METODE ZA DETEKCIJU ZRAČENJA

U ovom poglavlju su opisani načini na koje se može otkriti i izmjeriti jonizirajuće zračenje . Dio 10.7 pokriva specijalne metode primjenjive za neutrone. U poglavlju 12 vidjećemo na koje se načine ove tehnike primjenjuju za radijacijsku dozimetriju.

10.1. Jonizacija u gasevima

Jonizacijska struja

Na slici 10.1 (a) je prikazana uniformna, paralelna zraka monoenergetski nabijenih čestica koje postojane ulaze u gasnu komoru preko područja A sa energijom E i u komori se zaustavljaju. Potencijalnom razlikom V primjenjenom preko paralelnih ravni P1 i P2 komore podiže uniformno električno polje između njih. Kako čestice usporavaju u komori one joniziraju atome gasa izbacujući elektrone i ostavljajući iza njih pozitivne jone. Izbačeni elektroni mogu odmah stvoriti dodatne jonske parove. Ako je snaga električnog polja, proporcionalnog V, relativno slaba onda će samo nekoliko od ukupnih jonskih parova doći pod njegov utjecaj i u krugu će teći slaba struja. Većina drugih jonskih parova će se rekombinirati da stvore neutralne atome gasa. Kako je pokazano na slici 10.1 (b), struja I se može povećavati povećanjem V do vrijednosti V 0, kada polje postaje dovoljno jako da skupi jonske parove stvorene ulaznom radijacijom i njegovim sekundarnim elektronima.

Zato struja na platou ostaje pri svojoj vrijednosti zasićenja I0 kada je V>V0.

Pošto je odmah mjerljivo važno je vidjeti kakve nam informacije daje struja zasićenja o radijaciji. Ako je brzina uticaja Φcm-2s-1 onda je intenzitet zračenja ψ (dio 8.8) koji ulazi u komoru dat sa ψ=ΦE.

Ako W označava prosječnu energiju potrebnu da se proizvede jonski par kada se čestica početne energije E zaustavlja u komori onda je prosječni broj N jonskih parova nastao ulaznom česticom i njenim sekundarnim elektronima N=E/W.

Prosječan naboj (+ ili -) proizveden po čestici je Ne, gdje je e magnituda elektronskog naboja.

Struja zasićenja I0 u krugu je jednaka proizvodu Ne i ΦA, ukupnom broju čestica koje ulaze u komoru po jedinici vremena.

Stoga imamo,

Slijedi da

Što nam pokazuje da je intenzitet zrake proporcionalan struji zasićenja. Slika 10.1

Slika 10.1 (a) Monoenergetska zraka čestica se zaustavlja u jonizacijskoj komori sa paralelnim pločama i varijabilnom potencijalnom razlikom V primjenjenom preko ploča P1 i P2 (viđeno s ivice).(b) Tok trenutne I naspram V

Važna veza (10.2) je ograničene upotrebe jer je primjenljiva na uniformne, paralelne radijacijske zrake. Međutim, pošto je brzina ukupne apsorpcije energije u gasnoj komori Eabs data sa Eabs=ψA pa možemo umjesto jednačine (10.2) pisati:

Tako nam struja zasićenja daje direktnu mjeru brzine apsorpcije energije u gasu. Veza (10.3) je neovisna od bilo kakvih stanja u geometriji zraka tako da je od velike praktične upotrebne vrijednosti. Nasreću, za dozimetriju je važna energija apsorbirana u biološkim sistemima; sam intenzitet zračenja je obično manje važnosti.

Primjer :

Dobri elektrometri mjere struje do tako malih vrijednosti kao što je 10 -16 Α. Koja je odgovarajuća brzina apsorpcije energije u jonzacijskoj komori sa paralelnim anodama koja sadrži gas za koji je W=30eV po jonskom paru (eVip-1)?

Rješenje:

Jednačinom (10.3) nam je dato

Mjerenja jonizacije su jako osjetljiva. Ova prosječna struja će naprimjer nastati ako se jedna 18.8-keV beta čestica zaustavi u gasnoj komori po sekundi.

