Все радионуклиды, за исключением 238U, 232Th и некоторых долгоживущих изотопов стабильных элементов, находятся в природе в крайне низких весовых концентрациях. Поэтому для их анализа применяют методы, основанные на измерении радиоактивного излучения. Для анализа 238U и 232Тh, напротив, чаще используют обычные физико-химические, химические и физические методы, применяемые для анализа других микроэлементов (рентгеноспектральный, нейтронно-активационный, фотометрический, масс-спектрометрический и др.). Эти методы подробно описываются в специальных руководствах.
Для анализа радиоактивных изотопов элементов, для которых соотношение изотопов постоянно (87Rb, 40K, 147Sm и т.д.), используют определение общего содержания элемента, а по нему рассчитывают концентрацию изотопа.
Методы анализа других радионуклидов по их радиоактивности будут рассмотрены более подробно.
Основной и необходимой частью всех приборов, регистрирующих ионизирующее излучение, являются детекторы. Детекторы ионизирующего излучения - устройства, преобразующие энергию радиоактивного излучения в другие виды энергии, удобные для регистрации. Наибольшее распространение получили детекторы, в которых энергия заряженных частиц или фотонов излучения переходит в конечном итоге в электрическую. Прохождение частиц через чувствительный объем такого детектора сопровождается импульсами электрического тока на выходе детектора. Количество импульсов в единицу времени (I), или скорость счета, пропорционально числу частиц или фотонов, образующихся в препарате за то же самое время (A): I = f (A). Величина А называется активностью препарата и равна А = dN/dt, где dN, - число самопроизвольных ядерных превращений за промежуток времени dt.
293
Детектор обычно регистрирует не все частицы, падающие на его поверхность. Отношение числа частиц N, зарегистрированных детектором, к числу частиц N0, поступивших на его поверхность за время измерения, называется эффективностью регистрации и равно ε = N/N0.
Детектор, в котором существует пропорциональная зависимость между энергией Е частицы или фотона и амплитудой импульса U на выходе детектора, называется спектрометрическим детектором, U= kE. Распределение активности в зависимости от энергии излучения называются энергетическим спектром. Энергетические спектры отличаются от аппаратурных, так как имеет место взаимодействие излучения с веществом измеряемого образца и детектора и частичное уменьшение энергии. Аппаратурный спектр представляет собой распределение числа импульсов по каналам спектрометра. Характеристикой спектрометрического детектора является энергетическое разрешение, равное R (%) =
· 100 (
Е - энергия пика, Δ
Е - ширина пика
Е на половине его высоты, кэВ).
Сцинтилляционные детекторы в настоящее время наиболее распространены и широко используются, особенно в полевых радиометрических методах. Сцинтилляционный детектор состоит из двух частей: люминофора (сцинтиллятора), в котором заряженные частицы или фотоны ионизирующего излучения вызывают световые вспышки (сцинтилляции), и фотоэлектронного умножителя (ФЭУ), преобразующего сцинтилляции в электрические импульсы.
Люминофоры. В качестве люминофоров используют неорганические кристаллические вещества и органические твердые и жидкие соединения. Неорганические люминофоры применяют главным образом для регистрации γ- и α-излучения.
При измерении γ-излучения наиболее распространенными люминофорами являются монокристаллы NaI (Tl) - йодистого натрия, активированного таллием (небольшая добавка Тl, искажая кристаллическую структуру NaI, создает в ней ловушки электронов).
Эффективность сцинтилляционных детекторов в отношении мягкого γ-излучения близка к 100%, а в отношении жесткого достигает 50 - 60%.
При измерении малых активностей геометрию счета, близкую к 4π, можно получить на кристаллах с "колодцем", в которых образец помещают в специальную полость в кристалле.
294
Для измерения α-излучения наиболее обычным люминофором является сернистый цинк, активированный серебром или медью: ZnS (Ag). Он применяется в виде тонкокристаллического порошка, напыленного на прозрачную поверхность. Толщина слоя не превышает 15 мг/см2, благодаря чему эффективность люминофора к γ- и β-излучениям, обладающим низкой удельной ионизацией, очень мала.
Для повышения эффективности счета малоактивных препаратов их смешивают с порошком ZnS (Ag). Из полученной смеси прессуют плоские таблетки, которые одновременно являются и образцом и детектором.
Органические люминофоры используют в основном для регистрации β- и, реже, γ-излучения.
При измерении малых β-активностей можно получить эффективность счета, близкую к 100%, растворяя активный препарат в жидком сцинтилляторе или получая тонкодисперсную взвесь в пластмассовом сцинтилляторе. Для регистрации β-активности жидкого образца можно изготовить кювету из прозрачной пластмассы, которая одновременно будет служить детектором.
