Излучений и основные термины

Изучение радиоактивных веществ нельзя увидеть подобно световому излучению, не ощущаем мы его и в виде теплового излучения, не воспринимаем органами слуха, следовательно обнаружить непосредственно его не удается. Несмотря на то, что до сих пор еще никто не видел непосредственно электроны или гамма -кванты, мы не сомневаемся в их существовании и знаем о наличии у них определенных свойств. Это стало возможным благодаря косвенным наблюдениям, осуществляемым с помощью сложных приборов, которые позволяют получать ценные сведения о свойствах этих частиц, гораздо более точные, чем те, что дают наши органы чувств.

Пока частица летит и ни с чем не взаимодействует, она не наблюдаема. Любой процесс регистрации частицы сводится к наблюдению результата взаимодействия ее с веществом. В зависимости от характера взаимодействия излучения с веществом методы регистрации излучения условно можно разделить на:

- ионизационные, основанные на ионизирующем действии излучения;

- оптические, можно встретить сцинтилляционные - регистрация люминисценции некоторых веществ под действием излучения;

- радиографические, основанные на химическом воздействии излучений на фотоэмульсию;

- методы, основанные на эффекте Черенкова-Вавилова, заключающиеся в том, что в некоторых веществах появляется свечение при пролете через них частицы, движущийся со скоростью, превышающей скорость распространения света в данном веществе.

Энергия, затрачиваемая частицей в результате различных процессов взаимодействия в дальнейшем может преобразовываться в иные формы энергии. Так, энергия передаваемая излучением ядрам и электронам среды, в конечном итоге превращается в тепловую энергию. Другими словами, при прохождении излучения через вещество последнее нагревается. Ионизация некоторых веществ способствует протеканию в них специфических химических реакций, в результате чего возникают новые вещества.

Все эти процессы, заключающиеся в преобразование энергии излучения в другие виды энергии используют для регистрации частиц. Чтобы зарегистрировать указанные процессы, необходимы определенные устройства.

Устройства, предназначенные для преобразования энергии ионизирующего излучения в другие виды энергии, удобные для индикации и последующей регистрации и измерения, называются детекторами ионизирующего излучения. Латинский, детектор - тот, кто раскрывает, обнаруживает.

Но детекторы, как правило, это лишь часть комплекса аппаратуры, предназначенной для регистрации излучений. Эффект, создаваемый излучением в детекторе, должен быть преобразован в электрический ток, который может привести в действие электрическое регистрирующее измерительное устройство.

Устройства, предназначенные для регистрации действия излучения на детектор, называются регистраторами.

Комплекты устройств - детектор и регистратор обычно называют радиометрами.

Радиометры - приборы, предназначенные для получения информации об активности нуклидов, плотности потока и потоке ионизирующих частиц или фотонов.

Разновидность радиометров представляют собой дозиметры отградуированные в единицах дозы или мощности излучения.

Дозиметры - приборы, предназначенные для получения информации об экспозиционной дозе и мощности экспозиционной дозы или (и) об энергии, переносимой ионизирующим излучением или переданной им объекту, находящемуся в поле его действия.

Существует электрофизическая аппаратура, которая позволяет расшифровать в деталях свойства излучения, проходящего через детектор. Приборы, предназначенные для анализа свойств (состав, энергия и т.д.) излучений, называются анализаторами. В настоящее время различные типы анализаторов принято называть спектрометрами. Спектрометры - приборы, предназначенные для получения информации о спектре распределения ионизирующего излучения по одному или более параметрам, например по энергии квантов или частиц в потоке излучения.

Иногда регистрация следов прохождения отдельных ионизирующих частиц через вещество. По длине следа обычно определяют энергию зарегистрированной частицы, а по виду следа - тип частицы. Такие детекторы принято называть следовыми камерами, а также это могут быть толстослойные фотоэмульсии.

Остановимся подробнее на классификации детекторов. В зависимости от используемого процесса взаимодействия излучения с веществом различают следующие основные типы детекторов.

1.Ионизационные детекторы, в которых непосредственно используется создаваемая излучением ионизация вещества. К ним относятся ионизационные камеры, газоразрядные счетчики разных типов (включая коронные и искровые счетчики), полупроводниковые детекторы, камера Вильсона, фотоэмульсии и некоторые другие виды детекторов.

2. Радиолюминесцентные детекторы, в которых используются сцинтилляции (вспышки света), сопровождающие возбуждение и ионизацию атомов и молекул среды. К этой группе относятся сцинтилляционные счетчики разных типов и термолюминесцентные детекторы.

