Tomá Fukátko
DETEKCE
A MÌØENÍ
RÙZNÝCH DRUHÙ ZÁØENÍ
Praha 2006
Publikace byla napsána na základì poznámek, nahromadìných autorem bìhem jeho celoivotní odborné èinnosti. Znamená to, e kniha není psána jako ucelená odborná publikace, ale spíe se jedná o sborník, ve kterém se jednotlivé kapitoly a pøílohy vztahují k oblastem majícím více nebo ménì vztah k problematice záøení. V knize jsou vìdomì opomíjeny takové oblasti záøení, které jsou buï podrobnì popsány v øadì jiných publikací (na pøíklad oblast radiových vln), nebo naopak pøesahují svojí specifièností zamìøení této knihy (sborníku). Jedná se napøíklad o vznik a pùsobení nìkterých druhù ionizujícího záøení, vznikajících pøi urychlování nabitých èástic nebo pøi èinnosti jaderných reaktorù.
Tomá Fukátko
Detekce a mìøení rùzných druhù záøení Bez pøedchozího písemného svolení nakladatelství nesmí být kterákoli èást kopírována nebo rozmnoována jakoukoli formou (tisk, fotokopie, mikrofilm nebo jiný postup), zadána do informaèního systému nebo pøenáena v jiné formì èi jinými prostøedky. Autoøi a nakladatelství nepøejímají záruku za správnost titìných materiálù. Pøedkládané informace jsou zveøejnìny bez ohledu na pøípadné patenty tøetích osob. Nároky na odkodnìní na základì zmìn, chyb nebo vynechání jsou zásadnì vylouèeny. Vechny registrované nebo jiné obchodní známky pouité v této knize jsou majetkem jejich vlastníkù. Uvedením nejsou zpochybnìna z toho vyplývající vlastnická práva. Vekerá práva vyhrazena © Tomá Fukátko, Praha 2006 © Nakladatelství BEN technická literatura, Vìínova 5, Praha 10 Tomá Fukátko: Detekce a mìøení rùzných druhù záøení BEN technická literatura, Praha 2006 1. vydání
ISBN 80-7300-193-4
Obsah 1
ÚVOD .......................................................................................... 9 1.1
Optické záøení .................................................................................. 10 1.1.1 Rádiové vlny ........................................................................... 11 1.1.2 Rentgenové záøení .................................................................. 11 1.1.3 Záøení gama ........................................................................... 12 1.1.4 Záøení sluneèní ...................................................................... 12 1.1.5 Reliktní záøení ....................................................................... 12 1.1.6 Záøení brzdné ......................................................................... 13 1.1.7 Èerenkovovo záøení ............................................................... 13 1.1.8 Luminiscence ......................................................................... 13 1.1.9 Ionizující záøení ..................................................................... 14 1.2 Záøení korpuskulární ....................................................................... 14 1.2.1 Zvlátní druhy korpuskulárního záøení ................................. 15 1.2.1.1 Foton ...................................................................................... 15 1.2.1.2 Fotoelektrický jev .................................................................. 16 1.2.1.3 Gama záøení ........................................................................... 16 1.3 Interakce mezi záøením a hmotou ................................................... 17 1.3.1 Ionizace molekul hmoty ........................................................ 17 1.3.2 Interakce ................................................................................ 17 1.3.3 Ionizace hmoty u záøení charakteru vlnového ...................... 17 1.3.3.1 Hloubka prùniku ionizaèního záøení hmotou ........................ 17 1.4 Ionizace ............................................................................................ 18 1.4.1 Ionizaèní potenciál ................................................................ 19 1.5 Emise ............................................................................................... 19 1.5.1 Emise fotonù .......................................................................... 19 1.5.2 Emise elektronù ..................................................................... 21 1.5.3 Studená emise elektronù ........................................................ 22 1.5.4 Fotonová emise ...................................................................... 22
A
OBSAH
3
2
DETEKTORY ZÁØENÍ .......................................................... 23 2.1
2.2
2.3
2.4 2.5 2.6
2.7
2.8 2.9
4
Detekce ionizujícího záøení ............................................................. 24 2.1.1 Detekce ionizujícího záøení fotochemickou reakci ............... 25 2.1.1.1 Vyuití fotoemulze pro dozimetrické úèely .......................... 26 2.1.1.2 Vyuití fotografické metody v rentgenovské technice .......... 28 2.1.1.3 Vyuití jaderný fotoemulzi pro detekci stop èástic ............... 30 Mlné a bublinkové komory pro detekci stop èástic ...................... 31 2.2.1 Wilsonova mlná komora ...................................................... 31 2.2.2 Bublinová komora ................................................................. 32 Ionizaèní detektory elektronické ..................................................... 33 2.3.1 Ionizaèní komory ................................................................... 33 2.3.1.1 Princip funkce ionizaèní komory .......................................... 