λ λ Radioaktivita = =

FBI – VŠB-TU Ostrava

Aplikovaná fyzika Radioaktivita

Jaderné záření Veškerá hmota se skládá z atomů, každý atom se skládá z jádra a elektronového obalu. Prvky (nuklidy) zpravidla zapisujeme ve tvaru: A Z kde A – hmotnostní číslo (součet nukleonů, tj. počet protonů + počet neutronů) Z – atomové číslo (počet p + , pořadí prvku v Mendělejově periodické tabulce, u elektricky neutrálního prvku počet e − )

X

Izotopy – atomy téhož prvku, které se liší počtem neutronů v jádře (stejné Z, odlišné A) Při velkém počtu neutronů (všechny prvky za 209 83 Bi ) nebo při nevyváženém počtu neutronů a protonů (jak nadbytek, tak nedostatek) je jádro nestabilní (radionuklidy), snaží se přeměnit na stabilnější jádra (rozpadá se), přebytek energie se vyzáří ve formě „ jaderného záření“. Radioaktivní přeměna: přírodní – rozpad prvků vyskytujících se v přírodě umělá – rozpad prvků uměle připravených Radioizotopy – nestabilní izotopy, které podléhají jaderným přeměnám. Charakteristiky radioaktivity (= veličiny, které popisují proces radioaktivní přeměny): Přeměnová (rozpadová) konstanta λ [s-1] vyjadřuje pravděpodobnost, že za jednotku času dojde k přeměně. (Proces přeměny je náhodný, rozpad lze pouze statisticky předvídat.) Aktivita – střední počet rozpadů, k nimž dojde v zářiči za jednotku času (vydatnost přeměn); jednotka Bq [Bequerel ] dN A=− = λN dt Integrací lze získat vztah pro závislost počtu atomů radionuklidu (původního) na čase N ( t ) = N0 e − λt kde N0 – počet atomů v čase t = 0 s. Exponenciální pokles vykazují všechny veličiny, které bezprostředně souvisejí s počtem atomů (aktivita, hmotnost). V praxi se používá názornější veličina poločas rozpadu T1/2 – doba, za kterou se přemění polovina počátečního množství radionuklidu. Je svázána s přeměnovou konstantou jednoduchým vztahem, který lze odvodit z rozpadového zákona dosazením poloviny původního počátečního počtu jader

T1 / 2 =

ln 2

λ

=

0, 693

λ

Vztahy mezi jednotlivými charakteristikami: počet atomů - hmotnost: N =

N Am A

NA – Avogadrova konstanta A – hmotnostní číslo m – hmotnost látky

aktivita - hmotnost:

A=

ln 2 N A m T1 / 2 A

resp.

m=

T1 / 2 A A ln 2 N A 1



Způsoby rozpadu (přeměny) jader:

α rozpad - (emise jader He)

A Z

X → 24 He +

A− 4 Z −2

Y

přitahovány zápornou elektrodou jsou hmotné (možno odstínit – list papíru) prvek se posouvá v periodické tabulce o dvě čísla doleva

β− a β+ rozpad - (emise e- nebo e+) β− − posun o 1 místo vpravo - neutron v jádře se rozpadá na p+, e- a antineutríno A − A n → p + + e − + νe Z X → e + Z + 1Y β+ − posun o 1 místo vlevo – protonu v jádře se rozpadá na neutron, pozitron a neutríno A + A p + → n + e+ + ν e Z X → e + Z −1Y K záchyt (absorpce elektronu) - má-li v jádro (v důsledku předchozích jaderných přeměn) o 1 proton více, než odpovídá stabilitě, a přitom nemá dost energie na jeho emisi, může pohltit elektron z K- sféry a provést rozpad p + + e − → n + ν e A − A při K-záchytu dochází k přeměně Z X + e → Z −1Y ; následně přeskočí některý z elektronů z vyšší sféry na uvolněné místo v K-sféře, přebytek energie se vyzáří ve formě γ záření.

Izomerní přechod – jaderné γ záření - jádro přechází z vyššího energetického stupně na nižší, přebytek energie vyzáří ve formě záření γ.

