Пузырьковая камера пузырько вая ка мера это устройство или прибор для регистрации следов или треков быстрых заряженных и

Уроки физики 2 курс

Учитель физики ГПОУ ТО НМК
Бондарчук Татьяна Викторовна

Открытие – 1896 год

Неустойчивые ядра превращаются в устойчивые,
частицы и излучают энергию.

Все химические элементы

Начиная с номера 83,
1898 год –
открыты полоний и радий.

Природа радиоактивного излучения

Скорость до 1000000км/с.

Виды радиоактивных излучений

Свойства радиоактивных излучений

Проникающая способность радиоактивного излучения


Защита от радиоактивных

  • Нейтроны – вода, бетон, земля (вещества, имеющие невысокий атомный номер)
  • Рентгеновские лучи, гамма-излучение – чугун, сталь, свинец, баритовый кирпич, свинцовое стекло (элементы с высоким атомным номером и имеющие большую плотность).

год, Ф.Содди

Одного и того же химического элемента
с одинаковым числом протонов,
но различным числом нейтронов – изотопы.
Изотопы имеют одинаковые (обусловлены зарядом ядра),
но разные физические свойства.

Закон

Сцинтилляционные счетчики

В 1903 году У. Крукс заметил, что частицы, испускаемые радиоактивным веществом, попадая на цинковый экран, вызывают свечение. Это свечение и стало известно как сцинтилляция. Устройство для наблюдения сцинтилляций было использовано Э. Резерфордом и с тех пор сцинтилляции наблюдают и считают с помощью специальных устройств.

Ионизационные камеры

В наполненной аргоном трубке пролетающая через газ частичка ионизирует его, замыкая цепь между катодом и анодом и создавая импульс напряжения на резисторе.

Камера Вильсона

Камера заполнена смесью аргона и азота с насыщенными парами воды или спирта. Расширяя газ поршнем, переохлаждают пары. Пролетающая частица ионизирует атомы газа, на которых конденсируется пар, создавая капельный след (трек).

Камера Глейзера

Д. Глейзер сконструировал камеру, в которой можно исследовать частицы большей энергии, чем в камере Вильсона. Камера заполнена быстро закипающей жидкостью (сжиженный пропан, гидроген). В перегретой жидкости исследуемая частица оставляет трек из пузырьков пара.

Искровые камеры

Изобретена в 1957 году, заполнена инертным газом. Плоскопараллельные пластины расположены близко друг к другу. На пластины подается высокое напряжение. При пролете частицы вдоль ее траектории проскакивают искры, создавая огненный трек.

Радиоактивные изотопы

Получают радиоактивные изотопы в атомных реакторах и на ускорителях. С помощью ядерных реакций можно получить радиоактивные изотопы всех химических элементов, существующих в природе только в стабильном состоянии.

Элементы под номерами 43, 61, 85 и 87 вообще не имеют стабильных изотопов и впервые были получены искусственно. Применение радиоактивных изотопов широко в медицине, биологии, промышленности, сельском хозяйстве.

Применение радиоактивных изотопов

Меченые атомы: химические свойства радиоактивных изотопов не отличаются от свойств нерадиоактивных изотопов тех же элементов. Обнаружить радиоактивные изотопы можно по их излучению. Применяют в медицине, биологии, промышленности, сельском хозяйстве.

  1. Напишите уравнение ядерной реакции.
  2. Напишите уравнение ядерной реакции.

Оборудование для измерения радиации: терминология и подходы к ней

Прежде чем разговаривать об оборудовании для измерения радиации, стоит определиться с терминологией. Имеется два подхода к именованию подобных приборов — интуитивно понятный, который часто используют на тематических форумах и в популярных видео в интернете, и официально-ГОСТовский. В чём разница?

Автор правки в дальнейшем планирует использовать или только ГОСТовские наименования, или ГОСТовские/народные через слеш.

Дозиметры и радиометры: группы и области применения

Дозиметры/радиометры по области применения делятся на несколько частично перекрывающихся групп:

Ионизирующее излучение, взаимодействуя с веществом, приводит к появлению в нём ионов и свободных радикалов. Это может вызывать целые каскады химических реакций, которые иначе не произошли бы вовсе, или происходили, но очень медленно (именно поэтому ИИ так опасно для живых организмов, а w:радиохимия — целая отдельная отрасль химии).

