Detekcija radioaktivnog zračenja

DETEKCIJA RADIOAKTIVNOG ZRAČENjA

- Detektori su uređaji za otkrivanje radioaktivnog zračenja i merenje njihovih karakteristika. Rad detektora se uglavnom zasniva na jonizujućem dejstvu zračenja, postoje i oni detektori koji rade na nekom drugom principu.

U zavisnosti koji fizički proces je u osnovi njihovog rada , oni se mogu podeliti u tri grupe : - detektore koji rade na principu jonizujućeg dejstva zračenja; - scintilacioni brojači; - nuklearne emulzije.

Prolazna tačka za detekciju zračenja je efekat koji ono proizvodi prolazeći kroz neku sredinu. Taj efekat je mali , jer je energija radioaktivnog zračenja veoma mala. Beta i gama zraci imaju energiju do nekoliko MeV-a dok alfa zraci mogu imati energiju do desetak MeV-a. Jedan MeV iznosi 1,6×10-9 erga , odnosno 1,6×10-16 vati, a to je nedovoljno da pokrene kazaljku ili cifru na brojčaniku. Zbog toga je potrebno pojačanje . Početni efekat služi u stvari kao okidač kojim započinje proces pojačavanja početnog signala koji treba dovoljno da naraste da bi mogao da pokrene urađaj za registraciju. Kod nekih vrsta detektora , kao to su proporcionalni brojač i Gajger – Milerov brojač , početni signal može da se pojača već u detekcionoj sredini. Međutim, kod većine detektora pojačanja se vrši u elektronskim urađajima na koje se prenosi signal iz detektora.

OSNOVNI TIPOVI DETEKCIJE

Prolazom zračenja kroz detekcionu sredinu može doći do veoma raznovrsnih procesa. Najopštije rečeno, zračenje prolazeći kroz detekcionu sredinu troši energiju na jonizaciju i ekcitaciju atoma i molekula. Jonizacijom je jedan deo neutralnih sistema , kao što su atomi i molekuli, razdvojen u naelektrisane sisteme-jona. Energija je utrošena na dobijanje izvesne količine elektriciteta , pozitivnog i negativnog u podjednakoj količini. Pod izvesnim uslovima taj elektricitet može da se usmeri na dobijanje električnog impulsa, koji se onda pojačava,meri i registruje. Način dobijanja impulsa zavisi od prirode detekcione sredine.

Данашњи детектори користе неке гасове и неке врсте чврстих тела . Процеси у гасовима су нешто једноставнији јер се јони слободније крећу него у чврстим телима.Отуда широка употреба гасних детектора  који се по начину функционисања могу да поделе у три групе: јонизационе комора, пропорционални бројач, Геигер-Милерови бројачи.
У гасне детекторе засноване на јонизацији , такође спада Вилсонова комора. Међутим , она се данас не употребљава за мерења зрачења  ниске енергије какву емитују радиоактивни изотопи.  Извсне врсте чврстих тела , као што су полупроводници , могу такође да обезбеде стварање електричног импулса после пролаза зрачења. Зваћемо их полупроводнички детектори. Њихво изучавање почело је тек у последње време.

Ekscitacija predstavlja prenos energije na atomske sisteme koji se posle izvesnog vremena mogu da emituju u formi elektromagnetskog zračenja. U ovom slučaju elektromagnetsko zračenje može da posluži kao početni signal. Pojačanje se najefektnije vrši posebnim elektronskim cevima, nazvanim fotomultiplikatorima.Oni su osetljivi na elektromagnetsko zračenje iz vidljivog spektra.Otuda kao detektori služe one vrste kristala koji svetlucaju (scintiluju) i nazovamo ih scintilacioni brojači. Kod izvesnih vrasta čvrstih tela,ekscitacija može da dovede do trajnih promena u strukturi kristala.Sad se više ne radi o kratkotrajnom signalu vezanom za prolaz čestice , jer promene trajno ostaju i izučavaju se tek kasnije.Treba napomenuti da je i u ovom slučaju efekat mali, tako da se promene kasnije veštački pojačavuju pre nego što se priđe izučavanju traga koji je zračenje ostavilo.U stvari,ono što je izneseno odnosi se na fotografski efekat zračenja,a detektori zasnovani na njemu zovu se nuklearna emulzija.

KARAKTERISTIKE DETEKTORA

Detektore delimo na one koji samo služe da utvrde prolaz čestice, i na one koji pored toga daju i energiju čestice,pa se zovu spektrometrima. Detektor može biti u stanju da odbrojava jednu po jednu česticu,a ima ih koji to nisu u stanju, već daju neki srednji efekat.Takav je slučaj kod jonizacionih komora,gde prve zovemo impulsnim, a druge integralnim.Foto ploče takođe mogu da daju pojedinačne tragove ili integralno zračenje. Kod pojedinačnog odbrojavanja važna je brzina sa kojom detektor može da broji. Svaki akt detekcije traje izvesno konačno vreme i ukoliko je ono kraće, utoliko će detektor moći brže da broji. Važna karakteristika detektora je efikasnost kojom on detektuje pojedine vrste zračenja. Geiger-Milerovi brojači mogu se doterati da detektuju skoro 100% naelektrisano zračenje,ali efikasnost detekcije prodornog gama zračenja je reda veličine jednog procenta. GASNI DETEKTORI

Najstariji gasni detektor je jonizaciona komora koja je u primitivnoj formi služila za merenje jonizacije, još pre nego što je otkrivena radioaktivnost.Prvi gasno brojač koji je pojedinačno odbrojavao čestice konsruisali su 1908. godine Ruterford i Geiger.Tek dvadesetak godina kasnije on se izdiferencirao u Gajger-Milerov brojač i proporcionalni brojač.Gasni detektori su najjednostavniji i najšire upotrebljavani detektori.Pre nego što se pređe na njihovo pojedinačno izučavanje, biće korisno da se ukratko daju neki pojmovi i činjenice o kretanju molekula nekog gasa.

