от их энергии (Eγµa ).

IV. ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ СЧЕТЧИКИ ИОНИЗИРУЮЩИХ ЧАСТИЦ

Более эффективными для регистрации радиоактивных частиц являются газоразрядные счетчики. Для увеличения импульсов в газовых счетчиках используется ударная ионизация атомов газа электронами, ускоренными сильным электрическим полем.

Газоразрядный (сокращенно — газовый) счетчик, так же как и ионизационная камера, представляет собой конденсатор с газовым наполнением пространства между электродами.

В большинстве случаев счетчики конструктивно выполняются в виде закрытого металлического или стеклянного •цилиндра, покрытого внутри слоем металла; по оси цилиндра натягивается тонкая нить (рис. 10). Металлический цилиндр используется в качестве катода, т. е. к нему подводится проводник от отрицательного зажима источника напряжения. Нить является анодом счетчика; через сопротивление нагрузки она соединяется с положительным зажимом источника напряжения. Газовые счетчики наполняются обычно смесью инертных газов — неона (Ne) и аргона (Аг) при пониженном давлении 100—200 мм ртутного столби.

Рис. 10 Устройство газового счетчика с металлическим корпусом и схема включения

Указанные конструктивные особенности счетчиков направлены на обеспечение условий ударной ионизации газов электронами при возможно более низком напряжении источника питания.

Инертные газы находятся в атомарном состоянии; при ионизации в качестве отрицательного иона они всегда имеют электроны (явления «прилипания» электронов к атомам этих газов не наблюдаются); электроны, обладай Массой, в несколько тысяч раз меньшей, чем у ионов, более подвижны, поэтому их легче разогнать до скоростей, при которых начинается ударная ионизация.

Рис. 11. Электрическое поле в газовом счетчике и расположении области ударной ионизации

Применение анода а виде тонкой нити с диаметром порядка десятых долей миллиметра позволяет значительно увеличить напряженность электрического поля около нее (рис. 11) по сравнению с полем между плоскими электродами при тех же условиях. Сила, действующая на электрон в электрическом поле и создающая ускоренное движение электрона к аноду, определяется напряженностью электрического поля (f=Eе). Однако кинетическая энергия и скорость движения (W =mv²/2) зависят не только от силы, но и от длины пути, пройденного электроном от одного соударения с атомом газовой среды до другого.

Уменьшение давления газа в счетчике увеличивает среднюю длину свободного пробега электронов в газе и, следовательно, также необходимо для получения условий ударной ионизации при более низком напряжении.

Ударная ионизация атомов газа электронами имеет место не во всем объеме счетчика, а только около нити (анода), где напряженность электрического поля достаточно большая. Пространство около анода счетчика, где возможна ударная ионизация, называют областью ударной ионизации (см. рис. 11).

Рассмотрим принцип работы газового счетчика.

При отсутствии ионизирующего излучения газ, наполняющий счетчик, содержит электрически нейтральные атомы, и свободных электрических зарядов, способных перемещаться под действием сил электрического поля, нет, поэтому электрического тока в цепи также нет. Предположим, что в рабочий объем счетчика проникла одна ионизирующая частица и создала там одну пару ионов. Под действием сил электрического поля положительный ион будет двигаться к катоду, а электрон — к аноду. В области ударной ионизации электрон, приобретающий достаточно большую скорость, ионизирует нейтральный атом при соударении с ним. В результате к аноду будут двигаться уже два электрона, которые, набрав скорость, будут также ионизировать атомы газа, вновь удваивая число электронов и ионов, и т. д.

Таким образом, вблизи анода газового счетчика происходит лавинообразное нарастание ионизации; в результате число электронов, падающих на анод, многократно увеличивается (от 10³ до 109 раз в зависимости от напряжения на счетчике). Длительность развития ионизации составляет миллионные доли секунды (микросекунды). За это время все электроны падают на поверхность анода, а тяжелые положительные ионы не успевают сколько-нибудь значительно переместиться с места своего образования, создавая вокруг анода слой («чехол») положительного пространственного заряда.

Постепенно положительные ионы относительно медленно перемещаются к катоду. Когда ион приближается к поверхности катода, он силой электрического поля своего заряда вырывает электрон катода и нейтрализуется.

Движение положительных ионов и электронов вызывает появление импульса тока в цепи счетчика и соответственно импульса падения напряжения на сопротивлении его нагрузки, что создает кратковременное уменьшение положительного напряжения на аноде. Таким образом, ионизирующая частица, создавшая хотя бы одну пару ионов в счетчике, фиксируется импульсом тока и напряжения, которые в свою очередь сравнительно просто можно зарегистрировать соответствующими регистрирующими устройствами, принцип работы которых будет рассмотрен ниже.

Форма импульсов напряжения на аноде счетчика приведена на рис.12

Характерной особенностью счетчиков является наличие так называемого мертвого времени, т. е. промежутка времени, в течение которого счетчик становится нечувствительным к радиоактивным частицам, создающим в его объеме новые первичные пары ионов.

Такое свойство счетчиков объясняется тем, что «чехол» положительных ионов, образующихся в области ударной ионизации, вместе с электронами, которые удерживаются на поверхности анода силами электрического притяжения к ионам, образует дополнительное электрическое поле. Благодаря этому напряженность результирующего электрического поля около анода уменьшается, настолько, что условия для ударной ионизации не обеспечиваются. Поэтому новые радиоактивные частицы не смогут создать новых импульсов газового разряда. В процессе движения ионов к катоду созданное ими дополнительное электрическое поле около анода уменьшается. Мертвое время в газовых счетчиках заканчивается тогда, когда напряженность поля около анода возрастет до величины, необходимой для ударной ионизации, и в первом приближении совпадет с длительностью импульса (см. рис. 12).