Teme

Da li ste znali?

Radioaktivnost

Priroda radioaktivnog zračenja ustanovljena je izlaganjem radioaktivnih zraka djelovanju magnetskog polja, koje svija putanje nabijenih čestica ovisno o njihovom naboju i brzini. Eksperiment je pokazao da se inventar radioaktivnog zračenja sastoji od brzih i laganih negativno nabijenih beta čestica (elektrona), teških pozitivno nabijenih alfa čestica (jezgre helija) i elektromagnetskog gama zračenja na koje magnetsko polje ne djeluje.

Tražilica

Detekcija i zaštita od zračenja

Metode detekcije zračenja osnivaju se uglavnom na njegovoj osobini ionizacije materijala kroz koji prodire. Od otkrića radioaktivnosti (1896. Henri Glossary Link Becquerel), razvijene su mnoge tehnologije detekcije prilagođene pojedinim vrstama zračenja. Grubo ih možemo podijeliti u dvije kategorije. Jedna kao rezultat daje sliku staze opisane kretanjem nabijene čestice, na temelju koje je moguće uz primjenu vanjskog magnetskog i električnog polja određivanje naboja, brzine (energije) i vrste čestice, njen raspad ili raspršenje, određivanje vremena života i dr. U nju spadaju maglena i difuzijska komora, komora na iskre i na mjehuriće, te brojač Čerenkova. Drugu kategoriju čine plinski, scintilacijski i poluvodički detektori, koji bilježe postojanje zračenja i njegovu vrstu, a većina i energiju zračenja. Neutronski detektori postojanje i energiju neutrona određuju posredno, preko ionizacijskog zračenje koji su produkt interakcija neutrona s ostalim jezgrama u materijalu. Mjere zaštite od zračenja uključuju udaljenost od izvora, boravak što kraće vrijeme u polju zračenja i gradnju štitova od zračenja. Kao štitovi od gama i X-zračenja najefikasniji su elementi visokog atomskog broja i velike gustoće, primjerice olovo. Neutronski štitovi imaju više zadaća, termalizaciju neutrona, njihov uhvat, te zaštitu od gama zraka koje se pritom stvaraju.

U prvu grupu detektora zračenja spadaju maglena i difuzijska komora, komora na iskre, na mjehure i brojač Čerenkova. U spomenutim komorama čestice ionizirajućeg zračenja unutar medija kroz koji prolaze procesom ionizacije atoma ostvaruju lokalno (oko ioniziranih atoma) uvjete kojima je moguće vidjeti njihovu stazu. U maglenoj i difuzijskoj komori je prezasićena vodena para, kojoj da bi se kondenzirala nedostaju centri kondenzacije, te je za oko i kameru nevidljiva. Ioni koje stvori prolaz ionizirajuće čestice, postaju centri kondenzacije i prolaz čestice postaje vidljiv u obliku gustog niza sitnih kapljica.


Tragovi prolaska ionizacijskih čestica u maglenoj komori


Shematski prikaz maglene komore. Naglim pomicanjem klipa prema dolje, nezasićena para u komori postaje zasićenom, jer dolazi do naglog hlađenja pare, a kondenzacija se u obliku niza malih kapljica događa oko iona koje je načinio prolaz nabijene čestice.

Komora na iskre sastoji se od niza paralelnih vrlo tankih elektroda između kojih vlada visoki napon, no ne dovoljno visok da bi se dogodio električni izboj među njima. Ioni, koje stvori prolaz nabijene čestice, omogućuju lokalni izboj u obliku niza iskri te na taj način kamera može registrirati stazu čestice.


Princip rada komore na iskre.

U komori na mjehuriće medij je prozirna pregrijana tekućina u kojoj ioni stvoreni prolaskom ionizirajuće čestice omogućuju stvaranje mjehurića bilježeći na taj način stazu čestice.


Snimak tragova u komori na mjehuriće, medij je tekući vodik.

Ako se nabijena čestica kreće kroz medij indeksa loma n, brže od brzine svjetlosti za to sredstvo (c/n), emitira se vidljiva svjetlost, iz čijeg smjera širenja se može odrediti brzina čestice. To je suština funkcioniranja brojača koji po otkrivaču efekta nosi naziv brojač Čerenkova. Uvjet za stvaranje spomenute svjetlosti je da energija čestice mase mirovanja M prijeđe prag T zadan relacijom:

.

Princip rada plinskih brojača temelji se na skupljanju elektrona i iona stvorenih ionizacijskim zračenjem, na elektrode unutar tijela brojača. Razlikujemo tri osnovna tipa plinskih brojača, ionizacijsku komoru, proporcionalan i Geiger-Muellerov (GM) brojač. U ionizacijskoj komori se na elektrode pod naponom prikupljaju svi, prolaskom ionizirajućeg zračenja kroz plin u komori stvoreni, elektroni i ioni. Mjerenjem tako dobivene struje određuje se energija ionizirajućeg zračenja. Ionizacijska komora podesna je samo za registraciju teških nabijenih čestica, poput protona, deuterona, alfa čestica i iona.

Proporcionalni brojač ima anodu u obliku tanke žice, čime se postiže u cilindričnoj geometriji električnog polja, dovoljno jako polje u okolici anode, da se izazove multiplikacija–umnožavanje broja ionskih parova za faktor 103-105, tako da se dobiju viši naponski pulsevi no uz zadržavanje proporcionalnosti s brojem primarno stvorenih ionskih parova, pa tako i informacije o energiji ionizirajućeg zračenja.

GM brojač, po konstrukciji je nalik proporcionalnom brojaču, no električno je polje tako jako da se u blizini anode stvara lavina novih ionskih parova, čija veličina ne zavisi o broju primarno stvorenih. Na taj se način dobivaju snažni i lako registrirajući pulsevi, no gubi se informacija o energiji i vrsti zračenja.

Školski GM Glossary Link detektor; GM cijev nalazi se svojim prozorom usmjerena prema kućištu opremljenim horizontalnim utorima - žljebovima koji služe za umetanje nosača radioaktivnog izvora i pločica čiju se sposobnost prigušenja zračenja želi izmjeriti.
Izgled jednog prijenosnog GM brojača
Principjelna shema GM detektora (brojača) i načina spajanja. Izlazni naponski pulsevi su reda veličine volta.

 

Scintilacije su povijesno bile prvi indikator postojanja nevidljivog ionizacijskog zračenja, paralelno s otkrićem X zračenja (fluorescencija zastora obasjanog X zrakama). Suvremeni scintilacijski detektori, standardni su detektori za gama zrake. Najveći dio prodornih gama zraka bi kroz plinske brojače prošao bez ikakove interakcije, dakle neregistriran. Stoga je za detekciju gama zraka potreban gusti medij. Scintilacijski se detektor sastoji od tijela scintilatora, tvari u kojima postoje centri scintilacija, koji se pune interakcijom s ionizirajućim zračenjem i relaksiraju nakon vrlo kratkog vremena (10-8 s) emitiranjem bljeska karakterističnog za materijal scintilatora.


Shematski prikaz scintilacijskog detektora s fotomultiplikatorom

Ako je scintilator od natrijeva jodida dopiranog talijem -NaI(Tl), koji je standardni materijal scintilatora gama detektora, njegova je efikasnost oko 13%. To znači da je za jedan foton bljeska energije 2.8 Glossary Link eV potrebno utrošiti oko 21 eV. Scintilator mora biti proziran za valnu duljinu bljeska, tako da fotoni bljeska putuju po scintilatoru, reflektiraju se od zrcala s kojim je scintilator okružen sve dok njih oko 75% ne dospije na fotokatodu fotomultiplikatora koji je pridružen tijelu scintilatora. Fotokatoda, kako joj ime kaže, ima ulogu izbacivanja elektrona pri apsorpciji fotona bljeska. Fotomultiplikator je uređaj koji multiplicira s velikim faktorom multiplikacije (107 – 108) početni broj fotoelektrona. Konačni rezultat je naponski puls čija je veličina proporcionalna energiji apsorbirane gama zrake. Ako je foton gama zrake bio apsorbiran fotoefektom naponski puls odgovarat će punoj energiji gama fotona, ako se radilo o komptonskom raspršenju, naponski puls može odgovarati punoj energiji, ali i samo energiji raspršenog elektrona, jer raspršeni foton može bez interakcije izaći iz tijela scintilatora. Još je veće šarenilo posljedica tvorbe parova, jer mogu oba ili samo jedan foton nastao anihilacijom pozitrona, izaći iz tijela scintilatora. Stoga tumačenje dobivenog spektra, nakon što dobiveni pulsevi prođu analizator, zahtjeva stručnost opažača.

Osim spomenutog natrijeva jodida kao materijal scintilatora u primjeni su i još neki drugi halogenidi (cezijev i litijev), koji spadaju u neorganske scintilatore, a primijenjuju se i organski scintilatori u tekućem stanju ili u obliku plastike.

