WWW.DISS.SELUK.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА
(Авторефераты, диссертации, методички, учебные программы, монографии)

 

СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

ИНСТИТУТ НЕОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ

Филиал кафедры систем качества,

стандартизации и сертификации

Новосибирского государственного

архитектур.-строит. университета

при ИНХ СО РАН

КРАТКОЕ ВВЕДЕНИЕ

В РАДИОИНДИКАТОРНЫЕ

МЕТОДЫ АНАЛИЗА

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к выполнению лабораторных работ для студентов специальности 072000 Новосибирск 2000 Методические указания разработаны к.х.н. Б.М. ШАВИНСКИМ Рецензент — к.ф.-м.н., с.н.с. В.А. ВАРНЕК Ответственный редактор д.ф.-м.н., профессор Л.Н. МАЗАЛОВ Рекомендовано к печати РИСО ИНХ СО РАН 02 марта 2000 г.

Методические указания «Краткое введение в радиоиндикаторные методы анализа». Новосибирск, ИНХ СО РАН, 2000. 23 с.

Рассмотрены основные теоретические положения учения о радиоактивности, необходимые для расширения общеобразовательного кругозора студентов не радиохимических специальностей, но которым в их дальнейшей деятельности может понадобиться определенный минимум знаний в этой области для проведения измерений уровня радиоактивности различных веществ. Даны практические рекомендации и кратко изложены требования норм радиационной безопасности (НРБ-99), предъявляемые к строительным материалам.

© Институт неорганической химии СО РАН,

СОДЕРЖАНИЕ

1. Основные понятия. Термины.......................... 2. Типы радиоактивного распада......................... 3. Схема распада.......................................... 4. Регистрация радиоактивности......................... Сцинтилляционный детектор....................... Полупроводниковые детекторы..................... Измерение радиоактивности........................... Требования НРБ-99 к радиоактивности строительных материалов.............................. 02 июля 1999 г. главным государственным санитарным врачом Российской Федерации на основании Закона РСФСР «О санитарно-эпидемиологическом благополучии населения» № 52-ФЗ от 30.03.1999 г. на территории страны введены в действие нормы радиационной безопасности (НРБ-99).





Требования НРБ-99 в первую очередь распространяются на вновь строящиеся, проектируемые и реконструируемые предприятия гражданского и промышленного назначения. В соответствии с этим, сертификация строительных материалов, как показатель их качества, должна включать и проверку на радиоактивность, уровень которой не должен превышать указанных в НРБ значений, а студентам строительных специальностей желательно получить несколько более широкое представление о радиоактивности и принципах её измерения, чем даётся им в общих курсах физики и химии.

1. Основные понятия. Термины Радиоиндикаторные методы анализа (РМА) — это методы качественного и количественного анализа материалов, основанные на использовании явления радиоактивности.

Радиоактивность — это свойство ряда нуклидов самопроизвольно подвергаться радиоактивному распаду (такие нуклиды называются радионуклидами).

Под термином «нуклиды» понимаются атомы с определёнными значениями заряда их ядра Z (число протонов) и массового числа M (сумма протонов и нейтронов). Принято обозначение M 92 U. Нуклиды Z Э где Э — химический элемент, например, с одинаковым числом Z, называются изотопами, т.е. изотопы — это нуклиды одного химического элемента, соответственно, радионуклиды одного химического элемента называются радиоизотопами. Поэтому, когда указывается конкретный химический элемент, нижний индекс (Z) часто не пишется — его значение уже определено порядковым номером элемента в таблице Д.И. Менделеева.

Радиоактивный распад — это самопроизвольный распад радионуклидов, с испусканием элементарных частиц и, как правило, сопровождающих такое испускание электромагнитных волн, называемых -квантами. Часто такое испускание заменяют одним термином — ионизирующее излучение. Результатом радиоактивного распада является превращение исходного радионуклида в другой нуклид, который, в свою очередь, может оказаться радионуклидом и т.д. В этом случае говорят о цепочке радиоактивных превращений, материнском, дочернем и т.д. радионуклидах.

Математическое выражение радиоактивного распада где N — число ядер радионуклида, означает, что скорость радиоактивного распада dN/dt пропорциональна числу распадающихся ядер. Коэффициент пропорциональности называют постоянной распада данного радионуклида. Физический её смысл — вероятность распада ядра за единицу времени. Численно значение постоянной распада показывает долю ядер, распадающихся в выбранную единицу времени и, таким образом, служит характеристикой скорости радиоактивного распада. Скорость радиоактивного распада называется активностью или радиоактивностью данного радионуклида:

где N0 — исходное число ядер радионуклида, t — рассмотренный промежуток времени. За единицу активности в системе СИ принят беккерель (Бк) — один распад в секунду. Наряду с постоянной распада для характеристики устойчивости радионуклида пользуются термином «период полураспада» (T1/2). Он равен времени, в течение которого исходное количество ядер радионуклида уменьшается вдвое. Как следует из уравнения (1):





Если использование радиоиндикаторных методов анализа (РМА) сопряжено с проведением химических операций (растворение, осаждение, экстракция, ионный обмен и т.п.), говорят о радиохимических РМА. Методы без разрушения анализируемого образца называют инструментальными или радиометрическими.

Таким образом, радиометрия — это регистрация радиоактивности с помощью соответствующих приборов или, иными словами, это вид количественного анализа, в котором измерение активности является важнейшей частью. Приборы для регистрации состоят из двух частей — детектора излучения и измерительной аппаратуры. (Иногда такие приборы не подразделяют на две части, а дают общее название — счётчики излучения).

Детекторами излучения называются устройства для превращения энергии излучения радионуклидов в вид энергии, подходящий для измерения. Существуют ионизационные, сцинтилляционные и полупроводниковые детекторы. Принципы их работы кратко будут изложены ниже.

