Методы, основанные на поглощении и рассеянии излучений

При облучении вещества радиоактивным излучением происходит взаимодействие излучения с электронами атомных оболочек. При этом возможно частичное поглощение излучения, его рассеяние и отражение. Методы анализа, основанные на измерении абсорбции или изменении направления ядерного излучения в результате взаимодействия с веществом, используют при определении одного из компонентов бинарной смеси. По типу излучения различают у-, /?- и нейтронно-абсорбционный методы анализа. Кроме того, следует отметить методы, основанные на отражении /У-частиц и на замедлении нейтронов.

Поглощение /?-частиц пропорционально числу электронов, приходящихся на единицу поперечного сечения определяемого элемента, т. е. отношению —, где Z — заряд элемента, а А — его.

А

Z

атомная масса. Соотношение — для большинства элементов.

А

постоянно и равно 0,5, а для водорода оно составляет 1. На основе этого различия разработан метод определения содержания водорода в углеводородах с погрешностью до 0,02%.

Нейтронно-абсорбционный метод применяют для определения элементов с большими сечениями захвата, например Li, Cd, Gd, В, используя в основном тепловые нейтроны, поглощение которых описывается зависимостью.

где /₀ — поток нейтронов, падающих на образец; о — сечение ядерной реакции (вероятность перехода атомов анализируемого образца в радиоактивный изотоп); п — число атомов поглощающего вещества; / - длина слоя поглощающего вещества.

Лёгкие элементы, особенно водород, эффективно замедляют нейтроны, что может быть использовано для его определения.

Число замедленных нейтронов пропорционально активности а- частиц, образующихся по реакции.

По числу детектируемых а-частиц устанавливают содержание водорода. Таким образом, можно определить влажность почвы, концен трацию водорода в углеводородах и пр.

Методы анализа, основанные на отражении //-частиц, целесообразно использовать в случаях, когда определяемые элементы сильно различаются по величине атомного номера, поскольку отражение //-частиц возрастает с увеличением Z. Интенсивность отраженного //-излучения l_omp ~ -Jz зависит также от толщины отражающего слоя. Метод применяют для определения толщины металлических покрытий и анализа бинарных сплавов.

Радиометрические методы. Радиометрии — совокупность методов измерений активности А радионуклидов.

Массовые измерения А проводят относительными методами: сравнением изучаемых радиоактивных источников с использованием откалиброванных установок. Для создания образцовых источников применяют абсолютные измерения активности. В простейших из них используют газоразрядные, т.н. «4л— счётчики» а-, //-частиц и рентгеновского излучения. Абсолютные измерения осуществляют также с помощью ионизационных камер, полупроводниковых детекторов, калориметров и т. п. Если удаётся определить число М атомов радионуклида в источнике, го активность радионуклидов А равна.

где X — постоянная распада; Т_[а — период полураспада.

Для абсолютных измерений активности нуклидов, распад которых сопровождается каскадным излучением, применяют метод совпадений.

Одной из форм калибровки установок является снятие зависимости вероятности регистрации (или величины производимого эффекта) от энергии излучения (кривые эффективности).

Методы радиометрии применяют при решении разных задач — от исследований радиоизотопными индикаторами до датирования в археологии и геологии (с помощью определения содержания в объекте радионуклида ⁴⁰К).

Эти методы основаны на измерении радиоактивности естественных или искусственных радионуклидов. Многие природные элементы содержат радиоактивные изотопы: К, Rb, Re, Sm, W, Pb, Th, U и некоторые другие. Кроме того, искусственные элементы, такие как Fr, Pm, Тс, At, Ас, Ро, и все элементы, расположенные в Периодической системе после урана, вообще не имеют стабильных изотопов. Концентрацию этих элементов можно определить по их радиоактивности. В первую очередь это касается трансурановых элементов: плутония, америция, нептуния, содержание которых определяют по числу испускаемых «-частиц. По у-излучению часто отыскивают месторождения урана и тория и решают другие геологические задачи.