Фотоумножители (ФЭУ). Фотоэлектронный умножитель представляет собой электровакуумный прибор, содержащий в одном стеклянном баллоне фотоэлемент и электронный умножитель.
Принцип работы полупроводниковых детекторов (ППД) основан на ионизации атомов в кристаллах полупроводников. В полупроводниках, в отличие от металлов, электроны внешних оболочек связаны со своими атомами. Чтобы оторвать электрон от атома и перевести его в зону проводимости кристалла, необходимо приложить энергию, равную энергии ионизации. Источником энергии могут быть заряженные частицы, фотоны, тепловые движения атомов и т.д. В результате перехода электрона в зону проводимости на его месте образуется "дырка", являющаяся носителем положительного заряда. Количество пар электрон - дырка пропорционально энергии, потерянной заряженной частицей или γ-фотоном. Таким образом, полупроводниковые детекторы обладают хорошими спектрометрическими свойствами.
Введение в кристаллическую решетку полупроводника тех или иных примесей резко меняет его электропроводность. Примеси элементов с большим числом валентных электронов-доноров добавляют электроны в зону проводимости кристалла. Электрическое сопротивление полупроводника при этом снижается. Полупроводники с донорной примесью называются электронными полупроводниками или полупроводниками n-типа. Так, кремний с
295
примесью пятивалентного фосфора становится n-кремнием. Примеси элементов с меньшим числом валентных электронов-акцепторов отнимают часть валентных электронов полупроводника. Это приводит к увеличению числа "дырок". Полупроводник такого типа называют дырочным или полупроводником p-типа: добавка Li или В в кремниевый полупроводник превращает его в р- кремний.
Соприкосновение n- и p-полупроводников вызывает контактное электрическое поле, которое удаляет электроны проводимости n-полупроводника и дырки p-полупроводника от границы раздела, образуя слой, обедненный носителями электричества. Разность потенциалов, приложенная к внешним участкам полупроводника, влияет на ширину этого слоя, раздвигая его в случае противоположных знаков заряда электрода и полупроводника. При прохождении ионизирующей частицы в чувствительном слое образуется большое число электронов и дырок, которые с огромной скоростью перемещаются к противоположным электродам. В других участках кристаллов скорость перемещения заряда значительно ниже.
Другой способ компенсации, используемый при изготовлении германиевых ППД с n-типом проводимости, - создание радиационных дефектов в полупроводниковом материале, например, при облучении жесткими гамма-фотонами чистого германия.
Полупроводниковые детекторы по сравнению со сцинтилляционными обладают значительно лучшей разрешающей способностью (в 50 - 80 раз). Они могут быть использованы в более широком энергетическом диапазоне, что особенно важно для низкоэнергетической части спектра (менее 1 кэВ). При прочих равных условиях полупроводниковый детектор будет обладать большей эффективностью по отношению к сцинтилляционному детектору с такой же величиной рабочего объема. Недостатком полупроводниковых детекторов являются сравнительно небольшие размеры и высокая стоимость.
Собственно ионизационными детекторами называют те, в которых использована ионизация газов. В процессе ионизации одна заряженная частица с энергией Е может создать n = Е/ε пар положительный ион - электрон (ε - средняя энергия ионизации). Простейшим ионизационным детектором является ионизационная камера. Она работает по принципу конденсатора с газовым промежутком между электродами. В настоящее время ионизационные камеры применяются крайне редко, лишь для α-спектрометрических измерений.
296
Более широко используются счетчики Гейгера. Они устроены по принципу ионизационной камеры, но способны к внутреннему усилению электрического импульса, которое достигается за счет более высокой напряженности поля. В этих условиях электроны, возникающие в результате первичной ионизации, приобретают энергию, достаточную для дальнейшей ионизации газовых молекул.
Обычные счетчики представляют собой проводящий цилиндр (катод), по оси которого натянута тонкая, изолированная от него металлическая нить (анод). Пространство между электродами заполнено инертным газом или смесью газов при пониженном давлении. К инертному газу добавляют небольшое количество тяжелых многоатомных газов (метана, изопентана и т.д.) или галоидов (Вr2, Сl2) для поглощения ультрафиолетового излучения возбужденных молекул. Фотоны ультрафиолетового излучения могут выбивать из катода счетчика фотоэлектроны, которые приводят к появлению ложных разрядов, не связанных с внешним воздействием.
В настоящее время счетчики Гейгера используются ограниченно, главным образом для регистрации β-излучения в лабораторных условиях.
297