Современная наука различает 5 видов радиоактивности (радиоактивного распада). Кратко рассмотрим только два (основных), имеющих отношение к радиоактивности строительных материалов.

-распад — испускание радионуклидами положительно заряженных частиц, идентифицированных наукой как ядра гелия — Не. Этот вид распада характерен для тяжелых элементов периодической системы, имеющих Z 82, хотя известны несколько -pадионуклидов с меньшим порядковым номером, например, Sm, имеющийся в природе, и 146Sm, полученный искусственно.

Главными же представителями природных -pадионуклидов являются уран и торий, содержание которых в земной коре исчисляется миллиардами тонн, и именно из-за их наличия в природе неизбежна некоторая радиоактивность строительного сырья.

Случаи, когда при -распаде испускаются -частицы только одной определенной энергии и не наблюдается сопровождающего -излучения (чистые -излучатели), весьма редки. Обычно испускается несколько групп -частиц, каждая из которых обладает определенной энергией. Совокупность значений этих энергий называется -спектром радионуклида. Таким образом, энергетический спектр -распада дискретен. Энергии сопровождающих -распад квантов электромагнитного излучения равны разности энергий -частиц различных групп, т.е. и -спектр также дискретен. Этот факт имеет важное прикладное значение в вопросах измерения и идентификации радиоактивного излучения.

При прохождении через вещество -частицы тратят свою энергию на ионизацию и возбуждение атомов поглотителя. Механизм потери энергии обусловлен, в основном, кулоновским взаимодействием полей -частицы и электронных оболочек атомов вещества-поглотителя. Это так называемые ионизационные потери энергии. Радиационная составляющая энергетических потерь -частиц обычных для них энергий (3,5—8,5 мегаэлектронвольт; 1 МэВ = 1,6.10–13 Дж) невелика и может не приниматься во внимание. Благодаря большой разнице в массах взаимодействующих -частиц радионуклида и электронов атомов вещества-поглотителя, -частица практически не отклоняется от первоначального направления, т.е. её пробег в веществе прямолинеен. Величина пробега -частиц указанных выше энергий от до 7 см в воздухе и несколько микрон в конденсированных средах.

-распад. Под понятием -распада объединяют три его разновидности: электронный (–), позитронный (+) и электронный захват.

–-распад, т.е. испускание электронов ядром, происходящее в результате протонно-нейтронного взаимодействия в ядре, является наиболее распространенной разновидностью -распада и самым распространенным видом радиоактивного распада вообще. Многие продукты распада природных урана и тория обладают именно этим видом распада. Этот распад присущ и одному из природных изотопов калия. Отсюда неизбежно некоторое наличие такой радиоактивности в строительных материалах.

Наукой установлено, что –-частицы при испускании их ядром имеют всевозможные значения энергии вплоть до некоторого наибольшего значения Е0, называемого верхней границей –-спектра. Иными словами, –-спектр является в отличие от - и -спектров не дискретным, а непрерывным.

На рис. 1 приведена кривая распределения числа N покидающих ядро электронов по их энергиям. Значение Е0 строго индивидуально для каждого радионуклида, что имеет важное значение при его идентификации. Максимум кривой обычно располагается около значения 1/3Е0.

Изображенный на рис. 1 спектр является примером простого -спектра. В большинстве случаев спектры гораздо сложнее, Рис. 1. Бета-спектр алюминия- –-распад обычно сопровождается -излучением, спектр которого, напоминаем, дискретен. В этих случаях общий –-спектр будет состоять из нескольких простых, каждый из которых обладает своим значением Е0;

–-спектр ещё более усложняется, когда образующийся дочерний нуклид является тоже –-радиоактивным и подвергается своему –-распаду. Испускаемые радионуклидом –-частицы взаимодействуют с электронными оболочками атомов окружающей средыпоглотителя, в результате чего теряют энергию, тормозятся, а атомы и молекулы вещества-поглотителя ионизируются или возбуждаются. Ионизация заключается в выбивании электрона из оболочки атома поглотителя. Ионизирующая способность –частиц ввиду их малой по сравнению с -частицами массы существенно меньше (под ионизирующей способностью понимается количество образующихся в поглотителе пар ионов на единице длины пробега частиц равных энергий). Поэтому –-частицы медленнее теряют энергию и обладают большей проникающей способностью, чем -частицы. Их пробег в воздухе может достигать нескольких метров, в конденсированных средах пробег –частиц измеряется миллиметрами. В отличие от -частиц траектория –-частицы в поглощающей среде не является прямолинейной. Потеря энергии –-частицами, т.е. ослабление –-излучения, приблизительно соответствует экспоненциальной зависимости где I0 — начальная интенсивность потока -частиц, Ix — интенсивность после прохождения слоя поглотителя толщиной х, — kоэффициент поглощения излучения веществом. Напомним, что под интенсивностью излучения понимается полная энергия, излучаемая зарядом в единицу времени по всем направлениям.

Позитронный распад (+) встречается значительно реже электронного (–). Его закономерности такие же, как и у –-распада.

Но есть и существенное отличие. Характерным свойством +-распада является взаимодействие позитрона с электроном атома-поглотителя, что приводит к так называемой аннигиляции, при которой обе частицы превращаются в -кванты. Наиболее распространена двухфотонная аннигиляция — испускание двух -квантов с энергией 0,51 МэВ каждый.

Третью разновидность -распада называют электронным захватом. В некоторых особых случаях ядро может захватывать электроны с орбиталей своего собственного атома. Обычно это происходит с близлежащей к ядру K-оболочки. Отсюда обычное название — K-захват. Эта разновидность -распада также, как правило, сопровождается -излучением. Электронный захват присущ одному из природных изотопов калия. Отсюда следует реальная возможность этого вида радиоактивности у строительных материалов, поскольку калий широко распространен в природе.

