Каталог :: Физика

Контрольная: Ядерная геофизика

ПЕРМСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ
                Г е о л о г и ч е с к и й      ф а к у л ь т е т                
КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА
                           по ядерной геофизике                           
                                 г. Пермь - 2004                                 
     
     
СОДЕРЖАНИЕ
     I. 4
     Что изучает ядерная геофизика. 4
     Какие задачи решают в геологии методы ядерной геофизики. 4
     Перечислите основные методы радиометрии. 4
     В чём различие радиометрического и ядерно-геофизического методов. 5
     II. 5
     Что такое радиоактивность? Когда и кем она была открыта?. 5
     Что представляет собой α- и β-частицы и γ-лучи?. 5
     Каковы проникающая и ионизирующая способности отдельных видов излучений?. 6
     Каковы основные виды взаимодействия γ-квантов с
веществом и в чём их сущность?. 6
     Что такое линейный и массовый коэффициенты ослабления γ-лучей?. 7
     По какому закону изменяется интенсивность параллельного
пучка γ-лучей при прохождении через вещество. 7
     Как подразделяются нейтроны в зависимости от энергии?. 7
     От чего зависит замедление и захват нейтронов?. 7
     Назовите основные виды радиоактивных превращений. 8
     Что означают единицы измерения: беккерель, кюри, эман, мкр/ч. 9
     Для чего на практике используют эталоны. 9
     Какие требования надо выполнять при работе с радиоактивными веществами. 9
     Какую сущность имеют радиоактивные const, λ,
Τ, τ? Как они связаны между собой?. 10
     Что такое подлинное и вековое радиоактивные равновесия?. 10
     Какие известны семейства радиоактивных элементов?. 11
     Назовите основные α-, β- и γ-излучения в
урано-радиевом семействе. 11
     Основные одиночные, радиоактивные элементы. 11
     Какие магматические (осадочные и метаморфические) ГП
являются наиболее радиоактивными, какие менее?. 11
     Какие радиоактивные элементы более распространены в природе?. 12
     Как изменятся радиоактивность с глубиной?. 12
     Какую роль в геологии Земли играет тепло?. 12
     Назовите способы получения искусственных радиоизотопов. 12
     Почему явление радиоактивного распада положено в основу
определения возраста ГП?. 12
     Какие требования предъявляются минералам и ГП при
определении абсолютного возраста?  12
     Какие методы применяются для определения возраста
древних пород, молодых пород?. 13
     III. Методы измерения радиоактивности и аппаратура. 13
     Какие явления положены в основу при регистрации радиоактивных излучений?. 13
     Объясните причину изменения величины ионизационного тока
в паре областей вольтамперной характеристики. 13
     Для регистрации каких излучений применяются счётчики
Гейгера-Мюллера ионизационной камеры?  14
     Что понимают под эффективностью счётчика? Какова
эффективность счётчика Гейгера-Мюллера? Сцинтиляционного счётчика?. 14
     Какие требования предъявляются к рабочим характеристикам
счётчиков Гейгера-Мюллера?  14
     Какие газы используют в качестве горящей компоненты в
счётчиках Гейгера-Мюллера?. 15
     Назовите наиболее широко применяемые люминофоры для
регистрации различных видов излучений. 15
     Каково назначение ФЭУ в сцинтиляционном счётчике?. 15
     Почему сцинтиляционный счётчик может использоваться для
определения γ-излучателя по энергетическому спектру, а счётчик
Гейгера-Мюллера – нет?. 16
     Какие преимущества имеют сцинтиляционные счётчики по
сравнению со счётчиками Гейгера-Мюллера?  16
     Какими недостатками обладают отдельные  сцинтилляторы? ФЭУ?. 16
     От чего зависит коэффициент усиления ФЭУ?. 16
     Начертите блок-схему радиометра. 17
     Для чего используют дискриминатор?. 17
     Для чего используют формирующий каскад?. 17
     Из каких элементов состоит простейший интегрирующий контур?. 17
     Для чего используется пересчётная схема?. 18
     В чём сущность эталонирования радиометра?. 18
     На чём основан γ-спектральный анализ многокомпонентных проб?. 19
     

I.

Что изучает ядерная геофизика.