Vrijednosti W

Slika 10.2 pokazuje W vrijednosti za protone (H), alfa čestice (He) i jone ugljika i nitrogena različitih energija u gasu dušiku, N2. Ova vrijednost predstavlja prosječnu energiju potrošenu po jonskom paru kada se čestica početne energije E i svi sekundarni elektroni koje ona stvori zaustave u gasu.

Vrijednost za elektrone Wβ=34.6eV ip–1 pokazan horizontalnom linijom, je otprilike ista kao za protone pri energiji E>10keV. Vrijednosti W za teške jone, koji su konstantni pri višim energijama, se povećavaju sa smanjenjem energije jer veći dio gubitka energije prije dolazi do pobuđivanja nego joniziranja gasa. Elastično raspršivanje jona iz jezgre također uzrokuje veliko povećanje pri niskim energijama.

Podaci na slici 10.2 pokazuju da su W vrijednosti za određeni tip nabijenih čestica približno neovisni od svojih početnih energija, osim ako je ta energija mala. Ova činjenica ima veliku praktičnu vrijednost jer često omogućava da se iz mjerenja prikupljenih čestica izvuče apsorbirana energija, neovisno od identiteta ili energijskog spektra ulazne čestice. Alternativno, brzina apsorpcije energije se može izvući iz mjerenja struje.

W vrijednosti za mnoge poliatomske gasove su u rasponu 25–35 eV ip–1.

Tabela 10.1 daje neke vrijednosti za alfa i beta čestice u određenom broju gasova.

Definirali smo W kao prosječnu energiju potrebnu da se proizvede jonski par, i izrazili je u

eV ip–1. Pošto je 1eV=1.60×10–19J i naboj odvojen po jonskom paru je 1.60×10–19C, iz čega slijedi da W ima istu numeričku vrijednost kada se izražava ili u eVip-1 ili JC-1 (problem 13).

Slika 10.2 W vrijednosti za elektrone, protone, alfa čestice, jone ugljika i jone nitrogena u nitrogenu kao funkcija početne energije čestica E. Tačke predstavljaju eksperimentalne podatke, kroz koje su povučene krivulje.

Tabela 10.1 W vrijednosti, Wα i Wβ za alfa i beta čestice u nekoliko gasova

Gas W α(eVip-1) Wβ (eVip-1) Wα/Wβ

He 43 42 1.02

H2 36 36 1.00

O2 33 31 1.06

CO2 36 33 1.09

CH4 29 27 1.07

C2H4 28 26 1.08

Zrak 36 34 1.06

Jonizacijski pulsevi

Osim što mjere apsorbiranu energiju, paralelne anode jonizacijske komore koje rade na području platoa (slika 10.1 (b)) se također mogu koristiti da se broje čestice. Kada nabijena čestica ulazi u komoru potencijalna razlika preko platoa momentalno pada dok se skupljaju joni. Nakon skupljanja potencijalna razlika se vraća na svoju originalnu vrijednost. Elektronički puls koji nastaje tokom skupljanja jona se može pojačati i elektronički snimiti da bi se registrirala čestica. Ako se čestica u komori zaustavi onda se, pošto je broj jonskih parova proporcionalan svojoj originalnoj energiji, veličina svakog pulsa može koristiti da se odredi energijski spektar. I dok se takva mjerenja u principu mogu izvesti, pulsne jonizacijske komore su od ograničene upotrebe zbog prateće elektroničke buke.

Problem buke se najviše smanjuje u proporcionalnom brojaču. Takav brojač iskorištava gas zatvoren i cijevi koja je često napravljena sa finom žičanom anodom koja ide duž ose provodne provodne katode sa cilindričnim omotačem, kako je prikazano na slici 10.3. Snaga električnog polja na udaljenosti od centra anode u ovoj cilindričnoj geometriji je dana sa:

Gdje je V potencijalna razlika između centralne anode i zida cilindra, b je radijus cilinda, tu je a radijus žice anode. Sa ovim aranžmanom moguće su velike snage polja kada je a malo u području blizu anode, gdje je r također malo. Ovo je moguće iz slijedećeg. Uzmimo u obzir puls nastao od alfa čestice koja se zaustavlja u gasu brojača. Kada je prisutna voltaža niska, cijev radi po principu jonizacijske komore. Broj skupljenih jonskih parova ili visina pulsa je mala ako je voltaža dovoljno niska da dođe do rekombinacije.