Мёссбауэровскан спектроскопия — метод изучения взаимодействия ядра с электрическими и магнитными полями, создаваемыми его окружением. Эти взаимодействия вызывают сдвиги и расщепления уровней энергии ядра, что проявляется в сдвигах и расщеплениях мёссбауэровских линий. Энергия таких взаимодействий меньше 10 ⁴ эВ, однако сверхтонкая структура мессбауэровских линий легко наблюдается благодаря малой естественной ширине линии. Для этого используют эффект Доплера. Источнику у-излучения сообщается скорость v относительно поглотителя, при этом энергия у-кванта меняется на ве- E_nv

личину ЛЕ = —— (Ео — энергия у-перехода). Скорости v в ин;

с

тервале 0,1 — 1,0 см/с приводят к смещению линии на величину порядка её естественной ширины. Мёссбауэровский спектрометр (рис. 14.1) измеряет зависимость резонансного поглощения у-квантов от скорости источника v. Максимум поглощения наблюдается, когда сдвиг мёссбауэровской линии, вызванный этим взаимодействием, компенсируется доплеровским сдвигом.

Рис. 14.1. Мёссбауэровский спектрометр: а — схема спектрометра; б — внешний вид; 1 — источник уквантов; 2 — резонансный поглотитель; 3 — детектор у-квантов.

б

Мёссбауэровская спектроскопия позволяет изучать поверхность твёрдых тел, распределение зарядовой и спиновой плотности в твёрдых телах, проводить химический анализ и г. п. Чувствительность мёссбауэровского спектра к динамическим эффектам используют для изучения диффузии атомов, спиновой релаксации, динамических явлений при фазовых переходах и т. п.

Ионизационные методы. В основе ионизационных методов лежит измерение электрической проводимости вещества, возникающей под действием ядерных излучений.

Ионизационные детекторы обычно представляют собой баллоны, заполненные газовой смесью определённого состава. Внутри баллона находятся два изолированных друг от друга электрода. На рис. 14.2 показана схема включения детектора ионизационного типа.

Рис. 14.2. Схема включения ионизационного детектора:

• 1 — ионизационный детектор; 2 - регистрирующее устройство;
• 3 — источник высокого напряжения

Сравнительные характеристики различных видов детекторов приведены в табл. 14.1.

Ионизационные детекторы составляют наиболее обширную группу электронных детекторов. Их принцип дейегвия основан на использовании электрического разряда в газе, возникающего под действием ионизирующего излучения. Если частица нс имеет электрического заряда (нейтроны, у-кванты), то ионизацию могут вызывать вторичные заряженные частицы (протоны отдачи, электроны и позитроны). В соответствии с ГОСТ 19 189–73 различают следующие ионизационные детекторы.

Ионизационная камера — детектор частиц, дейсгвие которого основано на способности заряженных частиц вызывать ионизацию газа. Она представляет собой электрический конденсатор, заполненный газом, к электродам которого приложена разность потенциалов (рис. 14.3).

Таблица 14.1.

Характеристики различных детекторов_.

При попадании регистрируемых частиц в пространство между электродами там образуются электроны и ионы, которые, перемещаясь в электрическом поле, собираются на электродах, что вызывает в цепи камеры электрический ток. Зависимость силы тока от приложенного к электродам напряжения показана на рис. 14.4.

б.

Рис. 14.3. Ионизационная камера: а — схема; б — внешний вид ионизационной камеры дозиметра; 1 - корпус камеры (отрицательный электрод): 2 — стержень (положительный электрод); 5 — изолятор

Рис. 14.4. Зависимость силы тока / в ионизационном детекторе от приложенного к электродам напряжения.

Для регистрации ионизационным методом используют две области напряжений: область, соответствующую току насыщения (ВС), и область газового усиления (CD). Детекторы, работающие в первой области, называют ионизационными камерами, а во второй — счётчиками.

В токовых ионизационных камерах измеряют ток /, создаваемый электронами и ионами (рис. 14.5, а). Ток этот мал (10 ¹⁵ — 10 ¹⁰ А) и требует усиления для регистрации.

