Детекција радиоактивног зрачења

ДЕТЕКЦИЈА РАДИОАКТИВНОГ ЗРАЧЕЊА

- Детектори су урeђаји за откривање радиоактивног зрачења и мерење њихових карактеристика. Рад детектора се углавном заснива на јонизујућем дејству зрачења, постоје и они детектори који раде на неком другом принципу.

У зависности који физички процес је у основи њиховог рада , они се могу поделити у три групе : - детекторе који раде на принципу јонизујућег дејства зрачења; - сцинтилациони бројачи; - нуклеарне емулзије.

Пролазна тачка за детекцију зрачења је ефекат који оно производи пролазећи кроз неку средину. Тај ефекат је мали , јер је енергија радиоактивног зрачења веома мала. Бета и гама зраци имају енергију до неколико MeV-а док алфа зраци могу имати енергију до десетак MeV-а. Један MeV износи 1,6×10-9 ерга , односно 1,6×10-16 вати, а то је недовољно да покрене казаљку или цифру на бројчанику. Због тога је потребно појачање . Почетни ефекат служи у ствари као окидач којим започиње процес појачавања почетног сигнала који треба довољно да нарасте да би могао да покрене урађај за регистрацију. Код неких врста детектора , као то су пропорционални бројач и Гајгер – Милеров бројач , почетни сигнал може да се појача већ у детекционој средини. Међутим, код већине детектора појачања се врши у електронским урађајима на које се преноси сигнал из детектора.

ОСНОВНИ ТИПОВИ ДЕТЕКЦИЈЕ

Пролазом зрачења кроз детекциону средину може доћи до веома разноврсних процеса. Најопштије речено, зрачење пролазећи кроз детекциону средину троши енергију на јонизацију и екцитацију атома и молекула. Јонизацијом је један део неутралних система , као што су атоми и молекули, раздвојен у наелектрисане системе-јона. Енергија је утрошена на добијање извесне количине електрицитета , позитивног и негативног у подједнакој количини. Под извесним условима тај електрицитет може да се усмери на добијање електричног импулса, који се онда појачава,мери и региструје. Начин добијања импулса зависи од природе детекционе средине.

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.

Ексцитација представља пренос енергије на атомске системе који се после извесног времена могу да емитују у форми електромагнетског зрачења. У овом случају електромагнетско зрачење може да послужи као почетни сигнал. Појачање се најефектније врши посебним електронским цевима, названим фотомултипликаторима.Они су осетљиви на електромагнетско зрачење из видљивог спектра.Отуда као детектори служе оне врсте кристала који светлуцају (сцинтилују) и назовамо их сцинтилациони бројачи. Код извесних враста чврстих тела,ексцитација може да доведе до трајних промена у структури кристала.Сад се више не ради о краткотрајном сигналу везаном за пролаз честице , јер промене трајно остају и изучавају се тек касније.Треба напоменути да је и у овом случају ефекат мали, тако да се промене касније вештачки појачавују пре него што се приђе изучавању трага који је зрачење оставило.У ствари,оно што је изнесено односи се на фотографски ефекат зрачења,а детектори засновани на њему зову се нуклеарна емулзија.

КАРАКТЕРИСТИКЕ ДЕТЕКТОРА

Детекторе делимо на оне који само служе да утврде пролаз честице, и на оне који поред тога дају и енергију честице,па се зову спектрометрима. Детектор може бити у стању да одбројава једну по једну честицу,а има их који то нису у стању, већ дају неки средњи ефекат.Такав је случај код јонизационих комора,где прве зовемо импулсним, а друге интегралним.Фото плоче такође могу да дају појединачне трагове или интегрално зрачење. Код појединачног одбројавања важна је брзина са којом детектор може да броји. Сваки акт детекције траје извесно коначно време и уколико је оно краће, утолико ће детектор моћи брже да броји. Важна карактеристика детектора је ефикасност којом он детектује поједине врсте зрачења. Геигер-Милерови бројачи могу се дотерати да детектују скоро 100% наелектрисано зрачење,али ефикасност детекције продорног гама зрачења је реда величине једног процента. ГАСНИ ДЕТЕКТОРИ

Најстарији гасни детектор је јонизациона комора која је у примитивној форми служила за мерење јонизације, још пре него што је откривена радиоактивност.Први гасно бројач који је појединачно одбројавао честице консруисали су 1908. године Рутерфорд и Геигер.Тек двадесетак година касније он се издиференцирао у Гајгер-Милеров бројач и пропорционални бројач.Гасни детектори су најједноставнији и најшире употребљавани детектори.Пре него што се пређе на њихово појединачно изучавање, биће корисно да се укратко дају неки појмови и чињенице о кретању молекула неког гаса.

