Особенности работы счетчиков излучения
Министерство образования РФ.
Новгородский Государственный Университет им. Ярослава Мудрого.
Кафедра ОиЭФ.
“Особенности работы счетчиков излучения”
Курсовая работа по учебной дисциплине:
“Прикладная физика”
Руководитель:
проф. Кафедры ОиЭФ
д.ф.- м.н.
Данильчук Л.Н.
Выполнили:
студенты ФТФ группы 8121
Круглова Е.А.
и Удальцов Я.М.
Великий Новгород
2002 год.
Содержание
I. Радиоактивные излучения и их свойства
II. Основной закон радиоактивного распада. Единицы измерения радиоактивности
III. Физическая доза излучения, мощность физической дозы и единицы их измерения
IV. Газоразрядные счётчики ионизирующих частиц
V. Счётчик Гейгера с высоковольтным питанием от преобразователя постоянного напряжения на полупроводниковом триоде
VI. Счётчик СТС-5
VII. Схема удвоения напряжения
VIII. Счётчик слабого бета- излучения СТБ-13
IX. Разработка микросхемы для счётчика слабого бета-излучения
X. Применение счётчика
I РАДИОАКТИВНЫЕ ИЗЛУЧЕНИЯ И ИХ СВОЙСТВА
Радиоактивные распады ядер неустойчивых изотопов химических элементов принято определять по виду создаваемых ими излучений. К основным видам радиоактивного распада относятся альфа-распад и бета-распад.
Альфа-распад сопровождается вылетом из ядра альфа-частицы, представляющей собой быстролетящее ядро изотопа гелия Нe(А=4,Z=2). Радиоактивные вещества, обладающие альфа- распадом, принято называть альфа- активными веществами.
Бета-распад сопровождается вылетом из ядра бета-частицы, представляющей собой электрон или позитрон.
Позитроны — элементарные частицы, обладающие массой электрона и имеющие положительный заряд, по абсолютной величине равный заряду электрона. Вещества, создающие бета-излучение, принято называть бета- активными.
В большинстве случаев после вылета бета- или альфа-частицы ядро нового атома остается в возбужденном состоянии, иначе говоря, оно обладает избытком энергии. Избыточная энергия возбужденного ядра излучается в виде кванта (порции) электромагнитной энергии, получившей название гамма- кванта.
Радиоактивные изотопы, у которых бета-распад сопровождается излучением гамма- квантов, принято называть бета-, гамма- активными.
Альфа-излучение. Альфа- активные изотопы относятся к тяжелым элементам с порядковым номером больше атомного номера свинца (Z>82). Неустойчивость ядер таких элементов может быть объяснена чрезмерно большим числом протонов в ядре, взаимное электростатическое отталкивание между которыми ослабляет действие особых ядерных сил притяжения между протонами и нейтронами, обуславливающих прочность ядра.
При испускании альфа-частицы исходный атом превращаетсяв новый атом с уменьшенным на 2 единицы зарядом (Z) и на 4 единицы Рис. 1 График распада массовым числом (А). Так, например, атомы изотопа плутония-239 альфа- активного изотопа- путем альфа - распада превращаются в атомы изотопа урана-235. плутония-239 (Pu )
Схему распада можно представить символами элементов следующим образом:
Распад радиоактивных ядер удобно изображать также графиком (рис.1), в котором каждому энергетическому состоянию ядра (исходного и вновь образованного) соответствует горизонтальная линия, а переход из одного энергетического состояния в другое (т. е. распад) изображается в виде стрелки.
Направление стрелки соответствует направлению изменения порядкового номера изотопа (Z) при распаде. При альфа- распаде порядковый номер элемента уменьшается на 2, поэтому стрелка на рис. 1 имеет направление влево.
На таком графике указываются обычно энергия частиц, излучаемых при распаде, и другие данные, характеризующие свойства изотопов.
Альфа-частицы, испускаемые ядрами одного изотопа, имеют равные энергии. Большинство альфа-активных изотопов излучает частицы с начальными энергиями в пределах от 4 до 8 Мэв, что соответствует начальной скорости их движения порядка 109 — 2 • 109 см/сек (скорость распространения света составляет 3∙1010 см/сек). Проходя через вещество, альфа-частицы, обладающие относительно большим электрическим зарядом (Z=2), эффективно взаимодействуют с электронами, вызывая ионизацию и возбуждение атомов и молекул среды. Хотя в каждом акте взаимодействия с электронами расходуется лишь небольшая доля начальной энергии альфа-частиц, однако большое число актов взаимодействия на единице пути пробега обуславливает быстрое замедление альфа-частицы и сравнительно короткий путь пробега. Таким образом, альфа-излучение, т. е. поток альфа-частиц, обладает высокой ионизирующей и малой проникающей способностью.
Ионизирующая способность радиоактивных излучений характеризуется плотностью ионизации, т. е. числом пар ионов, создаваемым на 1 см пути в поглощающей среде. Плотность ионизации зависит от энергий альфа-частицы и свойств среды. На рис. 2 приведена зависимость плотности ионизации, создаваемой альфа-частицей с начальной энергией Е = 7 Мэв в воздухе, от пройденного пути. На протяжении большей части пути плотность ионизации практически постоянна, однако в конце его, когда энергия частицы и скорость ее движения уменьшаются, ионизирующая способность увеличивается. Средняя плотность ионизации воздуха альфа-частицей имеет величину 30000 пар ионов на 1 см пути.