Если носить с собой баночку со смесью, меняющей в ходе такой реакции цвет, можно обнаружить, что на тебя посветило радиацией. По степени этого изменения можно прикинуть, сколько именно её было.

Плюсы химических дозиметров

  • Компактные
  • Не боятся тряски и ударов
  • Работают при огромных мощностях дозы
  • Не требуют наличия электронной промышленности для изготовления

Работают за счёт того, что ИИ, повышая проводимость воздуха из-за образования в нём ионов, ускоряет стекание электрического заряда с поверхностей.

Счётчики Гейгера-Мюллера (СГМ)

Появились в 1928 году и до сих пор остаются самым популярным народным детектором радиации из-за очень удачного баланса простоты изготовления и использования, стоимости и чувствительности.

Если не вдаваться в подробности, простой счётчик Гейгера это металлическая трубка с натянутой по оси проволочкой, заполненная разреженным инертным газом. На стенку трубки подано высокое отрицательное напряжение, на проволоку — положительное. Напряжение подобрано так, чтобы система находилась на грани пробоя, но сама по себе её не переходила.

В результате неактивный счётчик представляет собой обрыв цепи, ток через него не идёт. Пролетающая через счётчик частица ИИ вызывает образование ионов в газе и рост проводимости, что провоцирует зажигание электрического разряда между стенкой и нитью (пробо́й).

В результате в цепи появляется импульс тока, который можно зарегистрировать в виде щелчка в динамике, вспышки лампочки, или подать на вход электронной схемы-счётчика. Для получения простейшей мигалки-трещалки такому датчику нужен абсолютный минимум обвязки — резистор, конденсатор, и источник высокого напряжения (для самых популярных сейчас счётчиков — примерно на 400 вольт +/-30). За такую простоту их и любят.

Счётчик Гейгера: название и принцип работы

Частая терминологическая ошибка — когда счётчиком Гейгера называют весь прибор для измерения радиации с батарейками, электроникой, кнопками, лампочками и прочим обвесом. На самом деле, прибор называется дозиметр (ну или радиометр), а счётчик Гейгера — его чувствительный элемент. Это как называть фотоаппарат матрицей, а компьютер — процессором.

Кстати, фиговина на проводе, которой дозиметрист тыкает в измеряемый объект — тоже не счётчик Гейгера, это выносной зонд, в котором может быть ещё много чего кроме, а вот счётчика Гейгера может и не быть.

Подробности о сбросе разряда

Ладно, частица пролетела, разряд возник, сигнал мы зарегистрировали. Но теперь счётчик надо как-то вернуть в исходное состояние. Сам по себе разряд не погаснет — электрическая дуга разбрасывает во все стороны ионы и светит ультрафиолетом, дополнительно ионизируя газ, так что процесс самоподдерживающийся.

Самый простой вариант — отключить электричество на некоторое время, чтобы страсти улеглись, газ остыл и ионы рекомбинировали. Но это процесс небыстрый (несколько миллисекунд) и в процессе счётчик ничего не считает (т.н. мёртвое время), что нехорошо сказывается на чувствительности, особенно при больших мощностях излучения, когда пробо́и могут идти сотнями в секунду.

Плюс схемы гашения иногда могут быть довольно сложными (хотя в простейшем случае хватает просто гигаомного резистора последовательно со счётчиком). Чтобы избежать этих проблем, можно добавить в газовую смесь специальные присадки, которые будут связывать ионы и поглощать ультрафиолет.

Самогашение и гасящие добавки

В результате разряд не успеет толком разгореться и угаснет сам по себе, гораздо быстрее, чем если бы мы использовали схему гашения. Называется это самогашением. У самогасящихся счётчиков тоже есть мёртвое время, но оно где-то на порядок меньше.

В качестве гасящих добавок используют либо органику (обычно пары спирта), либо галогены (бром или хлор, например). При этом спирт в процессе работы постепенно распадается, так что счётчики на спирту имеют ограничение на количество срабатываний. Обычно это миллионы-десятки миллионов импульсов, так что в режиме непрерывного измерения даже на обычном природном фоне такой счётчик сгорает за несколько лет.

По мере выгорания гасящей добавки он сначала начинает завышать показания, а потом просто застревает в замкнутом состоянии. Галогенные гасящие добавки тоже постепенно исчерпываются за счёт взаимодействия с материалом корпуса, но это происходит на несколько порядков медленнее, так что ресурс таких счётчиков измеряется уже миллиардами срабатываний — раньше рассыплется или корпус счётчика, или сам дозиметр.