КРЕТАЊЕ МОЛЕКУЛА ГАСА

Ваздух има око 1019 молекула по cm3 при атмосферском притиску. У гасним бројачима притисак обично не износи испод десетог дела атмосфере, а може да буде и знатно већи од једне атмосфере. Број молекула је, дакле, редовно већи од 1018,што је веома велик број. Главна последица је да су судари између молекула веома честу. У тим сударима молекули преносе једни на друге енергију и мењају правац кретања.Један молекул,према томе,стално мења енергију,а правац кретања је хаотичан у цик-цак линији. Јасно је да је практично немогуће појединачно пратити кретање сваког,од толико великог броја молекула.Због тога се кретање молекула описује статистички,уводећи средње величине. Средња енергија молекула сразмерна је температури гаса.На нормалном притиску и температури од 27°С средња енергија молекула износи 0,0386 еV што је веома мало у поређењу са енергијама неклеарног зрачења. С обзиром да молекули имају малу масу њихове брзину су знатне чак и на релативно малим енергијама. Средња брзина молекула ваздуха при нормалној температури и притиску износи 5,2×104 cm у секунди. За описивање појава у гасовима нарочито је погодан појам средњег слободног пута. Под слободним путем подразумева се дужина пута коју молекул пређе између два узастопна судара. Та дужина наравно варира од судара до судара. Средња величина међутим одређена је физичким условима и особинама гаса. Тако ваздух и аргон при нормалном притиску и температури имају средњи слободни пут око 10-5 cm. Смањењем притиска средњи слободни пут се повећава у обрнутој сразмери,тако да на притиску од 1/10 атмосфере, средњи слободни пут се повећава на 10-4 cm. Интересантно је још погледати колико су чести судари између молекула. Делећи средњи слободни пут са средњом брзином добивамо да средње време између два судара износи мање од 10-9 секунде.Значи да при нормалном притиску и температури један молекул претрпи више од милијарду судара у секунди.

КРЕТАЊЕ ЈОНА У ГАСУ ПОД УТИЦАЈЕМ ЕЛЕКТРИЧНОГ ПОЉА

Следећи корак је да размотримо шта се дешава кад нуклеарна честица прође кроз гас и ослободи известан број пари јона.Под паром јона овде подразумевамо позитивно наелектрисани тешки јон сачињен од молекула који је изгубио један електрон, и негативни јон који је одвојен од молекула. Напоменимо да је већи део јона добивен секундарном јонизацијом, тј. преко оних електрона које је примарна честица избацила из молекула предајући им довољно енергије да и сами могу да јонизују. Тешки јон се не разликује много од осталих молекула.Уколико му је у почетаку енергија нешто већа од средње енергије молекула гаса изгубиће је убрзо у многобројним сударима. Он ће да дефундује кроз гас у цик-цак линији,као и остали молекули. Електрон је мањи и лакши од позитивног јона,па ће због тога његов слободни пут бити дужи,а средња брзина знатно већа. Кад се термализује, тј. изгуби вишак енергије и креће средњом ергијом коју имају и остали молекули,електрон ће имати средњи слободни пут четири пута већи од молекула, док ће му брзина бити скоро хиљаду пута већа (1,17×107cm/sec. на нормалном притиску и температури). Јони ће се кретати кроз гас све док се не неутралишу. Електрон може да наиђе врло близу позитивног јона и рекомбинује се са њим. Ако позитиван јон стигне до металне површине коморе, он може да извуче из метала један електрон и неутрализује се. Углавном после дужег или краћег времена које зависи од разних фактора јонизација ће нестати и гас ће се вратити у стање у којем је био пре полазка јонизујуће честице. Као важан пример рекомбинације можемо да узмемо слободан ваздух у којем космички зраци и природна радиоактивност земље стално призведе јонизацију. Кад не би било рекомбинације, број јона би стално растао. Међутим,равнотежа се успоставља захваљујући рекомбинацији.Космички зраци и радиоактивност стално производе око пет пари јона по cm3/s, a исто толико се и рекомбинује. Средњи живот једног пара јона износи под нормалним условима ок 300 секунди, а у сваком кубном сантиметру ваздуха има око 1600 пари јона. Да би се утврдио полаз јонизујуће честице кроз неку посуду напуњену гасом, треба спречити рекомбинацију и јоне користити за добивање електричног импулса. То се постиже увођењем електричног поља. Предпоставимо да су у посуду стављење две равне паралелне плоче које се могу спојити са неким извором високог напона .Укључивањем напона једна плоча ће постати позитивно наелектрисана (анода), а друга негативно (катода). Ако се између њих нађе неко наелектрисано тело,оно ће деловати на њега; једна ће га привлачити а друга одбијати. Друкчије речено ,између наелектрисаних плоча (електрода) делује електрично поље. Електрично поље делује на јоне у супротним правцима. Позитивни јони ће бити привучени ка катоди,а негативни ка аноди.На тај начин долази до тренутног раздвајања. На јоне делује сила у правцу одговарајућих електрода, која је утолико јача, уколико је електрично поље интензивније. Та сила мења карактер кретања јона. Први ефекат силе је да ће јони под њеним дејством добивати и енергија ће им расти. Убрзање је усмерено ка електродама, па ће и јони да се крећу према њима. Иако одмах после судара јони могу да скрену на разне стране они ће скретати ка електроди док се крећу под утицајем електричног поља. Ово скретање је утолико изразитије уколико је електрично поље јаче.Тако долазимо до два појма брзине:реална брзина јона и брзина којом се помера у правцу електричног поља. Ова друга је наравно мања и обрнуто сразмерна притиску. Као пример можемо узети аргон,чији јони на притиску од 10 mm и електричном пољу од 1000 volti/cm (типични услови у ГМ бројачу) имају брзину померања око 7000 cm/s. Брзина померања електрона је око хиљаду пута већа. Усмерено кретање наелектрисаних честица ка одговарајућим електродама представља електричну струју. Под уобичајним условима у гасним детекторима брзина померања јона је знатна,тако да они брзо стигну до електрода. Електрична струја коју изазове једна јонизујућа честица траје кратко време тако да се у ствари ради о једном електричном импулсу.