Ядерная геофизика и радиометрическая разведка – одна из дисциплин, завершающих изучение методов познания геологического строения ЗК (Земной коры). 1-ый вопрос – распространение радиоактивных элементов и стабильных изотопов в Земле, влияние этого распространения на геологическую историю Земли и вопросы определения абсолютного возраста ГП (горная порода), а также изучение процессов, ведущих к концентрации радиоактивных элементов в различных зонах ЗК и к формированию их промышленных месторождений. 2-ой вопрос – методы исследования геологического строения ЗК, основанные на испускании радиоактивного излучения и на изучении ядерных свойств элементов.

Какие задачи решают в геологии методы ядерной геофизики.

- литологическое расчленение ГП – основано на размещении их радиоактивности, особенно важен γ-метод исследования скважин в комплексе с другими геофизическими методами в случае, когда бурение скважин осуществляется без отбора керна или % выноса керна невелик; - геологическое картирование – основано на различии радиоактивности разных типов пород, а также повышение радиоактивности пород в зоне тектонических нарушений. Широкое использование радиометрии в комплексе с другими геологическими и геофизическими методами; - радиометрические методы широко применяются во всех видах поисков и разведки ПИ (полезные ископаемые) генетически и парагенетически связанных с ураном и торием; - разведка, определение глубины и мощности рудных тел, а также оконтуривание границ залегания.

Перечислите основные методы радиометрии.

По условиям естественного залегания: а) полевые (радиометрическая съёмка) – для приближенной оценки радиоактивности ГП и изучения её изменений по маршруту, профилю или по заданной сетке; б) методы радиометрического опробования позволяют более точно определить радиоактивность ГП в условиях их естественного залегания. Классификация ореолов рассеивания: а) ; б) . Цементный состав первичных ореолов Вторичные ореолы – могут образовываться в результате переноса радиоактивного вещества в твердой, жидкой и газообразной форме. Механические ореолы – область, вокруг рудного тела, покрытая рудными обломками, образованными при физическом выветривании и устойчивыми в поверхностных условиях. Водные ореолы – образуются за счет растворения урана, иридия, радона в подземных водах, омывающих рудное тело и выноса их во вмещающие породы. Солевые ореолы – образуются за счет выпадения (закрепления) растворённого в воде урана при взаимодействии с вмещающими горными поподами или при испарении воды. Газовые ореолы – рассеивание газообразных продуктов распада вокруг рудного тела или же вокруг механических или солевых ореолов. Биохимические ореолы – повышенное содержание урана и радия в растениях на участках выпада на поверхность урановых руд или открытых ореолов рассеяния. Радиационные ореолы – поле радиоактивного излучения образуется вокруг рудных тел и их механических и солевых ореолов. Механические потоки рассеяния – дальнейший перенос постоянными или временными поверхностными водными потоками продуктов механического разрушения рудного тела из области механических ореолов. Солевые потоки рассеяния – аналогично механическим потокам рассеяния.

В чём различие радиометрического и ядерно-геофизического методов.

Радиометрические, основаны на изучении естественного радиоактивного излучения, содержания радиоактивных элементов в ГП, водах, биологических объектах. Ядерно-геофизические, основаны на изучении искусственно созданных полей, а также изучении некоторых явлений, γ излучения возникают в ГП при облучении ГП γ-квантами или нейтронами.

II.

Что такое радиоактивность? Когда и кем она была открыта?

Явление естественной радиоактивности представляет собой процесс самопроизвольного превращения ядер атомов некоторых элементов в ядра других элементов, сопровождающегося выделением энергии и испусканием α, β и γ лучей. Большинство радиоактивных элементов образуют семейства в которых каждый элемент возникает из предыдущего, и в свою очередь превращается в последнее. Открыто это явление в 1861 г. физиком А.Беккерелем.

Что представляет собой α- и β-частицы и γ-лучи?

α-частицы – ядро атома гелия, состоит из 2-х нейтронов и 2-х протонов из-за этого имеет атомный вес 4, и + заряд = 2-м элементарным электрическим зарядам. Образуется при α-распаде. Методы наблюдения основаны почти полностью на их свойстве производить ионизацию в веществе. Быстродвижущиеся α-частицы искусственным путём получают с помощью ускорителей заряженных частиц. β-частицы – электроны, или позитроны, испускаемые атомными ядрами при их β-распаде. Кроме того, обязательно испускается электрическая, нейтральная частица с 0-й массой покоя – нейтрино или антинейтрино. γ-лучи – электромагнитное излучение с весьма короткими длинами волн (10 -3 см и меньше). Испускается радиоактивными веществами, а также при торможении быстродвижущихся заряженных частиц (электронов и др.), аннигиляция пар частиц (направление электрона и позитрона), распадом элементарных частиц. γ-лучи принято рассматривать как поток частиц (γ-квантов), а не электромагнитных волн. γ-лучи одно из наиболее проникающих излучений, наибольшую энергию получают при торможении в веществе электронов, ускоренных на ускорителях заряженных частиц. γ-лучи широко применяются в технике, медицине, в пищевой промышленности (стерилизация).