Slika 10.3 (a) Šematski pogled sa strane i (b) krajnji pogled na cilindričnu proporcionalnu brojnu cijev. Varijacije snage električnog polja sa udaljenosti r od centra anode duž cilindrične ose je dat jednačinom (10.5)

Slika 10.4 Područja djelovanja cilindrične jonizacijske komore punjenje gasom u pulsnom načinu djelovanja

Kako se potencijalna razlika povećava, povećava se i veličina pulsa i onda nivo preko područja platoa, obično do ∼200V, kako je pokazano na slici 10.4. Kada se potencijalna razlika podigne do nekoliko stotina volti jačina polja blizu anode se povećava do tačke gdje se elektroni nastali od alfa čestice i njenih sekundarnih elektrona sakupe dovoljno energije da jonizraju dodatne atome gasa. Onda dolazi do multiplikacije gasa i broj jona prikupljenih u pulsu je proporcionalna originalnom broju stvorenom od strane alfa čestica i njihovih sekundanata.

Cijev radi kao proporcionalni brojač do potencijalnih razlika od ∼700V i može se koristiti da se izmjeri energetski spektar individualnih alfa čestica koje se zaustavljaju u gasu. Tipični su faktori multiplikacije gasa od ∼104.

Kada se potencijalna razlika dalje povećava cijev djeluje sa ograničenom proporcionalnošću i onda, još pri višim voltažama, ulazi u Geiger-Mueller (GM) područje.

U kasnije načinu rada, polje blizu anode je tako jako da prilikom svake jonizacije gasa nastaje puls, čija je veličina neovisna od broja početnih jonskih parova.

Sa daljnim povećavanjem voltaže polje postepeno postaje tako snažno da direktno jonizira atome gasa i cijev se kontinuirano prazni.

Kada usporedimo sa alfa česticama, krivulja puls-visina za beta čestice je slična, ali niža, kako je prikazano na slici 10.4. Krive se spajaju u području GM.

Detektori punjeni gasom

Većina jonizacijskih komora za mjerenje zračenja su punjene zrakom i nezapečaćene iako su uobičajeni i zapečaćeni tipovi sa zrakom ili drugim gasovima. Obično se koriste za praćenje beta, gama i X zračenja, njihova osjetljivost ovisi od volumena I pritiska gasa i povezanih elektronskih kopmonenti za praćenje.

Zidovi komore su obično ekvivalentni zraku ili tkivu u uslovima spektra sekundarnih elektrona koje proizvode kao reakciju na zračenje. Jonizacijske komore su dostupne kao pasivni i aktivni detektori. Aktivni detektor, kao onaj prikazan na slici 10.1., nam daje trenutna očitanja u radijacijskom polju kroz direktno obrađivanje jonizacijske struje u vanjskom strujnom krugu spojenom na komori.

Tipični primjerci ove vrste uređaja uključuju jonizacijsku komoru bez zraka (dio 12.3) i tradicionalno popularni (slika 10.5), prenosni metar mjerač beta-gama zračenja koji se koristi i danas.

U prošlosti su se puno koristile jonizacijske komore sa pasivnim džepovima. U osnovi plastičnimkondenzatorima kapaciteta C, je dat naboj Q=CV sa fiksnom potencijalnom razlikom V prije upotrebe. Izlaganjem radijaciji nastaju joni u volumenu komore. Ovim se djelomično neutralizira naboj na komoru i uzrokuje pad voltaže ΔV.

Slika 10.5 Prijenosni mjerač sa jonizacijskom komorom

Količina izgubljenog naboja ΔQ, koja ovisi od količine apsorbirane energije, je direktno proporcionalna mjerenoj promjeni voltaže ΔQ=CΔV. U upotrebi su još džepne kalibriran samoočitavajuće jonizacijske komore, kao one na slici 10.6. Proporcionalni brojači se mogu koristiti za detekciju različitih vrsta zračenja i da , pod određenim uvjetima, mjere količinu zračenja (poglavlje 12). Koristi se niz gasova, pritisaka i konfiguracija cijevi, ovisno od upotrebe. Instrument pokazan na slici 10.7 koristi zapečaćene gasne proporcionalne brojače da mjeri količinu i brzinu protoka.

Slika 10.6 (a) direktni očitač, džepna jonizacijska komora tipa kondenzator. Vrijednost izlaganja X i gama zračenju se može očitati na kalibracijskoj vagi. (b) punjač koristi standardne D baterije

Slika 10.7 Monitor proporcionalnog brojača za mjerenje količine i brzine protoka. Vidjeti tekst

Može da služi kao prenosni ili stacionarni monitor. Za različite vrste radijacije (alfa, beta, gama i neutroni) se mogu namontirati različite sonde, i za različite svrhe, za generalna mjerenja, mjerenja površinske kontaminacije, ili monitoring zraka. Osnovni kontrolni modul, sa opsežnim softverom, identificira priključene sonde i vrši automatsko prilagođavanje. Cijevi proporcionalnog brojača mogu biti dva tipa, zapečaćeni ili da propuštaju gas. Kako je šematski prikazano na slici 10.8, kasniji tip „zatvorenog“ brojača je koristan za brojanje alfa i mekih beta čestica, pošto je uzorak u direktnom kontaktu sa gasom u brojaču. Na slici 10.9 je prikazan takav sistem koji prati koncentraciju aktivnosti tricijuma u zraku. Jedinica na lijevoj strani regulira dolazeću mješavinu gasa iz brojača (metan ili P-10, mješavina 90% argona i 10%

metana) sa zrakom i također sadrži detektor i povezanu elektroniku. Jedinica na desnoj strani analizira i prikazuje podatke. Individualni pulsevi tricijskih beta čestica (maksimalne energije 18.6 keV) se diferenciraju od drugih događanja sa diskriminacijom oblika pulsa. Diskriminacija pulsa-visine sa proporcionalnim brojačima nam predstavlja laku detekciju jedne vrste zračenja u prisustvu druge. Na primjer, da bi se izbrojao kombinirani alfa-beta izvor sa aražmanom kao na slici 10.8 (a) ili (b), treba se podesiti na diskriminacijski nivo tako da se registriraju samo pulsevi iznad određene veličine.

Slika 10.8 Dijagram (a) 2π i (b) 4π gasnih proporcionalnih brojača

Onda se mjeri brzina mjerenja pri različitim operacijskim voltažama cijevi, ostavljajući diskriminacijski nivo podešen. Rezultirajuća brzina brojanja od izvora alfa-beta će imati generalne karakteristike prikazane na slici 10.10. Pri nižim voltažama samo najaktivnije alfa čestice će proizvesti pulseve dovoljno velike da budu izmjereni. Povećanje potencijalne razlike uzrokuju da stopa brojanja dođe do platoa nakon što su sve alfa čestice izbrojane. Sa daljnim povećanjem voltaže povećan porast gasa omogućava pulsevima od beta čestca da pređu preko diskriminatornog nivoa i budu izbrojane. Pri još većim voltažama dostiže se još veći kombinirani alfa-beta plato. Upotreba proporcionalnih brojača za mjerenje neutrona je opisana u dijelu 10.7.

Diskriminacija gama zraka se koristi da se unaprijedi monitoring neutrona u gama-neutron mješanim poljima.

Nabijene odbojne jezgre iz koji se neutroni raspršuju generalno proizvode velike pulseve u usporedbi sa onima iz Komptonovih elektrona i fotoelektrona proizvedenih od strane fotona.

Slika 10.9 Gasni proporcionalni brojač za praćenje koncentracije aktivnosti tricija u zraku. Vidjeti tekst.