Radionuklidy se nemusí nutně rozpadat rovnou na stabilní jádro. Může se stát (často se stává), že se daný radionuklid rozpadá na jiné jádro, které není stabilní, tj. je také radioaktivní. Toto jádro se tedy opět rozpadá a vzniklé jádro opět může být radioaktivní, … Jeden radionuklid se tedy může přeměňovat na stabilní nuklid postupně. V této souvislosti se mluví o existenci rozpadových (přeměnových) řad, a to u radioaktivních prvků s vysokými atomovými čísly (Z = 81 až 92). Na základě rozpadových řad lze určit vlastnosti nuklidů, které se na Zemi v minulosti vyskytovaly, přestože se do současnosti třeba již rozpadly. Existují tři přirozené řady a 1 umělá, v nichž platí následující pravidla: 1) mateřské prvky mají velký poločas rozpadu (~108 až 1010 roků) 2) uvnitř nalezneme jeden člen = emanace (inertní plyn), který se rozpadá na radionuklidy s krátkou životností 3) krátce žijící produkty rozpadu emanací se rozpadají současně rozpadem α i β - řada se větví 4) řady končí stabilními izotopy olova Známy jsou čtyři základní rozpadové řady (počet 4 vyplývá z toho, že vyzařováním alfa se počet nukleonů mění právě o čtyři, zářením beta se nemění): 238

•

Uranová

•

Aktiniouranová

U → 206Pb + 8 42 He + 6 −01 e 235

U → 207Pb + 7 42 He + 4 −01 e

232 Thoriová Th →208Pb + 6 42 He + 4 −01 e http://atomovejadro.wz.cz/stranky/radioaktivita_5.html

•

•

Neptuniová (umělá) 237Np → 209Bi + 8 42 He + 5 −01 e

2



Poznatky o radioaktivních rozpadech a poločasu rozpadu využívá např. radiokarbonová metoda datování v archeologii. Těla lidí, zvířat i rostlin obsahují uhlík v izotopech 12C, 13C a 14C (poslední je radioaktivní). Je-li organismus naživu, poměr mezi izotopy je stálý, protože rozpadající se 14C se metabolickými procesy doplňuje z atmosféry, kde neustále vzniká působením kosmického záření. Po úhynu organismu, přestane výměna uhlíku s okolím, poměr mezi množstvím stabilních a nestabilních izotopů uhlíku se začne měnit, z tohoto poměru lze pak určit stáří archeologického nálezu. Je-li výsledkem radioaktivní přeměny radioizotopu opět radioizotop (nestabilní nuklid, který se dále rozpadá), pak za předpokladu, že poločas rozpadu mateřského jádra je mnohem větší než poločas rozpadu dceřiného jádra ( (T1 / 2 )1 (T1 / 2 )2 ), dojde po určité době k ustavení radioaktivní rovnováhy, tj. stavu, kdy je počet atomů prostředního prvku konstantní. X 1 → X 2 → X ...

Existuje-li na začátku pouze mateřský prvek, platí po ustavení rovnováhy vztahy N 2 λ1 (T1 / 2 )2 = = N1 λ2 (T1 / 2 )1

Odvození: Označíme-li mateřský nuklid indexem „1“, platí pro něj přeměnový zákon ve tvaru

dN1 = λ 1 N1 ⇒ N1 = N 01 ⋅ e − λ1t dt Protože dceřiné jádro zároveň přibývá rychlostí λ 1 N1 a ubývá rychlostí λ 2 N 2 , musí platit −

−

dN 2 = λ 1 N1 − λ 2 N 2 dt

Po dosazení a úpravě získáme diferenciální rovnici, kterou postupně řešíme

λ 2N2 −

dN 2 = λ 1 N 01 ⋅ e − λ1t dt

Řešení homogenní rovnice předpokládáme ve tvaru N 2 = C ⋅ e

− λ 2t

, dosazením získáme rovnici pro neznámý

parametr C

λ 2 ⋅ C ⋅ e − λ t − ⎛⎜

dC − λ 2t dC ⎞ ⋅e − λ 2C ⋅ e − λ 2t ⎟ = λ 1 N 01 ⋅ e − λ1t ⇒ = λ 1 N 01 ⋅ e − λ1t ⋅ eλ 2t = λ 1 N 01 ⋅ e(λ 2 −λ1 ) t dt ⎝ dt ⎠ λ N která má řešení ve tvaru C = 1 01 ⋅ e( λ 2 −λ1 ) t + C1 λ 2 − λ1 2