Как отмечалось выше, результатом радиоактивного распада является превращение исходного радионуклида в другой нуклид.

Эти превращения отражены правилом Содди—Фаянса. При -распаде образуется дочерний нуклид с порядковым номером, на два меньшим, чем у исходного в таблице Менделеева, при –распаде порядковый номер дочернего нуклида на единицу больше исходного, а при + и K-захвате на единицу меньше. При этом превращение может проходить через промежуточные метастабильные состояния, когда происходит испускание -квантов.

Путь, по которому идёт превращение ядра из энергетически возбужденного в основное состояние, отражают энергетические диаграммы или схемы превращений радиоактивных ядер. На диаграммах указываются периоды полураспада, энергии испускаемых ядром - или -частиц в мегаэлектронвольтах, энергии возбужденных состояний дочернего ядра, а, значит, энергии сопровождающего распад -излучения. В общем случае схемы распада радиоактивных ядер могут быть весьма сложными. Для примера рассмотрим приведенную на рис. 2 простую схему распада радионуклида цезия-137. По этой схеме видно, что цезий-137 имеет период полураспада 30 лет, превращается в стабильный изотоп бария путем –-распада, причем 92 % испускаемых –-частиц имеет максимальную энергию 0,518 МэВ, 8 % испускаемых —-частиц имеют значение Е0 = 1,18 МэВ. Испускание этой группы частиц не сопровождается -излучением, а испускание частиц первой группы сопровождается излучением -квантов с энергией 0,662 МэВ, так как в этом случае превращение цезия в барий происходит через промежуточную стадию — через образование энергетически возбужденного метастабильного ядра 137mВа.

стрелками влево, -распад — cдвоенными стрелками влево. Существуют радионуклиды, распадающиеся 4. Регистрация радиоактивности Как уже указывалось ранее, под термином «регистрация»

следует понимать не просто обнаружение излучения радионуклидов, но и измерение его интенсивности, определение энергии и вида излучения, т.е. получение количественных характеристик.

Ранее было отмечено, что испускаемые радионуклидами -, -частицы и -кванты при прохождении через вещество теряют свою энергию, вызывая ионизацию или возбуждение атомов и молекул вещества-поглотителя. И в основе методов регистрации излучения как раз и лежит ионизирующее или люминесцирующее действие его на специальное вещество-поглотитель, именуемое детектором излучения. В результате такого воздействия в детекторе возникает электрический сигнал, который в дальнейшем усиливается, соответствующим образом формируется и измеряется специальной электронной аппаратурой. Таким образом, детектор является чувствительным элементом, в котором происходит взаимодействие излучения с веществом детектора, а измерительная аппаратура воспринимает сигнал с выхода детектора и выполняет функции, необходимые для производства измерений и выдачи информации. Если прибор дает информацию об интенсивности излучения — это радиометр, если прибор дает ещё информацию о величине энергии испускаемых радионуклидами заряженных частиц или -квантов — это, соответственно, -, -, -cпектрометр.

Простейший ионизационный детектор представляет собой конденсатор с двумя электродами, пространство между которыми заполнено газом. Обычно это аргон с добавкой паров этилового спирта или неон с добавкой хлора. Добавки имеют специальное назначение, о котором будет сказано ниже. Давление газа обычно около 100 мм. ртутного столба. Такой конденсатор при подаче на его электроды постоянного напряжения определенной величины становится детектором излучения, известным под названием счетчика Гейгера—Мюллера. Конструкции счетчика могут быть самыми разнообразными. Обычно это стеклянная трубка, внутренняя поверхность которой металлизирована. Внутри трубки коаксиально на изоляторах натянута тонкая вольфрамовая нить, служащая анодом. Иногда нить закреплена только одним концом, а на свободный конец одевается стеклянная бусинка. Это так называемый торцовый счётчик. Его рабочее положение — вертикальное. Благодаря приложенному к электродам достаточно высокому напряжению (необходимое его значение указано в паспорте на счётчик), попадающая внутрь или –-частица, как только она создала в газе хотя бы одну пару ионов, вызывает вспышку газового разряда, т.е. происходит лавинообразное нарастание пар ионов, так называемая ударная ионизация. Коэффициент газового усиления достигает значения порядка 108, поэтому возникающий на выходе из счётчика импульс напряжения имеет амплитуду до нескольких вольт, и его регистрация не требует сложной аппаратуры. Высокая чувствительность и низкая стоимость — важные достоинства счётчиков Гейгера.

Благодаря добавлению к газу-наполнителю небольших количеств паров органики или галогена — веществ, у которых потенциал ионизации ниже, чем у самого газа-наполнителя, вспышка разряда от попавшей в счётчик энергетической частицы кратковременна — около 50 микросекунд, после чего происходит самопроизвольное его гашение. И примерно через 10–4 с счетчик восстанавливает способность к регистрации следующей попадающей в него частицы. Тем не менее, эта кратковременность относительна, и такое, по современным меркам, высокое значение «мертвого» времени является недостатком счётчика Гейгера — он мало пригоден для регистрации больших активностей.

В отличие от заряженных - и –-частиц, обладающих высокой ионизирующей способностью, -кванты в газах создают слабую ионизацию. Поэтому регистрация -кванта происходит косвенно — после того как он выбьет из катода счётчика электрон, а уже этот фотоэлектрон, будучи тождественным по заряду и массе –-частице, вызовет ионизацию и будет зарегистрирован. Поскольку выбивание фотоэлектрона — процесс вероятностный, а вероятность значительно меньше 1, то чувствительность счётчика в отношении -квантов существенно ниже, чем для заряженных частиц. Схема счетчика показана на рис. 3.

Рис. 3. Схема счётчика Гейгера—Мюллера В заключение отметим, что счётчик Гейгера—Мюллера работает на участке насыщения вольтамперной характеристики наполняющего его газа (так называемое «плато»), и вспышка газового разряда будет происходить независимо от вида и энергии попадающего излучения.

Величина регистрируемого электрического импульса при этом будет во всех случаях одинаковой. Поэтому счётчик может только регистрировать число ядерных частиц, но не может классифицировать их по виду и величине энергии. Он может работать только как радиометр, но не спектрометр. По этой причине в настоящее время счётчики Гейгера—Мюллера применяются, главным образом, в дозиметрии, благодаря простоте конструкции, надёжности в работе и невысокой стоимости оборудования.

В научных исследованиях они почти вытеснены сцинтилляционными и полупроводниковыми детекторами, поскольку эти детекторы позволяют не только отмечать факт попадания ионизирующей частицы или -кванта, но и имеют ещё возможность определять энергетическое распределение регистрируемых частиц или -квантов.

В нем энергия излучения преобразуется сначала в световую, которая, в свою очередь, преобразуется в электрическую. Основными элементами такого детектора являются вещество, люминесцирующее под действием излучения (сцинтиллятор) и фотоэлектронный умножитель (ФЭУ). Сцинтиллятор — это люминофор, в котором под действием энергетической частицы возникает сцинтилляция, т.е. вспышка люминесценции короткой длительности. Каждая вспышка действует на фотокатод ФЭУ и выбивает из него электроны. Последние, пройдя несколько каскадов ФЭУ, именуемых динодами, испытывают многократное умножение и в итоге дают на выходе с анода импульс тока, который и регистрируется аппаратурой. После этого прибор восстанавливает способность к регистрации следующей ионизирующей частицы.

Если в счётчиках Гейгера, как отмечалось выше, регистрация следующей частицы становится возможной самое малое через 10–4 с, то разрешающее время сцинтилляционных счётчиков много меньше и измеряется долями микросекунды. Это обеспечивает регистрацию значительно большей активности радионуклидов по сравнению со счётчиками Гейгера.

Условно сцинтилляционный процесс регистрации излучения можно разделить на 6 последовательных стадий:

а) поглощение ядерной частицы (или вторичного электрона от действия -кванта) в сцинтилляторе, приводящее к возбуждению и ионизации молекул и атомов вещества сцинтиллятора;

б) преобразование энергии, потерянной частицей, в световую путем люминесценции;

в) собирание фотонов люминесценции на фотокатод ФЭУ;

г) поглощение фотонов люминесценции фотокатодом и испускание фотоэлектронов;

д) процесс электронного умножения в ФЭУ;

е) регистрация импульсов тока на выходе ФЭУ аппаратурой.

Кратко рассмотрим их основные особенности. В настоящее время известно множество различных сцинтилляторов. Чаще всего применяются органические и неорганические монокристаллы, объем которых может достигать сотен см3. Это антрацен, трансстильбен, иодистый натрий с добавкой таллия, сернистый цинк с добавкой серебра и т.д. Это твердые вещества, и они, естественно, обладают неизмеримо более высокой плотностью, чем газ в гейгеровских счётчиках. Поэтому регистрируемая частица даже высокой энергии может потерять её в сцинтилляторе полностью.

Поскольку яркость возникающей сцинтилляции, а в итоге и величина электрического сигнала на выходе ФЭУ, пропорциональна энергии частицы, то сцинтилляционный счётчик, в отличие от гейгеровского, может работать как спектрометр. Это важное преимущество сцинтилляционного счётчика, несмотря на его гораздо более высокую стоимость по сравнению с гейгеровским.

Поглощение энергии веществом и её последующее испускание в виде излучения, воспринимаемого человеческим глазом или прибором, известно под названием люминесценции, а вещества, способные к люминесценции, называются люминофорами. Если эмиссия фотонов люминофорами («высвечивание») происходит непосредственно во время возбуждения и ионизации атомов люминофора или в течение промежутка времени, не превышающего 10–8 с после прекращения возбуждения, то процесс называется флуоресценцией. Интервал до 10–8 с выбран потому, что обычно время жизни атомов в возбужденном состоянии не превышает указанного значения. Если эмиссия фотонов продолжается дольше, то процесс называется фосфоресценцией. Таким образом, сцинтилляторы — это люминофоры, пригодные для регистрации радиоактивности, т.е. люминофоры, имеющие прежде всего, малое время высвечивания. Временем высвечивания называется время, необходимое для эмиссии 63 % всех фотонов, возникающих в сцинтилляторе от воздействия энергетической частицы.

Время высвечивания органических сцинтилляторов 10–8—10–9 с, иодистого натрия —10–7 с, сернистого цинка — 10–5 с.

Кроме времени высвечивания важной характеристикой люминофора является доля поглощенной им энергии частицы, преобразуемая в свет. Это так называемая конверсионная эффективность. Естественно, что в качестве сцинтилляторов должны применяться люминофоры с достаточно высоким значением конверсионной эффективности. Сцинтиллятор с конверсионной эффективностью порядка 10 % считается хорошим. Остальная часть поглощенной энергии рассеивается в виде тепла.

Световая вспышка в люминофоре должна быть «замечена»

фотокатодом ФЭУ. Это означает, что в качестве сцинтиллятора может быть использован только люминофор, прозрачный для фотонов собственной люминесценции.

Задача регистрации радиоактивности в принципе сводится к измерению крайне малого значения величины тока (или напряжения), возникающего в результате воздействия заряженной частицы на детектор. Даже для современного уровня развития электроники это довольно сложная задача, решение которой требует дорогостоящего оборудования. Как описано ранее, в счётчиках Гейгера—Мюллера эта задача существенно облегчается благодаря использованию ударной ионизации, многократно увеличивающей эффект воздействия энергетической частицы. В сцинтилляционном счётчике эту задачу выполняет ФЭУ. Количество электронов, выбитых из фотокатода сцинтилляцией, возникшей в в него регистрируемой частицы, многократно увеличивается благодаря выбиванию дополнительных электронов из динодов. В итоге результирующий импульс тока на выходе с анода ФЭУ имеет величину, достаточную для последующего измерения без использования очень дорогих специальных усилителей. Отсюда вытекает важное требование к фотокатоду ФЭУ — он должен иметь высокую чувствительность к спектру сцинтилляции и невысокий уровень собственной термоэлектронной эмиссии. Этим требованиям в известной степени отвечают сурьмяно-цезиевые фотокатоды. Но тем не менее, довольно высокий собственный фон сцинтилляционного счётчика является его минусом. Схематично принцип работы сцинтилляционного детектора изображён на рис. 4.

Развитие теоретических и практических знаний о полупроводниках позволило к настоящему времени создать ещё один важный тип детекторов излучения — полупроводниковый. Их применение, правда, ограничено, в основном, научными исследованиями из-за высокой стоимости. Как радиометры полупроводниковые детекторы не имеют преимуществ перед твёрдотельными сцинтилляционными, однако, в качестве спектрометров они вне конкуренции.

Чувствительную к излучению область в полупроводниковом детекторе создают с помощью поверхностно-барьерного или сплавного способа, диффузионно-дрейфового и имплантационного процессов. По своему принципу действия полупроводниковый детектор аналогичен ионизационному, только в газовых счётчиках под действием приложенного напряжения ток возникает за счет создания регистрируемой частицей электронно-ионных пар, в полупроводниковом же детекторе за счёт электронно-дырочных.

Принципиальная схема действия поверхностно-барьерного детектора изображена на рис. 5.

На одну из сторон тонкой монокристаллической пластинки из чистого кремния наплавлен тончайший слой золота, и к противоположным граням пластинки подводится достаточно высокое «запирающее» напряжение.

выхода электронов из золота и кремния создается р-n переход, а приложенное напряжение «растаскивает» электроны и «дырки». Обеднённый носителями заряда слой шириной h обладает высоким электрическим сопротивлением. Попадающая в этот слой регистрируемая частица «ионизирует» его, генерируя электроны и «дырки», которые под действием электрического поля собираются на соответствующих электродах, и во внешней цепи возникает импульс тока, который усиливается и регистрируется соответствующей аппаратурой.

Ширина слоя h в таких поверхностно-барьерных планарных (т.е. плоских) детекторах не превышает 1 мм. Значит, полностью потерять свою энергию в этом слое могут лишь -частицы, а также низкоэнергетичные —-частицы и -кванты. Поэтому современные -спектрометры выполняются на основе детекторов этого типа. Для регистрации более высокоэнергетических -квантов применяют диффузионно-дрейфовые детекторы.

В них р-n переход создаётся за счет диффузионного легирования монокристалла германия литием. Предварительно германий легируется соответствующими примесями — акцепторами электронов, создающими в нём проводимость р-типа. Литий, обладающий аномально высокой скоростью диффузии в германии, играет роль донора электронов, располагаясь в междоузлиях кристаллической решётки германия. Здесь ширина слоя h достигает 10 мм в планарных детекторах, а коаксиальная конструкция позволяет получать чувствительный к излучению объем монокристалла германия до 200 см3. Такие коаксиальные диффузионнодрейфовые германий-литиевые детекторы позволяют спектрометрировать и считать -кванты с энергией даже выше 1 мегаэлектронвольта. К сожалению, такие детекторы требуют охлаждения жидким азотом, причём не только в процессе работы, а постоянно. При комнатной температуре происходит необратимое разрушение p-n перехода. Поэтому такие детекторы помещают в криостаты, где поддерживается высокий вакуум, иначе влага воздуха будет конденсироваться на охлаждаемом детекторе, и подача «запирающего» напряжения на электроды становится невозможной. Это большой недостаток диффузионнодрейфовых германий-литиевых детекторов.

Частично от этого недостатка свободны так называемые радиационные детекторы. В них р-n переход удаётся создать за счет облучения сверхчистого монокристалла германия потоком высокоэнергетичных -квантов. Созданные в результате облучения дефекты в кристаллической решетке германия действуют подобно легирующей примеси. Такие детекторы требуют охлаждения лишь на период работы прибора. Благодаря охлаждению электрическое сопротивление слоя h поддерживается максимальным, что благоприятно сказывается на качестве регистрации импульсов тока, создаваемых излучением.

Полупроводниковые детекторы способны, как и сцинтилляционные, к регистрации больших активностей. Высокая подвижность электронов и «дырок» позволяет собирать образующийся в слое h заряд на электродах за время, не превышающее 10–8 с.

Поэтому разрешающее время детектора мало, и максимум через 10–7 с он восстанавливает способность к регистрации следующей ионизирующей частицы. Но главным достоинством полупроводниковых детекторов является их высокое энергетическое разрешение. Они способны различать энергии -квантов в 3—5 кэВ, поскольку статистические флуктуации числа электронно-дырочных пар, образующихся в h-слое, ниже, чем числа электронно-ионных пар в газе, и ниже, чем статистические флуктуации в работе ФЭУ у сцинтилляторов. Однако в эффективности регистрации -квантов полупроводниковые детекторы уступают сцинтилляционным детекторам из иодистого натрия, активированного таллием (принятое обозначение — NaI(Tl) Как отмечалось выше, радиоактивность — это скорость радиоактивного распада, т.е. число ядер радионуклида, распадающихся в единицу времени. Когда время измерения много меньше периода полураспада, можно принять Регистрируемая же тем или иным прибором активность где N — число зарегистрированных прибором импульсов за промежуток времени t. АР называется иначе скоростью счёта.

Естественно, что в общем случае АР А, поскольку из-за действия ряда факторов только некоторая доля излучения может дать полезный сигнал на выходе детектора и зарегистрироваться прибором.

При отсутствии помех справедливо соотношение Коэффициент называют обобщённой эффективностью регистрации или коэффициентом счёта. Он характеризует конкретную измерительную ситуацию, так как на эффективность регистрации сильное влияние оказывают геометрические параметры системы детектор-источник излучения. Это размеры и форма детектора и источника, расстояние между ними, их взаимное расположение. Большую роль играют эффекты, связанные с поглощением и рассеянием ионизирующего излучения в самом измеряемом образце, конструкционных материалах—покрытии детектора, подложки источника излучения и т.д. Коэффициентом счёта учитываются также параметры схемы распада радионуклида.

Эффективность регистрации также, как правило, сильно зависит от энергии излучения. Иными словами, регистрируемая активность равна активности образца лишь в случае, когда образец и среда, расположенная между образцом и детектором, не поглощают излучения, детектор охватывает образец со всех сторон (телесный угол 4) и детектор регистрирует всё попадающее в него излучение. Учёт всех перечисленных факторов представляет сложную задачу, которая далеко не всегда может быть решена быстро и достаточно точно. Поэтому прибегают к проведению измерений в фиксированных условиях, поддерживаемых постоянными во всей серии измерений. Практически это означает последовательное измерение пробы и аналогичного ей по геометрическим и физическим характеристикам эталона, активность которого известна. Тогда АРПРОБЫ =. АПРОБЫ ; АРЭТАЛОНА =. А ЭТАЛОНА и отсюда находим АПРОБЫ = (АРПРОБЫ / APЭТАЛОНА). АЭТАЛОНА.

Наиболее простым и точным способом определения радиоактивности пробы является измерение спектра её -излучения.

Энергия -излучения является качественной, а скорость счёта количественной характеристикой активности. Измерения проводят на многоканальных -спектрометрах со сцинтилляционными или полупроводниковыми детекторами. (Канал — это ячейка памяти измерительного устройства). Спектрометрия -излучения — наиболее универсальный метод РМА. Как отмечалось выше, любой процесс радиоактивного распада за небольшим исключением сопровождается испусканием -квантов. Гамма-излучение обусловлено переходами между разными энергетическими уровнями возбуждённого ядра, образовавшегося в результате радиоактивного распада ядра-предшественника. Поэтому испускаемое -излучение имеет строго определённое значение энергии для каждого радионуклида. Благоприятным фактором является также очень высокая по сравнению с - и -излучением проникающая способность -квантов, что позволяет проводить измерение весьма больших по объёму проб, причём как жидких, так и твёрдых. Регистрация -квантов будет происходить не только из поверхностного слоя образца, как в случае -, а особенно -излучения. Во многих случаях это даёт большой выигрыш в чувствительности анализа. По этой же причине подготовка проб к измерению -излучения много проще, чем в случае -, а тем более -излучения, когда при измерении могут возникнуть огромные погрешности за счёт даже небольшого несоответствия пробы и эталона. В настоящее время не подлежит никакому сомнению, что -спектрометр должен относиться к обязательной принадлежности лаборатории, занимающейся РМА.

Если с помощью многоканального спектрометра измерять по излучению активность какого-то радионуклида, содержащегося в пробе (иными словами, определять радиоактивность образца), то результирующей информацией будет распределение числа импульсов по определенным энергетическим каналам спектрометра (рис. 6).

Рис. 6. Упрощённый вид Пик на получившейся спектрограмме, так называемый пик полного поглощения имеет фундаментальное значение для результата измерения. Положение его максимума определяет энергию регистрируемого -излучения, а его площадь (приближённо, и высота) служит мерой интенсивности излучения, т.е.

в итоге, измеряемой радиоактивности образца.

В идеале, полностью сформировавшийся пик имеет форму, близкую к распределению Гаусса в математической статистике.

Ширина пика обусловлена разрешающей способностью спектрометра. Для характеристики разрешения общепринятой мерой служит ширина пика на половине его высоты, отнесённая к величине энергии (абсциссе максимума пика). Чем меньше это отношение, тем лучше разрешение, тем точнее определяется положение максимума пика (т.е. энергия регистрируемых -квантов), тем качественнее спектрометр.

Для спектров, представленных в графической форме, площадь пика можно находить разными способами. Обычно исходят из того, что спектрограмма выражается в виде числа импульсов, накопленных в каналах анализатора импульсов, в течение выбранного промежутка времени.

Естественно, это простой случай, когда весьма интенсивный пик расположен на равномерно убывающем с возрастанием энергии небольшом фоне. (Благоприятное отношение пик— фон). Если каналы, ограничивающие пик с обеих сторон, обозначить Р и Q, то общее число импульсов, которое содержится в каналах между ними, равно:

где Ni — число импульсов в i-канале. Чтобы вычислить чистую площадь пика, нужно вычесть фон из величины N. Фон рассчитывают, как площадь трапеции PABQ, поканальным суммированием соответствующих ординат.

Требования НРБ-99 к радиоактивности Удельная активность радионуклидов в строительных материалах, добываемых на их месторождениях (щебень, гравий, песок, цементное и кирпичное сырьё и пр.) или являющихся побочным продуктом промышленности, а также отходы промышленного производства, используемые для изготовления строительных материалов (золы, шлаки и пр.) не должна превышать:

• для материалов, используемых во вновь строящихся и реконструируемых жилых и общественных зданиях • для материалов, используемых в дорожном строительстве в пределах территории населённых пунктов и зон перспективной застройки, а также при возведении производственных сооружений (2 класс) — 740 Бк/кг;

• для материалов, используемых в дорожном строительстве вне населённых пунктов (3 класс) — 1500 Бк/кг;

• для материалов, имеющих активность от 1500 до 4000 Бк/кг (4 класс), вопрос об использовании материалов решается в каждом конкретном случае отдельно по согласованию с федеральным органом Госсанэпиднадзора;

• для материалов, имеющих активность более 4000 Бк/кг материалы не должны использоваться в строительстве.

Борис Михайлович ШАВИНСКИЙ для студентов специальности Формат 60х84/16. Бумага офсетная № 1. Гарнитура «Times New Roman».

Печать офсетная. Печ. л. 1,6. Уч-изд. л. 1,07.

Просп. Акад. Лаврентьева, 3, Новосибирск, 630090.



 
Похожие работы:

«Министерство образования и науки РФ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ) Кафедра Городское строительство и хозяйство СОВРЕМЕННЫЕ ТЕНДЕНЦИИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ЗД АНИЙ Методические указания к самостоятельной работе для студентов очной и заочной форм обучения строительных специальностей Составитель С.Ф. Донченко Омск СибАДИ 2012 1 УДК 624 ББК 38.5 Рецензент...»

«Ю.Я. Кунгуров УПРАВЛЕНИЕ КАЧЕСТВОМ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ Учебное пособие 3 Министерство образования РФ Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ) Ю.Я. Кунгуров УПРАВЛЕНИЕ КАЧЕСТВОМ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ Учебное пособие Омск Издательство СибАДИ 2003 4 УДК 69.003:658.56(075) ББК 65.31 К 356 Рецензенты д-р техн. наук, проф.Б.А. Калачевский, гл. инж. строит. компании ООО Трест-5 В.С. Литвинов, директор ОООООФ ЦКС А.И.Стариков Работа одобрена редакционно-издательским советом академии в...»

«Федеральное агентство по образованию Уральский государственный технический университет УПИ А. Б. Лошкарев, Д. А. Трапезников, В. Б. Пономарев, А. Н. Калинкин ПРОЦЕССЫ В ПРОИЗВОДСТВЕ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ Учебное электронное текстовое издание Подготовлено кафедрой оборудования и автоматизации силикатных производств Научный редактор – проф., канд. техн. наук В. Я. Дзюзер Методические указания к лабораторным работам по дисциплине Процессы в производстве строительных материалов. В двух частях....»

«Министерство образования Российской Федерации Томский государственный архитектурно-строительный университет ПРОЕКТНЫЙ И ПРЕДПРОЕКТНЫЙ АНАЛИЗ Программа лекционного курса и методические указанию к выполнению аналитической части курсового проекта Томск 2010 Проектный и предпроектный анализ: программа лекционного курса и методические указания к выполнению аналитической части курсового проекта. / Сост. И.И. Левченко. – Томск: Изд-во Том. гос. архит.-строит. ун-та, 2010. – 22 с. Рецензент к.арх.н....»

«Федеральное агентство по образованию Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ) Кафедра геодезии МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ к лабораторным работам ПОСТРОЕНИЕ ПРОДОЛЬНОГО ПРОФИЛЯ. ПОСТРОЕНИЕ ПРОЕКТНОЙ ЛИНИИ ПРОДОЛЬНОГО ПРОФИЛЯ Составители: Т.П.Синютина, Л.Ю.Миколишина Омск Издательство СибАДИ 2006 УДК 528.02 ББК 38.2 Рецензенты д-р техн. наук, проф. Ю.В. Столбов, канд. техн. наук, доц. ОмГАУ А.И. Уваров, канд. техн. наук, доц. кафедры Проектирование дорог СибАДИ А.Г. Малофеев...»

«Министерство образования Республики Беларусь БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра Экономика строительства Т.В. Щуровская ЭКОНОМИКА ОТРАСЛИ Методические указания по выполнению курсовой работы для студентов специальности 1-70 04 02 Теплогазоснабжение, вентиляция и охрана воздушного бассейна дневной и заочной форм обучения Минск БНТУ 2010 УДК 69:658:378.244 Автор: Т.В. Щуровская, Рецензенты: С.В.Валицкий, доцент кафедры Экономика и управление производством МИУ, кандидат...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ГОУ ВПО УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЛЕСОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра древесиноведения и специальной обработки древесины Ю.Б. Левинский Р.И. Агафонова Основы технологических и конструкционных расчетов в производстве строительных материалов из древесины (часть 1) Методические указания к практическим занятиям для студентов очной формы обучения. Специальность 250403 Технология деревообработки. Специализация Деревянное домостроение и защита...»

«МИНОБРНАУКИ РОССИИ ГОУ ВПО УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЛЕСОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра лесоводства Л.А. Белов С.В. Залесов А.Я. Зюсько Л.П. Абрамова ПОСАДКА КОРМОВЫХ РАСТЕНИЙ ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ УСЛОВИЙ ПИТАНИЯ РАСТИТЕЛЬНОЯДНЫХ ОХОТНИЧЬИХ ЖИВОТНЫХ Методические указания (для изучения теоретического курса) для студентов очной и заочной форм обучения направления 250200 Лесное хозяйство и ландшафтное строительство специальности 250201 Лесное хозяйство специализации 250201.06 Лесное охотоведение...»

«Федеральное агентство по образованию ГОУ ВПО Уральский государственный технический университет – УПИ М.А. Королева ОПРЕДЕЛЕНИЕ СМЕТНОЙ СТОИМОСТИ СТРОИТЕЛЬСТВА Учебное электронное текстовое издание Подготовлено кафедрой Экономика и управление строительством и рынком недвижимости Научный редактор: доц., канд. экон. наук Н.В. Городнова Методические указания к выполнению курсовой работы по дисциплине Ценообразование для студентов всех форм обучения специальности 050802 - Экономика и управление на...»

«Б.В.Савельев АВТОТРАНСПОРТНЫЕ СРЕДСТВА Начальные сведения Учебное пособие Омск – 2007 Федеральное агентство по образованию Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ) Кафедра Автомобили и тракторы Б.В.Савельев АВТОТРАНСПОРТНЫЕ СРЕДСТВА Начальные сведения Учебное пособие Допущено УМО вузов РФ по образованию в области транспортных машин и транспортно-технологических комплексов в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по специальности Автомобиле- и...»

«Федеральное агентство по образованию Томский государственный архитектурно-строительный университет ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ Методические указания к самостоятельной работе и задания к контрольной работе Составитель Н.А. Вихорь Томск 2010 Информационные технологии в строительстве: методические указания к самостоятельной работе и задания к контрольной работе / Сост. Н.А. Вихорь. – Томск: Изд-во Том. гос. архит.-строит. ун-та, 2010. – 43 с. Рецензент М.Е. Семенов Редактор Е.Ю....»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра истории Отечества ИСТОРИЯ РОССИИ Рабочая программа и методические указания для студентов всех специальностей и форм обучения НОВОСИБИРСК 2002 Рабочая программа разработана к.и.н., доцентом З.И. Белой, к.и.н., доцентом В.Н. Болоцких, к.и.н., доцентом В.Г. Деевым, к.фил.н., доцентом Д.В. Долгушиным, д.и.н., профессором Ю.И. Казанцевым, к.и.н., доцентом Л.К. Островским, к.и.н.,...»

«Министерство образования и науки Российской Федерации Томский государственный архитектурно-строительный университет СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ РАЗВИТИЯ СТРОИТЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСА Методические указания к самостоятельной работе студента Составитель Л.В. Шерстобитова Томск 2011 Современные проблемы развития строительного комплекса: методические указания к самостоятельной работе студента / Сост. Л.В. Шерстобитова. – Томск: Изд-во Том. гос. архит.-строит. ун.-та, 2011. – 30 с. Рецензент доцент И.П. Нужина...»

«Министерство образования и науки Российской Федерации Сыктывкарский лесной институт (филиал) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет имени С. М. Кирова Кафедра дорожного, промышленного и гражданского строительства АРХИТЕКТУРА ГРАЖДАНСКИХ И ПРОМЫШЛЕННЫХ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ Учебно-методический комплекс по дисциплине для студентов специальности 270102 Промышленное и...»

«Приложение № 2 к приказу Министра регионального развития Российской Федерации от 2010 №_ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СМЕТНЫЙ НОРМАТИВ СПРАВОЧНИК БАЗОВЫХ ЦЕН НА ПРОЕКТНЫЕ РАБОТЫ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ ОБЪЕКТЫ АВИАЦИОННОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ 1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ 1.1. Государственный сметный норматив Справочник базовых цен на проектные работы в строительстве Объекты авиационной промышленности (далее Справочник) предназначен для определения стоимости разработки проектной и рабочей документации для строительства объектов...»

«Федеральное агентство по образованию Томский государственный архитектурно-строительный университет ТЕХНОЛОГИЯ ЗЕРНИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ Методические указания к курсовому проектированию Составители Г.Г. Петров, А.Г. Петров Томск 2010 Технология зернистых материалов: методические указания к курсовому проектированию / Сост. Г.Г. Петров, А.Г. Петров. – Томск: Изд-во Том. гос. архит.-строит. ун-та, 2010. – 37 с. Рецензент к.т.н. Н.П. Душенин Редактор Е.Ю. Глотова Методические указания к курсовому...»

«Федеральное агентство по образованию Томский государственный архитектурно-строительный университет ПРОГРАММА по дипломному проектированию при выполнении выпускной квалификационной работы студентами очной и заочной формы обучения по специальности 120303 – Городской кадастр Методические указания Составители В.А. Базавлук Л.В. Кочетова Томск 2008 Базавлук В.А. Программа по дипломному проектированию при выполнении выпускной квалифицированной работы по специальности 120303 Городской кадастр....»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования НАЦИОНАЛЬНЫЙ МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВОЙ УНИВЕРСИТЕТ ГОРНЫЙ УТВЕРЖДАЮ Проректор по научной работе профессор В.Л. ТРУШКО ПРОГРАММА ВСТУПИТЕЛЬНОГО ИСПЫТАНИЯ ПО СПЕЦИАЛЬНОЙ ДИСЦИПЛИНЕ ГЕОТЕХНОЛОГИЯ (ПОДЗЕМНАЯ, ОТКРЫТАЯ, СТРОИТЕЛЬНАЯ), соответствующей направленности (профилю) направления подготовки научно-педагогических кадров в аспирантуре НАПРАВЛЕНИЕ...»

«РЕКОНСТРУКЦИЯ ЗДАНИЙ Методические указания к практическим работам Омск 2012 Министерство образования и науки РФ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ) Кафедра городского строительства и хозяйства РЕКОНСТРУКЦИЯ ЗДАНИЙ Методические указания к практическим работам Составители: И.Н. Кузнецова, М.А. Ращупкина, С. М. Аксёнова Омск СибАДИ 2012 УДК 711.656 ББК 39.8...»

«ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫЕ КОНСТРУКЦИИ ПРИМЕРЫ РАСЧЕТА ПРОЧНОСТИ, ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ И ЖЕСТКОСТИ Методические указания для практических занятий Омск-2007 Федеральное агентство по образованию Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия Инженерно-строительный институт (ИСИ СибАДИ) Кафедра строительных конструкций ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫЕ КОНСТРУКЦИИ ПРИМЕРЫ РАСЧЕТА ПРОЧНОСТИ, ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ И ЖЕСТКОСТИ Методические указания для практических занятий Составители В.И. Саунин, В.Г. Тютнева Омск Издательство...»






 
© 2013 www.diss.seluk.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Авторефераты, Диссертации, Монографии, Методички, учебные программы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.