УТИЦАЈ ЕЛЕКТРИЧНОГ ПОЉА НА ВИСИНУ ИМПУЛСА У затвореној стакленој комори напуњеној погодним гасом налази е метални цилиндар, у чијој се основи налази метална жица. Обоје се преко специјалних извода могу повезати са извором високог напона, и то цилиндар са негатвиним, а жица са позитивним полом. Обоје су даље везани за уређаје који може да мери импулсе промене напона изазване сакупљањем јона. Ако напон повећавамо почевши од 0, висина импулса ће да расте док напон не дође до неке величине V1 , а тада импу лс више не расте са повећањем напона већ остаје константан. Објашњење је да са почетним појачањем поља рекомбинација опада, и на V1 постаје потпуно занемарљива. Почевши од V1 па надаље прктично сви они које је ослободила јонизујућа честица сакупљају се на одговарајућим електродама. Висина импулса зависиће од броја јона које честица ослободи у активном волумену коморе. Алфа честице ће дати већи импулс од бета честице. Са повећањем напона доћи ће се до неке вредноси V2 ,на којој импулс почиње да расте,то значи да је број јона већи него што их је ослободила јонизујућа честица. Електрично поље је сада толико нарасло,да електрони под његовим дејством добивају довољно енергије за јонизацију молекула са којима се сударају.Умножавање расте са напоном и може да достигне фактор 106-107. Импулс може постати и милион пута већи од онога који даје почетна јонизација.Висина импулса остаје пропорционалана почетној количини јона. Ово важи за мале факторе умножавања,али код великих фактора пропорционалност се губи. Настављајући са повећањем напона долази се до тачке V3 на којој се потпуно губи пропорционалност. За дати напон сви импулси су усте висине,без обзира да ли је јонизујућа честица ослободила два пара јона или 2 милиона пари јона. Висина импулса ће расти са напоном. После неког напона V4 добиће се непрекидно електрично пражњење, а импулс ће још брже да расте. Променом напона могу се издвојити три предела са различитим карактеристикама: - Предео V1-V2 .Сакупљају се сви ослобођени јони.Детектор који ради на овом принципу зове се јонизациона комора. - Предео V2-V3 .(Првенствено прва половина на нижем напону).Добива се знатно појачани импулс пропорционалан почетној јонизацији.На овом принцупу раде пропорционални бројачи. - Предео V3-V4 . Импулс је још већи али уопште не зависи од почетне јонизације.Тако раде Геигер-Милерови бројачи.

ЈОНИЗАЦИОНЕ КОМОРЕ

У јонизационим коморама сакупљају се јони које ослободи јонизујућа честица.Напон се обично подеси тако да је рекомбинација занемарљива и број сакупљених јона приближно једнак укупном броју јона које је честица ослободила. Сакупљањем јона производи се електрични импулс који сигналише пролаз честице и садржи у себи све податке које можемо да добијемо о њој.Сигнал се преноси у електронски део апаратуре који га даље обрађује и региструје. Сакупљање јона и стварање почетног импулса траје одређено време. То време може бити дуже или краће у зависности од низа фактора. Ако је импулс врло кратак рецимо 1/1000 део секунде,онда комора може појединачно да региструје импулсе.Међутим ако је импулс знатно дужи , онда комора више није у стању да региструје појединачно импулсе. Први тип се зове импулсни,а други интегрални. Импулсни тип коморе може дати не само број честица већ и њихову енергију, тј. Послужити као спектрметар. Пошто је енергија сразмерна укупној јонизацији честице, комора ће радити као спектрометар ако се њени физички и геометријски параметри подесе тако да честица изгуби целу енергију у активном волумену коморе. За алфа честице чији домет у ваздуху не износи више од десет сантиметара , димензије комора нису велике. Бета честице су знатно продорније ,са дометом реда величине метра ,тако да би или димензије коморе биле велике , или се повећава притисак.Због тога се импулсне коморе чешће употребљавају за спектроскопију алфа честица, док се код бета честица углавном ограничавају на изотопе који емитују електроне ниских енергија као што је рецимо 14С. Импулсне коморе се знатно више употребљавају у нуклеарној физици него у примени изотопа,па се на њима нећемо детаљније задржавати. Интегрална комора даје укупни ефекат који произведе неки флук зрачења. Мери се или струја или пад напона у неком интервалу времена. У овом случају не могу да се дискриминишу ни врсте честица ни њихове енергије, нити се директно добива број.