В импульсных ионизационных камерах регистрируют и измеряют импульсы напряжения, которые возникают на сопротивлении R при протекании по нему ионизационного тока, вызванного прохождением частицы (рис. 14.5, б). Амплитуда и длительность импульсов зависят от величины RC.

Различают также интегральную, дифференциальную, компенсационную, проточную, полосную и другие ионизационные камеры.

Ионизационные камеры — один из старейших детекторов, применявшихся ещё в первых опытах Э. Резерфорда (Е. Rutherford — английский физик, 1871 — 1937). Однако благодаря своей простоте и высокой эффективности регистрации их продолжают использовать в дозиметрах, для контроля за работой ускорителей и ядерных реакторов, при исследовании космических лучей и др. Однако их временное разрешение невелико и амплитуда электрического сигнала мала.

Рис. 14.5. Схема включения ионизационной камеры: а — токовая камера; б — импульсная камера Важными характеристиками счетчиков, лимитирующими соответственно минимальное и максимальное числа импульсов, которые могут быть зарегистрированы с желаемой точностью, являются фон и разрешающее время.

Фоном называют показания прибора в отсутствии исследуемых источников излучения. Фон счётчиков обусловлен космическим излучением, наличием радиоактивных веществ в окружающей среде, в том числе в материалах, из которых изготовлен сам счетчик, самопроизвольными разрядами в счётчике (ложные импульсы). Обычно для различных по конструкции счётчиков Гейгера-Мюллера (Н. Geiger — немецкий физик, 1882 — 1945) фон колеблется от К) до 110 имп/мин. Специальными методами удаётся снизить фон примерно на порядок.

Разрешающим временем счётчика называют минимальный промежуток времени между двумя последовательными импульсами, которые регистрируются раздельно. Разрешающее время счётчиков Гейгера составляет примерно КГ⁴ — 10″³ с^-1 и позволяет регистрировать скорости счёта в интервале 10″ - 10⁴ имп/мин.

Под эффективностью счётчика е понимают отношение числа частиц, зарегистрированных счётчиком, к числу частиц, попавших в его рабочий объём. Эффективность счётчиком Гейгера к //-излучению близка к 100%, а к у-излучению не превышает 1 — 3%.

Сцинцилляции (от лат. scitillatio — мерцание) — это свойство определённых веществ излучать свет под действием ионизирующего излучения. В основе работы сцинтилляционного детектора (рис. 14.6) лежит способность некоторых веществ преобразовывать энергию ядерных излучений в фотоны видимого и УФ света.

Рис. 14.6. Схема жидкостного сцинтилляционного счётчика:

• 1 — жидкостный сцинтиллятор с анализируемым веществом;
• 2 - фотоэлектронные умножители; 3 — схема совпадения;
• 4 — усилитель; 5 — дискриминатор; б — регистратор

Сцинтилляторы классифицируют следующим образом:

• 1. Неорганические: ZnS (Ag), Nal (Tl), Agl (Eu) и др. (в скобках указан активатор, обеспечивающий возникновение в кристалле сцинтилляций).
• 2. Из органических кристаллов: нафталин, антрацен.
• 3. Жидкостные: 2,5-дифенилоксазол и и-терфенил в толуоле, диоксане и других растворителях.
• 4. Пластмассовые с активатором.

Сцинтилляционныс счетчики обладают, как правило, малым разрешающим временем: 10 ⁵ — 10 ⁶ с '. Использование жидкостных сцинтилляторов позволяет эффективно регистрировать низкоэнергетическое излучение таких радиоактивных изотопов, как ³Н, ^|4С, ³⁵S, которые широко применяют в биологии, биохимии, медицине. Фон сцингилляционных счётчиков, имеющих специальную схему совпадения, нс превышает нескольких импульсов в минуту.

Двухкристальный сцинтилляционный спектрометр с защитой на антисовпадениях для одновременного и селективного измерения гаммаи бета-активности проб без их радиохимической подготовки показан на рис. 14.7.

Рис. 14.7. Двухкристальный сцинтилляционный спектрометр.