Integrační konstantu C1 určíme z počáteční podmínky, tedy ze skutečnosti, že původně bylo ve vzorku jen mateřské jádro, takže výsledný vztah je

N2 =

λ 1 N 01 ( − λ t − λ t ) ⋅ e −e λ 2 − λ1 1

2

Nejdříve se ve vzorku hromadí dceřiné jádro, a to až do doby tmax (lze určit z extrému funkce N2(t) tedy z podmínky ln λ2 − λ2tmax = ln λ1 − λ1tmax ), pak začíná dceřiného prvku ubývat až do ustavení rovnováhy. Kromě řad existuje 200 radionuklidů v přírodě, které se rozpadají na stabilní jádra (př. 1940 K ) 3



Vlastnosti jaderného záření: 1) působí ionizaci (přímá, nepřímá) – rozpad plynu na kladné ionty a záporné elektrony přímá – částice vyrazí (odtrhne) z atomu elektron vlivem působení elektrických sil nepřímá – nenabité částice (částice neschopné ionizovat, např. neutrony po záchytu vyvolají jadernou reakci, jejíž produkty již jsou schopny ionizovat) sekundární - produkty primární ionizace mají stále ještě dostatečnou energii, aby samy vyvolaly další ionizaci 2) vykazuje určité energetické spektrum (spojité, čárové) β záření – elektrony pocházející z jádra mají spojité spektrum α záření – čárové spektrum Z = e− µ x

3) dosah záření lmax resp. míra zeslabení

charakterizuje schopnost záření procházet látkou, souvisí s energií a hmotností částic, kterými je záření tvořeno rozptyl a absorpce záření způsobují exponenciální pokles intenzity záření I = I0 e− µ x

kde I0 je počáteční intenzita µ je součinitel zeslabení [m-1] x je tloušťka látky Vlastnosti jednotlivých druhů záření:

α záření – čárové spektrum, všechny částice se stejnou energií (monoenergetické) ~ MeV, stejnou rychlostí ~ 10-7m·s-1, silná přímá ionizace, vysoká míra zeslabení, lze odstínit listem papíru, ve vzduchu lmax ~ 10-2m, tkáně a jiné látky lmax ~ 10-5 - 10-6m

β záření – spojité spektrum, ionizace slabší než α, má větší dosah. Čím větší energie β záření, tím méně ionizuje (menší účinný průřez), zvyšuje se podíl brzdného záření. γ záření – spektrum buď čárové, nebo spojité (podle původu záření), nejpronikavější, možno odstínit olovem, stínícími příměsemi do betonů apod.; interakce s látkou jsou vždy spojeny se zánikem fotonu

základní typy interakcí: fotoelektrický jev (pohlcení fotonu doprovázené únikem valenčního elektronu z povrchu kovu), Comptonův jev (rozptyl fotonu na elektronu, případně protonu, vzniká foton s nižší energií), tvorba párů (vznik elektronpozitronového páru doprovázený zánikem fotonu) celkový součinitel absorpce je dán součtem všech tří mechanismů interakce, takže µ = µ f + µC + µ p

neutronové záření – proud neutronů, interagují výhradně s jádry, nepřímo ionizující záření, vzniká např. při štěpení jader

rozdělení podle energií: tepelné < 0,5 eV; rezonanční 0,5 – 100 eV středních energií 0,1 – 500 keV; rychlé 0,5 – 10 MeV neutrony vysokých energií > 10 MeV typy rozptylu: pružný (neutron se od jádra odrazí a předá část své energie a hybnosti, zachovává se mechanická energie), nepružný (část mechanické energie se přemění na jiný druh energie), záchyt (n vstoupí do jádra, dochází k excitaci a následným procesům – štěpení, vznik α, β, γ záření aj.) 4



