Дрейзин В. Э

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

«Юго-Западный государственный университет»

(ЮЗГУ)

В. Э. Дрейзин, Д. И. Логвинов, А. А. Гримов,

Н. В. Сиделева

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РЕГИСТРАЦИИ

ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

Учебное пособие

Курск 2013

УДК 678.029.983

ББК 30.607

Д 73

Рецензенты:

Доктор физико-математических наук, профессор кафедры общей и

прикладной физики НИУ Белгородский государственный университет

В. С. Захвалинский,

доктор физико-математических наук, профессор кафедры общей физики

Курского государственного университета Ю. А. Неручев

Дрейзин В. Э.

Д 73 Физические основы регистрации ионизирующих излучений:

учебное пособие / В. Э. Дрейзин, Д. И. Логвинов,А. А.Гримов, Н. В. Сиделева; Юго-Зап. гос. ун-т. Курск, 2013. 335 с.: ил. 63, табл. 28. Библиогр.: с. 331-334.

ISBN

Кратко изложено строение атома и атомного ядра, физическая природа радиоактивности, виды ионизирующих излучений, физические величины и единицы их измерения в области радиационных измерений и дозиметрии. Рассмотрены основные источники ионизирующих излучений различных видов и их энергетические спектры. Основное внимание уделено физическим процессам взаимодействия ионизирующих излучений различных видов с атомами и ядрами вещества и на этой основе рассмотрены физические основы основных методов регистрации различных видов ионизирующих излучений и реализующие их детекторы. В отдельный раздел выделены спектрометрические измерения различных видов ионизирующих излучений, как наиболее информативные и сложные виды измерений.

Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлению 211000 «Конструирование и технология электронных средств», а также для магистрантов и аспирантов, специализирующихся в области создания средств и методов контроля и измерения ионизирующих излучений и дозиметрии.

УДК 678.029.983

ББК 30.607

ISBN © Юго-Западный государственный университет, 2013

© Дрейзин В. Э., Логвинов Д. И.,

А. А. Гримов, Сиделева Н. В.,

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ПРЕДИСЛОВИЕ …………………………………………………………… 6

ВВЕДЕНИЕ …………………………………………………………………. 8

1. СТРОЕНИЕ АТОМА, РАДИОАКТИВНОСТЬ И ВИДЫ

ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ ………………………………………. 11

1.1. Строение атома ……………………………………………………... 11

1.2. Строение атомного ядра …………………………………………... 15

1.3. Превращения атомных ядер, радиоактивность ………………….. 17

1.4. Виды ионизирующих излучений …………………………………. 24

1.5. Физические величины и их единицы в области радиационных

измерений и дозиметрии ………………………………………………….. 28

2. ИСТОЧНИКИ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ ……………… 38

2.1. Общие характеристики источников излучений ……………….. 38

2.2. Радиоизотопные источники гамма-излучения ………………… 42

2.3. Радиоизотопные источники бета-излучения …………………... 50

2.4. Радиоизотопные источники альфа-излучения …………………. 55

2.5. Радиоизотопные источники нейтронного излучения ………….. 58

2.6. Ядерные реакторы и ускорители заряженных частиц как

источники ионизирующих излучений …………………………………….. 72

3. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ С

ВЕЩЕСТВОМ ……………………………………………………………… 79

3.1. Взаимодействие с веществом гамма-излучения …………………. 79

3.2. Взаимодействие с веществом бета-излучения …………………… 94

3.3. Взаимодействие с веществом альфа-излучения ………………… 103

3.4. Взаимодействие с веществом нейтронного излучения ………….. 110

4. МЕТОДЫ РЕГИСТРАЦИИ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ... 130