Интегрална комора мери укупан број јона које зрачење ослобађа у активном волумену, а она је сразмерна енергији коју је зрачење ослободило. Тај податак је управо од великог значаја у раду са зрачењем. Енергија ослобођена по јединици материјала дефинише се као доза. Њено познавање је од примарног значаја у изучавању ефекта зрачења. Отуда веома широка примена интегралних јонизационих комора као дозиметара. Два инструмента без којих се не прилази изворима зрачења, џепни дозиметар и монитор,представљају два данас најраспрострањенија типа јонизационих комора. Интегралне јонизационе коморе. Постоји велики број разноврсних јонизационих комора чије величине могу да се крећу од 1cm до 1m. Најчешће се сусрећу две форме коморе,цилиндричне и план-паралелне,које су шематски приказане на слици.У оба случаја комора има поред аноде и катоде још једну трећу заштитну електроду.Њен главни задатак је да спречи импулсе из струје изазване неким другим факторима, независним од јонизујуће честицe. Катода и анода електрички су изоловане. Не постоје идеални изолатори,нарочито у зависности од њихове површине,преко њих могу да протичу мале струје. С обзиром да су струје јона често веома мале,лажне струје преко изолатора,које не могу да се разликују од правих,изазвали би погрешна мерења. То се спречава употребом заштитне електроде, са напоном блиским напону електроде са којом су повезани делови апаратуре за регистрацију која се зове колектор. На тај начин изолација колектора није подвргнута већој разлици напона,па не долази до лажних струја. Код план-паралелног типа заштитна електрода је тако направљена да такође служи за прецизно одређивање активног волумена коморе,који је једнак цилиндру чија је основа колектор. Код цилиндричног типа заштитна електрода штити колектор од електромагнетских тала увек присутних у лабараторијама. Колектор би их иначе примао као антена што би довело до лажних импулса,незанемарљиве величине. Инегралне јонизационе коморе се најчешће пуне ваздихом на атмосферском притиску. Међутим,према потреби могу да се употребљавају веома разноврсни гасови и притисци. Кад је интегрална јонизациона комора изложена зрачењу, кроз њу стално протиче струја. Инересује нас или тренутно каква је струја ,или колко је укупно струје прошло за извесно време. Може да се илуструје пиштољ дозиметром који служи за мерење тренутне дозе на појдиним местима изложени зрачењу.На пример може да послужи и џепни дозиметар чија је сврха мерење укупне дозе,коју је неко примио за извесно време. Струје у јонизационим коморама могу да се крећу између 10-16 и 10-6 ампера и мере се најчешће разним електрометрима. Укупна доза примљена у неком интервалу времена може се мерити на принципу електроскопа.Комора није стално везана са извором високог напона,већ се само повремено пуни.Приликом пуњења успоставља се између електрода нека разлика напона.Тада се од колектора удаљује танак ,веома лаган листић који је за њега причвршћен.Разлог овоме је да су сада и колектор и листић наелектрисани истом врстом електрицитета па се међусобно одбијају.Пролазак зрачења кроз комору успоставља електричну струју која неутралише колектор.Смањивањем количине електрицитета на њему,смањује се и сила којом одбија листић и овај се постепено примиче.Његов положај се мозе калибрисати и на тај начин мерити интегрална доза.Џепни дозиметар ради на овом принципу.