Účinky ionizujícího záření, jejich sledování a vyhodnocení: působení na neživou přírodu – ionizace nebo excitace doprovázené absorpcí energie, na ně navazují další fyzikální a chemické děje, např. mutace prvků na živou přírodu – poškození funkce organizmu v důsledku excitace, ionizace, nadměrného množství absorbované energie nebo mutací prvků; buňky sice mají schopnost opravit poškození pomocí reparačních mechanismů, využití této schopnosti však závisí na časovém rozložení přísunu energie účinky záření na živou buňku lze rozdělit do dvou skupin: a) smrt nebo ztráta schopnosti dělení b) změna cytogenetické informace při zachování schopnosti dalšího dělení, biologická mutace Zdroje záření přírodní (88%): Rn a dceřiné produkty (podloží, stavební materiály, ovzduší, zemní plyn, voda) – 49% zemské (terestrální) záření (radioaktivní prvky v horninách) – 17% kosmické záření, vnitřní ozáření umělé - záměrné (využití radioaktivity) x nezáměrné lokální x nelokální (globální) charakter Veličiny charakterizující zdroje záření: aktivita, případně měrná aktivita (vztažená na hmotnost), plošná a., objemová a. dN [Bq] = [s-1] ([Bq·kg-1], [Bq·m-2], [Bq·m-3], …) A=− dt je určena vlastnostmi zdroje radionuklidu (hustotou, prostorovým rozložením apod.) v čase exponenciálně klesá přeměnová konstanta, poločas rozpadu, střední doba života energie emitovaných částic – jednoznačně charakterizuje radionuklid, výrazně ovlivňuje vlastnosti záření místo v [J] se udává v násobcích [eV] (elektronvolt = energie, kterou získá elektron nebo kterákoli jiná částice s nábojem o velikosti elementárního náboje průchodem potenciálovým rozdílem jednoho voltu) převodní vztah: 1 MeV = 1,602·10-13 J Veličiny charakterizující pole záření: fluence (tok částic) – je definována jako částic, resp. kvant záření procházejících jednotkovou plochou umístěnou v daném bodě kolmo ke směru šíření záření Pozn.: Toto zjednodušené znění platí pro široký rovnoběžný svazek záření. V obecném případě záření šířícího se různými směry je tok částic definován jako počet kvant nebo částic procházejících koulí se středem v uvažovaném bodě, jejíž hlavní řez má jednotkovým plošným obsahem. Tato definice je nezávislá na směru záření, zahrnuje všechny směry

dN [m-2] da kde a je plošný obsah hlavního řezu koule, do které částice vstoupily

Φ=

příkon fluence (přírůstek toku prošlých částic za čas dt) dΦ ϕ= [m-2s-1] dt

Vyjadřuje časovou změnu fluence, tj. jak rychle se mění tok částic. fluence energie – definována analogicky, místo počtu částic se počítá jejich energie příkon fluence energie

5



Veličiny charakterizující působení záření na látku: dávka (pro přímo ionizující záření) - střední energie připadající na jednotku hmotnosti, energie záření absorbovaná v hmotnostní jednotce ozařované látky. dE [J/kg = Gy] D= dm dD dávkový příkon D = [Gy·s-1] udává rychlost změny množství absorbované energie. dt kerma (používá se pro nepřímo ionizující záření) - součet počátečních kinetických energií nabitých částic uvolněných při ionizaci nenabitými částicemi v objemu látky o hmotnosti dm dE připadající na jednotku hmotnosti K = k [J/kg = Gy] dm “kinetic energy released in material”, “…matter”, “…per unit mass” Je-li v uvažovaném objemu rovnováha nabitých částic, pak kerma je rovna dávce. dK K = kermový příkon [Gy·s-1] dt expozice (pouze pro vzduch) – podíl celkového elektrického náboje iontů jednoho znaménka vzniklých ve vzduchu při úplném zabrzdění všech e- a e+ uvolněných fotony v objemovém dQ elementu vzduchu o hmotnosti dm X = [C·kg-1] dm dX X = expoziční příkon [C·kg-1·s-1] dt kermová vydatnost VK = l 2 K [Gy·m2·s-1] kde K je kermový příkon ve vzduchu ve vzdálenosti l od radioaktivního zdroje fotonů V kermová konstanta [Gy·m2·Bq-1·s-1] Γ = K A zahrnuje γ záření, charakteristické záření, anihilační záření, vnitřní brzdné záření Veličiny používané při ochraně před ionizujícím zářením: Vyjadřují působení ionizujícího záření na člověka, případně jiné vyšší organizmy, zohledňují biologické účinky záření a citlivost jednotlivých tkání a orgánů. Hodnota absorbované energie připadající na jeden kilogram, tzv. ekvivalentní dávka, se udává v sievertech [Sv]. jakostní faktor (radiační váhový faktor) Q (wR) vyjadřuje různou míru účinků jednotlivých druhů záření, určuje, kolikrát jsou biologické účinky příslušného záření větší než účinky záření rentgenového nebo záření γ (X, γ, e − a e + : Q = 1; n: Q = 10; α: Q = 20; tepelné neutrony: Q = 2 až 3 – údaje pro neutrony se v různých pramenech liší)