4.1. Физические эффекты и методы, используемые для регистрации

ионизирующих излучений ………………………………………………… 130

4.2. Физические основы работы газонаполненных ионизационных

детекторов …………………………………………………………………. 133

4.3. Временные характеристики газонаполненных ионизационных

детекторов …………………………………………………………………. 147

4.4. Газонаполненные детекторы нейтронного излучения …………. 175

4.5. Сцинтилляционные методы регистрации ионизирующих

излучений …………………………………………………………………. 178

4.5.1. Принцип работы сцинтилляционных детекторов и виды

сцинтилляторов …………………………………………………………… 178

4.5.2. Неорганические монокристаллические сцинтилляторы ……… 181

4.5.3. Органические сцинтилляторы ………………………………….. 191

4.5.4. Газообразные сцинтилляторы ………………………………….. 196

4.5.5. Сцинтилляторы, применяемые для регистрации нейтронного

излучения …………………………………………………………………... 198

4.5.6. Временные характеристики и форма выходных импульсов

сцинтилляционных детекторов …………………………………………… 203

4.6. Полупроводниковые детекторы ионизирующих излучений …… 205

4.7. Методы визуальной регистрации траекторий ядерных частиц

(трековые методы) ………………………………………………………… 210

4.7.1. Фотографические методы ……………………………………….. 210

4.7.2. Камеры Вильсона ………………………………………………… 213

4.7.3. Диффузионные камеры ………………………………………….. 215

4.7.4. Пузырьковые камеры ……………………………………………. 217

4.7.5. Стримерные и искровые камеры ……………………………….. 220

4.7.6. Твердотельные трековые детекторы …………………………… 223

4.8. Метод, использующий черенковское излучение ………………… 224

4.9. Химические методы ………………………………………………... 230

4.10. Люминесцентные методы ……………………………………….. 233

4.11. Тепловой (калориметрический) метод …………………………. 238

5. СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ

ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ ……………………………………… 243

5.1. Существующие методы спектрометрических измерений

ионизирующих излучений различных видов ……………………………. 243

5.2. Общие характеристики спектрометров …………………………… 248

5.3. Спектрометры потоков заряженных частиц ……………………… 251

5.3.1. Измерение спектра методом анализа амплитуд импульсов …… 251

5.3.2. Спектрометрия потоков тяжёлых заряженных частиц ………… 252

5.3.3. Спектрометрия бета-излучения …………………………………. 254

5.4. Спектрометрия гамма-излучения …………………………………. 259

5.4.1. Общие положения ………………………………………………... 259

5.4.2. Магнитные гамма-спектрометры ……………………………….. 260

5.4.3. Ионизационные гамма-спектрометры ………………………….. 263

5.4.4. Сцинтилляционные гамма-спектрометры ……………………… 263

5.4.5. Полупроводниковые гамма-спектрометры ……………………... 273

5.4.6. Альтернативные методы гамма-спектрометрии ……………….. 276

5.5. Методы измерения энергетического спектра нейтронного

излучения …………………………………………………………………… 277

5.5.1. Введение …………………………………………………………… 277

5.5.2. Времяпролётные и гравиметрические методы ………………….. 281

5.5.3. Измерение спектров нейтронных потоков по протонам отдачи.. 292

5.5.4. Активационный метод нейтронной спектрометрии …………….. 297

5.5.5. Методы, использующие замедление нейтронов в водород-

содержащей среде …………………………………………………………… 307

5.5.6. Методы, использующие захватное гамма-излучение …………… 315

5.6. Проблемы создания нейтронного спектрометра реального

времени ………………………………………………………………………. 317

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ………………………………………………………….. 328

Список литературы ………………………………………………………. 331

ПРЕДИСЛОВИЕ

Разработанная на кафедре «Конструирования и технологии электронных средств» основная образовательная программа бакалаврской подготовки «Конструирование и технология электронных средств» отвечает основному научному направлению кафедры и направлена на подготовку квалифицированных кадров для научно-исследовательских и конструкторско-технологических организаций и предприятий электронного приборостроения. В вариативную часть этой программы включена дисциплина «Физические основы регистрации ионизирующих излучений», отвечающая одному из важных направлений развития электронного приборостроения – ядерному приборостроению, которое входит в основную тематику научно-исследовательской деятельности кафедры. Измерения ионизирующих излучений являются одним из наиболее важных и сложных видов измерений. Они жизненно необходимы в атомной энергетике и атомной промышленности, составляя основу наиболее специфичных подсистем контроля технологических процессов и обеспечения радиационной безопасности персонала, а также радиационного мониторинга территорий, окружающих ядерные объекты.

Все методы измерений ионизирующих излучений базируются на различных физических эффектах, возникающих при взаимодействии ионизирующих излучений с веществом. Поэтому физика взаимодействия ионизирующих излучений различных видов с веществом, находящимся в газообразном, жидком или твёрдом состояниях составляет теоретическую основу измерений различных характеристик этих излучений и производных дозовых величин. Знание физики взаимодействия ионизирующих излучений с активным веществом детекторов необходимо для грамотного выбора и конструирования не только самих детекторов ионизирующих излучений, но и приборов и средств их контроля в целом. Понимание общих закономерностей физических процессов происходящих при взаимодействии ионизирующих излучений различных видов с веществом необходимо и для оценки физиологического воздействия этих излучений на человека и другие биологические организмы.

Данная дисциплина является базовой для указанного направления. Её задачи состоят в изучении основных физических процессов взаимодействия с активным веществом детекторов ионизирующих излучений потоков заряженных частиц (альфа-, бета- и протонное излучение), электромагнитного излучения высоких энергий (рентгеновское и гамма-излучение) и нейтронного излучения. Она должна опираться на раздел ядерной физики, читаемый бакалаврам в общем курсе физики на втором курсе, но, тем не менее, в данное пособие включены краткие сведения по физике атома и атомного ядра, а также явлению радиоактивности и основным видам ионизирующих излучений. Этому посвящён первый раздел книги. Там же рассмотрены физических величины и их единицы, используемые в измерениях ионизирующих излучений и дозиметрии. Во втором разделе рассмотрены источники ионизирующих излучений и их энергетические спектры. В третьем – основные физические процессы, происходящие при взаимодействии ионизирующих излучений различных видов с веществом. В четвёртом разделе описаны основные физические эффекты и методы, применяемые для измерений различных видов ионизирующих излучений. Особое внимание обращено на спектрометрические методы измерений, как наиболее информативные и перспективные. В заключительном пятом разделе более детально рассмотрены спектрометрические измерения ионизирующих излучений различных видов, причём основное внимание уделено наиболее сложным и важным измерениям энергетических спектров нейтронного и гамма-излучения.