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辐射测量技术

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辐射测量技术
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轨迹蚀刻检测器

当带电粒子减速并停在固体中时,其沿其轨迹沉积的能量会导致材料永久损坏。即使在仔细的显微镜检查下,也很难观察到这种局部损伤的直接证据。但是,在某些介电材料中,可以通过使用酸或碱溶液对材料表面进行化学蚀刻(腐蚀)来发现损坏的走线。如果带电粒子在过去的某个时间照射过表面,则每个粒子都会留下一道损坏的材料,该痕迹始于表面,并延伸到等于粒子范围的深度。在选择的材料中,沿着该轨迹的化学蚀刻速率高于未损坏表面的蚀刻速率。因此,随着蚀刻的进行,在每个轨道的位置处形成凹坑。在几个小时内,这些凹坑会变得足够大,以便可以在低功率显微镜下直接看到它们。然后,每单位面积这些凹坑的数量的测量值是表面已经暴露于其中的粒子通量的测量值。

在蚀刻速率足以产生凹坑之前,需要沿着轨道的最小损伤密度。因为损伤的密度与颗粒的dE / dx相关,所以对于最重的带电颗粒来说,损伤密度最高。在任何给定的材料中,在产生凹坑之前都需要dE / dx的某个最小值。例如,在矿物云母中,仅从质量为10或20原子质量单位或更高的高能重离子观察到坑。许多常见的塑料材料更敏感,会为诸如氦气(阿尔法粒子)之类的低质量离子形成蚀刻坑。一些特别敏感的塑料(例如硝酸纤维素)甚至会在质子上形成凹坑,这对重电荷粒子的损害最小。没有发现会为快速电子的低dE / dx轨迹产生凹坑的材料。此阈值行为使此类检测器对β粒子和伽马射线完全不敏感。在某些应用中可以利用这种免疫力,在这些应用中,在存在更强烈的伽马射线背景的情况下,需要记录弱的重电荷粒子通量。例如,使用plastic气蚀刻膜对many气及其子产物的衰变产生的α粒子进行许多环境测量。在这种情况下,无所不在的伽马射线的背景将主导许多其他类型探测器的响应。在某些材料中,损坏痕迹已显示在材料中无限期地保留,并且在暴露后很多年都可以蚀刻出凹坑。但是,蚀刻性能可能会受到光线和高温的影响,因此在长时间存放裸露样品时必须格外小心,以防止损坏痕迹褪色。

已经开发出了自动方法来使用与适当的光学分析软件耦合到计算机的显微镜平台来测量蚀刻坑密度。这些系统能够对“伪像”(例如样品表面的划痕)进行某种程度的区分,并且可以提供每单位面积的磁道数的合理准确的测量值。另一种技术是采用相对较薄的塑料膜,在该塑料膜中,迹线完全蚀刻穿过该膜以形成小孔。然后,可以通过使薄膜在一组高压电极之间缓慢通过,并通过电子方式计数在通过孔时发生的火花来自动计数这些孔。

中子活化箔

对于几个MeV或更低的辐射能,带电粒子和快速电子不会在吸收材料中引起核反应。能量低于几个MeV的伽玛射线也不会轻易诱发与核的反应。因此,当几乎所有物质都被这些形式的辐射轰击时,原子核保持不受影响,并且在被辐射物质中不会产生放射性。

在常见的辐射形式中,中子是这种一般行为的一个例外。因为它们不带电荷,所以即使是低能的中子也可以很容易地与原子核相互作用,并引起各种各样的核反应。这些反应中的许多反应会导致放射性产物的存在,随后可以使用常规检测器测量其存在,以检测其衰变中发射的辐射。例如,许多类型的核将吸收中子以产生放射性核。在这种材料的样品暴露于中子期间,放射性核聚集。当样品从中子暴露中移出时,种群将在给定的半衰期下衰减。几乎总是在这种衰变中发出某种类型的辐射,通常是β粒子或伽马射线或两者,然后可以使用下面介绍的一种主动检测方法对其进行计数。因为它可能与诱导的放射性水平有关,所以可以从该放射性测量结果中推断出样品所暴露的中子通量的强度。为了诱导足够的放射性以允许合理地精确测量,需要相对强的中子通量。因此,活化箔经常被用作测量反应堆,加速器或其他强中子源周围的中子场的技术。

银,铟和金等材料通常用于慢速中子的测量,而铁,镁和铝是快速中子测量的可能选择。在这些情况下,诱导活性的半衰期在几分钟到几天之间。为了建立接近最大可能值的放射性核种群,诱导放射性的半衰期应短于暴露于中子通量的时间。同时,半衰期必须足够长,以便一旦样品从中子场中移出后便可以方便地对放射性进行计数。