Ekvivalentní dávka v tkáni nebo orgánu

H T ,R = wR ⋅ DT ,R

[Sv]

DT,R – střední dávka záření typu R ve tkáni T při jednotkovém celotělovém ozáření [Gy]

H = D ⋅Q ⋅ N dávkový ekvivalent N – součin ostatních modifikujících faktorů vztažených k účinkům (převážně pozdním) prostřednictvím jakostního faktoru tkáňový váhový faktor wT - užívá se pro určení efektivní dávky ve tkáni či orgánu ∑ wT(i ) = 1 , vyjadřuje relativní příspěvek daného orgánu k celkové zdravotní újmě způsobené rovnoměrným celotělovým ozářením efektivní dávka – součet vážených středních hodnot ekvivalentních dávek v tkáních nebo orgánech lidského těla E = ∑ wT H T 6



Biologické účinky záření závisí na:

a) druhu a energii záření b) dávce a dávkovém příkonu c) vlastnostech ozářené tkáně nebo orgánů

dělíme je na

časné (u velkých jednorázových dávek) a pozdní (projeví se po delším časovém odstupu) somatické (týkají se ozářeného jedince) a genetické (potomstvo ozářeného jedince) stochastické a nestochastické stochastické účinky – vyvolané změnami v genetické informaci (mutacemi buněk) bezprahové s růstem efektivní dávky neroste závažnost poškození, ale pravděpodobnost výskytu v ozářené populaci mohou být genetické i somatické (zhoubné novotvary), vždy však pozdní, doba latence i mnoho let, ke vzniku nádoru nemusí dojít v ozářeném místě organismu nemají charakteristický klinický obraz (nelze jednoznačně určit, zda účinek vznikl ozářením nebo jiným vlivem) nezáleží na časovém rozložení ozáření deterministické (nestochastické) účinky – dochází k nim v důsledku smrti nebo ztráty schopnosti dělení většího počtu ozářených buněk prahové (1 až 3 Gy; prahová hodnota se pro různé orgány liší) nad prahovou dávkou roste závažnost poškození přibližně lineárně s velikostí dávky většinou lokální, dochází k nim zpravidla jen v ozářených místech jednorázové x protrahované (rozložené do několika menších) - ozáření (2 až 10x vyšší odolnost) charakteristický klinický obraz záleží na časovém rozložení ozáření mohou být časné (akutní nemoc z ozáření, radiační poškození kůže, poškození plodnosti) i pozdní (chronická radiodermatitida, poškození oční čočky) Škodlivost záření závisí na tom, jaký orgán je ozářen, buňky jsou na záření nejcitlivější ve stadiu dělení – nejnebezpečnější – gonády a měkké tkáně. Limity (zákon) – obyvatelstvo (efektivní dávka 1mSv za rok, ekvivalentní dávka: oční čočka 15mSv/rok, 1 cm2 kůže/rok ); pracovníci se zářením (50mSv/rok); mladiství pracovníci se zářením. Monitorování – záznamová úroveň (0,1 limitu), vyšetřovací (0,3 limitu), zásahová (mimořádné události a radiační nehody). Tabulka tkáňových váhových faktorů tkáň

gonády

mléčná žláza

červená kostní dřeň

plíce

štítná žláza

povrch kostí

tlusté střevo

žaludek

játra

kůže

ostatní

wT

0,20

0,05

0,12

0,12

0,05

0,01

0,12

0,12

0,05 0,01 0,05

7


Aplikovaná fyzika Radioaktivita - příklady

1. Při určování stáří člunu bylo zjištěno, že koncentrace 146C ve dřevě člunu je přibližně 0,645n0, kde n0 je koncentrace zmíněného uhlíku v živých organizmech. Určete stáří člunu. Řešení: Radionuklid 146C se rozpadá beta rozpadem C → 147 N + − e + νe

14 6

Nejčastěji udávaná hodnota poločasu rozpadu 14 6 C je 5730 roků. http://en.wikipedia.org/wiki/Carbon-14

Vztah pro závislost počtu atomů radionuklidu 146C na čase udává rozpadový zákon N ( t ) = N0 e − λt ,

Vydělíme-li tuto rovnici objemem látky, dostaneme vztah pro koncentraci, tedy n ( t ) = 0, 646n0 = n0 e − λt . Přeměnovou konstantu můžeme vyjádřit pomocí poločasu rozpadu λ =

ln 2 T1/2

, takže po

zkrácení a logaritmování vychází hledané stáří t=−

2. Poločas rozpadu ¾ olova

206 82

210 84

ln 0,646 ⋅ T1/2 = 3625let ln 2

Po je přibližně 140 dní. Za jak dlouho bude preparát obsahovat

Pb?

Řešení: 206 Z každého atomu 210 84 Po vznikne právě jeden izotop 82 Pb. Protože počet nerozpadlých jader exponenciálně klesá, zjistíme počet dceřiných jader jako množství jader, které ubylo z původního počtu N Pb = N 0 − N 0 e − λ t

Hmotnost olova je počet atomů olova násobený hmotností jedné molekuly mPb =

M Pb N ⋅ N Pb ⇒ N Pb = A ⋅ mPb NA M Pb

Obdobně vyjádříme původní hmotnost polonia mPo 0 =

M Po ⋅ N0 NA

Podmínku, že ¾ hmotnosti preparátu tvoří olovo, zapíšeme následujícím způsobem mPb m = Po 0,75 0, 25

Po dosazení připravených vztahů pro hmotnost získáme rovnici pro hledaný čas M Pb M Po ⋅ ( N 0 − N 0 e − λt ) ⋅ N 0 e− λt NA NA = 0, 75 0, 25 M Pb ( e λ t − 1) = 3M Po

t=

T1/2 ⎛ 210 ⎞ ln ⎜ 3 ⋅ + 1⎟ = 283dny ln 2 ⎝ 206 ⎠

8


Aplikovaná fyzika Detekce neutronů

Detektory a dozimetry ionizujícího záření V některých aplikacích jsou požadovány dozimetry, jejichž odezva je přímo úměrná dozimetrické veličině, kterou je třeba měřit (dávce, dávkovému ekvivalentu, fluenci apod.), a to pokud možno nezávisle na energii měřeného ionizujícího záření, případně na jeho druhu. V jiných aplikacích se naopak požaduje, aby odezva dozimetru závisela nejen na druhu ionizujícího záření, ale i na jeho energii. Detektory na ionizačním principu. Jde o různé typy ionizačních komor (o objemu od 0,1 cm3 až po desítky dm3 s rozdílnou plynovou náplní dutiny a tlakem). Podle konstrukce mohou ionizační komory měřit dávkový příkon záření γ a X v širokém rozsahu od 10-9 do 10-2 Gy.s-1. Ionizační komory s planparalelními elektrodami slouží k dozimetrii elektronových svazků z lineárního urychlovače. Vhodnou skladbou náplně a stěny komory lze vytvořit systém schopný detekovat odděleně různé druhy záření. Např. pro směsná pole neutronů a záření se používá dvojice komor, z nichž jedna má stěny i náplň dutiny tkáni ekvivalentní (použitá látka simuluje biologickou tkáň z hlediska interakcí IZ), druhá je kombinací grafit (stěny) + CO2 (náplň), či Mg + Ar, Al + Ar apod. Obě komory mají velmi podobnou citlivost k záření γ, zatímco tkáni ekvivalentní komora má výrazně vyšší citlivost k detekci neutronů. Současným měřením oběma komorami lze pak obě složky pole od sebe odděleně stanovit.

K detektorům na ionizačním principu náleží Geiger-Müllerovy detektory a proporcionální detektory. GM jsou součástí přístrojů pro měření kontaminace povrchů radioaktivními látkami a měřičů dávkového příkonu záření gama. Vhodnou volbou filtrů a materiálů, z nichž jsou elektrody GM dozimetrů, lze dosáhnout energetické nezávislosti odezvy na měřené veličině. Naopak proporcionální detektory mají odezvu závislou na energii ionizujícího záření sdělené v citlivém objemu detektoru a lze jich využít ke spektrometrickým měřením (nejen měkkého X a γ záření, nýbrž pro vhodnou náplň – např. bohatou na vodík – i ke spektrometrii neutronů do energií desítky keV. Velkoplošné proporcionální detektory plněné xenonem a opatřené tenkým Ti okénkem se používají v měřičích kontaminace povrchů, jež jsou schopné registrovat záření gama nebo rentgenové záření s energií od 25 keV. Na excitačním principu jsou založeny scintilační detektory, jež sestávají ze scintilátoru připojeného k fotonásobiči. Scintilační detektory s anorganickými scintilátory se vyznačují vysokou citlivostí pro detekci záření γ a rentgenového záření. Toto nepřímo ionizující záření produkuje ve scintilátoru sekundární částice – elektrony, jež excitují atomy scintilátoru. Světelné fotony vzniklé deexcitací atomů dopadají na fotokatodu fotonásobiče a jsou postupně převedeny na elektrický impuls. Výška impulsu na výstupu fotonásobiče je úměrná energii záření γ nebo X, jež se absorbovala ve scintilátoru. K detekci záření beta se používá scintilačního detektoru s organickými scintilátory (stilben, antracen aj.). Termoluminiscenční dozimetry (TLD) ionizujícího záření jsou založeny na změnách v pevné fázi. Ozáření tohoto typu dozimetru vede k absorpci energie, jež se při jeho zahřátí na určitou vhodnou teplotu uvolní v podobě viditelného světla registrovaného fotonásobičem. Odezva dozimetru (množství světelných fotonů) je úměrná dávce záření, kterou dozimetr obdržel. Nejčastěji používanými TL látkami jsou LiF, Al2O3 a CaSO4. Aby TLD mohly vyhodnocovat dávku záření, musí být vhodným způsobem ocejchovány např. pomocí dozimetru založeného na ionizačním principu. Výhodou TLD jsou malé rozměry a možnost měřit dávky v širokém rozsahu – od dávek na úrovni přírodního pozadí až dávkám používaným v radioterapii. Fotoluminiscenční dozimetry jsou založeny na obdobném principu jako TLD s tím rozdílem, že energie ionizujícího záření předaná dozimetru se neuvolňuje zahřátím, ale osvícením světlem o specifické vlnové délce. Nejčastěji používanou látkou pro tento účel je fosfátové sklo dopované stříbrem.

9


Aplikovaná fyzika Detekce neutronů

Detekce neutronů

Protože neutrony nemají elektrický náboj, nemohou samy přímo ionizovat, pro jejich detekci je třeba využít procesů interakce, při nichž vznikají sekundární nabité částice, které již mají ionizační účinky a mohou být detekovány. V zásadě lze neutrony detekovat pomocí obvyklých detektorů záření γ nebo nabitých částic (β, α, p), opatřených vhodným konvertujícím materiálem. Ten pohlcuje neutrony, vytváří se sekundární záření, které může být již snadno detekováno. Pro pomalé neutrony se často používají vrstvy obsahující lithium 6 Li 6Li(n,α)3H nebo bór 10B10B(n,α)7Li, kde dochází ke konverzi neutronů na nabité částice a γ. Pro rychlé neutrony je vhodná např. polyetylenová fólie, z níž jsou interakcí emitovány rychlé protony. Obecně je třeba upozornit, že vrstva konvertujícího materiálu se při interakcích vyčerpává. Dalším negativním jevem při detekci neutronů může být vnitřní radioaktivní kontaminace materiálů detektoru, indukovaná jadernými reakcemi s neutrony uvnitř detektoru. Pro detekci neutronů se využívají především následující metody: a) Metoda odražených jader využívá srážek (pružných interakcí) rychlých neutronů s lehkými jádry, především jádry vodíku (protony), které jsou při srážkách urychlovány a vyvolávají pak v látce ionizaci - mohou být pak detekovány obvyklými detektory. b) Metoda jaderných reakcí - neutrony při vstupu do určitých jader vyvolávají jaderné reakce, při nichž je emitováno ionizující záření, jež se detekuje (např. 4He(n,p)3H). Při praktické realizaci se příslušné "terčíkové" materiály implantují přímo do detektorů, aby vznikající sekundární ionizující záření mohlo být bezprostředně detekováno (př.: G.-M. trubice s vrstvou kadmia na povrchu anody 113Cd(n,γ)114Cd, scintilační detektor s krystalem tvořeným LiJ(Eu), vysoce obohaceným isotopem 6Li - i spektrometrické vlastnosti, proporcionální detektor pro neutrony plněný fluoridem bóru BF3 obohaceným izotopem 10B).