KRETANjE MOLEKULA GASA

Vazduh ima oko 1019 molekula po cm3 pri atmosferskom pritisku. U gasnim brojačima pritisak obično ne iznosi ispod desetog dela atmosfere, a može da bude i znatno veći od jedne atmosfere. Broj molekula je, dakle, redovno veći od 1018,što je veoma velik broj. Glavna posledica je da su sudari između molekula veoma čestu. U tim sudarima molekuli prenose jedni na druge energiju i menjaju pravac kretanja.Jedan molekul,prema tome,stalno menja energiju,a pravac kretanja je haotičan u cik-cak liniji. Jasno je da je praktično nemoguće pojedinačno pratiti kretanje svakog,od toliko velikog broja molekula.Zbog toga se kretanje molekula opisuje statistički,uvodeći srednje veličine. Srednja energija molekula srazmerna je temperaturi gasa.Na normalnom pritisku i temperaturi od 27°S srednja energija molekula iznosi 0,0386 eV što je veoma malo u poređenju sa energijama neklearnog zračenja. S obzirom da molekuli imaju malu masu njihove brzinu su znatne čak i na relativno malim energijama. Srednja brzina molekula vazduha pri normalnoj temperaturi i pritisku iznosi 5,2×104 cm u sekundi. Za opisivanje pojava u gasovima naročito je pogodan pojam srednjeg slobodnog puta. Pod slobodnim putem podrazumeva se dužina puta koju molekul pređe između dva uzastopna sudara. Ta dužina naravno varira od sudara do sudara. Srednja veličina međutim određena je fizičkim uslovima i osobinama gasa. Tako vazduh i argon pri normalnom pritisku i temperaturi imaju srednji slobodni put oko 10-5 cm. Smanjenjem pritiska srednji slobodni put se povećava u obrnutoj srazmeri,tako da na pritisku od 1/10 atmosfere, srednji slobodni put se povećava na 10-4 cm. Interesantno je još pogledati koliko su česti sudari između molekula. Deleći srednji slobodni put sa srednjom brzinom dobivamo da srednje vreme između dva sudara iznosi manje od 10-9 sekunde.Znači da pri normalnom pritisku i temperaturi jedan molekul pretrpi više od milijardu sudara u sekundi.

KRETANjE JONA U GASU POD UTICAJEM ELEKTRIČNOG POLjA

Sledeći korak je da razmotrimo šta se dešava kad nuklearna čestica prođe kroz gas i oslobodi izvestan broj pari jona.Pod parom jona ovde podrazumevamo pozitivno naelektrisani teški jon sačinjen od molekula koji je izgubio jedan elektron, i negativni jon koji je odvojen od molekula. Napomenimo da je veći deo jona dobiven sekundarnom jonizacijom, tj. preko onih elektrona koje je primarna čestica izbacila iz molekula predajući im dovoljno energije da i sami mogu da jonizuju. Teški jon se ne razlikuje mnogo od ostalih molekula.Ukoliko mu je u početaku energija nešto veća od srednje energije molekula gasa izgubiće je ubrzo u mnogobrojnim sudarima. On će da defunduje kroz gas u cik-cak liniji,kao i ostali molekuli. Elektron je manji i lakši od pozitivnog jona,pa će zbog toga njegov slobodni put biti duži,a srednja brzina znatno veća. Kad se termalizuje, tj. izgubi višak energije i kreće srednjom ergijom koju imaju i ostali molekuli,elektron će imati srednji slobodni put četiri puta veći od molekula, dok će mu brzina biti skoro hiljadu puta veća (1,17×107cm/sec. na normalnom pritisku i temperaturi). Joni će se kretati kroz gas sve dok se ne neutrališu. Elektron može da naiđe vrlo blizu pozitivnog jona i rekombinuje se sa njim. Ako pozitivan jon stigne do metalne površine komore, on može da izvuče iz metala jedan elektron i neutralizuje se. Uglavnom posle dužeg ili kraćeg vremena koje zavisi od raznih faktora jonizacija će nestati i gas će se vratiti u stanje u kojem je bio pre polazka jonizujuće čestice. Kao važan primer rekombinacije možemo da uzmemo slobodan vazduh u kojem kosmički zraci i prirodna radioaktivnost zemlje stalno prizvede jonizaciju. Kad ne bi bilo rekombinacije, broj jona bi stalno rastao. Međutim,ravnoteža se uspostavlja zahvaljujući rekombinaciji.Kosmički zraci i radioaktivnost stalno proizvode oko pet pari jona po cm3/s, a isto toliko se i rekombinuje. Srednji život jednog para jona iznosi pod normalnim uslovima ok 300 sekundi, a u svakom kubnom santimetru vazduha ima oko 1600 pari jona. Da bi se utvrdio polaz jonizujuće čestice kroz neku posudu napunjenu gasom, treba sprečiti rekombinaciju i jone koristiti za dobivanje električnog impulsa. To se postiže uvođenjem električnog polja. Predpostavimo da su u posudu stavljenje dve ravne paralelne ploče koje se mogu spojiti sa nekim izvorom visokog napona .Uključivanjem napona jedna ploča će postati pozitivno naelektrisana (anoda), a druga negativno (katoda). Ako se između njih nađe neko naelektrisano telo,ono će delovati na njega; jedna će ga privlačiti a druga odbijati. Drukčije rečeno ,između naelektrisanih ploča (elektroda) deluje električno polje. Električno polje deluje na jone u suprotnim pravcima. Pozitivni joni će biti privučeni ka katodi,a negativni ka anodi.Na taj način dolazi do trenutnog razdvajanja. Na jone deluje sila u pravcu odgovarajućih elektroda, koja je utoliko jača, ukoliko je električno polje intenzivnije. Ta sila menja karakter kretanja jona. Prvi efekat sile je da će joni pod njenim dejstvom dobivati i energija će im rasti. Ubrzanje je usmereno ka elektrodama, pa će i joni da se kreću prema njima. Iako odmah posle sudara joni mogu da skrenu na razne strane oni će skretati ka elektrodi dok se kreću pod uticajem električnog polja. Ovo skretanje je utoliko izrazitije ukoliko je električno polje jače.Tako dolazimo do dva pojma brzine:realna brzina jona i brzina kojom se pomera u pravcu električnog polja. Ova druga je naravno manja i obrnuto srazmerna pritisku. Kao primer možemo uzeti argon,čiji joni na pritisku od 10 mm i električnom polju od 1000 volti/cm (tipični uslovi u GM brojaču) imaju brzinu pomeranja oko 7000 cm/s. Brzina pomeranja elektrona je oko hiljadu puta veća. Usmereno kretanje naelektrisanih čestica ka odgovarajućim elektrodama predstavlja električnu struju. Pod uobičajnim uslovima u gasnim detektorima brzina pomeranja jona je znatna,tako da oni brzo stignu do elektroda. Električna struja koju izazove jedna jonizujuća čestica traje kratko vreme tako da se u stvari radi o jednom električnom impulsu.