Собственно, сейчас найти живой счётчик Гейгера на спирту можно разве что в самом дальнем углу забытого склада, все современные используют галогены.

Видимые излучения

А какие излучения они видят?

Для понимания этого раздела желательно знать, какие вообще бывают сорта радиации и чем они друг от друга отличаются. Благо, у нас на проекте уже есть об этом отдельная статья.

В принципе, с помощью счётчиков Гейгера можно «увидеть» практически любое ионизирующее излучение, от альфы до нейтронного, плюс ультрафиолет и космические лучи. Но есть проблема — разные конструкции счётчиков очень по-разному реагируют на разные типы и энергии излучений, что создаёт большие проблемы при интерпретации показаний.

Для начала стоит сказать, что сами фотоны гамма-излучения счётчик не видит. Видит он электроны, которые они выбивают, взаимодействуя с атомами стенок и газа. Электроны летят к проволочке-аноду, разгоняясь в электрическом поле, по пути сталкиваются с атомами газа, отрывая электроны уже от них, и так, по принципу цепной реакции, возникает разряд. Чем выше энергия гамма-кванта («жёсткость» излучения), тем больше проникающая способность, а следовательно и вероятность того, что он пролетит через счётчик ни с чем не провзаимодействовав и не вызвав разряда. Вероятность регистрации высокоэнергетического гамма-кванта обычно составляет доли процента, а чтобы её повысить, надо делать счётчик более толстостенным (что снижает чувствительность к другим видам излучений). Чтобы повысить чувствительность к очень мягкой гамме, используют счётчики с окнами либо из очень тонкого (слюда, майлар), либо рентгенпрозрачного (бериллий) материала. Несложно заметить, что это прямо противоречит способам улучшения чувствительности к жёсткой гамме. Для компенсации в некоторых приборах делают возможность закрывать эти окна металлическими заслонками. В профессиональные дозиметры иногда просто ставят несколько датчиков (иногда в виде съёмных зондов).

С одной стороны, проникающая способность бета-излучения невелика по сравнению с гаммой, и значительная его часть просто не попадает в счётчик (например, мягкая бета с энергией 0,05 МэВ останавливается несколькими сантиметрами воздуха или листом бумаги). С другой стороны, те бета-частицы, что всё же пробрались внутрь, счётчик видит значительно (на порядки) лучше, чем гамма-кванты — эффективность регистрации 50-80, а то и все 100%, так как они сами по себе являются разогнанными электронами и очень эффективно вызывают разряды в газе. Так что если у бета-частиц достаточно энергии, чтобы пробиться через воздух, корпус дозиметра и стенку счётчика (а для жёсткой высокоэнергетической беты, прошивающей несколько сантиметров алюминия это не проблема), то результаты СГМ выдаст дико завышенные (потому что счётчик бету и гамму не различает, для него все разряды выглядят совершенно одинаково). Всё усугубляется тем, что граница между "жёсткой" и "мягкой" бетой весьма условна и зависит от толщины и материала корпуса счётчика и прибора, расстояния до источника излучения и т.д. Чтобы убрать плохо прогнозируемое влияние жёсткой беты, "обычные" счётчики Гейгера иногда обёртывают той же свинцовой фольгой (заодно повышая линейность по гамме). Если же нужно померить именно бета-излучение, используют счётчики со слюдяными окошками и делают два замера — один с заслонкой, отсекающий бета-излучение (определяем только интенсивность гаммы), второй — без заслонки (определяем интенсивность беты + гаммы), а потом вычитаем первое из второго и получаем чистую бету.

Примечательные счётчики Гейгера

Это не список всех возможных дозиметров, под него пришлось бы создавать отдельную вики. Скорее подборка, призванная показать, насколько разными они бывают в зависимости от цены и области применения, и как на дозиметрическое оборудование повлиял технический прогресс.