Каковы проникающая и ионизирующая способности отдельных видов излучений?

Наибольшая ионизирующая способность у α – излучения. Наибольшая проникающая способность у γ – излучения.

Каковы основные виды взаимодействия γ-квантов с веществом и в чём их сущность?

Ослабление потока в веществе происходит в основном за счет фотоэффекта, комитон эффекта и эффекта образования пар. Фотоэффект – точнее фотоэлектронное поглощение – такое взаимодействие, при котором γ-квант поглощается, а его энергия расходится на отрыв и на передачу кинетической энергии одному из электронов атома, т.е. Еγсвк, где Есв – энергия связи электрона в атоме; Ек – кинетическая энергия, передаваемая фотоэлектрону. Чем больше Есв, тем больше вероятность фотоэффекта Qφ .=> Qφ увеличивается с ростом атомного номера Z вещества; наиболее вероятно взаимодействие с электронами К- и α- оболочек, ближайших к ядру. Фотоэффект возможен, если энергия γ-кванта > энергии связи электронов. Комитон эффект – заключается в рассеянии γ-кванта электроном. Эти рассеяния подобно столкновению 2-х упругих шаров массой me и mγγ2. Эффект образования пар – наблюдается при энергии γ-кванта, превышающей суммарно энергию покоя электрона и позитрона (2mec2=1,02 МэВ), когда энергия достаточна для образования пары электрон-позитрон. Для соблюдения закона сохранения импульса этот процесс должен проходить в присутствии 3-го тела, γ передается часть импульса и энергии γ-кванта. Роль такого тела играют преимущественно ядра атомов. Потому, что вероятность эффекта образования пар Qп зависит от заряда ядра Qп~Z2; Мп~(Z2/М)·δ; Мп~Zδ.

Что такое линейный и массовый коэффициенты ослабления γ-лучей?

- видим, что макроскопическое сечение имеет смысл относительного уменьшения потока в тонкой линейности, отмеченного на сд. длины пути луча линейный к ослаблению.

По какому закону изменяется интенсивность параллельного пучка γ-лучей при прохождении через вещество.

З-н ослабления параллельного пучка частиц в веществе: пусть на плоскую мишень падает пучок частиц, поток φ0. Поток частиц (не испытавших взаимодействие с веществом и сохранивших своё первоначальное давление) на глубине х от внешней (лицевой) поверхности мишени обозначим φ(х), ослабление потока в тонком слое мишени толщиной dx расположена на глубине х=dφ=-Eφ(x)dx, где Edx суммарное сечение замещающее ядро атомов в тонком cлое мишени толщиной dx и единицы S. Мишень указывает ан то, что поток частиц φ с глубиной убывает лишенный ослабления, интегрируя получим уравнение ослабления параллельного пучка частиц .

Как подразделяются нейтроны в зависимости от энергии?

Тепловые (Е<1 эВ), промежуточные (1 эВ < Е < 0.1 МэВ) и быстрые (Е > 0.1 МэВ), кроме того, нейтроны с энергией от 1 эВ до 1 КэВ часто называют резонансными, а группу нейтронов с энергией до 102 эВ – надтепловыми нейтронами.

От чего зависит замедление и захват нейтронов?

Потеря энергии нейтронов при упругом рассеянии зависит от массы ядра и угла рассеяния нейтрона. Так значение энергии нейтрона до t0 и после соударения Е с покоящимся ядром связаны соотношением ; где φ – рассеяние нейтрона в системе центра масс. Отсюда минимальное значение энергии при лобовом соударении (φ=π) равно Emin=α t0, где ; а потеря энергии: . В теории чаще упоминается средневодородная потеря энергии на одно соударение – параметр замедления: . Для М > 9 формула упрощается: ; наибольшая потеря энергии нейтрона наблюдается при соударении с ядром, имеющим массу М=1, т.е. с ядром водорода. При лобовом соударении нейтрона с водородом возникает полная потеря его энергии.

