Химические методы регистрации излучений

Молекулы некоторых веществ в результате воздействия ионизирующих излучений распадаются, образуя новые соединения. В основе химических методов регистрации лежит количественное определение изменений в химических растворах, которые возникают в результате поглощения энергии излучения. Количество вновь образованных химических веществ можно определить различными способами.

Химические детекторы основаны на измерении выхода радиационно-химических реакций, протекающих под действием ионизирующих излучений. Количественно результат воздействия излучения оценивается по радиационно-химическому выходу. Под выходом реакции понимают число характерных превращений (число вновь образованных атомов, ионов и т. д.) на 100 эВ поглощенной энергии. Если выход не зависит от скорости поглощения энергии, то такая система может быть применена для определения поглощенных доз излучения.

Жидкостные химические детекторы — это детекторы, использующие водные растворы. Они основаны на химических реакциях, происходящих между растворенными в воде веществами и продуктами радиолиза воды, образующимися под действием ионизирующих излучений. Под действием излучений молекула воды ионизируется:

H2O > H2O+ + e.

Освободившийся электрон захватывается нейтральной молекулой воды и образуется отрицательный ион H2O-. Ионы H2Oи H2O+ неустойчивы и самопроизвольно распадаются.

H2O+ H+ +OH0.

H2OH0 + OH-.

Образующиеся свободные радикалы OH0 и H0 не несут электрического заряда, но имеют насыщенные химические валентности и поэтому обладают высокой реактивной способностью. Чем больше плотность ионизации, тем выше концентрация радикалов, те радикалы, которые избежали рекомбинации, вступают в реакции с растворенным веществом. Например, ферросульфатный детектор основан на свойстве ионов двухвалентного железа Fe2+, окисляется в кислой среде радикалами OH0 до трехвалентного Fe3+. Количество ионов Fe3+, образовавшихся в результате завершения всех реакций, служит мерой поглощения энергии.

Фотографические детекторы.

Фотографические детекторы основаны на свойстве ионизирующих излучений, воздействовать на чувствительный слой фотоматериалов аналогично видимому свету. Для детектирования обычно применяют рентгеновские пленки, представляющие собой чувствительную эмульсию, нанесенную с одной или с двух сторон на целлулоидную подложку. В состав чувствительной эмульсии входит бромистое или хлористое серебро, равномерно распределенное в слое желатина. При воздействии ионизирующих излучений на чувствительную эмульсию образуется «скрытое изображение»: на поверхности зерен AgCl или AgBr происходит возникновение «центров проявления» — атомов металлического серебра. Проявление скрытого изображения заключается в восстановлении металлического серебра в зернах, содержащих центры проявлений, что приводит к почернению чувствительного слоя. Облученная, проявленная и закрепленная пленка имеет определенную оптическую плотность почернения, по которой судят о поглощенной дозе.

К числу достоинств этого метода следует отнести возможность массового применения для индивидуального контроля доз, возможность совместной и раздельной регистрации дозы от беттаи гамма-излучений, возможность регистрации дозы нейтрального излучения, восприимчивость к резкому изменению температур.

Недостатками метода являются малая чувствительность пленок, низкая точность, наличие хода с жесткостью, зависимость показаний от условий обработки пленки и громоздкость такой обработки, невозможность повторного использования облученных пленок.

Сцинтилляционные детекторы.

Сцинтилляционный счетчик состоит из сцинтиллятора — вещества, способного испускать видимое излучение под действием заряженных частиц, и фотоэлектронного умножителя (ФЭУ), в котором энергия этих световых вспышек (сцинтилляций) через посредство фотоэффекта преобразуется в импульсы электрического тока. Процессы, протекающие в сцинтилляционном счетчике при попадании в сцинтиллятор заряженной частицы, можно условно разделить на 5 промежуточных стадий:

• 1) поглощение энергии частицы в сцинтилляторе;
• 2) возбуждение атомов и молекул сцинтиллятора за счет поглощенной в нем энергии частицы и испускание квантов видимого света — фотонов;
• 3) бомбардировка катода ФЭУ фотонами, испускаемыми сцинтиллятором;
• 4) поглощение фотонов в катоде и испускание им фотоэлектронов;
• 5) умножение электронов системой динодов ФЭУ и сбор электронов на аноде.

Рис. 2. Схема сцинтилляционного счетчика

Заряженные частицы, попадая в сцинтиллятор Рис. 2., расходуют свою энергию на возбуждение и ионизацию атомов или молекул сцинтиллятора, причем часть этой энергии излучается в виде фотонов видимого света, испускаемых во всех направлениях. Фотоны, попадая сквозь прозрачное окно на фотокатод 2, выбивает из него в результате фотоэлектрического эффекта фотоэлектроны, которые ускоряются и фокусируются электрическим полем между первым динодом системы умножителя 3 и фотокатодом и направляются на первый динод. Диноды ФЭУ изготавливают из вещества с малой работой выхода электронов, они способны при бомбардировке их электронами испускать вторичные электроны в количестве, превышающем число первичных в несколько раз. Эти ускоренные фотоэлектроны выбивают из первого динода вторичные электроны, которые в свою очередь ускоряются электрическим полем между вторым и первым динодами и направляются на второй динод, также являющийся эмиттером вторичных электронов. Аналогичный процесс умножения электронов повторяется и на последующих динодах. Собираемые на аноде ФЭУ 4 электроны создают импульс напряжения на сопротивлении анодной нагрузки R, который регистрируется электронной схемой.

Ускоряющее поле между электронами ФЭУ создается с помощью делителя 5, подключенного к источнику высокого напряжения U. Каждый последующий электрод имеет более высокий потенциал, чем предыдущий.

В настоящее время благодаря ряду преимуществ по сравнению с другими детекторами сцинтилляционные счетчики нашли широкое применение для регистрации ионизирующих излучений. К числу этих преимуществ относятся:

• 1) универсальность с точки зрения возможности регистрации ионизирующих излучений практически любых видов;
• 2) возможность измерения энергии исследуемых частиц или квантов;
• 3) высокая разрешающая способность;
• 4) высокая эффективность регистрации гамма-излучения (несколько десятков процентов).

Сцинтилляторы делятся на 2 основных класса: неорганические и органические. К неорганическим относятся Na I (Tl), Cs I (Tl), K I (Tl), Li I (Tl). В качестве органических сцинтилляторов используют органические монокристаллы ароматических углеродов: антрацен, толан, нафталин, стильбен и др. Органические растворы, способные люминисцировать кристаллы с примесями, например атрацен с нафталином, жидкие растворы, например раствор терфенила в ароматических растворителях, и твердые растворы в пластмассах.

Исследование ионизирующих излучений можно производить с помощью трековых детекторов. Трек — это след, оставленный движущейся частицей в веществе. В качестве регистрирующего вещества может быть использована парогазовая смесь, перегретая жидкость, фотоэмульсия, твердотельные диэлектрики и т. д.

Если давление паров парогазовой смеси выше давления насыщенных паров при данной температуре, то такое состояние пара называется перенасыщенным. Перенасыщенное состояние не стабильно. Если сквозь камеру, содержащую перенасыщенный пар пролетит заряженная частица, то на цепочке ионов, образовавшихся на её пути, произойдет конденсация жидкости, в виде тонкой ниточки тумана. Это явление и было использовано в 1899 году английским физиком Вильсоном для создания камеры, позволяющей фотографировать треки заряженных частиц.