3 . Детекторы Черенкова, использующие так называемое излучение Вавилова - Черенкова.

4. Калориметрические детекторы, принцип действия которых основан на использовании нагрева вещества под действием излучения.

4.2. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДЕТЕКТОРОВ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Функция отклика детектора

Чтобы изучить основные характеристики детекторов, не надо знать, какие процессы происходят в них. При этом детектор можно рассматривать как устройство, на вход которого поступают частицы, а на выходе появляются сигналы. В разных детекторах сигналы различны: это и вспышки света, и импульсы тока, и пузырьки пара, и капельки жидкости и другие. Методы регистрации и измерения величин сигналов также самые разнообразные. Тем не менее, при таком общем подходе можно определить целый ряд важнейших свойств детекторов и обсудить требования, которым они должны удовлетворять. Наиболее общая характеристика любого детектора – функция отклика G, которую можно определить, как вероятность частице с данными свойствами возбудить в детекторе определенный сигнал. Явный вид функции G определяется свойствами излучения и теми процессами, которые происходят в детекторе. Здесь на примерах рассмотрим, каким образом, зная функцию G и регистрируя сигналы детектора, можно найти свойства излучения.

Пусть в эксперименте исследуется число определенного вида частиц, попадающих в детектор. Тогда G – это вероятность создания сигнала частицей при попадании в детектор и, следовательно, отношение числа зарегистрированных сигналов к значению G даст число частиц, попавших в детектор.

Рассмотрим более сложную задачу. Пусть необходимо измерить распределение частиц по энергиям. В этом случае сигналы детектора различны при регистрации частиц с разными энергиями. Тогда функция отклика G – это вероятность частице с энергией Е при попадании в детектор создать сигнал V. Обозначив спектр частиц Ф (Е), можно записать и связь спектра сигналов детектора N (V) со спектром Ф (Е):

N (V) = ∫ Ф (E) G (E,V)d E.

Аналогичные интегральные уравнения можно записать и для других измеряемых характеристик частиц. Например, при исследовании распределения частиц во времени Ф (t) распределение сигналов детектора во времени N (t^’) будет следующим:

N (t `) =∫ Ф (t) G (t, t `)d t,

где G (t, t') – вероятность детектору создать сигнал в момент t ', когда частица попадает в детектор в момент t '.

Если одновременно исследуется и распределение частиц по энергиям и во времени, то спектр сигналов детектора будет двумерным и интегральное уравнение усложняется.

Таким образом, оказывается, что для нахождения исследуе­мого распределения Ф (Е) или Ф (t) необходимо решить интегральное уравнение, ядро которого G предполагается известным. Успех решения интегрального уравнения в основном определяется видом функции G. Если функцию G (E,V) можно представить в виде произведения некоторой функции g (E) и дельта-функции δ (Е,V) при известной функциональной зависимости V=f (E), то решение будет очень простым:

| _{V= f (E).}

Приведенные выше соображения позволяют сформулировать требования к характеристикам детекторов. Желательно, чтобы функция отклика детектора была δ-функцией, а связь между измеряемой характеристикой частицы и характеристикой сигнала – линейной. В детекторах сигнал вырабатывается в результате поглощения и преобразования энергии частицы. Процессы потери энергии частицы носят статистический характер. В связи с этим сигналы детектора имеют некоторое статистическое распределение и по величине, и по времени их появления, даже если эти сигналы возбуждаются частицами с совершенно одинаковыми свойствами. Таким образом, в реальных детекторах функции G имеют некоторую ширину, т.е. при заданных Е или t, или еще какой-либо характеристики частицы сигналы V и t' и другие имеют конечную вероятность получить значение в интервалах V ± ∆V; t^’ ± ∆ t^’ и т.д.

Функция отклика G (E,V) для детекторов, с помощью которых изучают распределение частиц по энергиям, очень часто представляет собой функцию, подобную распределению Гаусса. В спектрометрии введено понятие энергетического разрешения детектора, определяемое шириной функции G (E,V) на половине ее высоты.

В реальных детекторах преобразование энергии происходит не бесконечно быстро, следовательно, сигналы детекторов имеют конечную длительность. Это приводит к дополнительным осложнениям. Две или более частицы могут попасть в детектор во временном интервале, меньшем длительности сигнала детектора. Это приведет к искажению сигналов. Такое обстоятельство не учтено в приведенном выше уравнении. Следовательно, в спектр (или число) зарегистрированных сигналов необходимо ввести соответствующие поправки, которые зависят от временных характеристик детектора, т.е. от того, насколько быстро происходит в детекторе образование сигнала и насколько велика его длительность, и от временных характеристик аппаратуры, регистрирующей сигналы детектора.