Назовите основные виды радиоактивных превращений.

1) Распад с испусканием α частиц; ядро образовавшееся в результате деления масс число на 4 ед., а порядковый номер на 2 ед. меньше чем у исходного. 2) Распады с испусканием отрицательных или положительных β частиц электрона или позитрона, представляют собой соответственно отрицательно и положительно заряженные частицы с ≈ одинаковой массой (me = 0.9035∙10-27), составляющей 1/1835 часть массы протона, кроме того обязательно испускается электрически нейтральная частица с нулевой массой покоя – нейтрино n при b+ распаде и антинейтрино n~ при b - распаде: в этом случае массовое число продукта распада практически такое же, как у исходного ядра, а порядковый номер увеличивается или уменьшается на единицу. Во многих случаях n, a и b частицы уносят не всю энергию реакции распада. Остаток энергии используется в виде одного или нескольких g квантов: . 3) захват ядром электрона одной из оболочек атома, приводящих к таким же критериям массы и заряда ядра, что b-распад. В результате (электронный захват) атомный номер уменьшается на 1 ед., а энергия реакции нейтрино и в некоторых случаях также a-излучением; при занятии своего места на электронной оболочке другим электроном возникает так же характеристическое рентгеновское излучение электромагнита – продукта реакции. Электронный захват с k- и L- оболочек принято называть k- и L- захватом; 4) самопроизвольное деление тяжёлых ядер (U 238, Th 252) на 2 части, обычно с неодинаковой массой. При самопроизвольном делении помимо соколков деления изливается 2 или 3 нейтрона, а иногда и другие частицы. Вновь образовавшиеся ядра обычно нестабильны и распространяются путём испускания β-частиц. Для ядерной геофизики представляют интерес запаздавшие нейтроны сопровождающие β-распад некоторых продуктов деления: Регистрация таких нейтронов используется в методах определения урана в ГП; 5) распад с использованием 1 или 2 протонов, при котором масса и заряд изменяются на 1 или 2 ед., наблюдается лишь у части искусственных радиоактивных изотопов с исключительно большим щитом нейтронов: значение пока не изучено. Иногда к радиоактивному распаду относится также переход некоторых ядер с испусканием 1-го или нескольких γ-квантов. В этом случае ядерного превращения не происходит. Однако з-н уменьшения числа активных ядер совпадают с з-ном радиоактивного распада.

Что означают единицы измерения: беккерель, кюри, эман, мкр/ч.

Абсолютная радиоактивность оценивается чилом распадов за 1 с. (расп/с), а также ед. кюри (ки) – кол-во любого изотопа, 6 лет в 1 с. происходит в среднем (3,7·1010) распадов, ≈ столько же, сколько в 1 час радия. Мощность дозы – доза, образуемая вед. времени. Р/ч, милли р/ч, микро р/ч – для оценки интенсивности γ – излучения не зависимо от его спектра 1 рентген = поглощению такого кол-ва рентгеновского или γ – излучения, которое в 1 мкр сухого воздуха при t= 00С, и давлении 760 мм рт.ст. образуются колы, несущие одну электростатическую ед. кол-ва электричества каждого знака (2,083∙109 пар ионов). Эман = 10-10 кюри/л – концентрация радиоактивного вещества в воздухе, воде и т.д. кюри/см3 и кюри/л. Беккерель

Для чего на практике используют эталоны.

Показания радиометров зависят не только от интенсивности излучения, но и от индивидуальных особенностей прибора. Для перехода от измерения интенсивности (в имп/мин или деления шкалы) к истинной интенсивности (дозе) γ – излучения (в мкр/ч) необходимо установить характерные зависимости между ними – эталонировочная характеристика или эталонировочный график, что позволяет учитывать и чувствительность радиометров, и нелинейность зависимости показаний от интенсивности излучений, обусловленной процентами или блок схемой. Испытывается эталонный радиевый источник известной активности.

Какие требования надо выполнять при работе с радиоактивными веществами.

