Оптимальные условия регистрации излучения

При измерении активности препаратов важен подбор оптимального режима работы аппаратуры и правильный выбор условий измерения препарата. Проиллюстрируем это на примере разных типов детекторов.

Рис. 2. Счетчик ГейгераМюллера: а — цилиндрический рили у-счётчик; б — торцовый счётчик; в — счётчик погружения; г — цилиндрический счётчик с рубашкой для измерения активности жидкостей; д — 4л-счётчик; е — проточный счётчик (счетчик внутреннего наполнения) для измерения активности газов.

Для регистрации а- излучения используются торцовые счетчики 1 еигера-мюллера с очень тонким слюдяным окном.

Счётчики Гейгера-Мюллера при регистрации р-частиц имеют эффективность, практически равную единице. Стенки счётчика, однако, заметно поглощают р-частицы. Поэтому р-счётчики имеют тонкие стенки. На рис. 2 изображены некоторые типы р-счётчиков. Для регистрации жёсткого р-излу^чения используются цилиндрические р-счётчики, а для регистрации мягкого р-излучения — торцовые счётчики. Торцовые счётчики имеют очень тонкое (14−5 мг/см²) слюдяное окошко, которое слабо поглощает мягкое p-излучение. Для измерения жёсткого p-излучения в жидкостях используются счётчики погружения или цилиндрические счётчики со стеклянной рубашкой. Для измерения абсолютной активности рпрепаратов используются 471-счётчики. В этих счётчиках радиоактивный препарат помещается внутрь счётчика. В счётчике отсутствует поглощение излучения, и все испускаемые препаратом р-частицы регистрируются. Радиоактивность газов (¹⁴С0₂, НТ, ‘ззХе и др.) измеряется при помощи проточных счётчиков. Радиоактивный газ вместе с газом, наполняющим счётчик (инертный и гасящий газы), вводятся внутрь счётчика. Можно измерять радиоактивность газа при непрерывном потоке газовой смеси. Все рсчётчики регистрируют и у-кванты, правда, эффективность р-счётчиков к у-лучам меньше, чем у-счётчиков.

Для регистрации у-квантов используются цилиндрические счётчики Гейгера. Удельная ионизация под действием излучения мала, поэтому мала и вероятность ионизации газа внутри счётчика. Гораздо больше вероятность ионизации материала катода. При прохождении у-лучей через корпус счётчика происходит ионизация материала катода, причём образуются в основном фотои комптоновские электроны. Если у-кванты имеют энергию больше 0,511 МэВ, то в материале катода образуются ещё электрон-позитронные пары. Эти вторичные электроны, попадая в объём счётчика, вызывают ионизацию счётного газа и образование ионной лавины. Очевидно, что нецелесообразно делать счётчик с толщиной стенок больше пробега фотои комптоновских электронов. Чаще всего корпус усчётчиков изготавливается из стекла, покрытого внутри слоем металлической меди или графита. Для таких счётчиков эффективность регистрации у-квантов средних энергий составляет 0,54−1%, т. е. не более одного кванта из ста попавших в чувствительный объём счётчика будут зарегистрированы счётчиком. Все у-счётчики регистрируют жёсткое р-излучение.

Рис. 3. Счётная характеристика счётчика Гейгера-Мюллера. Ui — напряжение начала счёта, U2+U3 — рабочий участок характеристики; Up — рабочее напряжение счётчика.

Для оптимального режима работы счётчика Гейгера-Мюллера важен правильный выбор рабочего напряжения, подаваемого на детектор. С этой целью, перед началом серийных измерений, снимают рабочую характеристику счётчика, т. е. зависимость скорости счёта эталонного препарата от подаваемого на детектор излучения. На рис. з изображена счётная характеристика счётчика Гейгера-Мюллера. В точке Л начинается регистрация ядерного излучения. Область, отвечающая отрезку БВ, называется плато счётной характеристики. В области плато счётная характеристика имеет небольшой наклон, т. е. регистрируемая скорость счёта несколько увеличивается с ростом напряжения счётчика. Рабочее напряжение Р выбирают в области плато несколько ближе к началу плато Б.

Для регистрации а-, ри у-излучений используются также сцинтилляционные счётчики разных конструкций. Для регистрации у-квантов применяются большие неорганические монокристаллы, поскольку эффективность регистрации у-излучения сцинтилляционными счётчиками увеличивается с геометрическими размерами и плотностью фосфоров. Для обычно используемых монокристаллов NaJ (Tl) эффективность регистрации у-излучения средних энергий составляет 30%. При регистрации ризлучения используют органические или пластмассовые сцинтилляторы, но можно воспользоваться и неорганическими монокристаллами. Сцинтиллятор имеет малую толщину, равную максимальному пробегу р-частиц данного радиоактивного изотопа (порядка нескольким миллиметров). При этих толщинах эффективность регистрации у-лучей достаточно мала. Для регистрации мягкого p-излучения удобны жидкие сцинтилляторы. Вещество, содержащее мягкий р-излучатель (зН, ‘"С, 35S и т. д.), растворяется непосредственно в жидком сцинтилляторе. В этих условиях эффективность регистрации мягкого излучения близка к единице (юо%). Для регистрации нестационарных концентраций жидкостей и газов, испускающих аили мягкое p-излучение, успешно применяется полый капилляр из сцинтиллирующей пластмассы, уложенный в виде плоской спирали на входное окно ФЭУ. Для регистрации a-излучения обычно используется тонкий слой ZnS (Ag), нанесённый на поверхность стекла.

Установка для регистрации ядерного излучения в лабораторных условиях обычно состоит из сцинтилляционного датчика со сменными фосфорами, расположенного в свинцовом контейнере, усилителя, дискриминатора, высоковольтного блока питания ФЭУ, пересчётного устройства и системы записи информации (компьютера).

Скорости счёта радиоактивного препарата и фона, регистрируемые сцинтилляционным счётчиком, зависят от напряжения на ФЭУ, усиления линейного усилителя, порога дискриминации. Важно, что как увеличение напряжения на ФЭУ, так и рост усиления, дают одинаковый эффект при регистрации излучения. Поэтому не совсем оптимальные параметры усилителя можно компенсировать соответствующим напряжением на ФЭУ и наоборот. Напротив, величина порога дискриминации влияет на значение скорости счёта и фона. Так, начиная с определённого напряжения на ФЭУ, величина теплового шума резко увеличивается и становится больше регистрируемой скорости счёта. Следовательно, напряжение на ФЭУ должно быть не больше напряжения, при котором заметен тепловой шум. Обычно выбирают небольшое значение усиления.

При выборе оптимального режима работы сцинтилляционного счётчика, следует избавиться от собственных шумов ФЭУ. Действительно, часто на выходе усилителя наблюдается большое число импульсов (обычно малых по амплитуде) не связанных с регистрацией ядерных частиц, а именно, импульсов собственных шумов ФЭУ и усилителя. Для устранения шумов между усилителем и счётчиком импульсов включается интегральный амплитудный дискриминатор, пропускающий лишь те импульсы, амплитуды которых больше некоторого значения порогового напряжения.

В отличие от счётчика Гейгера-Мюллера, на счётной характеристике сцинтилляционного счетчика нет плато, поэтому оптимальные значения напряжения на ФЭУ, интегральной чувствительности и порога дискриминатора определяют по максимальному значению величины.

где J_c — скорость счёта препарата за вычетом фона, J — скорость счёта фона.

Рассчитав величину К для разных режимов, за рабочий выбирают тот, при котором К имеет максимум. Счёт препарата в таком режиме обеспечивает при заданном суммарном времени измерения минимальную ошибку, и, наоборот — при заданной погрешности — минимальное общее время измерения. При этом суммарное время t должно разделяться на время счёта препарат и фона.

Счётная характеристика сцинтилляционного счётчика обычно не имеет плато и поэтому требуется хорошая стабилизация высокого напряжения, подающегося на ФЭУ.