Poluvodički detektori (posebno je istaknut germanijski detektor) najbolji su detektori gama zraka, kako zbog efikasnosti, tako i zbog razlučivanja bliskih energija. Vrlo pojednostavljen opis principa rada, je sljedeći. Germanij, čist (intrisični) ili dopiran litijem - Ge(Li) formiran je u veliku PN diodu dopiranjem s atomima donora i akceptora. Između N-tipa i P-tipa germanija formira se osiromašeni sloj u kojem nema slobodnih nositelja naboja, kako elektrona tako i šupljina. Dodatno jako vanjsko električno polje proširuje spomenuti sloj i još ga čisti od slobodnih nositelja naboja, koji nastaju termičkim gibanjem atoma germanija. Stoga je, da bi se optimiralo mjerenje i smanjio šum izazvan termičkim gibanjem, tijekom mjerenja potrebno držati germanij na niskoj temperaturi tekućeh dušika (oko–200°C). Apsorpcija gama zrake unutar osiromašenog područja s nekim od tri glavne interakcije, rezultira formiranjem parova Glossary Link elektron–šupljina, koji se priključuju N i P područjima formirajući na taj način kratki električni puls, kojeg pojačava, analizira i registrira nuklearna instrumentacija. Rezultat mjerenja scintilacijskim i germanijskim detektorom prikazan je na slici. Uočljiva je znatno veća razlučivost (rezolucija) poluvodičkog germanijskog detektora.


Usporedba spektra dobivenog mjerenjem istog gama zračenja, germanijskim poluvodičkim i scintilacijskim detektorom. Vidi se da scintilacijski detektor ne razlikuje bliske linije u spektru, već ih svrstava unutar zajedničkog vrha u spektru.

Plinom punjeni detektori – brojači imaju tri područja rada, koja zavise o jakosti električnog polja u njima. Na slici je prikazana karakteristična ovisnost jakosti električnih pulseva prilikom detekcije alfa i beta čestice, o jakosti polja. Prvi plato područje je rada ionizacijske komore, a drugi GM brojača. Između spomenutih platoa je proporcionalno područje u kojem je broj pulseva znatno pojačan, no uz zadržavanje proporcionalnosti s brojem primarno stvorenih ionskih parova. Treba uočiti da u GM području nema razlike između signala od alfa čestice i elektrona.

Plinom punjeni detektori – brojači imaju tri područja rada, koja zavise o jakosti električnog polja u njima. Na slici je prikazana karakteristična ovisnost jakosti električnih pulseva prilikom detekcije alfa i beta čestice, o jakosti polja. Prvi plato područje je rada ionizacijske komore, a drugi GM brojača. Između spomenutih platoa je proporcionalno područje u kojem je broj pulseva znatno pojačan, no uz zadržavanje proporcionalnosti s brojem primarno stvorenih ionskih parova. Treba uočiti da u GM području nema razlike između signala od alfa čestice i elektrona.

Neutroni se detektiraju preko nabijenih čestica koje proizvode u interakcijama. Za svaku energetsku grupu neutrona razvijene su prikladne metode detekcije i određivanja energije. Za termičke neutrone (E = 0,025 eV) koriste s vrlo veliki udarni presjeci za njihov uhvat u neke jezgre, koji rezultira nuklearnom reakcijom čiji je rezultat emisija nabijene čestice koja se lako detektira. Primjeri su uhvat u boru (10B), litiju (6Li) i izotopu helija (3He). U prva dva slučaja emitira se alfa čestica, a u trećem Glossary Link proton i triton (3H). Jedan od raširenijih neutronskih detektora je proporcionalni brojač, punjen Glossary Link bor-trifluridom (BF3), koji ima dvostruku funkciju. On je radni plin brojača i preko 10B + 1n = 7Li + 4He reakcije stvara nabijene čestice (ione litija i alfa čestice). Proporcionalni brojač može biti obložen uranom, kad ga nazivaju fisionom komorom. Neutroni kojima je komora izložena uzrokovat će fisiju, vrlo jak izvor ionizacije, koju će tad proporcionalni brojač registrirati. Popularna metoda detekcije neutrona su odbojni brojači, koji registriraju protone odbijene u sudaru energetskih neutrona s jezgrama vodika. Odbijene protone moguće je registrirati u plinskom (proporcionalnom) brojaču, no efikasnije je to raditi scintilacijskim detektorima. Za detekciju neutrona služi i metoda aktivacije, kojom se neutronima izlažu folije materijala pogodnih za aktivaciju (veliki Glossary Link udarni presjek i relativno kratko Glossary Link vrijeme poluraspada aktiviranog izotopa). Za aktivaciju postoji energetski prag neutrona, zavisan o izotopu koji je aktivaciji izložen. Kombinacijom više materijala uz poznavanje pragova aktivacije, može se dobiti informacija o energiji neutrona.


Prijenosni detektor za neutrone

Osnovno pravilo zaštite od ionizirajućeg zračenja sadržano je u tri riječi: udaljenost, vrijeme i štitovi. Udaljenost nas treba podsjetiti da smo po mogućnosti što dalje od izvora zračenja, vrijeme kaže da, ako ne možemo biti dovoljno udaljeni, trebamo nastojati biti što kraće izloženi zračenju, a zadnja riječ-štitovi podsjeća nas da su od zračenja moguća zaštita i odgovarajućim štitovima.

Nabijene čestice, posebno one teške, osim u iznimnim slučajevima (akceleratori) ne predstavljaju značajan problem što se tiče štitova od zračenja. Alfa zrake zaustavlja već list papira, a beta zrake metalne ploče, no kako one proizvode prodorno Glossary Link zakočno zračenje, treba i njih ubrojiti u kategoriju koja zahtjeva štit. Nije potrebno posebno naglasiti da prodorno zračenje, X i gama zrake, te neutroni zahtjevaju konstrukciju odgovarajućih štitova. Štitovi koji štite od X i gama zraka automatski su dovoljni za zaštitu od elektrona, no posebno su zbog svoje prirode problematični neutroni, pa oni zahtjevaju ponešto različite štitove.

Gama i X zračenje najbolje prigušuju elementi visokog rednog broja Z i velike gustoće. Standardni štit koji udovoljava spomenutom zahtjevu je olovo, a u slučajevima velikih i rasprostranjenih izvora ulogu štita najčešće igra masivni štit od teškog betona (beton s dodatkom željeznih strugotina ili željezne rudače).


Primjer masivnog olovnog štita za potrebe nuklearnog laboratorija

Prvi zadatak štita od neutronskog zračenja je njihovo termaliziranje, čime im udarni presjek za uhvat, odnosno apsorpciju, jako poraste. Termalizaciju najefikasnije provode laki elementi, posebno vodik, tako da u štitu trebaju učestvovati materijali s velikim postotkom vodika, takozvani hidrogenozni materijali. Voda je svakako najbogatija vodikom, no u tekućem stanju nije podesna. Po sadržaju vodika ali i drugog lakog elementa-ugljika, vrlo je dobar parafin. Željezo također igra ulogu u neutronskom štitu, jer jednim neelastičnim raspršenjem brzog neutrona na jezgri željeza, Glossary Link neutron gubi veliki dio svoje energije. Sveukupno, beton s dodatakom željeza (teški beton) zbog udjela vode u njemu (oko 6%), vrlo je dobar i pristupačan materijal za neutronski štit, a ujedno služi i kao štit od gama zračenja.

Termalizirani neutroni se apsorbiraju uhvatom, primjerice od jezgre vodika formirajući jezgru deuterija. Međutim ta reakcija rezultira emisijom gama zrake energije 2.22 MeV, tako da je dodatna zadaća štita prigušenje–apsorpcija gama zraka. Najbolji gutač termičkih neutrona je bor, koji ima vrlo veliki udarni presjek za uhvat neutrona. Tom reakcijom ne dolazi do emisije gama, već alfa zrake, a ona ne predstavlja radijacijski rizik. Vrlo slično vrijedi i za litij. U svakom slučaju neutronski se izvor mora štititi kombinacijom štita od gama i neutronskog zračenja.

Faktor nakupljanja gama zraka

Pri proračunu potrebne debljine štita od gama i X zračenja javlja se problem tzv. „faktora nakupljanja”. Naime relacija koja govori o prigušenju snopa gama zraka:

ne daje podlogu za proračun, jer gama zrake doživljavaju niz interakcija i raspršenja, čime se mijenja energija i smjer zraka, tako da se prethodna relacija modificira u:

.

Faktor

predstavlja faktor nakupljanja (engl. „build-up”faktor) koji korigira spomenutu relaciju, a zavisi o energije gama zraka i dubini prodiranja (debljini štita). Za potrebe proračuna štitova od gama zračenja, faktori nakupljanja za uobičajene materijale štitova, proračunati su i tablično prikazani u literaturi.

Joomla debug konzola

Sesija

Profil

Korištenje memorije

Upiti baze podataka