Поле частиц характеризуют дифференциальным и интеграль­ным потоками или токами. В результате особенностей функций отклика детектора его сигналы не всегда можно однозначно сопоставить с этими характеристиками поля частиц. Поэтому очень важно установить для каждого детектора, с какой характе­ристикой поля частиц можно сопоставить его сигналы.

Временные характеристики детекторов необходимо учитывать практически во всех физических измерениях: при измерении числа частиц, при измерениях временных интервалов между появлением двух актов регистрации частиц, при измерениях распределения частиц по энергиям и т.д.

Фотоны, нейтроны, заряженные частицы распределены во времени по тому или иному статистическому закону, часто – это распределение Пуассона. Поэтому даже при небольших количествах частиц, поступающих в детектор в единицу времени, всегда имеется конечная вероятность того, что временной интервал между двумя частицами будет очень мал. Если этот интервал времени между двумя частицами, попавшими в детектор, меньше длительности сигнала детектора, то возможны следующие искажения информации. При регистрации числа событий зафиксируется меньшее число этих событий (две частицы образуют один сигнал), т.е. прибор будет просчитывать. При измерении временных интервалов невозможно будет определить временной интервал между поступлением двух таких частиц в детектор. При измерении энергии частиц в случае наложения во времени частиц прибор зарегистрирует величину сигнала, пропорциональную сумме энергий этих частиц, т.е. детектор и в этом случае будет давать искаженную информацию.

Приведенные выше соображения справедливы не для всех детекторов. Например, несколько частиц, попавших одновременно в какой-либо трековый прибор (камера Вильсона, пузырьковая камера, некоторые искровые камеры), будут все зарегистрированы, и их треки не будут искажены, при условии, что они не сольются в единый. Т.е. здесь уже более важно пространственное распределение частиц.

Рассмотрим вначале эксперимент по определению момента попадания частицы в детектор по сигналу, который фиксируется регистрирующим устройством. Временную характеристику детектора нельзя определить однозначно, пока не будут сделаны замечания о свойствах регистрирующего устройства. Будем считать, что любое регистрирующее устройство вырабатывает сигнал, если ток, или напряжение, или количество света (или еще какая-либо величина) превышает порог его чувствительности.

Введем t * – интервал времени от момента попадания частицы в детектор до момента появления импульса в регистрирующем устройстве. На рис. 1.1 показан сигнал детектора.

Горизонтальной линией на этом рис. показан уровень чувствительности регистрирующего устройства U _д. Если сигналы имеют разные амплитуды, то и время t ’ для таких сигналов будет различным.

Если время нарастания сигнала до своего максимального значения обозначить t _ф (это время называют передним фронтом сигнала), то величина t _ф и будет определять максимальный разброс значений t ’. Однако и в случае, когда величины сигналов детектора одинаковы, время нарастания импульса до значения U _Д будет флуктуировать из-за статистической природы образования сигнала в детекторе.

Таким образом, момент попадания частицы в детектор нельзя определить точнее, чем величина среднеквадратичного стандартного отклонения Величина и определяет временное разрешение детектора. Величина стандартного отклонения зависит в общем случае от свойств детектора, спектра регистрируемого излучения, уровня дискриминации, места попадания частицы в детектор и т.д.

Рис. 1.1. Зависимость величины сигнала детектора от времени нарастания сигналов t*

Учет временных характеристик детектора необходим и при измерениях энергии частиц. Рассмотрим это на примере детекторов, амплитуды сигналов которых пропорциональны энергиям частиц, попавших в детектор. Измеренные спектры сигналов могут быть искажены, если две или более частиц попадут в детектор во временном интервале Δ t, меньшем, чем длительность сигнала детектора. Наложение сигналов детектора показано на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Наложение двух сигналов детектора

При таком наложении измерительное устройство зафиксирует максимальную амплитуду суммы двух сигналов. Из рисунка видно, что для расчета искажений, связанных с наложением сигналов, необходимо знать распределение частиц во времени, их распределение по энергиям, форму сигнала и характеристики регистрирующего устройства. Эта задача – определение и внесе­ние поправок в спектр сигналов – может оказаться сложной для расчета и при больших поправках внести значительные ошибки. Поэтому лучше выбирать такие условия измерения, чтобы вероятности наложения сигналов были малыми.

При измерениях числа частиц, попавших в детектор, необходимо быть уверенным и в том, что каждый сигнал, созданный частицей в детекторе, будет зарегистрирован регистрирующей аппаратурой, т.е. могут быть просчеты этой аппаратуры в результате наложения сигналов от двух и более частиц. Кроме того, некоторые детекторы после регистрации частицы в течение некоторого времени τ_м, называемого мертвым временем, теряют способность регистрировать частицы. Аналогичными свойствами обладает и регистрирующая аппаратура. В большинстве случаев величина τ_м и в детекторах, и в регистрирующей аппаратуре не зависит от того, попала или не попала частица в детектор во временной интервал τ_м после регистрации предыдущей частицы. Такое время называют мертвым временем не продлевающегося типа. Имеются регистрирующие схемы, в которых величина мертвого времени не остается постоянной и зависит от числа последовательных сигналов, временные интервалы между которыми менее τ_м. Такое время называют мертвым временем продлевающегося типа. В сложных измерительных устройствах могут быть элементы с мертвым временем одного и другого типа, и, кроме того, величина мертвого времени может зависеть от величины сигнала и от количества частиц, регистрируемых в единицу времени.

Энергетическое разрешение детекторов

Детекторы, предназначенные для исследования энергетических распределений наиболее удобны в том случае, когда их функция отклика G (E,V) представляет собой колоколообразное распределение значений V при заданном Е. Многие детекторы имеют такой вид G (E,V).

Относительная ширина G (E,V) не может быть как угодно малой. В одних случаях, когда энергия частицы измеряется по ионизационному и сцинтилляционному эффектам, а также по величине пробега, это обусловлено статистическим характером потери энергии частицами в веществе, что приводит к флуктуации числа свободных зарядов, или атомов в нестабильных состояниях или величины пробега. В других случаях, когда энергия определяется по траектории частиц в магнитном поле, ширина распределения G (E,V) ограничивается геометрией прибора [уменьшение ширины распределения G (E,V) требует источников с большой удельной активностью].

Ширина функции G (E,V) – мера энергетического разрешения детектора. Энергетическим разрешением детектора называется отношение ширины Δ Е на полувысоте распределения G (E,V) полученного с моноэнергетическими частицами, отнесенное к среднему значению энергии в этом распределении, т.е. Δ Е/E. Величину энергетического разрешения можно связать с разрешением в шкале сигналов детектора. Если считать, что V = f (E), тогда

Δ Е/E = Δ V/V ·f (E)/ f’ (E) E.

В случае, если величина сигнала пропорциональна энергии частицы, то

Δ Е/E = Δ V/V.

Энергетическое разрешение детектора связано с дисперсией [в случае аппроксимации G(Е,V) распределением Гаусса] следующим образом:

Δ Е/E = 2,36 (σ/V)· [ f (E)/ f’ (E) E ].

Величину дисперсии для детекторов, в которых энергия заряженной частицы определяется по числу пар ионов, по числу пар носителей, по числу фотонов люминесценции, созданных этой частицей (ионизационные, полупроводниковые, сцинтилляционные детекторы), можно найти, если считать, что все акты ионизации и другие явления происходят независимо друг от друга и подчинены закону Пуассона. Тогда дисперсия будет равна среднему числу созданных пар ионов, фотонов и т.д. Последнюю величину можно подсчитать и связать с энергией частицы, если известна средняя энергия, затрачиваемая частицей на образование одной пары ионов, одного фотона, одной пары носителей. Считая, что величина сигнала пропорциональна , а энергия на создание одной пары ионов W, получаем

Предположения о независимости актов взаимодействия, приводящих к появлению, например, пары ионов, оправдываются не всегда. Поясним это на примере работы ионизационных детекторов. Все акты ионизации нельзя считать совершенно независимыми, так как частица на всем своем пробеге должна потерять энергию, точно равную первоначальной. И здесь оказывается существенным соотношения между энергией, затрачиваемой на ионизацию и возбуждение атомов. Действительно, если бы энергия, затрачиваемая на ионизацию, была строго определенной в каждом акте ионизации, а вероятность возбуждения атомов была бы пренебрежимо малой в сравнении с вероятностью ионизации, то флуктуация в числе созданных пар ионов равнялась бы ±1 пара ионов. И наоборот, когда вероятность ионизации мала в сравнении с вероятностью возбуждения, то процесс ионизации можно считать статистически независимым и дисперсия в числе созданных пар ионов равна . На это обратил внимание Фано, который показал, что для водорода предположение о независимости актов ионизации приводит к завышению дисперсии почти в 3 раза по сравнению с наблюдаемой. Обычно вводят коэффициент F (называемый коэффициентом Фано), равный отношению наблюдаемой величины дисперсии к (дисперсии при независимых событиях ионизации). Коэффициент Фано обычно меньше, чем (1 – p _ион), где p _ион – вероятность столкновения, приводящего к ионизации.

Таким образом, энергетическое разрешение с учетом коэффициента Фано F запишется так:

В рассматриваемых случаях величина энергетического разрешения детектора является функцией энергии частицы. При линейной связи амплитуды сигнала V с энергией Е энергетическое разрешение детектора обычно тем лучше, чем выше энергия частицы. Величина энергетического разрешения уменьшается с ростом энергии как .

Вычисления энергетического разрешения η = Δ Е/E по среднеквадратичным флуктуaциям величины сигнала, обусловленного характером взаимодействия частиц с веществом, позволяют оценить только нижний предел величины η. На самом деле имеется еще много различных аппаратурных факторов, которые могут значительно ухудшить энергетическое разрешение. Это шумы измерительных устройств, это неоднородности детекторов, это краевые эффекты (пробег не каждой частицы может уложиться в чувствительном объеме детектора) и т.д.

Экспериментальное определение энергетического разрешения сводится к измерению спектра величин сигналов при облучении детектора моноэнергетическими пучками частиц и одновременно функциональной зависимости среднего значения величины сигнала от энергии частиц, т.е. V=f(Е). При линейной зависимости величины сигнала от энергии частиц (при условии, что измерительная аппаратура не вносит искажений в распределение сигналов по величине) функцию f(Е) можно установить при измерении средних величин сигналов от двух групп моноэнергетических частиц. При измерениях спектра сигналов необходимо, чтобы ширина канала измерительного устройства была, по крайней мере, в 5…10 раз меньше, чем ширина функции G(Е,V) на полувысоте при заданном значении энергии частиц Е. В противном случае нельзя будет точно измерить ни Δ V/V и, следовательно η, ни функциональную зависимость между средним значением величины сигнала и энергией частицы.

Эффективность регистрации

При измерении числа частиц, попадающих в детектор, требования к функции отклика детектора очень скромные – эта функция определяет только вероятность создания и регистрации сигнала измерительным устройством при попадании частицы в детектор. Не каждая частица (особенно незаряженные – фотон, нейтрон) провзаимодействует с детектором при попадании в него.

Более того, даже если взаимодействие и произошло, то сигнал будет зарегистрирован тогда, когда его величина будет превышать уровень чувствительности регистрирующей системы. Вероятность регистрации может зависеть от вида излучения и его энергии, размеров детектора, удаленности и геометрической формы источников излучения, уровня дискриминации регистрирующего устройства (уровня чувствительности).

Вероятность регистрации может быть нормирована по-разному:

- к активности источника,

- к числу частиц, попавших в детектор,

- к потоку частиц в том месте, где расположен детектор.

В зависимости от этого величины вероятности регистрации будут раз-личными и функции отклика носят разные названия. Дадим определения некоторым из них, наиболее распространенным.

Эффективность детектора ε _d – это отношение числа зарегистрированных сигналов (импульсов, треков, световых вспышек и т.д.) к числу частиц, попавших в детектор.

Чувствительность детектора S _d – это отношение числа зарегистрированных сигналов в единицу времени к потоку частиц в месте, где расположен детектор излучения.

Светосила L – это отношение числа зарегистрированных сигналов к числу частиц, испущенных источником. Светосила, как это следует из определения, существенно зависит от взаимного расположения детектора и источника излучений, поэтому светосила скорее характеризует измерительное устройство в целом, чем сам детектор. В дальнейшем, говоря о светосиле, будем всегда иметь в виду светосилу измерительного устройства.

Эффективность, чувствительность и светосила обычно зависят от энергии регистрируемого излучения. Из приведенных определений ясно, что S _d и L меняются в пределах от 0 до 1 и являются безразмерными величинами. Чувствительность детекторов меняется в пределах от 0 до и имеет размерность площади [см²]. Величина эффективности и светосила детектора связаны друг с другом, и, следовательно, для характеристики детектора достаточно определить одну из них. Вычисление эффективности и чувствительности детекторов не всегда оказывается простой задачей.

В общем случае, чтобы вычислить эффективность и чувствительность детектора для частиц определенной энергии, необходимо знать угловое распределение излучения в месте расположения детектора. Кроме того, следует предположить, что детектор не возмущает поле излучения заметным образом. И, наконец, имеет смысл считать, что поле излучения на расстояниях, сравнимых с размерами детектора, не изменяется.

4.3. ИОНИЗАЦИОННЫЙ МЕТОД РЕГИСТРАЦИИИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Поиск по сайту: