Technologia pomiaru promieniowania

Detektory wytrawiania

Gdy naładowana cząstka zwalnia i zatrzymuje się w ciele stałym, energia, którą deponuje wzdłuż toru, może spowodować trwałe uszkodzenie materiału. Trudno jest zaobserwować bezpośredni dowód tego lokalnego uszkodzenia, nawet przy dokładnym badaniu mikroskopowym. Jednak w niektórych materiałach dielektrycznych obecność uszkodzonego toru można wykryć poprzez trawienie chemiczne (erozję) powierzchni materiału za pomocą roztworu kwasu lub zasady. Jeśli naładowane cząstki napromieniowały powierzchnię w pewnym momencie w przeszłości, wówczas każda z nich pozostawia ślad uszkodzonego materiału, który zaczyna się na powierzchni i rozciąga na głębokość równą zakresowi cząstki. W wybranych materiałach szybkość trawienia chemicznego wzdłuż tego toru jest wyższa niż szybkość trawienia nieuszkodzonej powierzchni. Dlatego wraz z postępem trawienia powstaje dół w miejscu każdej ścieżki. W ciągu kilku godzin studzienki te mogą stać się wystarczająco duże, aby można je było zobaczyć bezpośrednio pod mikroskopem małej mocy. Pomiar liczby tych wgłębień na jednostkę powierzchni jest następnie miarą strumienia cząstek, na który powierzchnia została wystawiona.

Istnieje minimalna gęstość obrażeń wzdłuż toru, która jest wymagana, aby szybkość wytrawiania była wystarczająca do utworzenia wykopu. Ponieważ gęstość uszkodzeń koreluje z dE / dx cząstki, jest najwyższa dla najcięższych naładowanych cząstek. W każdym danym materiale wymagana jest pewna minimalna wartość dE / dx, zanim rozwinie się wgłębienie. Na przykład w mikie mineralnej doły obserwuje się tylko z energetycznych ciężkich jonów, których masa wynosi 10 lub 20 atomowych jednostek masy lub więcej. Wiele popularnych tworzyw sztucznych jest bardziej wrażliwych i opracuje doły trawiące dla jonów o niskiej masie, takich jak hel (cząstki alfa). Niektóre szczególnie wrażliwe tworzywa sztuczne, takie jak azotan celulozy, wytwarzają pestki nawet dla protonów, które są najmniej szkodliwe dla silnie naładowanych cząstek. Nie znaleziono materiałów, które wytworzyłyby wgłębienia dla niskich ścieżek szybkich elektronów dE / dx. To zachowanie progowe powoduje, że takie detektory są całkowicie niewrażliwe na cząstki beta i promienie gamma. Odporność tę można wykorzystać w niektórych zastosowaniach, w których słabe strumienie silnie naładowanych cząstek mają być rejestrowane w obecności bardziej intensywnego tła promieni gamma. Na przykład wiele pomiarów środowiskowych cząstek alfa wytwarzanych przez rozpad gazu radonowego i jego produktów pochodnych wykonuje się przy użyciu folii do wytrawiania z tworzywa sztucznego. Tło wszechobecnych promieni gamma zdominowałoby reakcję wielu innych typów detektorów w tych okolicznościach. W niektórych materiałach wykazano, że ślad uszkodzenia pozostaje w materiale przez nieokreślony czas, a doły można wytrawiać wiele lat po ekspozycji. Na właściwości trawienia ma jednak potencjalnie wpływ ekspozycja na światło i wysokie temperatury, dlatego należy zachować ostrożność podczas długotrwałego przechowywania odsłoniętych próbek, aby zapobiec blaknięciu śladów uszkodzeń.

Opracowano zautomatyzowane metody pomiaru gęstości wgłębienia trawiącego za pomocą stopni mikroskopowych sprzężonych z komputerami z odpowiednim oprogramowaniem do analizy optycznej. Systemy te mogą w pewnym stopniu odróżniać „artefakty”, takie jak zadrapania na powierzchni próbki, i mogą zapewniać dość dokładny pomiar liczby ścieżek na jednostkę powierzchni. Inna technika obejmuje stosunkowo cienkie folie z tworzywa sztucznego, w których ścieżki są całkowicie trawione przez folię, tworząc małe otwory. Otwory te można następnie automatycznie zliczyć, powoli przesuwając folię między zestawem elektrod wysokonapięciowych i elektronicznie zliczając iskry, które pojawiają się podczas przejścia dziury.

Folie aktywujące neutrony

W przypadku energii promieniowania kilku MeV i niższych naładowane cząstki i szybkie elektrony nie indukują reakcji jądrowych w materiałach pochłaniających. Promienie gamma o energii poniżej kilku MeV również nie wywołują łatwo reakcji z jądrami. Dlatego, gdy prawie jakikolwiek materiał jest bombardowany przez te formy promieniowania, jądra pozostają nienaruszone i nie ma indukowanej radioaktywności w napromieniowanym materiale.

Wśród powszechnych form promieniowania neutrony stanowią wyjątek od tego ogólnego zachowania. Ponieważ neutrony nawet o niskiej energii nie niosą żadnego ładunku, mogą łatwo oddziaływać z jądrami i wywoływać szeroki wybór reakcji jądrowych. Wiele z tych reakcji prowadzi do powstania produktów radioaktywnych, których obecność można później zmierzyć za pomocą konwencjonalnych detektorów w celu wykrycia promieniowania emitowanego podczas ich rozpadu. Na przykład wiele rodzajów jąder pochłonie neutron, aby wytworzyć jądro radioaktywne. W czasie, gdy próbka tego materiału jest wystawiona na działanie neutronów, gromadzi się populacja jąder radioaktywnych. Gdy próbka zostanie usunięta z ekspozycji na neutron, populacja ulegnie rozkładowi z danym okresem półtrwania. Podczas rozpadu prawie zawsze emitowany jest pewien rodzaj promieniowania, często cząstki beta lub promienie gamma lub oba, które można następnie policzyć za pomocą jednej z aktywnych metod wykrywania opisanych poniżej. Ponieważ można go powiązać z poziomem indukowanej radioaktywności, intensywność strumienia neutronów, na który próbka została wystawiona, można wywnioskować z tego pomiaru radioaktywności. Aby indukować wystarczającą radioaktywność, aby umożliwić racjonalnie dokładny pomiar, wymagane są stosunkowo intensywne strumienie neutronów. Dlatego folie aktywacyjne są często stosowane jako technika pomiaru pól neutronowych wokół reaktorów, akceleratorów lub innych intensywnych źródeł neutronów.

Materiały takie jak srebro, ind i złoto są powszechnie używane do pomiaru wolnych neutronów, podczas gdy żelazo, magnez i aluminium są możliwymi wyborami do pomiarów szybkich neutronów. W tych przypadkach okres półtrwania indukowanej aktywności wynosi od kilku minut do kilku dni. Aby zbudować populację jąder radioaktywnych zbliżającą się do maksymalnego możliwego, okres półtrwania indukowanej radioaktywności powinien być krótszy niż czas ekspozycji na strumień neutronów. Jednocześnie okres półtrwania musi być wystarczająco długi, aby umożliwić wygodne zliczanie radioaktywności po usunięciu próbki z pola neutronowego.