6) Допуск лиц не моложе 18 лет, прошедших мед. обследование и инструктажи. 7) Периодическое обследование сотрудников. 8) Контроль уровня облучения на рабочих местах с помощью переносных дозиметров, а в отдельных случаях с помощью индивидуальных дозиметров. 9) Уменьшение мощности дозы до допустимого уровня. Перевозка в контейнерах (свинцовые, для γ – излучающих, парафиновые для источников нейтронов). Хранение в специальных хранилищах или контейнерах, выдача под расписку. Источники большой мощности (ускорители, реакторы, размножители нейтронов) имеют стационарную защиту, обеспечивающее ослабление излучений. Импульсные источники размещаются в специальной установке с естественной защитой или м/у источником. 10) Уменьшение времени облучения работников с открытыми источниками – перенос осуществляется попеременно несколькими работниками с помощью длинных манипуляторов. 11) Защита от попадания радиоактивных в-в в организм: респираторы, астра и др., при большой активности – защитные камеры, боксы с манипуляторами. 12) Соблюдение правил, работа в спецодежде, мытьё рук после работы, перед приёмом пищи и курением, запрещение приёма пищи и курения в лабораториях с открытыми препаратами или в залах с мощным испусканием, где возможна активация окружающих реагентов, в частности пыли. 13) Специальное оборудование помещений для работы с окружающими препаратами большой активности, принимается самой службой. 14) Сбор радиоактивных отходов в спец. контейнеры с последующим удалением в особые могильники. 15) Исключается нарушение герметичности радиоактивных источников. 16) Правильное хранение источников в полевых условиях и при перевозке исключающее потерю и попадание на руки, лицо.

Какую сущность имеют радиоактивные const, λ, Τ, τ? Как они связаны между собой?

λ – коэффициент пропорциональности, характеризующий вероятность распада в ед. времени и называемый постоянной распада. Τ – период полураспада – время, на протяжении которого распадается половина всех атомов данного радиоактивного элемента. τ –

Что такое подлинное и вековое радиоактивные равновесия?

это выражение определяет состояние, при котором количество исходного вещества и продуктов его распада стремятся к искомому, а если к значению – подвижное равновесие. характеризует состояние, когда число распадающихся атомов исходного радиоактивного вещества равно числу продуктов его распада полностью поменявшегося его образованием из исходного. Это состояние называется устойчивым (вековым) равновесием.

Какие известны семейства радиоактивных элементов?

Радиоактивные ряды, цепочки атомных ядер, каждое из которых возникает из предыдущего в результате α – распада и β – распада, цепочка распадов продолжается до тех пор, пока не образуется устойчивое атомное ядро. Существует три ряда элементов: уран (изотоп U238), торий (изотоп Th232 ), актиний (актиниоуран AcU235).

Назовите основные α-, β- и γ-излучения в урано-радиевом семействе.

α – излучением во всех трёх семействах радиоактивны относительно равномерно к их числу относящиеся все родоначальники семейств 238U, 232Th и AcU (235U), все газообразные продукты 222 Rk, Th (220Rn) и An (219Rn), расположенных в средней части рядов, и наконец последние радиоактивные продукты распада семейств 210 Po и его изотопы ThC` и AcC`. По суммарной интенсивности β – излучения семейства U и Th, существенно не отличаются. Внутри семейства β – излучения распределены между начальными и конечными продуктами распада. Основными γ – излучениями в семействе U являются продукты распада радиоактивного газа, радия, радона. В семействе Th – основное γ – излучение – мезоторий II (MeSTh2) и радиоторий (RaTh) с продуктами распада ThB, ThC, ThC`.

Основные одиночные, радиоактивные элементы.

Природные – полоний, астаний (астат), радон, франций, радий, актиний, торий, протамнитий и уран. Искусственные – технеций, прометий, нептуний и акнитиды. Уран и торий встречаются в виде минералов и руд, остальные являются их спутниками и получаются при переработке их руд. Изотопы калия (40К), рубидия (84Rb), индия (115 In), самария (147Sm), лютеция (176Lu), рения (187 Re) и др.

Какие магматические (осадочные и метаморфические) ГП являются наиболее радиоактивными, какие менее?

Наиболее радиоактивными являются кислые магматические изверженные породы (граниты), представляют собой продукт остаточной магмы с уменьшиным содержанием SiO2 в изверженных породах, т.е. с увеличением основного содержания радиоактивных элементов заметно сокращается. Радиоактивность снижается от кислых до ультраосновных ГП. Изверженные породы розовых и красных тонов часто оказываются более радиоактивными, чем серые и тёмно-серые. Низкой радиоактивностью (q ≤ 0.1 кг экв.Ra/ч) обладают основные породообразующие минералы – кварц, кальцит, доломит, ангидрит, каменная соль и др. Средней радиоактивностью (0.1<q<1) – минералы (лимонит, магнетит), некоторые акцессорные минералы (турмалин, корунд, гранат), натрий кальциевые ПШ (роговая обманка, хлорит и др.). Повышенная радиоактивность (1¸10) – глинистые минералы, часть полевошпатовых минералов, калийные соли, серицит, апатит, обсидиан и сфен. Высокая радиоактивность (q>10, что в 1000 раз больше чем у первой группы) – акцессорные минералы (моноцит, циркон, ортит).

Какие радиоактивные элементы более распространены в природе?

Радий – Ra, уран – U и торий – Th.

Как изменятся радиоактивность с глубиной?

Максимальное значение радиоактивности элементов в земной коре приурочено в к верхней части гранитной геосферы, мощностью 25 – 30 км. С глубиной содержание резко падает, достигая пика в центральном ядре.

Какую роль в геологии Земли играет тепло?

Тепловой поток, излучаемый Землёй, постоянно компенсируется количеством радиоактивных элементов, содержащихся в верхнем слое Земной оболочки толщиной 91 км. Основную роль в генерации тепла на Земле играет уран, торий и калий.

Назовите способы получения искусственных радиоизотопов.

В 1934 г. учёные Ирен и Фредерик Жолио-Кюри открыли, что при облучении бора и марганца α – частицами образуются радиоактивные изотопы фосфора, азота и кремния – элементов, не имеющих естественных радиоактивных изотопов. В дальнейшем, облучая стабильные элементы α – частицами, протонами, дейтронами, нейтронами, были получены радиоактивные изотопы всех химических элементов, начиная от водорода и заканчивая ураном. Причём для большинства элементов получено несколько радиоактивных изотопов.

Почему явление радиоактивного распада положено в основу определения возраста ГП?

Т.к. процесс радиоактивного распада протекает с постоянной скоростью, не зависящей от окружающих физико-химических условий.

Какие требования предъявляются минералам и ГП при определении абсолютного возраста?

Должны отвечать условию сохранения в них радиоактивных элементов производства распада на протяжении всего времени существования. В момент образования минералов в них должны отсутствовать стабильные продукты распада радиоактивного элемента, по которому устанавливается возраст. Достаточно большого содержания радиоактивного элемента и конечного продукта распада (для точности измерения). Обычно эти требования соблюдаются только для хорошо сохранившихся минералов, не подвергавшихся выветриванию. Окончательное образование минералов, пригодных для определения возраста, приурочено преимущественно к процессу кристаллизации, деформации массы.

Какие методы применяются для определения возраста древних пород, молодых пород?

Молодые – радиоактивный метод. Четвертичные – радиевый и иониевый методы. Древние породы – свинцовый, гелиевый, аргоновый, стронциевый методы.

III. Методы измерения радиоактивности и аппаратура.

Какие явления положены в основу при регистрации радиоактивных излучений?

Регистрация излучений (импульсов) явление ионизации.

Объясните причину изменения величины ионизационного тока в паре областей вольтамперной характеристики.

При отсутствии измерений газ является изолятором тока между электродами. При прохождении заряженной частицы происходит ионизация молекул газа, он становится проводником и в цепи индикатора появляется ток. При очень малом напряжении U – скорость ионов и электронов мала; значительная часть их успевает рекомбинироваться, т.е. воссоздастся в нейтронах молекулы, не доходя до электродов. С увеличением U – скорость ионов возрастает, потери на рекомбинацию снижаются, т.е. практически все ионы достигают электродов. Ток насыщения не зависит от изменения напряжения. Он равен общему заряду электронов и ионов, образуется в единицу времени. Рост тока с увеличением напряжения в области пропорциональности связан с увеличением напряжённости поля до времени, при котором электроны между двумя соударениями молекул успевают потратить энергию, достаточную для их ионизации, происходит вторичная ионизация – возникает лавинообразующее размещение зарядов – газовое усиление (К – коэффициент газового усиления зависимости). Затем пропорциональность нарушается, чем выше первичный заряд, тем ниже К. Далее ток совсем не зависит от интенсивности первичной ионизации. Здесь для возникновения мощного газового разряда достаточно появиться одной ионной паре. Импульс тока на выходе индикатора зависит лишь от напряжения на нём, но не зависит от первичного заряда и энергии регистрированной ядерной частицы – образовалась область Гейгера Мюллера. При дальнейшем увеличении напряжения наблюдается пробой газа. Самостоятельный газовый разряд возникает даже без наличия излучения, благодаря выравниванию мощности.