По конструкции напоминают счётчики Гейгера — те же два электрода под напряжением, обычно в виде либо параллельных пластин, либо трубки с центральным стержнем. Между электродами газ, в простейшем случае — просто воздух. Напряжение при этом значительно ниже, чем в СГМ, так что никакого разгона электронов, вторичной ионизации и пробоя не происходит. Ток через такую камеру обеспечивается только теми ионами, что родились при пролёте частицы ИИ, и измеряется в нано-, а то и фемтоамперах. Обнаружение таких токов — задача достаточно нетривиальная, но на современной элементной базе — вполне решаемая. Именно через ионизационную камеру стекает заряд в описанных выше электростатических дозиметрах-«карандашах». Из более привычного — ионизационная камера работает детектором в старом советском дозиметре/рентгенометре ДП-2. В принципе, ИК можно сделать дома, благо в базовом варианте она значительно проще счётчика Гейгера, а качественная электронная рассыпуха для усилителя сигнала вполне доступна. В отличие от СГМ, в негерметичном варианте довольно бодро реагирует на бету и альфу (ибо буквально имеет дырку в корпусе, через которую пролетают частицы), так что позволит определить, что вот этот камушек — урановая руда, тот шарик сделан из плутония, а странная железячка — контрольный источник. Но для количественных замеров и околофоновых величин не особо пригодны.

Это довольно специфические датчики, встретить которые в чистом виде у простого диванного выживальщика шансов мало. Однако они похожи по конструкции на счётчик Гейгера, и входят в состав некоторых полезных устройств, так что давайте кратенько упомянем их в этом разделе.

Пропорциональный счётчик — тоже заполненная газом камера с электродами под напряжением. При этом напряжение достаточно велико, чтобы вызвать вторичную ионизацию, но недостаточно велико, чтобы она перешла в самоподдерживающийся разряд. Первичные ионы, созданные пролётом частицы ИИ, разгоняются в электрическом поле, разрушают другие атомы, порождая ионные лавины (1-10 тысяч вторичных ионов на каждый первичный), но после падения на электрод просто угасают. Это упрощает регистрацию импульсов и позволяет определить энергию вызвавшей его частицы, так как мощность импульса пропорциональна количеству порождённых ионов, а значит и энергии, оставленной частицей ИИ в счётчике. Для того, чтобы такой счётчик работал как надо, он должен быть изготовлен с высокой точностью, запитан хорошо стабилизированным напряжением и наполнен особой, быстро деградирующей газовой смесью. Используются они, в частности, для спектрометрии мягкого рентгеновского излучения в рентгенофлуоресцентных анализаторах.

Неонка от стартёра

Неоновая лампа тлеющего разряда из стартёра от ламп дневного света тоже может быть использована как чувствительный элемент радиометра, так как она во многом похожа на счетчик Гейгера. Она тоже заполнена разреженным инертным газом (собственно, неоном) и имеет два электрода. Поэтому интернет завален схемами приборов для обнаружения радиации, основанных на неонке от стартёра или похожих на неё неоновых лампах. Чувствительностью такие устройства не отличаются, в лампах отсутствуют примеси для гашения разряда, и в качестве бытовых дозиметров они непригодны, вдобавок большинство простых схем из интернета ловят дикие наводки на различные ЭМ-импульсы и показывают «радиацию» там, где ее нет. Однако для условий постапокалипсиса такой прибор годится, так как фон, представляющий прямую и явную угрозу (от 1 Р/ч) он вполне определяет и собирается из деталей, найденных на помойке.

Сцинтилляторы — вещества (самые разные — кристаллы, стёкла, пластики, жидкости) способные светиться под действием радиации. Попадание в такое вещество частицы ИИ вызывает вспышку света, тем более яркую, чем больше была её энергия. Казалось бы, идеальный дозиметр — достаточно просто посчитать вспышки. Но есть проблема. Вспышки эти очень слабые, так что чувствительность счётчика нужна огромная (значительно выше, чем у человеческого глаза). И тут нам на помощь приходят устройства под названием фотоэлектронные умножители, или ФЭУ. Что это такое? Это электровакуумный прибор (как радиолампа, только не радиолампа), способный выдавать хорошо заметный электрический импульс при попадании в приёмное окошко даже одного единственного фотона. Если к входному окну ФЭУ приклеить сцинтилляционный кристалл и считать полученные на выходе импульсы, получится счётчик частиц ИИ. Причём измеряя амплитуду этих импульсов можно определить энергию частицы.

Чем они лучше счётчиков Гейгера?

Итак, яркость вспышки в сцинтилляторе зависит от энергии попавшей в него частицы. Измеряется она, кстати, в электронвольтах, а чаще в килоэлектронвольтах (кэВ). А от чего зависит энергия частицы? В первую очередь от изотопа, который эту частицу при распаде испустил. Например, цезий-137 светит гамма квантами с энергией 32 и 662 кэВ, а калий-40 — 1460 кэВ. Так это чего получается, можно без всяких хитрых анализов бесконтактно определить, какой именно изотоп сидит в пробе — подноси кристалл к образцу, смотри, какую энергию показывает ФЭУ и определяй по табличке? Ну, в общих чертах да, но в реальности всё совсем не так просто.

