"Физика (углублённый уровень)", Кабардин О.Ф., Глазунов А.Т., Орлов В.А. и др. / Под ред. Пинского А.А., Кабардина О.Ф.
Ионизирующее излучение нельзя увидеть напрямую, но его взаимодействие с веществом можно превратить в измеряемый сигнал. При прохождении излучения образуются ионы, возбуждаются атомы, возникают вспышки света или электронно-дырочные пары. Эти эффекты используют ионизационные камеры, счётчики Гейгера—Мюллера, сцинтилляционные, фотографические, трековые и полупроводниковые детекторы. По сигналу определяют число частиц, интенсивность, энергию и направление их движения.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Ионизирующее излучение — поток частиц или квантов, энергия которых достаточна для выбивания электронов из атомов и образования ионов. К нему относят α- и β-частицы, протоны, нейтроны, рентгеновское и γ-излучение. Это понятие нужно, чтобы отличать излучение, способное изменять состав вещества, от обычного света.
Ионизационный метод регистрации — обнаружение излучения по ионам, возникающим в облучённом веществе. Электрическое поле разделяет положительные и отрицательные заряды, а ток или заряд показывают интенсивность излучения. Метод позволяет измерять не сам луч, а результат его действия.
Счётчик Гейгера—Мюллера — газоразрядный прибор, в котором прохождение ионизирующей частицы вызывает краткий разряд и электрический импульс. Импульсы подсчитывают, поэтому прибор определяет число событий за время. Обычно он не даёт точного значения энергии каждой частицы.
Сцинтилляционный счётчик использует сцинтиллятор — вещество, испускающее вспышку света при поглощении энергии излучения. Фотоэлектронный умножитель или фотодиод превращает свет в электрический сигнал. По числу вспышек считают частицы, а по величине сигнала иногда оценивают их энергию.
Проходящая через вещество заряженная частица взаимодействует с электронами атомов и может передать им энергию, достаточную для отрыва. Возникают свободный электрон и положительный ион, а при меньшей переданной энергии атом переходит в возбуждённое состояние. Возбуждённый атом возвращается в устойчивое состояние, испуская энергию, например в виде света, поэтому взаимодействие становится регистрируемым.
В ионизационной камере между электродами находится газ, через который проходит излучение. Электрическое поле направляет электроны к положительному электроду, а положительные ионы — к отрицательному, создавая ток во внешней цепи. Чем больше частиц проходит за секунду, тем больше образуется ионных пар и тем больше средний ток.
В счётчике Гейгера—Мюллера напряжение выбирают достаточно большим, чтобы один первичный электрон ускорялся и вызывал новые ионизации. Возникает лавина, а затем самостоятельный газовый разряд, охватывающий чувствительный объём. Поэтому даже слабое первичное событие превращается в хорошо различимый импульс, и частицы удобно считать.
В сцинтилляционном детекторе энергия излучения возбуждает атомы сцинтиллятора, которые быстро испускают порцию света. Световая вспышка поступает на фотоэлектронный умножитель или фотодиод, где преобразуется в электрический сигнал. Число сигналов даёт число событий, а их амплитуда связана с переданной веществу энергией.
Фотографический метод сохраняет действие излучения в светочувствительном слое, а трековый детектор показывает цепочку ионизации вдоль траектории частицы. Полупроводниковый детектор использует энергию излучения для образования электронно-дырочных пар в кристалле. Собранный заряд даёт импульс, по которому можно не только считать частицы, но и точнее определить их энергию.
В таблице сопоставлены механизм действия и результат измерения. Если нужно только узнать интенсивность или число событий, подходят простые счётчики; для анализа энергии выбирают сцинтилляционный или полупроводниковый детектор. Трековые и фотографические методы особенно полезны, когда важны след и направление движения.
| Метод или детектор | Физическое явление | Что регистрируется | Какая информация получается | Преимущества | Ограничения |
|---|---|---|---|---|---|
| Ионизационная камера | Ионизация газа и разделение ионов электрическим полем | Ионный ток или собранный заряд | Интенсивность, доза при калибровке | Точность и пропорциональность сигналу | Небольшой сигнал, невысокая чувствительность |
| Счётчик Гейгера—Мюллера | Лавинный газовый разряд | Отдельные электрические импульсы | Число частиц и скорость счёта | Простота, высокая чувствительность | Обычно не измеряет энергию, есть мёртвое время |
| Сцинтилляционный счётчик | Сцинтилляция и преобразование света в электрический сигнал | Вспышки и амплитуды сигналов | Число событий и энергия | Быстродействие, возможность спектрометрии | Зависимость от материала и светосбора |
| Полупроводниковый детектор | Образование электронно-дырочных пар | Заряд и импульсы | Число частиц и их энергия | Высокое энергетическое разрешение, компактность | Требовательность к условиям работы и электронике |
| Фотографический и трековый метод | Химическое действие или ионизационный след | Почернение, треки, траектории | Факт прохождения, направление и характер движения | Наглядность и сохранение результата | Не всегда удобны для быстрого автоматического счёта |
В камере за время t собран заряд Q. Нужно определить число образовавшихся ионных пар, если заряд одной пары считают равным элементарному заряду e. Измеренный заряд — это суммарный заряд всех собранных носителей.