ГЕИГЕР-МИЛЕРОВ БРОЈАЧИ

Од свих гасних детектора, ГМ бројач има највећу осетљивост и даје највећи импулс.Довољно је да честица произведе који пар јона у активном волумену па да се добије импулс од 0,1-1 volta.Међутим,импулс је исти за све честице,што значи да ГМ бројач не може да ради као спектрометар. Геигер-Милерови бројачи обично имају цилиндричну симетрију.Метални цилиндар служи као катода кроз чију осовину пролази жица од волфрама или челика који не рђа,дебљине 0,02-0,2 mm.За мерење непродорног зрачења,као што су алфа и бета зрачења,употребљава се звонасти облик,са танким прозорима од лискуна или пластичних материјала,чија се дебљина обично креће од 1 до 5 mg/cm2.Бројач је напуњен гасном мешавином у којој је највећи део 80-90% неког племенитог гаса,најчешће аргона, а остатак могу бити паре алкохола,етера или других органских супстанци чији молекули имају већи број атома. У последње време се уместо органских пара употрбљавају халогени елементи.Напон је око 1000 V за бројаче пуњене органски парама,док халогени имају знатно нижи напон,око 200 V. Механизам рада представља сложену али веома интересантну појаву. Предпоставимо да је честица ослободила један пар јона.Електрично поље ће усмерити електрон ка жица.Уколико јој се више примиче,утолико долази у област јачег електричног поља.На путу се стално судара са молекулима гаса и при томе губи већи или мањи део енергије коју је примио у електричном пољу.Кад се приближи жици, на удаљеност мању од милиметра,електрично поље је довољно јако да између два судара електрон прими довољно енергије да у следећем судару јонизује молекул са којим се сударио.Два електрона сада настављају,и после следећег судара избацују још два електрона итд.На тај начин долази до наглог умножавања броја јона.Процес је сличан формирању лавине ,па се назива Tаунсендова лавина, по имену британског физичара који је први детаљно изичавао ту појаву. У ГМ бројачу почетна лавина рађа друге и оне се преносе дуж целе жице.У почетној лавинои електрони у сударима са молекулима производе не само јонизацију већи ексцитацију.Враћајући се у нормално стање,молекули емитују фотоне.Ови фотони излазе из лавине и у сударима са молекулима органских пара бивају апсорбовани не прешавши више од једног милиметра.Тако произведени електрони стварају нове лавине,које се постепено шире дуж жице у оба смера.Брзина преношења лавине је око 107 cm/sec.,тако да се за милионити део секунде распростру дуж целе жице. Сам процес се побринуо да се простирање лавине аутоматски заустави кад број лавина довољно нарасте.Лавине се стварају у непосредној близини жице.Електронима ослобођеним у лавини не треба више од милијардитог дела секунде да стигну до жице.Иза њих остаје облак позитивних јона који су знатно спорији и за то време једва да су се нешто померили.Цела жица постаје обавијена све гушћим облаком позитивних јона.Пошто је и жица позитивна,облак делује као електростатистичка заштита.Линије сила које полазе од негативног цилиндра завршавају на позитивним јонима,уместо на позитивној жици.Због тога елктрично поље око жице ослаби,толико да лавине не могу да се формирају. Извесно време после прве лавине,њихово простирање престаје,електрони су практично веђ покупљени и једино остаје позитивни облак око жице.У том тренутку бројач је »мртав«.Ако нека јонизујућа честица уђе у њега,електрони које ослободи не би могли произвести нове лавине,јер је електрично поље око жице преслабо.Облак позитивних јона се креће према цилиндру,до којега стиже за 100 микросекунди.Уколико је облак даље од жице,његово заштитно дејство постаје мање ефективни и електрично поље око жице расте према нормалној вредности.После извесног времена оно нарасте толико да може произвести малу лавину.Бројач тада престаје да буде »мртав« и почне да се »опоравља«.Лавина коју би нека честица могла произвести постаје све већа. У лавинама се јонизују и аргон и молекули паре.Обе врсте јона крећу се кацилиндру и пре него што стигну до њега претрпе више од хиљаду судара са неутралним молекулима гаса.При том се дешава једна важна појава за функционисање самогасећег бројача.Јони аргона у судару са молекулима пара преузимају електрон и неутралишу се,а новостврорени јон паре наставља даље уместо њега.До преноса електрона долази због тога што је атом племенитог гаса стабилнији систем од вишеатомног молекула паре.На тај нашин до цилиндра стижу углавном јони паре. Метални цилиндар представља резервоар слободних електрона из кога позитивни јон може да извуче један електрон,неутралише се и још му остане вишак енергије.Вишеатомни електрон утроши овај вошак енергије на тај нашин што се раствори на два дела, тј. дисосује.Да је уместо ње до цилиндра стигао јонизовани атом аргона, он би после извлачења електрона вишак енергије емитовао у форми фотона.Неки д ових фотона могли би да избаце фотоефектом електрона из цилиндра и цело пражњење би почело изнова.У почетној фази развоја ГМ бројача,кад се за пуњење употрбљава само аргон,понављање пражњења је спречавано споља.Спуштајући напон толико ниско да се лавина не може поново формирати.Употребом пара постигло се да се бројач гаси сам од себе. Време разлагања.Извесно време после пролаза јонизујуће шестице бројач постаје »мртав« и није у стању да региструје нову честицу.Мртво време обично траје отприлике око (1-2)×10-4 секунде.После тог времена бројач се опоравља и импулс који може да да је утолико већи уколико би честица касније пристигла,док на крају времена опорављања не да нормални импулс.Време опорављања је такође око (1-2)×10-4 секунде. Импулси могу да се региструју и кад су мањи од нормалног ,тако да честица може да биде детектована и одбројана пре завшетка времена опорављања.Време од проласка честице па до тренутка кад се нова честица може да региструје зове се време разлагања.Оно зависи не само од детектора већ и од уређаја за регистрацију и обично износи негде око 250 микро секунди. Плато.Функционисање ГМ бројача зависи од примењеног напона.Мерењем броја импулса у функцији напона добива се крива слична приказана на слици.При ниском напону бројач не ради.После извесног повећања напона бројач проради.Ако се напон и даље повећава број импулса нагло расте,да би затим при даљој промени напона врло мало растао.Најпогодније је да се ради са нопом негде у средини средњег дела где се број импулса мало мења, и који се зове плато.Тад број импулса практично не зависи од евентуалних мањих промена напона. Пожељно је да плато буде што равнији и дужи.Његов квалитет зависи првенствено од чистоће гасне смеше.Код комерционалног бројача он износи око 200 V ако су пуњени паром а код халогених је краћи и стрмији. Ефикасност.Ефикасност бројача у најужем смислу речи (ткз. унутрашња ефикасност) дефинише се као вероватноћа да ће честица бити детектована ако је доспела унутар бројача.За наелектрисане честице ,као што су алфа и бета,ако прођу кроз прозор,ефикасност је практично 100%. Ефикасност за гама зраке је знатно мања.Њихова детекција се заснива на фото и комтоновим електронима које избаци из цилиндра и гаса.Она зависи од њихове природе и енергје гама зрака и мања је од 2%.

ПРОПОРЦИОНАЛНИ БРОЈАЧ

Пропорционални бројач даје импулс сразмеран енергији коју цестица утроши у активном волумену. Он може,према томе, да се користи било да одбројава честице,без обзира на њихову енергију, или да даје енергетски спектар. У пропорционалном бројачу не долази до простирања лавине дуж целе жице као код ГМ бројача. Улога фотона у простираљу лавина знатно се умањује смањивањем поља и умножавања.Томе такође доприноси употреба пара, као кос ГМ бројача. Уколико се не употребљавају паре, већ само племенити гасови, поље и умножавање треба још смањити. Лавина је тада локализована на онај део жице где стижу електрони које је ослободила честица. Умножавање се дефинише фактором умножавања који показује колико је пута већи број електрона стигао на жицу, од оног које је честица ослободила. Фактор умножавања се креће практично до 104. Изнад тога долази до ограничене пропорционалности, при којој јача почетна јонизација и има мањи фактор умножавања. Другим речима, бројач се примиче Геигеровом пределу, где су сви импулси изједначени без обзира на почетну јонизацију. За алфа честице, умножавање је обично мање него за бета честице. Плато. Пропорционални бројачи такође имају плато. Он је знатно сложенији него код ГМ бројача, зато што висина импулса зависи од енергије коју честица утроши у активном волумену. Повећањем напона прво ће бити одбројане честице које имају највећу енергију, а затим оне које имају све мању. Континуални бета спектар не може, према томе, уопште дати раван плато. Алфа зрачење, које је практично моноенергетско, даје раван плато и на нижем напону него бета честице, које редовно имају мање енергије. Мерењем неког извора који емитује и алфа и бета честице добио би се двоструки плато. Конструкција. Због кричне зависности мултипликације и висине импулса од електричног поља, конструкција пропорционалног бројача, представља сложенији задатак, него констркција ГМ бројача. Пре свега, треба обезбедити да електрично поље дуж активног волумена остане непромењено, нарочито на крајевима. То се постиже увођењем помоћних електрода као што је био случај код јонизационих комора. Понекад се уводе и по две помоћне електроде тако да их укупно има четири на разним електричним потенцијалима. Знатан део потенцијалних бројача раде на принципу гасних протока. Гас којим се пуни бројач стално протиче кроз њега равномерном брзином. Извор се мора ставити у бројач, па није потрбан прозор за мерење зрачења мале продорности као што су алфа честице. Брзина бројања. Пошто је код пропорционалних бројача лавина локализована, он може да детектује неку нову честицу на другом месту, док још процес детекције претходне честице није завршен. Према томе, он брже броји од ГМ бројача. Брзина бројања зависи од тога да ли пропорционални бројач само одбројава честице или мери и њихову енергију. У првом случају као основа за мерење служи кретање електрона, које траје врло кратко време. Две честице ће бити одбројане посебно ако једна другу следе у размаку од 0,2-0,5 микросекунди. То време се зове време раздвајања. Оно је код спектрометра знатно дуже и иде до 100 микросекунди. У сваком случају, пропорционални бројач брже броји од ГМ бројача. Примена. Пропорционални бројач је погодан за мерење алфа честица, првенствено из два разлога. Његовом употребом у проточном облику избегава се употреба прозора. С друге стране електронска апаратура може тако да се подеси да прима само веће импулсе проузроковане алфа честицама, док бета и гама остају недетектоване, што олакшава мерење алфа честицама у присуству осталог зрачења. У случају бета честица, пропорционални бројач се употребљава за одбројавање, док као спектрометар може да мери само спектар нижих енергија. За веће енергије требало би знатно повећати димензије или притисак што није нарочито практично. Код мерења гама зрачења важно је да је пропорционални бројач гасног типа што значи да има малу ефикасност. Ситуација се побољшава на ниском енергијама, испод 100 keV, где употрбом тешког гаса,као што је ксенон, ефикасност може да достигне 10%. Једна од најважнијих примена пропорциналног бројача је детекција неутрона. Најчешђе се користи нуклеарна реакција неутрона са изотопом бора, 10В. Кад неутрон упадне у језгро 10В у стању је да избаци алфа честицу која се детектује. Бор може да се стави или на зидове бројача или употребљава у форми гаса. У овом друго случају који се често сусреће, бор се налази као хемијско једињење BF3.

ВИЛСОНОВА (МАГЛЕНА) КОМОРА

Енглески физичар Вилсон (Wilson) први је 1912. године конструисао овај урађај. Активна средина коморе је засићена пара, најчешће воде , хелијума , азота или аргона. Извор радиоактивног зрачења поставља се унутар активне средине . Наглим повећањем притиска пара се прво сабије , а затим смањивањем притиска долази до ширења паре , при чему се температура паре снижава и она прелази у презасићено стање. Таква пара се лако кондензује у течност . Приликом проласка само једне алфа – честице образују се хиљаде пари јона , који постају центри кондензовања паре. На тај начин се формирају капљице течности, које образују трагове који су видљиви голим оком, или се чак могу снимити фотоапаратом. На исти начин настаје и видљиви траг паре из авиона на великим висинама , само што, у том случају , честице прашине доводе до стварања паре.

ФОТОДЕТЕКЦИЈА Бекерел је открио радиоактивност захваљујући зрачењу које је зрачење произвело на фотографској плочи.Иако је послужила као први детектор зрачења ,фото-плоча је дуги низ година имала важну улогу међу детекторина,све док нису развијене нуклеарне емулзије на којима се појединачно виде трагови честица. Данас се фотоемулзије употребљавају на два начина,било за мерење појединачних трагова честица ,било као интегрални детектор који мери интензитет зрачења после зацрњења.

САСТАВ ЕМУЛЗИЈА

Фотоемулзије су настале суспензијом микроталаса сребробромида у желатину.Зрнца сребробромида су код обичних фото-плоча величине 1-3,5/ ,док код нуклеарних емулзија ,које мере појединачне трагове ,зрнца су за један ред величина мања и износе око 0,1-0,6/ .Желатин служи само као носач,а фотографски процес се дешава у зрнцима сребробромида .За поспешивање фотографског процеса емулзијама се могу додати у мањим количинама још и неки други материјали. За мерење индивидуалних трагова потребно је да зрно буде мање али да концентрација буде већа.Због тога је код нуклеарних емулзија концентрација око десетак пута већа него код обичних фото-плоча.Нуклеарне емулзије садрже тежински око 85% сребробромида,а желатина свега 15%.

НУКЛЕАРНЕ ЕМУЛЗИЈЕ

Употребљавају се за израчунавање свих врста нуклеарних процеса.Димензије и осетљивост емулзија одабирају се према енергији и врсти зрачења која изучавају.Док обичне фотографске плоче имају фотографски слој дебео свега десетак микрона.Нуклеарне емулзије обично имају дебљину од 50-1000 микрона.Уколико је домет зрачења који се изучава већи ,утолико је потребна дебља емулзија. Врста зрачења одређује осетљивост емулзије.Осетљивије емулзије имају крупнија зрнаца.Тако електрони на енергијама од око 1МеV имају мали јонизацију ,па су потребне врло осетљиве емулзије.Осетљивост емулзије може да се смањује идући од електрона ка протонима,алфа честицама и производима фисије. Производња стандардних емулзија доста је сложена.Цео свет се снадбева производима оз свега 3-4 фабрике.У нашој земљи користе се емулзије које производи фирма лифорд.Сваки тип емулзије има своје ознаке.Тако лигордове G5 емулзије су осетљиве на електроне и све остале наелектрисане честице ,док суC2 емулзије практично неосетљиве на електроне,али су осетљиве на тешке наелектрисане честице,као што су алфа честице и деутерони.Најмање осетљиве су D1 емулзије које служе само за детекцију фисије,док протоне уопште не могу да детектују.Кад год је могуће,емулзије се постављају тако да зрачење стиже у њих под бришућим углом,чиме се олакшава изучавање трага и обезбеђује мерење честица са дужим дометом.Има случајева кад зрачење улази под врло различитим угловима. Развијање тањих емулзија не представља проблем ,али код дебљих постоји опасност да услед споријег продирања развијача,доњи слојеви буду слабије развијени.То се избегава посебним уређајима. Дужина трага у емулзијама може да износи од неколико микрона навише.Па је за њихово посматрање потребан микроскоп,који је специјално подешен да прецизно мери брзине у целом волумену емулзије. Изучавање и идентификација трага врши се првенствено на основу дужине трага и густине зрна.Ако је позната природа честица које се мере,потебно је само одредити енергију,а онда је довољно измерити дужину трага и користи се реакцијом домет-енергијом.Ако природа честице није позната ,у обзир треба узети и густину зрна,а могу да помогну и неки други подаци,коа што је средњи угао скретања честице или секундарни електрони које она избацује.На тај начин откривен је низ нових честица у космичком зрачењу. Нуклеарне емулзије,као детектори имају извесне добре карактеристике: 1.Траг честица је видљив и остаје стално забележен.То је од посебног значаја у изучавању високоенергетских процеса,при којима из једног бомбардованог језгра или теже честице може да излети низ других честица. 2.Моћ заустављања еулзије је око 1000 пута већа него код гасних детектора,тако да се могу изучавати честице знатно веће енергије. 3.Мале димензије и једноставност. Нуклеарне емулзије се користе и у примени изотопа,иако не тако често као гасни детектори,а као типичан пример може се навести аутохистографија.

ФОТОЕМУЛЗИЈА КАО ИНТЕГРАЛНИ ДЕТЕКТОР

Мерење интензитета зрачења по зацрњењу које она произведе на фотоемулзији користи се врло често,а као пример можемо навести рендгеноскопију ,дефектоскопију и дозиметрију. За мерење наелектрисаног зрачења употребљавају се исте фотоемулзије као у рендгеноскопији а које имају крупно зрно да би се повећала осетљивост.Прецизно одређивање интензитета зрачења у зависности од зацрњења које је произведено,није једноставно из два разлога: а) Крива која показује однос зацрњења ну функцији интензитета озрачивања има сатурациони карактер и само упочетку је линеарна што у току озрачивања број зрнаца код којих је већ добивена мрља сребра стално расте,а опада густина нуклеарних зрна. б) Зацрњење зависи и од енергије честица.Електрон од 100 кеV производи веће зацрњење од електрона енергије МеV.Детаљи криве зависе од врсте и дебљине емулзије,а као илустарцију дајемо криву за електроне и Илфордов филм Sclachrome. Уопште речено ,мерење интензитета има извесне предности сличне онима које смо навели за нуклеарне емулзије,али прецизност је слабија него код гасних или сцинтилационих детектора.

СЦИНТИЛАЦИОНИ БРОЈАЧИ

Сцинтилациони бројачи откривени су у првим данима радиоактивноси. Британски физичар Крокез открио је 1903. године да алфа зраци изазивају светлуцање флуоресцентних материјала. Први сцинтилациони детектпр направљен је тако да је крај флуоресцентног екрана постављен микроскоп и посматрач је одбројавао светлуцање.То је врло напоран посао,па иако је такав детектор послужио за неколико основних открића потенцијалне могућности сцинтилационг детектора дошла су до изражаја тек кад је људско око замењено фотомултипликатором. Он се састоји од три основна дела кристала фотомултипликатора и електронске апаратуре.Честица или зрак пролази кроз кристал и изазива емисију фотона.Ови допиру у фотомултипликатор чији је задатак да од полазних фотона произведе електричне импулсе.То се постиже серијом електрода. Фотони избацују фотоне из прве електроде (фотокатоде), који се крећу ка следећој а сваки елекрон је у стању да у њој избаци од 3-5 електрона. Ови се крећу даље и сваки поново избацује нове електроне.На тај начин полазећи од једног електронаможе се добити 106 до 109 електрона.Ови представљају довљно велики импулс за одашиљање у трећи електронски део,где се он мери и одбројава. Сцинтилациони бројач може да служи или за одбројавање честица или за мерење енергетског спектра.Пошто је број емитованих протона сразмеран енергији коју честица утроши у кристалу.

ПРОЦЕС ЛУМИНИСЦЕНЦИЈЕ

Кристале који луминисцирају (светлуцају) под утицајем зрачења моземо поделити у две групе органске и неорганске. Код органских кристала луминисценција је мелекуларни процес.Наелектрисана честица у судару са молекулом може да изгуби део енергије и изазове ексцитацију молекула.Деексцитација се спроводи на сложен начин.Молекул врло брзо ослободи један део примљене енергије у виду топлоте,а затим може да уследи емисија фотона.Енергије емитованих фотона увек су мање од апсорбованих енергија,а спектри апсорбције и емисије тако се разликују да кристал углавном не може да апсорбује фотоне које см емитује, тј. провидан је за властито зрачење.Без тога се не би могли употребљавати већи кристали. Код неорганских кристала луминисценција је кристални процес.Битну улогу у процесу имају примесе које се додају кристалу,назване активаторима.Наелектрисана честица пролазећи кроз кристал може да пренесе на неки електрон толико енергие,колико је потребно да га ослободи и омогући кретање кроз кристал.При томе кретању електрон изгуби део енергије који се претвара у топлоту.Кад такав електрон наиђе у близину атома активатора,може да дође до емисије фотона.Енергија емисије увек је мања од енергије апсорпције и неоргански кристали су провидни за властито зрачење.

КАРАКТЕРИСТИКЕ КРИСТАЛА

При разматрању кристала најважније су следеће карактеристике: Ефикасност.Само део енергије коју честица утроши појављује се у виду фотона.Тај део зовемо ефикасношћу и важно је да буде што већи. Време светлуцања.Емисија фотона траје извесно време иза полаза честице.Важно је да то време светлуцања буде што краће.Интензитет емисије опада и као време светлуцања дефинише време за које он опадне на 36,6% од почетне вредности. Таласна дужина емисије.Треба да одговара таласној дужини за коју су осетљиви фотомултипликатори. Густина материјала и редни број Z.Важни су за апсорпцију продорног зрачења зрака. Провидност за властито зрачење.Омогућава употребу већих кристала. Од неорганских кристала далеко најважнији је натријумјодид активиран талијумом.Његово време светлуцања је 2,5×10-7 секунде.ефикасност два пута већа од антраценове а густина релативно висока,па је врло користан за мерење гама зрачења.То је данас најкориснији и највише употребљиван кристал у гама спектроскопији.Цинк-сулфид је спорији и пошто се добива у кристалном праху може да се употребљава само у танким слојевима,што једино дозвољава детекцију јако јонизујућег зрачења,као што су алфа честице. Органски кристали ,као нпр. Антрацен и стилбен ,бржи су али им је ефикасност и густина мања.Због тога се најчешће употребљава за бета честице и то марочито када се ради у коинциденцијама,где долази до изражаја кратко време светлуцања.Органске супстанце се такође употребљавају у течним и чврстим растворима.

ЛИТЕРАРУРА

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>