Metoda štěpení využívá toho, že neutrony způsobují při vstupu do těžkých jader (urany a transurany) jejich rozštěpení, přičemž vznikají silně ionizující fragmenty. Štěpný materiál se např. nanáší v tenké vrstvě na elektrody ionizační komory. d) Metoda aktivace je založena na tom, že zachycení neutronu neaktivním jádrem může vést ke vzniku radioaktivního jádra. Toto jádro pak při své radioaktivní přeměně vysílá ionizující záření (β a γ), které se detekuje. c)

Spektrometrie neutronů Měření energií (spektrometrie) je obtížnější než u záření gama či beta. Pro změření spektra pomalých neutronů se používá tzv. mechanický selektor. Tvoří je dva kotouče z látky silně pohlcující neutrony (Cd), upevněných na otočné hřídeli. Kotouče mají po obvodu řadu stejných radiálních štěrbin, jejichž poloha je u druhého kotouče o velmi malý úhel posunuta oproti kotouči prvnímu. Měřený svazek neutronů prochází rovnoběžně s osou hřídele štěrbinou prvního kotouče a je pohlcován druhým kotoučem s výjimkou těch neutronů, které dorazí v době, kdy mohou volně projít i posunutou štěrbinou druhého kotouče. Pro danou frekvenci otáček hřídele, vzdálenost kotoučů a úhlový posun jsou propouštěny neutrony jen v úzkém rozmezí rychlosti. Změnou frekvence otáček hřídele se postupně propouští neutrony různých rychlostí, četnost se počítá neutronovým detektorem a tak se změří jejich rychlostní spektrum, z něhož se odvodí spektrum energetické. Tímto způsobem lze měřit spektra jen pomalých neutronů, řádově jednotky eV. Spektrum o něco rychlejších neutronů se měří pomocí jejich Braggova rozptylu na krystalové mřížce. V důsledku korpuskulárně-vlnového dualismu se neutron hmotnosti mn a kinetické energie E chová jako vlna o vlnové délce λ = h/(2mnE)1/2 (de Broglieho vlna). Pomalým neutronům odpovídá vlnová délka řádově stejná jako je vzdálenost atomů v krystalech. Na takové mřížce se mohou neutrony rozptylovat Braggovým odrazem (podobně jako paprsky X): do určitého úhlu mezi rovinou mřížky a směrem dopadajícího svazku se odráží neutrony jen jedné energie. Plynulou změnou úhlu mezi svazkem neutronů a krystalem na goniometru nám naměřené četnosti v detektoru neutronů dávají úhlovou distribuční křivku, z níž se stanoví spektrum. Krystalové spektrometry neutronů jsou vhodné pro energie v rozmezí cca 0,1-100 eV. Pro měření spekter rychlých neutronů lze použít odražených protonů, jejichž energie se měří proporcionálním nebo scintilačním detektorem, popř. i měřením délky stopy protonu v jaderné emulzi. Lze použít i již zmíněný scintilační detektor 6LiJ(Eu), kde neutrony při reakci (n,α) přenášejí na scintilátor energii 4,78MeV + energii přilétajícího neutronu, která se amplitudovou analýzou výstupních impulsů z fotonásobiče dá stanovit s rozlišením cca 10% (při energii 5MeV).

10

λ λ Radioaktivita = =

Recommend Documents