UTICAJ ELEKTRIČNOG POLjA NA VISINU IMPULSA U zatvorenoj staklenoj komori napunjenoj pogodnim gasom nalazi e metalni cilindar, u čijoj se osnovi nalazi metalna žica. Oboje se preko specijalnih izvoda mogu povezati sa izvorom visokog napona, i to cilindar sa negatvinim, a žica sa pozitivnim polom. Oboje su dalje vezani za uređaje koji može da meri impulse promene napona izazvane sakupljanjem jona. Ako napon povećavamo počevši od 0, visina impulsa će da raste dok napon ne dođe do neke veličine V1 , a tada impu ls više ne raste sa povećanjem napona već ostaje konstantan. Objašnjenje je da sa početnim pojačanjem polja rekombinacija opada, i na V1 postaje potpuno zanemarljiva. Počevši od V1 pa nadalje prktično svi oni koje je oslobodila jonizujuća čestica sakupljaju se na odgovarajućim elektrodama. Visina impulsa zavisiće od broja jona koje čestica oslobodi u aktivnom volumenu komore. Alfa čestice će dati veći impuls od beta čestice. Sa povećanjem napona doći će se do neke vrednosi V2 ,na kojoj impuls počinje da raste,to znači da je broj jona veći nego što ih je oslobodila jonizujuća čestica. Električno polje je sada toliko naraslo,da elektroni pod njegovim dejstvom dobivaju dovoljno energije za jonizaciju molekula sa kojima se sudaraju.Umnožavanje raste sa naponom i može da dostigne faktor 106-107. Impuls može postati i milion puta veći od onoga koji daje početna jonizacija.Visina impulsa ostaje proporcionalana početnoj količini jona. Ovo važi za male faktore umnožavanja,ali kod velikih faktora proporcionalnost se gubi. Nastavljajući sa povećanjem napona dolazi se do tačke V3 na kojoj se potpuno gubi proporcionalnost. Za dati napon svi impulsi su uste visine,bez obzira da li je jonizujuća čestica oslobodila dva para jona ili 2 miliona pari jona. Visina impulsa će rasti sa naponom. Posle nekog napona V4 dobiće se neprekidno električno pražnjenje, a impuls će još brže da raste. Promenom napona mogu se izdvojiti tri predela sa različitim karakteristikama: - Predeo V1-V2 .Sakupljaju se svi oslobođeni joni.Detektor koji radi na ovom principu zove se jonizaciona komora. - Predeo V2-V3 .(Prvenstveno prva polovina na nižem naponu).Dobiva se znatno pojačani impuls proporcionalan početnoj jonizaciji.Na ovom princupu rade proporcionalni brojači. - Predeo V3-V4 . Impuls je još veći ali uopšte ne zavisi od početne jonizacije.Tako rade Geiger-Milerovi brojači.

JONIZACIONE KOMORE

U jonizacionim komorama sakupljaju se joni koje oslobodi jonizujuća čestica.Napon se obično podesi tako da je rekombinacija zanemarljiva i broj sakupljenih jona približno jednak ukupnom broju jona koje je čestica oslobodila. Sakupljanjem jona proizvodi se električni impuls koji signališe prolaz čestice i sadrži u sebi sve podatke koje možemo da dobijemo o njoj.Signal se prenosi u elektronski deo aparature koji ga dalje obrađuje i registruje. Sakupljanje jona i stvaranje početnog impulsa traje određeno vreme. To vreme može biti duže ili kraće u zavisnosti od niza faktora. Ako je impuls vrlo kratak recimo 1/1000 deo sekunde,onda komora može pojedinačno da registruje impulse.Međutim ako je impuls znatno duži , onda komora više nije u stanju da registruje pojedinačno impulse. Prvi tip se zove impulsni,a drugi integralni. Impulsni tip komore može dati ne samo broj čestica već i njihovu energiju, tj. Poslužiti kao spektrmetar. Pošto je energija srazmerna ukupnoj jonizaciji čestice, komora će raditi kao spektrometar ako se njeni fizički i geometrijski parametri podese tako da čestica izgubi celu energiju u aktivnom volumenu komore. Za alfa čestice čiji domet u vazduhu ne iznosi više od deset santimetara , dimenzije komora nisu velike. Beta čestice su znatno prodornije ,sa dometom reda veličine metra ,tako da bi ili dimenzije komore bile velike , ili se povećava pritisak.Zbog toga se impulsne komore češće upotrebljavaju za spektroskopiju alfa čestica, dok se kod beta čestica uglavnom ograničavaju na izotope koji emituju elektrone niskih energija kao što je recimo 14S. Impulsne komore se znatno više upotrebljavaju u nuklearnoj fizici nego u primeni izotopa,pa se na njima nećemo detaljnije zadržavati. Integralna komora daje ukupni efekat koji proizvede neki fluk zračenja. Meri se ili struja ili pad napona u nekom intervalu vremena. U ovom slučaju ne mogu da se diskriminišu ni vrste čestica ni njihove energije, niti se direktno dobiva broj.