Slika 10.10 Stopa brojanja naspram voltaže djelovanja za proporcionalne brojače korištene sa ograničenjem za brojanje mješovitih alfa-beta izvora

Slika 10.11 Prenosni mjerač i mjerač stope brojenja sa dodatnom GM ravnom sodom

Geiger-Mueller brojači su veoma korisni i pouzdani za mjerenje radijacije, pružajući i vizuelna i zvučna očitanja. Obično dolaze opremljeni sa uklonjivom zaštitom koja pokriva tanki prozor omogućavajući detekciju beta i alfa čestica, ne samo gama. Očitanje može naprimjer biti u broju po minuti ili u mRh-1 sa kalibracijom 137Cs. Kod ove druge, potrebna je specijalna energija kompenzacije sonde da se izravna energetska reakcija za fotone niskih energija. Slika 10.11 pokazuje primjer brojača sa GM ravnom sondom. Instrument je također kompatibilan sa drugim vrstama sondi, i može se koristiti za detekciju alfa, beta, gama i neutronskog zračenja. Primjeri različitih GM i scintilacijskih sondi (dio 10.3) korištenih u niz aplikacija su prikazani na slici 10.12.

Idealno, nakon početnog pražnjenja u GM cijevi, pozitivni joni iz gasa brojača skreću do zida katode gdje se neutraliziraju. Međutim, zbog visoke potencijalne razlike neki pozitivni joni mogu udariti u katodu sa dovoljno energije da se otpuste sekundarni elektroni.

Pošto ovi elektroni mogu inicirati još pražnjenja, što dovodi do višestrukih pulseva, mora se koristiti neko sredstvo za suzbijanje pražnjenja. Po jednoj metodi, nazvanoj vanjsko suzbijanje, veliki otpor između anode i izvora visoke voltaže smanjuje potencijalnu razliku nakon svakog pulsa. Nedostatak ove metode je spor povratak cijevi na (~10 -3s) svoju originalnu voltažu. Unutarnje suzbijanje GM cijevi dodavanjem odgovarajućeg gasa je češće. Bira se gas za suzbijanje sa nižim jonizacijskim potencijalom i kompleksnijom molekularnom strukturom od gasa brojača. Kada se pozitivan jon gasa brojača sudari sa molekulom gasa suzbijanja, ovaj drugi zbog svog nižeg jonizacijskog potencijala može prenijeti elektron gasu brojača, čime ga neutrališe. Pozitivni joni gasa brojača kada dosegnu zid katode više troše svoju energiju disociranjem nego stvarajući sekundarne elektroene. Jedan broj organskih molekula (npr., etil alkohol) je prikladan za unutrašnje suzbijanje. Pošto se molekule gube u procesu disocijacije, organski suzbijene GM cijevi imaju ograničen rok upotrebe (~109 mjerenja). Za suzbijanje se koriste halogeni, hlor i brom. Iako i oni disociraju naknadno se rekombinuju. Za vanjsku

upotrebu se preferiraju GM cijevi sa halogenima za suzbijanje, iako dužinu njihovog roka upotrebe ograničavaju drugi faktori.

Slika 10.12 Primjerci Geiger-Mueller brojača i scintilacijskih sondi sa specifikacijama

10.2 Jonizacija u poluprovodnicima

Povezana teorija o čvrstim tijelima

Dio 9.2 ukratko opisuje kristalne čvrste materije i porijeklo povezanih struktura njihovih nivoa električne energije. Osim sila koje djeluju na elektron da proizvede diskretna vezana stanja kod izoliranih atoma, na njegovo ponašanje mogu djelovati i susjedni atomi u kondenziranoj fazi. Utjecaj je najveći na kretanje većine slabo vezanih valentnih elektrona u atomima i najmanji na više povezane elektrone unutarnje ljuske. Kako je prikazano šematski na slici 2.7 sa mnogim prisutnim atomima, spajanje diskretnih stanja u dvije poveznice dopuštenih energija sa nedozvoljenom šupljinom između njih ovisi od veličine R0, urednog razmještaja atoma u kristalu. Slika pokazuje da ne dolazi do formiranja poveznica ako je R0 preveliko. Po istom principu, poveznice bi se preklapale u jedan kontinuum bez nedozvoljenih šupljina ako je R0

malo.