Ответ: N = Q/e ионных пар. Время t в этой задаче нужно только для описания измерения; если требуется интенсивность образования пар, дополнительно используют N/t.
Счётчик дал N импульсов за время t, а естественный фон за такое же время составил N₀ импульсов. Общее число включает и события от источника, и фоновые события. Поэтому сначала отделяем полезный сигнал, а уже затем делим его на продолжительность опыта.
Ответ: n = (N − N₀)/t. Если фон оказался больше общего результата, это означает большую статистическую неопределённость, а не отрицательную физическую скорость счёта.
Два прибора зарегистрировали одинаковое число частиц, но только один определил энергию каждой из них. Само равенство числа импульсов ничего не говорит о спектрометрических свойствах приборов. Нужно сравнить, сохраняется ли в величине сигнала информация об энергии.
Ответ: энергию определяет сцинтилляционный или полупроводниковый детектор; Гейгер—Мюллер даёт преимущественно информацию о числе частиц.
Считать каждый импульс полной энергией частицы. В счётчике Гейгера импульс означает событие, но его амплитуда обычно не пропорциональна энергии. Проверка: спросите, предусмотрен ли в приборе измерительный спектр, а не только счёт импульсов.
Путать интенсивность и энергию частицы. Интенсивность описывает поток или число событий за время, а энергия относится к одной частице или кванту. Проверка: единицы интенсивности содержат время, например импульсы/с, а энергия измеряется в джоулях или электрон-вольтах.
Не вычитать фон. Часть импульсов появляется из-за естественного излучения и шумов, поэтому общий счёт завышает вклад источника. Проверка: измерьте фон отдельно за такое же время и используйте Nист = N − N₀.
Считать отсутствие сигнала отсутствием излучения. Детектор может быть малоэффективен, неправильно ориентирован или закрыт экраном, а редкое событие не обязано попасть в короткое измерение. Проверка: учитывайте геометрию, чувствительность, время опыта и статистическую погрешность.
Для понимания регистрации нужны знания о строении атома, ионизации и возбуждении вещества, токе в газах, заряде электрона и статистическом характере радиоактивного распада. Эти понятия объясняют появление сигнала и разброс результатов измерений.
Методы регистрации применяются в дозиметрии, радиационной безопасности, спектрометрии и экспериментальной ядерной физике. Выбор детектора зависит от того, требуется ли считать события, измерять энергию или восстанавливать траекторию.
Регистрация излучения позволяет исследовать закон радиоактивного распада и измерять период полураспада. Для этого подсчитывают активность источника в разные моменты времени и учитывают фон.
Почему ионизирующее излучение можно обнаружить, если его нельзя увидеть непосредственно?
Оно взаимодействует с веществом: ионизирует и возбуждает атомы, создаёт заряженные частицы, световые вспышки или электронно-дырочные пары. Детектор преобразует такой эффект в электрический сигнал, который можно измерить.
Чем ионизационная камера отличается от счётчика Гейгера—Мюллера?
В ионизационной камере собираются первичные ионы, поэтому измеряемый ток связан с общей интенсивностью излучения. В счётчике Гейгера—Мюллера каждый акт ионизации запускает усиленный газовый разряд и отдельный импульс.
Почему счётчик Гейгера считает частицы, но обычно не определяет их энергию?
Газовый разряд в нём развивается почти одинаково для частиц, вызвавших первичную ионизацию разной энергии. Поэтому амплитуда импульса обычно не сохраняет информацию об энергии частицы.
Зачем в сцинтилляционном детекторе нужен фотоэлектронный умножитель или фотодиод?
Сцинтиллятор создаёт очень слабую вспышку света. Фотоэлектронный умножитель или фотодиод превращает её в электрический сигнал, который можно усилить, посчитать и измерить.
Почему при любом измерении радиоактивности нужно вычитать фон?
Часть импульсов возникает не от исследуемого источника, а от естественного радиационного фона и шумов прибора. Поэтому из общего числа событий вычитают среднее число фоновых импульсов за такое же время.
§ 78. Методы регистрации ионизирующих излучений