Для регистрации каких излучений применяются счётчики Гейгера-Мюллера ионизационной камеры?

Индикаторы работающие в области насыщения – ионизационные камеры. Они определяют средний ток от действия большого числа частиц или отдельно регистрируют таковые импульсы от каждой частицы, проходящей через камеру. Для регистрации α – частиц. Счётчики Гейгера-Мюллера – γ-квантов, α и β-частиц. Сцинтиляционные счётчики – γ-кванты. Пропорциональные счётчики – позволяют проводить спектрометрию.

Что понимают под эффективностью счётчика? Какова эффективность счётчика Гейгера-Мюллера? Сцинтиляционного счётчика?

Эффективность – соотношение числа частиц, зарегистрированных детектором, к полному числу частиц, попадающих в объём детектора (100%). Эффективность счётчиков Гейгера-Мюллера – мала к γ-квантам за счёт поглощения их в корпусе счётчика, в результате чего образуются быстрые электроны или пара электрон-позитрон. Чтобы эти частицы могли попасть внутрь счётчика, толщина стенки должна быть не более нескольких мм, иногда вероятность поглощения γ-квантов (эффективность) Е, не > 1-2%. При постоянном помещении катода d E при энергии более n·10-1 МэВ растёт с увеличением энергии γ-кванта. Вероятность регистрации α и β – частиц при условии их попадания в рабочий объём счётчика практически равна 100 %. Сцинтеляционные счётчики – эффективность регистрации γ – квантов (до 30 – 50 % и более). Эти счётчики используются для регистрации γ-квантов, реже нейтронов и β-частиц, ещё реже α-частиц.

Какие требования предъявляются к рабочим характеристикам счётчиков Гейгера-Мюллера?

При сравнительно небольших напряжениях на электродах необходимо получить увеличение k газового усиления. Для этого применяют цилиндрические счётчики с очень тонким анодом. направленность электрического поля между электродами обратно пропорциональна распространению r от его оси, r и радиусы катода и анода, и напряжение на счётчике. Напряжения питания не превышает 103В (и даже 250 и 400 В). чтобы исключить вторичные разряды, не связанные с попаданием в счётчик новой ядерной частицы, принимают систему самогашения счётчика. Если рабочее напряжение выбрать в середине плато счётчика, то скорость счёта не зависит от изменения напряжения до нескольких десятков вольт, что позволяет создавать на счётчиках простые и надёжные радиометры.

Какие газы используют в качестве горящей компоненты в счётчиках Гейгера-Мюллера?

К основному газу (гелий, аргон и др.) добавляют небольшое количество (не более 1020 на весь счётчик) многоатомного газа (пары спирта и т.д.) или галогенов которые хорошо поглощают ультрафиолетовое излучение. Молекула многоатомного газа при столкновении отдаёт электрон и нейтрализует ион основного газа.

Назовите наиболее широко применяемые люминофоры для регистрации различных видов излучений.

Фосфор для регистрации β-частиц и γ-квантов. Эффективность регистрации определяется плотностью δ, эффективностью атомного номера Zэф фосфора и его размерами. γ-кванты – неорганические монокристаллы NaI(Tl) и частицы CsI(Tl) – возрастает эффективность обусловленная высокой плотностью и большим эффективным атомным номером Zэф. Однако NaI(Tl) гидроскопичен, что ведёт к получению кристаллов. α-лучи – ZnS(Ag) тепловые нейтроны – смесь борной кислоты ZnS(Ag). Медленные нейтральные монокристаллы LiI(иногда Li смолы); заряженные частицы и быстрые нейтроны (кроме γ-квантов) – органические монокристаллы стильбина, алтрацена и др. веществ.

Каково назначение ФЭУ в сцинтиляционном счётчике?

Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) – усилитель электрического импульса (105 – 106 раз), преобразовавшегося из световой вспышки, которая получается в следствии попадания быстрой заряженной частицы в фосфор. Состоит: фотокатод, умножающие электроды (дианоды) и анод. Потенциал следующего последующего электрода на некоторой величине (10 В) превышает ионизацию предыдущего, что обеспечивает ускорение электронов между ними.

Почему сцинтиляционный счётчик может использоваться для определения γ-излучателя по энергетическому спектру, а счётчик Гейгера-Мюллера – нет?

В счётчике Гейгера-Мюллера происходит поглощение γ-квантов в корпусе, в результате образуются быстрые электроны (фотоэффект и комптон-эффект) или пара электрон-позитрон. В сцинтиляционном счётчике спектр энергии вторичных частиц образованных монохроматическим пучком γ-квантов, имеет сложный вид.

Какие преимущества имеют сцинтиляционные счётчики по сравнению со счётчиками Гейгера-Мюллера?

Обеспечивает гораздо большую эффективность регистрации γ-квантов (до 30- 50% и более), чем газоразрядные, и даёт возможность изучения спектрального состава излучения. У сцинтиляционных счётчиков более низкий уровень их собственного и космического фона. Однако ещё более сложнее в обслуживании (влияние температуры на световой выход фосфоров, стабилизация источника питания, сильное изменение характеристик сцинтиляционных счётчиков во времени).

Какими недостатками обладают отдельные сцинтилляторы? ФЭУ?

Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) – усилитель электрического импульса (105 – 106 раз), преобразовавшегося из световой вспышки, которая получается в следствии попадания быстрой заряженной частицы в фосфор. ФЭУ из-за термоэлектронной эмиссии фотокатодов и первых динодов на выходе даже полностью замедленного ФЭУ возникает некоторый тепловой ток, создающий фоновые импульсы; для их отсечения в схему вводят дискриминаторы.

От чего зависит коэффициент усиления ФЭУ?

Плотность δ эффективный атомный номер Zэф, фосфора и размеры т.е. эффективность растёт сростом плотности, эффективный атомный номер Zэф (массового коэффициента поглощения μм) и размера фосфора в направлении пучка d.

Начертите блок-схему радиометра.

Лабораторный

Для чего используют дискриминатор?

Для отсечения фоновых импульсов. Дискриминатор пропускает лишь импульсы, амплитуда которых превышает некоторый заданный уровень (порог). Используют специальные триггеры с одним устойчивым состоянием (схема Шмидта) или схемы с позитронными диодами.

Для чего используют формирующий каскад?

Формирующий каскад (нормализатор) – для устойчивости регистрации всех импульсов. При построении импульса на вход формирующего каскада на его выходе не зависимо от формы и амплитуды входного импульса образуется импульс прямоугольной формы со стандартной амплитудой и длительностью. Роль формирующего каскада выполняет триггер с одним устойчивым состоянием (мультивибратор).

Из каких элементов состоит простейший интегрирующий контур?

Контур из параллельно включённых конденсатора С и сопротивления R. При постоянном импульсе происходит подзарядка конденсатора С. в тоже время заряд с него непрерывно стекает через сопротивление R. Через некоторое время достигается приближённое равновесие между количеством зарядов приносимого одним импульсом, и зарядом стекающим через сопротивление за среднее время между двумя импульсами средних пик через R считается = произведению скорости счёта на величину одного импульса. параллельная последовательная

Для чего используется пересчётная схема?

Для повышающей скорости электромеханического счётчика перед ними вводится пересчётная схема, представляющая собой параллельное соединение триггеров или иных пересчётных схем и подающее на счётчик не все импульсы, а, например каждый второй, четвёртый, десятый и т.д.

В чём сущность эталонирования радиометра?

Выбирают участок 10x15 м с минимальной активностью пород, в дали от сооружений и предметов, создающих помехи за счёт рассеяния излучения от эталонированного источника. На расстоянии 6-10 м друг от друга устанавливают два столба примерно по два метра высотой, между ними натягивают трос или провод. В верхней части одного из столбов устанавливают радиометр (его ось находится на вертикальном положении проходящим через трос на 8-10 см ниже троса, на тросе подвешивается эталонный радиевый источник известной активности с центром на одной высоте с детектором). Интенсивность излучения рассчитывается по формуле: где - активность радиевого источника (мКи), r – расстояние между источником и детектором (м), 840 мкр/ч – доза облучения от 1 мг радия на 1 м. Строят график экстраполируют и получают окончательную шкалу:

0 9,5 21 39 59 Iγ эт

Подпись: Iр

мкр/ч
20 40 60 80 100 120 Iγ

На чём основан γ-спектральный анализ многокомпонентных проб?

Основан на содержании более двух компонентов соотношения излучений в котором существенно различно, регенерируют γ-квантов в нескольких интервалах энергии.