Общее число пар ионов, создаваемых альфа-частицей до полной ее остановки, зависит от начальной энергии частицы и средней работы, затрачиваемой на образование одной пары ионов. Так, например, при средней работе образования одной пары ионов в воздухе, равной приблизительно 33 эй, альфа-частица с начальной энергией Е = 5 Мэв = 5 000 000 эВ создаст в воздухе (5000000/33)=150000 пар ионов и будет иметь длину пробега порядка (150000/30000)=5cм.
С увеличением плотности среды увеличивается число атомов и электронов в единице объема, поэтому плотность ионизации альфа-частицей возрастает, а длина пробега частиц уменьшается. Так, в алюминии альфа-частицы с энергией 7 Мэв имеют длину пробега порядка 0,0041 мм (4,1 микрона). Обычная тонкая бумага полностью поглощает альфа-частицы естественных альфа- активных изотопов.
Бета-излучение. Источниками бета - излучения является подавляющее большинство радиоактивных изотопов. Образование бета-частицы при радиоактивном распаде происходит за счет превращения одного из нейтронов ядра в протон (электронный бета-распад) или протона к нейтрону (позитронный бета-распад). При бета-распаде массовое число атома (А) не изменяется, так как общее число нуклонов (т. е. протонов и нейтронов) остается в ядре неизменным; заряд ядра увеличивается на единицу при электронном распаде и уменьшается на единицу при позитронном распаде. Примеры электронного и позитронного бета-распадов приведены на рис. 3.
Характерным для бета-распада является то, что ядра одного и того же радиоактивного изотопа испускают бета-частицы с различными начальными энергиями. Наибольшее значение начальной энергии бета-частиц для каждого радиоактивного изотопа имеет строго определенную величину и называется максимальной энергией бета- излучения (Eβ max). У большинства радиоактивных изотопов максимальная энергия бета-излучения имеет величину в пределах от нескольких десятков килоэлектронвольт до 3 Мэв.
Бета-излучение с максимальной энергией меньше 0,5 Мэв условно считается «мягким»; чем больше энергия, тем более «жестким» считается излучение.
Типовое распределение частиц по энергиям для бета-излучения (энергетический спектр) приведено на рис. 4. Средняя энергия бета-частиц обычно составляет ⅓ максимальной. Прохождение бета-частиц через вещество сопровождается их взаимодействием с электронами оболочек атома и ядрами. Это взаимодействие, так же как и у альфа-частиц, имеет электрическую природу, а сопровождается, в зависимости от переданной энергии, либо ионизацией молекул и атомов среды, либо их возбуждением. Общее число пар ионов, которое создается одной бета-частицей в облучаемой среде, определяется ее начальной энергией и средней работой, затрачиваемой на образование пары ионов в облучаемой среде (33 эВ для воздуха). Чем больше начальная энергия бета-частиц, тем большее число, пар ионов она образует на всем своем пути пролета в облучаемой среде.
Бета-частицы обладают значительно меньшей по сравнению с альфа-частицей ионизирующей способностью; средняя плотность ионизации бета-частицей в воздухе составляет около 100 пар ионов на 1 см пути. Меньшая ионизирующая способность бета-частицы объясняется меньшей величиной ее электрического заряда и значительно большими скоростями движения. Так же как и для альфа-частиц, плотность ионизации бета-частицами возрастает с уменьшением их скорости, т. е. к концу пролета бета-частиц.
Имея малую массу, бета-частицы значительно изменяют направление своего движения при случайном попадании в поле действия электрических сил ядра. Поэтому траектория движения бета-частиц в облучаемой среде представляет ломаную линию, а длина пробега бета-частиц по направлению первоначального движения значительно меньше истинного ее пути. При прохождении бета-излучения через слой вещества число бета-частиц постепенно уменьшается (рис.5). Последнее объясняется тем, что длина пробега бета-частицы в среде зависит от ее начальной энергии, а бета-излучение содержит частицы с широким спектром начальных энергий от близких к нулевой до Е max.
Максимальный пробег бета-частиц в среде Rmax определяется глубиной проникновения в нее бета-частиц с максимальной начальной энергией. Величина максимального пробега бета-частиц различных изотопов различна и может быть рассчитана по формулам;
где Eβ max - максимальная энергия бета- излучения изотопов в Мэв;
ρ - плотность поглощающей среды в г/см3;
Rmax - максимальная длина пробега в см.
Так, например, в воздухе (ρ = 0,00129 г/см3) бета- излучение с Eβ max = 1 Мэв имеет максимальный пробег порядка 3 м, а с энергией 3 Мэв— 11,5 м. в алюминии (ρ = 2,7 г/см) при тех же максимальных энергиях бета- излучения максимальный пробег примерно в 2000 раз меньше и составляет 1,6 и 5,5 м соответственно.
Приведенный пример показывает, что проникающая способность бета-частиц значительно больше проникающей способности альфа-частиц. Однако по абсолютному значению она невелика, поэтому защита от бета- излучения относительно проста. Необходимый для защиты слой вещества можно определить по приведенным выше формулам.