34 2.3.2 Tukové dozimetry ................................................................ 37 2.3.2.1 Tukový prùhledový dozimetr .............................................. 37 2.3.2.2 Tukový slepý dozimetr ........................................................ 38 2.3.3 Prùbìhy proudového a napìového signálu deskové ionizaèní komory ................................................................... 39 2.3.4 Impulzové ionizaèní komory ................................................. 40 Proporcionální detektory ................................................................. 40 Geigerovy-Müllerovy detektory (GM trubice) ............................... 43 Polovodièové detektory ................................................................... 49 2.6.1 Bariérové polovodièové detektory ........................................ 51 2.6.2 Difúzní polovodièové detektory ............................................ 53 2.6.3 Detektory kompenzované (driftované) lithiem ..................... 54 2.6.4 um a energetické rozliení polovodièových detektorù ....... 54 2.6.4.1 Energetické rozliení polovodièových detektorù .................. 57 2.6.4.2 Pouití polovodièových detektorù pro mìøení neutronù ....... 57 Scintilaèní detektory ........................................................................ 58 2.7.1 Porovnání vlastnosti scintilaèních detektorù s GM sondami 63 2.7.2 Luminiscenèní a fosforeskující metody ................................ 64 Mìøení koncentrace vzduných iontù v vzduí iontometr ........... 65 Mìøení radioaktivních aerosolù ....................................................... 69 2.9.1 Monitor umìlých radioaktivních aerosolù typ KOPR .......... 69 2.9.2 Meøení radonu ....................................................................... 69
TOMÁ FUKÁTKO: DETEKCE A MÌØENÍ RÙZNÝCH DRUHÙ ZÁØENÍ
A
3
ZDROJE IONIZUJÍCÍHO ZÁØENÍ ..................................... 73 3.1
4
Druhy zdrojù ionizujícího záøení .................................................... 3.1.1 Uzavøené radioaktivní záøièe ................................................. 3.1.2 Otevøené radioaktivní záøièe ................................................. 3.1.3 Radioaktivní aerosole ............................................................ 3.1.4 Radon a jeho výskyt ..............................................................
75 75 75 76 76
DETEKCE ELEKTROMAGNETICKÉHO ZÁØENÍ ......... 79 4.1 4.2
Fotoefekt .......................................................................................... 80 Fotodiody a fotoèlánky.................................................................... 80 4.2.1 Hradlové fotoelektrické èlánky ............................................. 81 4.3 Vakuové fotonky a fotonásobièe ..................................................... 82 4.3.1 Fotoemise .............................................................................. 82 4.3.2 Vakuová fotonka .................................................................... 83 4.3.3 Fotonásobièe .......................................................................... 83 4.4 Polovodièové fotoèlánky ................................................................. 86 4.4.1 Polovodièové fotodiody ........................................................ 86 4.4.1.1 Solární èlánky (sluneèní baterie) ........................................... 90 4.4.2 Fototranzistor ......................................................................... 90 4.4.3 Diodový fototyristor .............................................................. 94 4.4.4 Fototyristor ............................................................................ 95 4.4.5 Fototyristorová tetroda .......................................................... 96 4.4.6 Fotorezistor ............................................................................ 97 4.4.6 Bolometry .............................................................................. 98 4.4.8 CCD snímaèe svìtelného toku ............................................ 101
5
ZDROJE ELEKTROMAGNETICKÉHO ZÁØENÍ .......... 105 5.1
Svìtelné zdroje .............................................................................. 106 5.1.1 Zdroje svìtla pracující na principu výboje .......................... 107 5.1.1.1 Emise svìtla pøi normálního tlaku vzduchu ........................ 108 5.1.1.2 Emise svìtla pøi zøedìném plynu ........................................ 108 5.1.1.3 Speciální zdroje záøení ........................................................ 108 5.2 Výboje v plynech........................................................................... 109 5.2.1 Svìtelné doutnavky a výbojky ............................................. 113 5.2.1.1 Výbojky se záporným katodovým svìtlem .......................... 113 5.2.1.2 Digitrony ............................................................................... 115
A
OBSAH
5
5.3 5.4 5.5
Výbojky se svìtlem kladného sloupce neonové trubice ............. 115 Mooreovy trubice ........................................................................... 116 Neonové trubice se havými elektrodami ...................................... 116 5.5.1 Fluorescenèní indikaèní prvky ............................................. 117 5.6 Luminiscenèní diody (LED Light Emitting Diode) .................... 118 5.7 Laserovy diody ............................................................................... 119 5.8 Elektroluminiscenèní zobrazovaèe................................................ 120 5.9 Teplotní zdroje záøení .................................................................... 121 5.9.1 árovky ................................................................................ 121 5.9.2 Obloukové výbojové lampy ................................................ 122 5.10 Zvlátní zdroje svìtelného záøení .................................................. 126 5.11 Transport optického záøení ............................................................ 126
PØÍLOHY P1 TEORIE MÌØENÍ ................................................................. 127 P1.1 Mìøení ionizujícího záøení ............................................................ 128 P1.1.1 Dozimetrické pøístroje ......................................................... 128 P1.1.2 Radiometrické pøístroje ....................................................... 129 P1.1.3 Spektrometrické pøístroje .................................................... 129 P1.1.4 Pøístroje pro stanovení interakcí záøení s hmotou ............... 129 P1.2 Zdroje informací o záøení .............................................................. 130 P1.3 Detektory ....................................................................................... 130 P1.3.1 Mìøení poètu impulzù ......................................................... 131 P1.4 Mìøení energetického rozliení ..................................................... 136 P1.5 Korelaèní mìøení ........................................................................... 139 P1.6 Identifikace èástic .......................................................................... 139
P2 ZÁKLADNÍ ELEKTRONICKÉ OBVODY DETEKTORÙ......................................................................... 141 P2.1 Signály na výstupu detektorù jaderného záøení ............................ 142 P2.2 Vazba mezi jaderným detektorem a pøedzesilovaèem .................. 144 P2.3 Èinnost polovodièového detektoru ............................................... 149 P2.4 Úplné blokové schéma dvou elektronických zaøízení .................. 152 P2.4.1 Elektronický mikroculombmetr .......................................... 152 P2.4.2 Monitor umìlých radioaktivních aerosolù .......................... 154 P2.5 Vazba detektorù optického záøení s elektronickými obvody ........ 155 P2.5.1 Optoelektronické systémy ................................................... 159
6
TOMÁ FUKÁTKO: DETEKCE A MÌØENÍ RÙZNÝCH DRUHÙ ZÁØENÍ
A
P3 VZNIK ZÁPORNÝCH VZDUNÝCH IONTÙ A PRINCIP ÈINNOSTI KORÓNOVÉHO IONIZÁTORU VZDUCHU .............................................................................. 161 P3.1 Ionizace ovzduí ............................................................................ 162 P3.2 íøení iontù prostøedím .................................................................. 163 P3.3 Elektrické ionizátory vzduchu ....................................................... 164
P4 POZNÁMKY K NÌKTERÝM POUITÝM VÝRAZÙM . 169 P4.1 Energie mechanická ...................................................................... P4.2 Energie tepelná .............................................................................. P4.3 Energie akustická........................................................................... P4.4 Energie svìtelná............................................................................. P4.5 Energie elektrická .......................................................................... P4.6 Zásady pøi pouívání pojmu energie ............................................. P4.6.1 Intenzita ............................................................................... P4.6.2 Napìtí................................................................................... P4.6.3 Proud ....................................................................................
171 171 172 172 173 175 176 176 176
LITERATURA .............................................................................. 177 REJSTØÍK .................................................................................... 181
A
OBSAH
7
PØEDMLUVA Kníka byla napsána na základì poznámek, nahromadìných autorem bìhem jeho celoivotní odborné èinnosti. Znamená to, e kniha není psána jako ucelená odborná publikace ale spíe jako takzvaný sborník, ve kterém jednotlivé kapitoly a pøílohy se vztahují k oblastem majícím více nebo ménì vztah k problematice záøení. V kníce jsou vìdomì opomíjeny takové oblasti záøení, které jsou buï podrobnì popsány v øadì jiných publikací (na pøíklad oblast radiových vln), nebo naopak pøesahují svojí specifiènosti zamìøení této kníky (sborníku). Jedná se na pøíklad o vznik a pùsobení nìkterých druhù ionizujícího záøení, vznikajících pøi urychlování nabitých èástic nebo pøi èinnosti jaderných reaktorù. Kníka je dìlena do kapitol a pøíloh. Pøílohy volnì navazují na problematiku obsaenou v jednotlivých kapitolách. Autor se snail dùslednì uvádìt literární prameny, na základì kterých vytváøel svùj odborný archiv. Ne vude se mu to vak podaøilo, tento nedostatek se týká pøedevím starích literárních pramenù (zvlátì pak èasopiseckých). Za tento nedostatek se pùvodním autorùm (ze kterých pøípadnì èerpal) dodateènì omlouvá. Autor v Praze a Slapech nad Vltavou 2005/2006
8
TOMÁ FUKÁTKO: DETEKCE A MÌØENÍ RÙZNÝCH DRUHÙ ZÁØENÍ
A