Integralna komora meri ukupan broj jona koje zračenje oslobađa u aktivnom volumenu, a ona je srazmerna energiji koju je zračenje oslobodilo. Taj podatak je upravo od velikog značaja u radu sa zračenjem. Energija oslobođena po jedinici materijala definiše se kao doza. Njeno poznavanje je od primarnog značaja u izučavanju efekta zračenja. Otuda veoma široka primena integralnih jonizacionih komora kao dozimetara. Dva instrumenta bez kojih se ne prilazi izvorima zračenja, džepni dozimetar i monitor,predstavljaju dva danas najrasprostranjenija tipa jonizacionih komora. Integralne jonizacione komore. Postoji veliki broj raznovrsnih jonizacionih komora čije veličine mogu da se kreću od 1cm do 1m. Najčešće se susreću dve forme komore,cilindrične i plan-paralelne,koje su šematski prikazane na slici.U oba slučaja komora ima pored anode i katode još jednu treću zaštitnu elektrodu.Njen glavni zadatak je da spreči impulse iz struje izazvane nekim drugim faktorima, nezavisnim od jonizujuće čestice. Katoda i anoda električki su izolovane. Ne postoje idealni izolatori,naročito u zavisnosti od njihove površine,preko njih mogu da protiču male struje. S obzirom da su struje jona često veoma male,lažne struje preko izolatora,koje ne mogu da se razlikuju od pravih,izazvali bi pogrešna merenja. To se sprečava upotrebom zaštitne elektrode, sa naponom bliskim naponu elektrode sa kojom su povezani delovi aparature za registraciju koja se zove kolektor. Na taj način izolacija kolektora nije podvrgnuta većoj razlici napona,pa ne dolazi do lažnih struja. Kod plan-paralelnog tipa zaštitna elektroda je tako napravljena da takođe služi za precizno određivanje aktivnog volumena komore,koji je jednak cilindru čija je osnova kolektor. Kod cilindričnog tipa zaštitna elektroda štiti kolektor od elektromagnetskih tala uvek prisutnih u labaratorijama. Kolektor bi ih inače primao kao antena što bi dovelo do lažnih impulsa,nezanemarljive veličine. Inegralne jonizacione komore se najčešće pune vazdihom na atmosferskom pritisku. Međutim,prema potrebi mogu da se upotrebljavaju veoma raznovrsni gasovi i pritisci. Kad je integralna jonizaciona komora izložena zračenju, kroz nju stalno protiče struja. Ineresuje nas ili trenutno kakva je struja ,ili kolko je ukupno struje prošlo za izvesno vreme. Može da se ilustruje pištolj dozimetrom koji služi za merenje trenutne doze na pojdinim mestima izloženi zračenju.Na primer može da posluži i džepni dozimetar čija je svrha merenje ukupne doze,koju je neko primio za izvesno vreme. Struje u jonizacionim komorama mogu da se kreću između 10-16 i 10-6 ampera i mere se najčešće raznim elektrometrima. Ukupna doza primljena u nekom intervalu vremena može se meriti na principu elektroskopa.Komora nije stalno vezana sa izvorom visokog napona,već se samo povremeno puni.Prilikom punjenja uspostavlja se između elektroda neka razlika napona.Tada se od kolektora udaljuje tanak ,veoma lagan listić koji je za njega pričvršćen.Razlog ovome je da su sada i kolektor i listić naelektrisani istom vrstom elektriciteta pa se međusobno odbijaju.Prolazak zračenja kroz komoru uspostavlja električnu struju koja neutrališe kolektor.Smanjivanjem količine elektriciteta na njemu,smanjuje se i sila kojom odbija listić i ovaj se postepeno primiče.Njegov položaj se moze kalibrisati i na taj način meriti integralna doza.Džepni dozimetar radi na ovom principu.

GEIGER-MILEROV BROJAČI

Od svih gasnih detektora, GM brojač ima najveću osetljivost i daje najveći impuls.Dovoljno je da čestica proizvede koji par jona u aktivnom volumenu pa da se dobije impuls od 0,1-1 volta.Međutim,impuls je isti za sve čestice,što znači da GM brojač ne može da radi kao spektrometar. Geiger-Milerovi brojači obično imaju cilindričnu simetriju.Metalni cilindar služi kao katoda kroz čiju osovinu prolazi žica od volframa ili čelika koji ne rđa,debljine 0,02-0,2 mm.Za merenje neprodornog zračenja,kao što su alfa i beta zračenja,upotrebljava se zvonasti oblik,sa tankim prozorima od liskuna ili plastičnih materijala,čija se debljina obično kreće od 1 do 5 mg/cm2.Brojač je napunjen gasnom mešavinom u kojoj je najveći deo 80-90% nekog plemenitog gasa,najčešće argona, a ostatak mogu biti pare alkohola,etera ili drugih organskih supstanci čiji molekuli imaju veći broj atoma. U poslednje vreme se umesto organskih para upotrbljavaju halogeni elementi.Napon je oko 1000 V za brojače punjene organski parama,dok halogeni imaju znatno niži napon,oko 200 V. Mehanizam rada predstavlja složenu ali veoma interesantnu pojavu. Predpostavimo da je čestica oslobodila jedan par jona.Električno polje će usmeriti elektron ka žica.Ukoliko joj se više primiče,utoliko dolazi u oblast jačeg električnog polja.Na putu se stalno sudara sa molekulima gasa i pri tome gubi veći ili manji deo energije koju je primio u električnom polju.Kad se približi žici, na udaljenost manju od milimetra,električno polje je dovoljno jako da između dva sudara elektron primi dovoljno energije da u sledećem sudaru jonizuje molekul sa kojim se sudario.Dva elektrona sada nastavljaju,i posle sledećeg sudara izbacuju još dva elektrona itd.Na taj način dolazi do naglog umnožavanja broja jona.Proces je sličan formiranju lavine ,pa se naziva Taunsendova lavina, po imenu britanskog fizičara koji je prvi detaljno izičavao tu pojavu. U GM brojaču početna lavina rađa druge i one se prenose duž cele žice.U početnoj lavinoi elektroni u sudarima sa molekulima proizvode ne samo jonizaciju veći ekscitaciju.Vraćajući se u normalno stanje,molekuli emituju fotone.Ovi fotoni izlaze iz lavine i u sudarima sa molekulima organskih para bivaju apsorbovani ne prešavši više od jednog milimetra.Tako proizvedeni elektroni stvaraju nove lavine,koje se postepeno šire duž žice u oba smera.Brzina prenošenja lavine je oko 107 cm/sec.,tako da se za milioniti deo sekunde rasprostru duž cele žice. Sam proces se pobrinuo da se prostiranje lavine automatski zaustavi kad broj lavina dovoljno naraste.Lavine se stvaraju u neposrednoj blizini žice.Elektronima oslobođenim u lavini ne treba više od milijarditog dela sekunde da stignu do žice.Iza njih ostaje oblak pozitivnih jona koji su znatno sporiji i za to vreme jedva da su se nešto pomerili.Cela žica postaje obavijena sve gušćim oblakom pozitivnih jona.Pošto je i žica pozitivna,oblak deluje kao elektrostatistička zaštita.Linije sila koje polaze od negativnog cilindra završavaju na pozitivnim jonima,umesto na pozitivnoj žici.Zbog toga elktrično polje oko žice oslabi,toliko da lavine ne mogu da se formiraju. Izvesno vreme posle prve lavine,njihovo prostiranje prestaje,elektroni su praktično veđ pokupljeni i jedino ostaje pozitivni oblak oko žice.U tom trenutku brojač je »mrtav«.Ako neka jonizujuća čestica uđe u njega,elektroni koje oslobodi ne bi mogli proizvesti nove lavine,jer je električno polje oko žice preslabo.Oblak pozitivnih jona se kreće prema cilindru,do kojega stiže za 100 mikrosekundi.Ukoliko je oblak dalje od žice,njegovo zaštitno dejstvo postaje manje efektivni i električno polje oko žice raste prema normalnoj vrednosti.Posle izvesnog vremena ono naraste toliko da može proizvesti malu lavinu.Brojač tada prestaje da bude »mrtav« i počne da se »oporavlja«.Lavina koju bi neka čestica mogla proizvesti postaje sve veća. U lavinama se jonizuju i argon i molekuli pare.Obe vrste jona kreću se kacilindru i pre nego što stignu do njega pretrpe više od hiljadu sudara sa neutralnim molekulima gasa.Pri tom se dešava jedna važna pojava za funkcionisanje samogasećeg brojača.Joni argona u sudaru sa molekulima para preuzimaju elektron i neutrališu se,a novostvroreni jon pare nastavlja dalje umesto njega.Do prenosa elektrona dolazi zbog toga što je atom plemenitog gasa stabilniji sistem od višeatomnog molekula pare.Na taj našin do cilindra stižu uglavnom joni pare. Metalni cilindar predstavlja rezervoar slobodnih elektrona iz koga pozitivni jon može da izvuče jedan elektron,neutrališe se i još mu ostane višak energije.Višeatomni elektron utroši ovaj vošak energije na taj našin što se rastvori na dva dela, tj. disosuje.Da je umesto nje do cilindra stigao jonizovani atom argona, on bi posle izvlačenja elektrona višak energije emitovao u formi fotona.Neki d ovih fotona mogli bi da izbace fotoefektom elektrona iz cilindra i celo pražnjenje bi počelo iznova.U početnoj fazi razvoja GM brojača,kad se za punjenje upotrbljava samo argon,ponavljanje pražnjenja je sprečavano spolja.Spuštajući napon toliko nisko da se lavina ne može ponovo formirati.Upotrebom para postiglo se da se brojač gasi sam od sebe. Vreme razlaganja.Izvesno vreme posle prolaza jonizujuće šestice brojač postaje »mrtav« i nije u stanju da registruje novu česticu.Mrtvo vreme obično traje otprilike oko (1-2)×10-4 sekunde.Posle tog vremena brojač se oporavlja i impuls koji može da da je utoliko veći ukoliko bi čestica kasnije pristigla,dok na kraju vremena oporavljanja ne da normalni impuls.Vreme oporavljanja je takođe oko (1-2)×10-4 sekunde. Impulsi mogu da se registruju i kad su manji od normalnog ,tako da čestica može da bide detektovana i odbrojana pre zavšetka vremena oporavljanja.Vreme od prolaska čestice pa do trenutka kad se nova čestica može da registruje zove se vreme razlaganja.Ono zavisi ne samo od detektora već i od uređaja za registraciju i obično iznosi negde oko 250 mikro sekundi. Plato.Funkcionisanje GM brojača zavisi od primenjenog napona.Merenjem broja impulsa u funkciji napona dobiva se kriva slična prikazana na slici.Pri niskom naponu brojač ne radi.Posle izvesnog povećanja napona brojač proradi.Ako se napon i dalje povećava broj impulsa naglo raste,da bi zatim pri daljoj promeni napona vrlo malo rastao.Najpogodnije je da se radi sa nopom negde u sredini srednjeg dela gde se broj impulsa malo menja, i koji se zove plato.Tad broj impulsa praktično ne zavisi od eventualnih manjih promena napona. Poželjno je da plato bude što ravniji i duži.Njegov kvalitet zavisi prvenstveno od čistoće gasne smeše.Kod komercionalnog brojača on iznosi oko 200 V ako su punjeni parom a kod halogenih je kraći i strmiji. Efikasnost.Efikasnost brojača u najužem smislu reči (tkz. unutrašnja efikasnost) definiše se kao verovatnoća da će čestica biti detektovana ako je dospela unutar brojača.Za naelektrisane čestice ,kao što su alfa i beta,ako prođu kroz prozor,efikasnost je praktično 100%. Efikasnost za gama zrake je znatno manja.Njihova detekcija se zasniva na foto i komtonovim elektronima koje izbaci iz cilindra i gasa.Ona zavisi od njihove prirode i energje gama zraka i manja je od 2%.

PROPORCIONALNI BROJAČ

Proporcionalni brojač daje impuls srazmeran energiji koju cestica utroši u aktivnom volumenu. On može,prema tome, da se koristi bilo da odbrojava čestice,bez obzira na njihovu energiju, ili da daje energetski spektar. U proporcionalnom brojaču ne dolazi do prostiranja lavine duž cele žice kao kod GM brojača. Uloga fotona u prostiralju lavina znatno se umanjuje smanjivanjem polja i umnožavanja.Tome takođe doprinosi upotreba para, kao kos GM brojača. Ukoliko se ne upotrebljavaju pare, već samo plemeniti gasovi, polje i umnožavanje treba još smanjiti. Lavina je tada lokalizovana na onaj deo žice gde stižu elektroni koje je oslobodila čestica. Umnožavanje se definiše faktorom umnožavanja koji pokazuje koliko je puta veći broj elektrona stigao na žicu, od onog koje je čestica oslobodila. Faktor umnožavanja se kreće praktično do 104. Iznad toga dolazi do ograničene proporcionalnosti, pri kojoj jača početna jonizacija i ima manji faktor umnožavanja. Drugim rečima, brojač se primiče Geigerovom predelu, gde su svi impulsi izjednačeni bez obzira na početnu jonizaciju. Za alfa čestice, umnožavanje je obično manje nego za beta čestice. Plato. Proporcionalni brojači takođe imaju plato. On je znatno složeniji nego kod GM brojača, zato što visina impulsa zavisi od energije koju čestica utroši u aktivnom volumenu. Povećanjem napona prvo će biti odbrojane čestice koje imaju najveću energiju, a zatim one koje imaju sve manju. Kontinualni beta spektar ne može, prema tome, uopšte dati ravan plato. Alfa zračenje, koje je praktično monoenergetsko, daje ravan plato i na nižem naponu nego beta čestice, koje redovno imaju manje energije. Merenjem nekog izvora koji emituje i alfa i beta čestice dobio bi se dvostruki plato. Konstrukcija. Zbog krične zavisnosti multiplikacije i visine impulsa od električnog polja, konstrukcija proporcionalnog brojača, predstavlja složeniji zadatak, nego konstrkcija GM brojača. Pre svega, treba obezbediti da električno polje duž aktivnog volumena ostane nepromenjeno, naročito na krajevima. To se postiže uvođenjem pomoćnih elektroda kao što je bio slučaj kod jonizacionih komora. Ponekad se uvode i po dve pomoćne elektrode tako da ih ukupno ima četiri na raznim električnim potencijalima. Znatan deo potencijalnih brojača rade na principu gasnih protoka. Gas kojim se puni brojač stalno protiče kroz njega ravnomernom brzinom. Izvor se mora staviti u brojač, pa nije potrban prozor za merenje zračenja male prodornosti kao što su alfa čestice. Brzina brojanja. Pošto je kod proporcionalnih brojača lavina lokalizovana, on može da detektuje neku novu česticu na drugom mestu, dok još proces detekcije prethodne čestice nije završen. Prema tome, on brže broji od GM brojača. Brzina brojanja zavisi od toga da li proporcionalni brojač samo odbrojava čestice ili meri i njihovu energiju. U prvom slučaju kao osnova za merenje služi kretanje elektrona, koje traje vrlo kratko vreme. Dve čestice će biti odbrojane posebno ako jedna drugu slede u razmaku od 0,2-0,5 mikrosekundi. To vreme se zove vreme razdvajanja. Ono je kod spektrometra znatno duže i ide do 100 mikrosekundi. U svakom slučaju, proporcionalni brojač brže broji od GM brojača. Primena. Proporcionalni brojač je pogodan za merenje alfa čestica, prvenstveno iz dva razloga. Njegovom upotrebom u protočnom obliku izbegava se upotreba prozora. S druge strane elektronska aparatura može tako da se podesi da prima samo veće impulse prouzrokovane alfa česticama, dok beta i gama ostaju nedetektovane, što olakšava merenje alfa česticama u prisustvu ostalog zračenja. U slučaju beta čestica, proporcionalni brojač se upotrebljava za odbrojavanje, dok kao spektrometar može da meri samo spektar nižih energija. Za veće energije trebalo bi znatno povećati dimenzije ili pritisak što nije naročito praktično. Kod merenja gama zračenja važno je da je proporcionalni brojač gasnog tipa što znači da ima malu efikasnost. Situacija se poboljšava na niskom energijama, ispod 100 keV, gde upotrbom teškog gasa,kao što je ksenon, efikasnost može da dostigne 10%. Jedna od najvažnijih primena proporcinalnog brojača je detekcija neutrona. Najčešđe se koristi nuklearna reakcija neutrona sa izotopom bora, 10V. Kad neutron upadne u jezgro 10V u stanju je da izbaci alfa česticu koja se detektuje. Bor može da se stavi ili na zidove brojača ili upotrebljava u formi gasa. U ovom drugo slučaju koji se često susreće, bor se nalazi kao hemijsko jedinjenje BF3.

VILSONOVA (MAGLENA) KOMORA

Engleski fizičar Vilson (Wilson) prvi je 1912. godine konstruisao ovaj urađaj. Aktivna sredina komore je zasićena para, najčešće vode , helijuma , azota ili argona. Izvor radioaktivnog zračenja postavlja se unutar aktivne sredine . Naglim povećanjem pritiska para se prvo sabije , a zatim smanjivanjem pritiska dolazi do širenja pare , pri čemu se temperatura pare snižava i ona prelazi u prezasićeno stanje. Takva para se lako kondenzuje u tečnost . Prilikom prolaska samo jedne alfa – čestice obrazuju se hiljade pari jona , koji postaju centri kondenzovanja pare. Na taj način se formiraju kapljice tečnosti, koje obrazuju tragove koji su vidljivi golim okom, ili se čak mogu snimiti fotoaparatom. Na isti način nastaje i vidljivi trag pare iz aviona na velikim visinama , samo što, u tom slučaju , čestice prašine dovode do stvaranja pare.

FOTODETEKCIJA Bekerel je otkrio radioaktivnost zahvaljujući zračenju koje je zračenje proizvelo na fotografskoj ploči.Iako je poslužila kao prvi detektor zračenja ,foto-ploča je dugi niz godina imala važnu ulogu među detektorina,sve dok nisu razvijene nuklearne emulzije na kojima se pojedinačno vide tragovi čestica. Danas se fotoemulzije upotrebljavaju na dva načina,bilo za merenje pojedinačnih tragova čestica ,bilo kao integralni detektor koji meri intenzitet zračenja posle zacrnjenja.

SASTAV EMULZIJA

Fotoemulzije su nastale suspenzijom mikrotalasa srebrobromida u želatinu.Zrnca srebrobromida su kod običnih foto-ploča veličine 1-3,5/ ,dok kod nuklearnih emulzija ,koje mere pojedinačne tragove ,zrnca su za jedan red veličina manja i iznose oko 0,1-0,6/ .Želatin služi samo kao nosač,a fotografski proces se dešava u zrncima srebrobromida .Za pospešivanje fotografskog procesa emulzijama se mogu dodati u manjim količinama još i neki drugi materijali. Za merenje individualnih tragova potrebno je da zrno bude manje ali da koncentracija bude veća.Zbog toga je kod nuklearnih emulzija koncentracija oko desetak puta veća nego kod običnih foto-ploča.Nuklearne emulzije sadrže težinski oko 85% srebrobromida,a želatina svega 15%.

NUKLEARNE EMULZIJE

Upotrebljavaju se za izračunavanje svih vrsta nuklearnih procesa.Dimenzije i osetljivost emulzija odabiraju se prema energiji i vrsti zračenja koja izučavaju.Dok obične fotografske ploče imaju fotografski sloj debeo svega desetak mikrona.Nuklearne emulzije obično imaju debljinu od 50-1000 mikrona.Ukoliko je domet zračenja koji se izučava veći ,utoliko je potrebna deblja emulzija. Vrsta zračenja određuje osetljivost emulzije.Osetljivije emulzije imaju krupnija zrnaca.Tako elektroni na energijama od oko 1MeV imaju mali jonizaciju ,pa su potrebne vrlo osetljive emulzije.Osetljivost emulzije može da se smanjuje idući od elektrona ka protonima,alfa česticama i proizvodima fisije. Proizvodnja standardnih emulzija dosta je složena.Ceo svet se snadbeva proizvodima oz svega 3-4 fabrike.U našoj zemlji koriste se emulzije koje proizvodi firma liford.Svaki tip emulzije ima svoje oznake.Tako ligordove G5 emulzije su osetljive na elektrone i sve ostale naelektrisane čestice ,dok suC2 emulzije praktično neosetljive na elektrone,ali su osetljive na teške naelektrisane čestice,kao što su alfa čestice i deuteroni.Najmanje osetljive su D1 emulzije koje služe samo za detekciju fisije,dok protone uopšte ne mogu da detektuju.Kad god je moguće,emulzije se postavljaju tako da zračenje stiže u njih pod brišućim uglom,čime se olakšava izučavanje traga i obezbeđuje merenje čestica sa dužim dometom.Ima slučajeva kad zračenje ulazi pod vrlo različitim uglovima. Razvijanje tanjih emulzija ne predstavlja problem ,ali kod debljih postoji opasnost da usled sporijeg prodiranja razvijača,donji slojevi budu slabije razvijeni.To se izbegava posebnim uređajima. Dužina traga u emulzijama može da iznosi od nekoliko mikrona naviše.Pa je za njihovo posmatranje potreban mikroskop,koji je specijalno podešen da precizno meri brzine u celom volumenu emulzije. Izučavanje i identifikacija traga vrši se prvenstveno na osnovu dužine traga i gustine zrna.Ako je poznata priroda čestica koje se mere,potebno je samo odrediti energiju,a onda je dovoljno izmeriti dužinu traga i koristi se reakcijom domet-energijom.Ako priroda čestice nije poznata ,u obzir treba uzeti i gustinu zrna,a mogu da pomognu i neki drugi podaci,koa što je srednji ugao skretanja čestice ili sekundarni elektroni koje ona izbacuje.Na taj način otkriven je niz novih čestica u kosmičkom zračenju. Nuklearne emulzije,kao detektori imaju izvesne dobre karakteristike: 1.Trag čestica je vidljiv i ostaje stalno zabeležen.To je od posebnog značaja u izučavanju visokoenergetskih procesa,pri kojima iz jednog bombardovanog jezgra ili teže čestice može da izleti niz drugih čestica. 2.Moć zaustavljanja eulzije je oko 1000 puta veća nego kod gasnih detektora,tako da se mogu izučavati čestice znatno veće energije. 3.Male dimenzije i jednostavnost. Nuklearne emulzije se koriste i u primeni izotopa,iako ne tako često kao gasni detektori,a kao tipičan primer može se navesti autohistografija.

FOTOEMULZIJA KAO INTEGRALNI DETEKTOR

Merenje intenziteta zračenja po zacrnjenju koje ona proizvede na fotoemulziji koristi se vrlo često,a kao primer možemo navesti rendgenoskopiju ,defektoskopiju i dozimetriju. Za merenje naelektrisanog zračenja upotrebljavaju se iste fotoemulzije kao u rendgenoskopiji a koje imaju krupno zrno da bi se povećala osetljivost.Precizno određivanje intenziteta zračenja u zavisnosti od zacrnjenja koje je proizvedeno,nije jednostavno iz dva razloga: a) Kriva koja pokazuje odnos zacrnjenja nu funkciji intenziteta ozračivanja ima saturacioni karakter i samo upočetku je linearna što u toku ozračivanja broj zrnaca kod kojih je već dobivena mrlja srebra stalno raste,a opada gustina nuklearnih zrna. b) Zacrnjenje zavisi i od energije čestica.Elektron od 100 keV proizvodi veće zacrnjenje od elektrona energije MeV.Detalji krive zavise od vrste i debljine emulzije,a kao ilustarciju dajemo krivu za elektrone i Ilfordov film Sclachrome. Uopšte rečeno ,merenje intenziteta ima izvesne prednosti slične onima koje smo naveli za nuklearne emulzije,ali preciznost je slabija nego kod gasnih ili scintilacionih detektora.

SCINTILACIONI BROJAČI

Scintilacioni brojači otkriveni su u prvim danima radioaktivnosi. Britanski fizičar Krokez otkrio je 1903. godine da alfa zraci izazivaju svetlucanje fluorescentnih materijala. Prvi scintilacioni detektpr napravljen je tako da je kraj fluorescentnog ekrana postavljen mikroskop i posmatrač je odbrojavao svetlucanje.To je vrlo naporan posao,pa iako je takav detektor poslužio za nekoliko osnovnih otkrića potencijalne mogućnosti scintilaciong detektora došla su do izražaja tek kad je ljudsko oko zamenjeno fotomultiplikatorom. On se sastoji od tri osnovna dela kristala fotomultiplikatora i elektronske aparature.Čestica ili zrak prolazi kroz kristal i izaziva emisiju fotona.Ovi dopiru u fotomultiplikator čiji je zadatak da od polaznih fotona proizvede električne impulse.To se postiže serijom elektroda. Fotoni izbacuju fotone iz prve elektrode (fotokatode), koji se kreću ka sledećoj a svaki elekron je u stanju da u njoj izbaci od 3-5 elektrona. Ovi se kreću dalje i svaki ponovo izbacuje nove elektrone.Na taj način polazeći od jednog elektronamože se dobiti 106 do 109 elektrona.Ovi predstavljaju dovljno veliki impuls za odašiljanje u treći elektronski deo,gde se on meri i odbrojava. Scintilacioni brojač može da služi ili za odbrojavanje čestica ili za merenje energetskog spektra.Pošto je broj emitovanih protona srazmeran energiji koju čestica utroši u kristalu.

PROCES LUMINISCENCIJE

Kristale koji luminisciraju (svetlucaju) pod uticajem zračenja mozemo podeliti u dve grupe organske i neorganske. Kod organskih kristala luminiscencija je melekularni proces.Naelektrisana čestica u sudaru sa molekulom može da izgubi deo energije i izazove ekscitaciju molekula.Deekscitacija se sprovodi na složen način.Molekul vrlo brzo oslobodi jedan deo primljene energije u vidu toplote,a zatim može da usledi emisija fotona.Energije emitovanih fotona uvek su manje od apsorbovanih energija,a spektri apsorbcije i emisije tako se razlikuju da kristal uglavnom ne može da apsorbuje fotone koje sm emituje, tj. providan je za vlastito zračenje.Bez toga se ne bi mogli upotrebljavati veći kristali. Kod neorganskih kristala luminiscencija je kristalni proces.Bitnu ulogu u procesu imaju primese koje se dodaju kristalu,nazvane aktivatorima.Naelektrisana čestica prolazeći kroz kristal može da prenese na neki elektron toliko energie,koliko je potrebno da ga oslobodi i omogući kretanje kroz kristal.Pri tome kretanju elektron izgubi deo energije koji se pretvara u toplotu.Kad takav elektron naiđe u blizinu atoma aktivatora,može da dođe do emisije fotona.Energija emisije uvek je manja od energije apsorpcije i neorganski kristali su providni za vlastito zračenje.

KARAKTERISTIKE KRISTALA

Pri razmatranju kristala najvažnije su sledeće karakteristike: Efikasnost.Samo deo energije koju čestica utroši pojavljuje se u vidu fotona.Taj deo zovemo efikasnošću i važno je da bude što veći. Vreme svetlucanja.Emisija fotona traje izvesno vreme iza polaza čestice.Važno je da to vreme svetlucanja bude što kraće.Intenzitet emisije opada i kao vreme svetlucanja definiše vreme za koje on opadne na 36,6% od početne vrednosti. Talasna dužina emisije.Treba da odgovara talasnoj dužini za koju su osetljivi fotomultiplikatori. Gustina materijala i redni broj Z.Važni su za apsorpciju prodornog zračenja zraka. Providnost za vlastito zračenje.Omogućava upotrebu većih kristala. Od neorganskih kristala daleko najvažniji je natrijumjodid aktiviran talijumom.Njegovo vreme svetlucanja je 2,5×10-7 sekunde.efikasnost dva puta veća od antracenove a gustina relativno visoka,pa je vrlo koristan za merenje gama zračenja.To je danas najkorisniji i najviše upotrebljivan kristal u gama spektroskopiji.Cink-sulfid je sporiji i pošto se dobiva u kristalnom prahu može da se upotrebljava samo u tankim slojevima,što jedino dozvoljava detekciju jako jonizujućeg zračenja,kao što su alfa čestice. Organski kristali ,kao npr. Antracen i stilben ,brži su ali im je efikasnost i gustina manja.Zbog toga se najčešće upotrebljava za beta čestice i to maročito kada se radi u koincidencijama,gde dolazi do izražaja kratko vreme svetlucanja.Organske supstance se takođe upotrebljavaju u tečnim i čvrstim rastvorima.

LITERARURA

1. Blenler E. and Goldsmith J.G., Experimental nucleonics, Rinehart Company, Inc., New York, 1958 2. Price J. W., Nuclear radiation detection, Mc Grow Hill, New York 1958 3. Washtell S., Radiation Counters an detectors , Tower House, London 1958 4. Overman T. R., Clarc M. H., Radioisotopes tehniques, Mc Grow Hill, Inc., New York 1960 </ref></ref>