Что же делать? Свинцовый домик! В смысле, запихать образец и датчик в контейнер из свинца, который погасит часть внешнего излучения и позволит лучше разглядеть собственное излучение пробы. Насколько массивный контейнер? Нет предела совершенству, на самом деле. Даже 3-4 килограмма свинцовой фольги, намотанные на пластиковую банку, могут пригасить фон в 2-3 раза, что хорошо скажется на читаемости спектров. Но 50-60 кг, конечно, дадут ещё лучший результат. А в серьёзных лабораториях вес свинцовых домиков измеряется центнерами. А в ядерных центрах детекторы излучений вообще защищают кладкой из свинцовых кирпичей общим весом во много тонн. Но и это ещё не всё! Под действием гамма-излучения свинец флуоресцирует мягким рентгеном (характеристическое излучение, К-линия), забивая низкоэнергетическую часть спектра (иногда довольно сильно). Для борьбы с ним в хорошие свинцовые домики добавляют внутреннюю «отделку» из меди или кадмия (а лучше и того и другого, и можно без хлеба), которая это излучение гасит.

Сцинтилляторы в реальной жизни

Всё вышеописанное конечно здорово, но каков шанс встретиться со сцинтиллятором у простого советского постъядерного выживальщика? Зависит от исторического периода и уровня развития техники.

С 60-х по 80-е шанс был такой себе. Электровакуумный ФЭУ — сложный (а значит и дорогой), хрупкий прибор, имеющий изрядные размеры и требующий довольно сложной и хорошо спроектированной аналоговой электроники для питания и снятия выходного сигнала. Да и самый распространённый сцинтилляционный кристалл (йодид натрия, активированный таллием) был хрупким и неудобным (например, мог треснуть, если прибор внесли с мороза в тёплое помещение, и быстро разрушался при разгерметизации защитной капсулы из-за гигроскопичности).

Для народной трещалко-мигалки это всё было слишком дорого, сложно и громоздко, для военных не хватало той самой «дубовости», неубиваемости и возможности мерить десятки и сотни рентген. А чтобы нормально реализовать энергокомпенсацию и спектрометрию, надо было прикрутить к прибору аж целую ЭВМ, что в 60-х (да и 80-х в общем-то тоже) было научной фантастикой. Из-за этого сцинтилляторы долго оставались сравнительно редкими нишевыми устройствами. Либо сугубо лабораторными и дико дорогими (стационарные гамма-спектрометры), либо специализированными (геологоразведочные дозиметры, например). Пара примеров:

Где-то в 00-х ситуация с доступностью сцинтилляторов начала меняться. Сначала на вторичном рынке всплыло изрядное количество ФЭУ и сцинтилляционных кристаллов со складов закрываемых НИИ, из ЗИПов к списываемым приборам и т. д. по довольно скромным ценам. Появился свободный доступ к современной элементной базе (тем же малошумящим усилителям), компьютерам, специфическому софту и документации в Интернете. В результате родилось несколько проектов самодельных гамма-спектрометров, пусть и доступных пока только радиолюбителям-энтузиастам.

В итоге всё это привело к появлению невероятно компактных (по меркам 80-х) сцинтилляторов, размером сначала с пачку сигарет, а потом и со спичечный коробок. И если сначала это были чистые поисковики, то потом появились и спектрометры. Причём всё это производилось серийно (зачастую теми же людьми, что в нулевые делали те самые радиолюбительские спектрометры на списанных ФЭУ-85) и за вменяемую цену, в разы, если не на порядки дешевле профессиональных приборов. Так что у сталкера из 2020-х может лежать в кармане приборчик, позволяющий определить изотопный состав радиоактивного заражения и, например, прикинуть, был ли это ядерный взрыв, протёкший реактор или грязная бомба. Примеры:

Ну и последнее устройство, представляющее скорее исторический интерес.

Камера Вильсона и её потомки

Семейство детекторов, основанных на том, что след из ионизированных атомов, оставленный частицей ИИ, может служить катализатором для разных переходных процессов. Практического смысла для выживальщика не имеют, зато красиво.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *