Плотность потока частиц чем измеряется
Плотность потока частиц чем измеряется
Поле ядерных излучений характеризуется плотностью, плотностью потока и интенсивностью излучения.
Плотность частиц (γ-квантов) N – это число частиц (γ-квантов), находящихся в данный момент времени в единице объема среды N = n /V, где n – число частиц (γ-квантов). Единица измерений – n/м 3 (n/cм 3 ).
Плотность потока частиц (γ-квантов) Ф – это число частиц (γ-квантов), падающих в 1 секунду на единичную площадку, перпендикулярную направлению параллельного потока частиц (γ-квантов). Ф = nv, где v – скорость частиц (γ-квантов) в среде. Единица измерения n/(м 2 *с) или n/(см 2 *с).
Интенсивность излучения I – это энергия излучения, падающая в единицу времени на единичную площадь, которая измеряется в Вт/(м 2 *с). Для моноэнергетического пучка частиц с кинетической энергией Е: I = ФЕ.
Если на мишень падает перпендикулярно поток частиц (γ-квантов), то число взаимодействий Nв, происходящих в единицу времени на единице площади мишени, оказывается равным Nв = σФN, где N – число атомов на 1 см 2 площади мишени, σ – коэффициент, характеризующий вероятность взаимодействия, т.е. среднее число взаимодействий, приходящихся на один атом при единичном потоке частиц (квантов). Коэффициент σ имеет размерность площади и измеряется в см 2 (м 2 ). σ можно представить как поперечное сечение шара, при попадании частицы в который происходит взаимодействие между частицей и атомом, поэтому σ называют эффективным сечением взаимодействия. Величина 10-24 см 2 называется барн и принята в качестве внесистемной единицы сечения взаимодействия.
Суммарное сечение всех атомов в единице объема вещества называется макроскопическим сечением взаимодействия и обозначается Σ. Для моноэлементного вещества (состоящего из атомов одного элемента) Σ = σN, где N –число атомов в единице объема. Для среды сложного состава, состоящей из атомов нескольких типов:
 | (38.11) |
где Ni – число атомов i-типа в единице объема вещества, σi – сечение взаимодействия для атомов i-типа.
Нейтрон представляет собой нейтральную по заряду элементарную частицу, которая совместно с протоном входит в состав ядер атомов. Масса нейтрона примерно равна массе протона, в свободном состоянии неустойчив и распадается по схеме n → p + e- + γ-квант с периодом полураспада 11,7 минут. Поскольку, в целом, нейтроны электронейтральны, они в сравнении с другими элементарными частицами, проходят значительные расстояния в веществе.
Энергия нейтрона обусловлена его кинетической энергией и связана со скоростью движения нейтрона в вакууме эмпирическим соотношением
 | (38.12) |
где: Е – энергия нейтрона, эВ; V – скорость движения, м/сек.
В зависимости от энергии, нейтроны подразделяются на: холодные (с энергией менее 0,025 эв), тепловые (≈0,025 эв), надтепловые (0,03 ÷ 100 эв). Эта классификация принята в ядерной энергетике. В физике высоких энергий принята следующая классификация нейтронов: резонансные нейтроны (1 ÷ 100 эв), медленные (0,1 ÷ 1000 эв), промежуточные (1 ÷ 500Кэв), быстрые (0,5 ÷ 10 Мэв) и очень быстрые (более 10 Мэв).
В силу электронейтральности, нейтроны в веществе взаимодействуют только с ядрами атомов. С электронами атомов нейтроны практически не взаимодействуют потому, что масса нейтрона на три порядка больше массы электрона.
Нет принципиальной разницы между квантами видимого света (оптических) и γ-квантами – это кванты электромагнитного излучения. Различие между ними только в частоте излучения, т.е. в энергии. Можно условно подразделить кванты по энергии на следующие типы: оптические ( до 1 эв), ультрафиолет ( до 1 Кэв), рентгеновские ( до 100 Кэв) и гамма-кванты (свыше 100 Кэв). Источником оптических квантов являются процессы, происходящие в валентных электронах атома, ульрафиолетового излучения – процессы, происходящие на электронных уровнях, следующими за валентными.
Происхождение рентгеновского излучения обусловлено процессами, происходящими на наиболее близко расположенных к ядру атома внутренних электронных оболочках. Энергия этих трех излучений (оптического, ультрафиолетового и рентгеновского) определяется энергией связи электронов с ядром атома, т.е. потенциалом ионизации данной электронной оболочки. Источником γ-квантов являются процессы, происходящие в самом ядре.
Энергетические уровни электронных оболочек и ядра строго определены для каждого атома (или кристаллической решетки вещества). Говорят, что они характерны для каждого вещества. Следовательно, изучая энергетические спектры вышеперечисленных излучений, можно точно определить тип вещества, а по интенсивности излучения можно перейти к количественным определениям этого вещества (определить концентрацию данного вещества). С этой целью в ядерной геофизике, помимо изучения гамма-излучения, очень широко применяется исследование рентгеновского (характеристического) излучения.
плотность потока частиц
3.7 плотность потока частиц [фотонов] ; φ: Отношение числа частиц] [фотонов] dN, пересекающих заданную поверхность за интервал времени dt, к площади этой поверхности dS и величине временного интервала
Смотреть что такое «плотность потока частиц» в других словарях:
плотность потока частиц — плотность потока частиц; отрасл. поток частиц Рассчитанное на единицу площади поперечного сечения элементарной сферы число частиц, проницающих в единицу времени в объем этой сферы. Примечание. Аналогично определяется понятие плотность потока… … Политехнический терминологический толковый словарь
плотность потока частиц — dalelių srauto tankis statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Dydis, išreiškiamas dalelių srautu per vienetinį plotą. Matavimo vienetas – vienetas sekundei iš kvadratinio metro: s⁻¹m⁻². atitikmenys: angl. particle flux density … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas
плотность потока частиц — dalelių srauto tankis statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. particle flux density vok. Teilchenflußdichte, f; Teilchenstromdichte, f rus. плотность потока частиц, f pranc. densité de flux de particules, f; flux surfacique de particules, m … Fizikos terminų žodynas
предельно допустимая плотность потока частиц — Максимальное значение плотности потока частиц, установленное соответствующими правилами радиационной безопасности. Примечание. Аналогично определяется понятие предельно допустимая плотность потока квантов излучения … Политехнический терминологический толковый словарь
плотность потока энергии — 4.9 плотность потока энергии ; : Отношение изменения флюенса энергии dψ за интервал времени dt к величине этого интервала Источник … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
Плотность потока ионизирующих частиц — 47. Плотность потока ионизирующих частиц D. Strahlungsflussdichte Е Particles flux density F. Densite dc flux de particules Отношение потока ионизирующих частиц 4Ф„, проникающих в объем элементарной сферы, к площади поперечного сечения dS этой… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
Плотность потока энергии ионизирующих частиц — 49. Плотность потока энергии ионизирующих частиц D. Strahlungsenergieflussdichte E. Particle energy flux density F. Densite de flux d’energie de particules Отношение потока энергии ионизирующих частиц dQ>, проникающих в объем… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
плотность — 3.1 плотность: Величина, определяемая отношением массы вещества к занимаемому им объему. Источник: ГОСТ 8.024 2002: Госуд … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
поток частиц — плотность потока частиц; отрасл. поток частиц Рассчитанное на единицу площади поперечного сечения элементарной сферы число частиц, проницающих в единицу времени в объем этой сферы. Примечание. Аналогично определяется понятие плотность потока… … Политехнический терминологический толковый словарь
спектральная плотность излучения — Энергия излучения, рассчитанная на единицу спектрального интервала. Примечание. Различают также спектральную плотность потока частиц и спектральную плотность потока квантов излучения … Политехнический терминологический толковый словарь
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ЕДИНИЦЫ
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ С ВЕЩЕСТВОМ.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ И ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ В РАДИАЦИОННОЙ ХИМИИ
Химическим и физико-химическим превращениям веществ под действием ионизирующего излучения предшествуют различные физические процессы: ионизация молекул среды, их возбуждение, замедление быстрых электронов, образование «шпор», цилиндрических треков и т. д. Стадию взаимодействия ионизирующего излучения с веществом, на которой протекают эти процессы, обычно называют физической.
Следующая стадия – физико-химическая. В этой стадии первичные ионы, быстрые электроны и сверх возбужденные молекулы трансформируются в промежуточные продукты радиолиза, которые на третьей (химической) стадии осуществляют радиолитические превращения облучаемой системы, образуя конечные (стабильные) продукты.
Виды ионизирующих излучений. Поскольку излучения высокой энергии при взаимодействии со средой вызывают образование ионов, их обычно называют ионизирующими. Они подразделяются на фотонное (рентгеновское излучение, γ-излучение) и корпускулярное (электронное излучение, α-излучение, нейтронное излучение и т. д.). Конечно, из этого определения не следует, что они производят только ионизацию. Кроме указанного процесса, они осуществляют также возбуждение молекул среды. Поэтому предлагались термины «ядерные излучения», «атомные излучения» и др. Однако они не получили широкого распространения в радиационной химии.
Ионизирующие излучения подразделяются на непосредственно ионизирующие и косвенно ионизирующие. Непосредственно ионизирующим излучением называется ионизирующее излучение, состоящее из заряженных частиц, имеющих кинетическую энергию, достаточную для ионизации при столкновении. Косвенно ионизирующее излучение – это ионизирующее излучение, состоящее из фотонов и(или) незаряженных частиц, которые могут создавать непосредственно ионизирующее излучение и(или) вызывать ядерные превращения.
К ионизирующим относят фотонное излучение и корпускулярное излучение. Фотонным излучениемназывается электромагнитное косвенно ионизирующее излучение. Корпускулярное излучение – это ионизирующее излучение, состоящее из частиц с массой, отличной от нуля. К корпускулярному относится и нейтринное излучение.
Фотонное излучение включает γ-излучение и рентгеновское излучение. γ-Излучением называется фотонное излучение, возникающее при изменении энергетического состояния атомных ядер или при аннигиляции частиц. Рентгеновское излучение – это фотонное излучение, состоящее из тормозного и (или) характеристического излучения. Под тормозным излучением понимают фотонное излучение с непрерывным энергетическим спектром, возникающее при уменьшении кинетической энергии заряженных частиц. Характеристическим излучением называется фотонное излучение с дискретным энергетическим спектром, возникающее при изменении энергетического состояния электронов атома.
Корпускулярное излучение подразделяется на электронное, β-излучение, протонное, нейтронное, дейтронное, α-излучение, гелионное излучение. Оно включает также потоки многозарядных ионов (например С +6 ), атомы отдачи, образующиеся в результате ядерных реакций, продукты ядерных реакций деления.
Ионизирующие излучения делят также на первичное и вторичное. Первичным ионизирующим излучением называется ионизирующее излучение, которое в рассматриваемом процессе взаимодействия со средой принимается исходным. Под вторичным ионизирующим излучением понимают ионизирующее излучение, возникающее в результате взаимодействия первичного ионизирующего излучения со средой.
В радиационной химии применяется, кроме того, термин «смешанное ионизирующее излучение». Им называется ионизирующее излучение, состоящее из частиц различного вида или из частиц и фотонов. Например, со смешанным нейтронным и γ-излучением обычно имеют дело при работах на ядерных реакторах.
Основные понятия и единицы измерения ионизирующих излучений.
Электронвольт – сравнительно небольшая единица энергии. Поэтому в радиационной химии для характеристики энергии ионизирующего излучения чаще всего применяют килоэлектронвольт (кэВ) и мегаэлектронвольт (МэВ), равные соответственно 103 и 106 эВ. Излучения, используемые в радиационной химии, имеют энергию от
0,1 кэВ до 30–40 МэВ.
Для характеристики ионизирующих излучений и их полей применяются следующие основные величины: поток ионизирующих частиц и его плотность, поток энергии ионизирующего излучения и его плотность, перенос (флюенс) ионизирующих частиц, перенос (флюенс) энергии ионизирующего излучения.
Поток ионизирующих частиц Фп – это число ионизирующих частиц dN, падающих на данную поверхность за единицу времени t:
Фп = dN/Idt.
Плотностью потока ионизирующих частиц φп называется поток ионизирующих частиц dФn, проникающих в объем элементарной сферы через единицу площади поперечного сечения S этой сферы:
Под потоком энергии Ф ионизирующего излучения понимают энергию dE ионизирующего излучения, проходящего через данную поверхность за единицу времени:
Ф = dE/dt.
Единицей СИ измерения потока энергии ионизирующего излучения является ватт (Вт).
Плотностью потока энергии ионизирующего излучения φ называется поток энергии ионизирующего излучения dФ, проникающего в объем элементарной сферы через единицу площади поперечного сечения этой сферы:
Плотность потока частиц чем измеряется
Прочитав и изучив этот раздел Вы должны:
Регистрация ионизирующих излучений приборами основана на преобразовании излучений детектором и измерительной схемой в электрические сигналы, принятые в практике измерений.
Приборы для измерения ионизирующих излучений могут измерять различные физические величины. Наиболее интересны следующие из них: поглощенная, экспозиционная и эквивалентная дозы и их мощность, плотность потока частиц, флюенс частиц, объемная, массовая, поверхностная, эффективная активности.
Любой прибор, измеряющий ионизирующие излучения, содержит детектор, измерительную схему (регистратор или анализатор) и вспомогательные элементы.
Детектор преобразует информацию о параметрах излучений в энергию электрического сигнала. По преобразованию энергии излучения в другие виды энергии детекторы можно разделить на следующие группы:
Измерительная схема выделяет, преобразует, накапливает, хранит и выдает информацию в виде электрических сигналов, удобных для наблюдения, записи, вычисления или управления другими приборами. Вспомогательные элементы обеспечивают заданные режимы работы детектора и измерительной схемы. К ним относятся источники питания, блоки программирования режима работы, контроля исправности и градуировки, регистрирующие устройства (цифропечатающие устройства, самописцы, осциллографы, счетчики импульсов и т. д.).
Приборы с дискретной формой входной и выходной информации могут включать в себя усилители, стандартизаторы и дискриминаторы импульсов, счетные и анализирующие схемы с суммированием и памятью двоичным, десятичным и другими способами счисления.
Импульсы, несущие информацию о параметрах излучения, могут отличаться по амплитуде, форме и времени появления. Разделением этих импульсов по их параметрам с помощью анализирующих устройств удается измерять не только плотность потока излучения по средней скорости следования импульсов, но и энергию, вид и пространственное распределение излучения.
В приборах с аналоговым видом входной и выходной информации применяются электрометрические и выходные усилители постоянного тока. В схемах с предварительным преобразованием постоянного тока в переменный используются преобразователи и усилители переменного тока.
Для перекрытия необходимого диапазона измерений с заданной точностью в устройствах с аналоговым видом выходной информации применяются показывающие и самопишущие приборы с линейной и нелинейной шкалами (логарифмической, линейно-логарифмической и т. д.), а также цифровые вольметры с цифропечатающими устройствами.
Информация на выходе приборов может быть как дискретной, так и аналоговой независимо от формы информации на входе.
Значительное число приборов с дискретной информацией на входе имеют аналоговую выходную информацию; к ним относятся радиометры, рентгенометры, интенсиметры с измерителями средней скорости следования импульсов.
Результаты измерений могут представляться в виде сигналов: наблюдаемых визуально (показания стрелочных приборов, на экране осциллографа или компьютера и т. д.); зафиксированных регистрирующим устройством (счетчиком импульсов, самописцем, цифропечатающим устройством и т. д.); звуковых, генерируемых телефонами, звонками, сиренами и т. д.; для управления другими приборами.
К сожалению, импульсы тока от электронов, образованных частицами малых энергий и гамма-квантами, очень малы. Их трудно точно измерить, поэтому ионизационные камеры используются для регистрации тяжелых частиц, например, альфа-частиц, которые образуют при прохождении через ионизационную камеру значительно большие импульсы тока.
Существенным здесь является тот факт, что конечный заряд остается пропорционален первичному, а значит, и энергии электрона, образованного частицей или гамма-квантом. Именно по этой причине такие приборы называются пропорциональными счетчиками.
В электрическую цепь пропорциональный счетчик включается так же, как и ионизационная камера. И электрические импульсы от него получаются такие же, как от камеры, только большей величины. Казалось бы, стоит только применить достаточно высокое напряжение, чтобы газовое усиление было побольше, и пропорциональный счетчик даст настолько большие импульсы, что работать с ними можно будет без дальнейшего усиления. Однако на самом деле это не так. Дело в том, что при больших газовых усилениях счетчик начинает работать нестабильно и пропорциональность между энергией частиц и амплитудой импульса нарушается.
Чтобы избежать появления пробоев и выровнять электрическое поле, счетчик приходится делать очень тщательно, зачищая и полируя его электроды. Отполировать же нить, диаметр которой измеряется сотыми долями миллиметра, очень сложно. Если электрическое поле в счетчике будет неодно-родным вдоль нити, то импульс будет зависеть не только от энергии частицы, но и от места ее попадания в счетчик, что, естественно, нежелательно.
Поэтому конструкцию пропорционального счетчика часто приходится усложнять, вводя в него дополнительные электроды для выравнивания поля. В результате всех этих усложнений удается изготовить счетчики с газовыми усилениями в десятки, сотни, а иногда даже в тысячи раз, но и этого зачастую оказывается слишком мало, чтобы с получаемыми от них импульсами можно было работать без последующего усиления.
Эти фотоны, попадая на отрицательный электрод, могут вырвать новые электроны, последние опять устремятся к положительному электроду и т. д. В результате в счетчике возникает так называемый самостоятельный разряд, который будет гореть с постоянной силой независимо от того, попадают в счетчик новые частицы или нет. (Точно так горит разряд в неоновых трубках световых реклам).
Счетчик же должен реагировать на каждую попадающую в него частицу, поэтому такой режим работы никому не нужен. Однако, применяя специальные схемы включения или добавляя в атмосферу счетчика некоторые тяжелые газы, можно создать условия, при которых возникший при попадании в счетчик частицы самостоятельный разряд сам по себе будет гаснуть через очень короткое время. Таким образом, попадание в счетчик каждой новой частицы будет вызывать появление кратковременного, но довольно сильного тока. Работающий в описанном режиме прибор получил название счетчика Гейгера-Мюллера.
В ионизационных камерах и счетчиках электрический ток возникает за счет того, что ионы, образованные пролетевшей частицей, под действием электрического поля движутся к противоположно заряженным электродам. Казалось бы, что такое явление можно наблюдать только в газах или, в крайнем случае, в жидкостях, а в твердых телах все атомы находятся в определенных положениях и никуда двигаться не могут. Однако на самом деле это не так.
Таким образом, бывший ион превратится в нейтральный атом, а бывший нейтральный атом станет ионом. Этот процесс будет продолжаться и дальше, пока положительный ион не подойдет к отрицательному электроду (катоду) счетчика (напомним, что на самом деле все атомы остаются на своих местах). Здесь ион получит недостающий ему электрон, и вся система вернется к первоначальному состоянию.
Полупроводниковый детектор упрощенно можно представить себе как полупроводниковый диод с p-n переходом, смещенным в обратном направлении (Рис.11.1.2.4). При этом между электродами образуется зона, обедненная носителями заряда (и в этом смысле эквивалентная газу). При прохождении заряженной частицы через обедненную зону в ней образуются положительные и отрицательные свободные заряды («дырки» и электроны), которые под действием электрического поля движутся к электродам, формируя импульс тока.
При использовании полупроводниковых детекторов для получения хороших характеристик существенна чистота кристалла полупроводника, поэтому используются монокристаллы кремния и германия высокой степени чистоты. Долгое время требуемой чистоты не удавалось достичь, тогда использовали имплантацию лития в кристалл полупроводника, что существенно уменьшало количество свободных зарядов в обедненной зоне. Такие детекторы, однако, могли храниться, транспортироваться и работать только при температуре жидкого азота. Сейчас выращивают кристаллы германия чистоты, достаточной для их работы без имплантации лития. Такие кристаллы особо чистого германия (ОЧГ) могут храниться при комнатной температуре без ухудшения характеристик.
Таким образом, полупроводниковые детекторы действуют по принципу собирания зарядов, образующихся в рабочем объеме детектора. При этом величина импульса тока (или собранный заряд) пропорциональна энергии заряженной частицы, вызвавшей ионизацию среды детектора.
Сцинтилляционные детекторы используют совершенно особый принцип детектирования излучений.
Уже в начале века было замечено, что некоторые кристаллические вещества реагируют на прохождение заряженных частиц вспышками света. Физически это связано с тем, что наряду с ионизацией атомов среды при прохождении частицы происходит также их возбуждение, сопровождающееся высвечиванием фотонов видимого света (или ультрафиолета). Количество фотонов во вспышке оказывается пропорционально энергии частицы.
Чтобы превратить вспышку света в электрический импульс, используется фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) (Рис.11.1.2.5). Он обычно состоит из фотокатода, на который нанесено вещество, легко отдающее электроны при попадании света, и динодов, к которым приложено электрическое напряжение (обычно несколько сот вольт). При попадании фотонов на фотокатод из него вылетают электроны, которые, ускоряясь электрическим полем, попадают на динод, выбивая из него другие электроны, которые затем вместе с первыми летят ко второму диноду и т.д.
Поликристаллические сцинтилляторы используются обычно для регистрации альфа-частиц или нейтронов в виде множества кристаллов, нанесенных тонким слоем на прозрачную подложку, под которой размещается ФЭУ.
Помимо неорганических кристаллических сцинтилляторов существуют еще органические кристаллы, например, стильбен, используемый в спектрометрии быстрых нейтронов, пластмассовые и жидкие сцинтилляторы.
Из всего сказанного выше следует сделать вывод, имеющий весьма общее значение:
Не существует универсальных методов детектирования, применяемых в любых, каких угодно условиях. Каждый метод имеет свою область применения. Использование его за пределами этой области может привести к грубым ошибкам.
Приборы, используемые для измерения ионизирующих излучений, классифицируют по различным признакам. Одним из основных признаков классификации является назначение прибора.
С этой точки зрения приборы разделяются на:
Дозиметрами служат для получения измерительной информации о поглощенной дозе или мощности дозы.
Радиометрами предназначены для получения информации об активности радионуклидов, а также о плотности потока ионизирующих излучений.
Кроме того, существуют универсальные приборы, которые совмещают функции дозиметра, радиометра и спектрометра.
В зависимости от конструктивных особенностей и характера проведения контроля приборы делятся на:
Существуют и определенные требования к оборудованию для радиационного контроля на АС. Пункт 6.19 ПРБ АС-99 устанавливает, что на каждой АС должен постоянно обеспечиваться определенный проектом номенклатурный перечень приборов, аппаратуры и оборудования радиационного контроля, а также методик расчета и обработки данных. При этом по решению администрации АС допускается применение на АС других приборов, аппаратуры и оборудования радиационного контроля, имеющих метрологические характеристики не хуже указанных в проектной документации.
В соответствии с Законом РФ «Об обеспечении единства измерений», все средства измерений (СИ), подлежащие к применению в сферах государственного метрологического контроля и надзора, проходят государственные испытания с целью утверждения типа СИ. При положительных результатах испытаний Госстандарт России утверждает тип средства измерения, вносит его в Государственный реестр РФ.
Испытания дозиметров проводятся на соответствие требованиям ГОСТ 28271-89 «Приборы радиометрические и дозиметрические носимые. Общие технические требования и методы испытаний». Испытываются следующие основные метрологические характеристики:
Выполнение каждого из этих требований является важным для получения правильных результатов при радиационном контроле.
Согласно ГОСТ 27451-87, буквенное обозначение средств измерений должно состоять из трех элементов.
Примеры буквенных обозначений средства измерений: