Синтез ядер. Детектирование ядерных излучений

Синтез ядер. Детектирование ядерных излучений

Синтез ядер. Детектирование ядерных излучений

В ядерной физике, ядерный синтез является реакцией, в которой два или более атомных ядра сталкиваются с очень большой скоростью и объединяются, формируя новое ядро.

Масса этого нового ядра несколько меньше, чем сумма его составляющих, на величину, известную как «энергия». Энергия связи высвобождается в виде фотонов (энергии). Это энергия, которая выделяется с помощью процесса слияния.

Ядерный синтез легких элементов высвобождает энергию, которая вызывает свечение звезд и взрыв водородной бомбы.

Ядерный синтез более тяжелых элементов (с поглощением энергии) происходит в экстремальных условиях высокой энергии или с взрывом сверхновой.

Ядерный синтез в звездах и сверхновых является основным процессом, который создает новые природные элементы. Эта реакция используется для получения энергии ядерного синтеза.

Энергии, выпущенные в большинстве ядерных реакций значительно выше, чем энергии химических реакций, так как энергия связи, которая связывает нуклоны в ядре значительно выше, чем энергия, которая связывает электроны вокруг ядра атомов. Например, энергия ионизации ядер электронов, полученных путем добавления атомов водорода составляет $13,6$ эВ, меньше одной миллионной $17$ МэВ энергии, высвобождаемой в реакции DT (дейтерий — тритий).

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Термоядерная реакция

Если ядра является частью плазмы вблизи состояния теплового равновесия, а реакция синтеза происходит за счет кинетической энергии теплового движения ионов плазмы, то такая реакция синтеза называется термоядерным синтезом. Поскольку температура согласно кинетической теории является мерой средней кинетической энергии частиц, нагревая плазму можно предоставить ядрам энергию, достаточную для преодоления кулоновского барьера.

Рисунок 1. Дейтерий-тритиевая реакция синтеза считается перспективной как источник термоядерной энергии

Например, в реакции синтеза дейтерия ${}2_1H$ и трития ${}3_1H$

Способ синтеза гелия из водорода происходит несколько процессов:

Этот процесс является следствием слабого взаимодействия (обмена бозонов). Во время синтеза следующих бета-минус распадов:

Эта реакция, как следствие слабого взаимодействия происходит очень медленно. В результате этой реакции, и в результате ядерных взаимодействий образуется дейтерий:

Эта реакция происходит крайне медленно. Последующая реакция:

Детектирование ядерных излучений

Определение 1

Детектор частиц — устройство, которое используется в ядерной физике и физике элементарных частиц для определения факта пролета частицы, ее идентификации и измерения ее характеристик — энергии, массы, заряда, спина и тому подобное.

Детекторы, предназначенные только для определения факта пролета частицы, часто называются счетчиками. Детекторы, предназначенные для измерения дозы поглощённой радиации называются дозиметрами. Детекторы, способные измерять энергию частицы называются калориметрами.

Существует большое разнообразие детекторов частиц в зависимости от типа частиц, диапазона энергии, назначения, строения и принципа действия.

Например, для регистрации рождения электрон-позитронной пары необходимо одновременно зафиксировать как электрон, так и позитрон, чтобы выделить этот процесс случайного шума, когда тот или иной отдельный детектор срабатывает в результате случайного пролета частицы космического излучения.

В современных экспериментах в физике высоких энергий, которые проводятся на мощных коллайдерах при столкновении ускоренных частиц может образоваться дождь из сотен частиц различной природы, требует применения сложнейшей системы детектирования и идентификации.

Пример 1

При проведении термоядерной реакции синтеза ядра гелия из ядер изотопов водорода — дейтерия и трития — по схеме

\[{}2_1H+{}3_1H\to {}4_2He+{}1_0n\]

освобождается энергия $17,6$ МэВ. Какая энергия освободится при синтезе $1$ г гелия? Какое количество каменного угля потребовалось бы сжечь для получения такой же энергии?

Решение:

Для определения энергии, которая выделится при синтезе $1$ г гелия, нужно умножить выход ядерной реакции $\Delta E$ на число осуществленных реакций, равное числу атомов гелия $N$ в 1 г:

\[E=\Delta EN\]

Число атомов гелия $N$ равно

\[N=\frac{mN_A}{M}\] \[N=\frac{{10}{-3}\cdot 6\cdot {10}{23}}{4\cdot {10}{-3}}=1,5\cdot {10}{23}\]

Следовательно, для энергии $E$ получим:

\[E=2,8\cdot {10}{-12}\cdot 1,5\cdot {10}{23}Дж\] \[E=4,5\cdot {10}{11}Дж\]

Из условия $Q=E$ можно записать:

\[Q=qm_2\] \[m_2=\frac{Q}{q}=\frac{E}{q}\]

Исходя из выражения масса каменного угля, при сжигании которого освобождается столько же энергии, сколько и при синтезе $1$ г гелия, равна

\[m_2=\frac{4,2\cdot {10}{11}Дж}{2,7\cdot {10}7Дж\cdot {кг}{-1}}=1,56\cdot {10}4кг\]

Ответ: $E=4,5\cdot {10}{11}Дж$,$\ \ m_2=1,56\cdot {10}4кг$.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/sintez_yader_detektirovanie_yadernyh_izlucheniy/

Детекторы ядерных излучений

Синтез ядер. Детектирование ядерных излучений

Это устройства для регистрации α- и β-частиц, рентгеновского и γ-излучения, нейтронов, протонов и т.п. Они служат для определения состава излучения и измерения его интенсивности, спектра энергии частиц, изучения процессов взаимодействия быстрых частиц с атомными ядрами и распада нестабильных частиц.

Фотографический метод исторически был первым способом обнаружения ядерных излучений. Метод основан на почернении фотоэмульсии.

Под воздействием ионизирующих излучений молекулы бромистого или хлористого серебра (АgВr или АgСl), содержащихся в фотоэмульсии, восстанавливают металлическое серебро подобно видимому свету, которое после проявления выявляется в виде почернения.

Степень почернения фотоэмульсии (фотопластинки, плёнки) пропорциональна дозе излучения. Сравнивая плотность почернения с эталоном, определяют дозу излучения (экспозиционную или поглощенную), полученную пленкой.

В настоящее время фотографический метод широко применяется в ядерной физике при исследовании свойств самых различных заряженных частиц, их взаимодействий и ядерных реакций. На этом принципе основано использование индивидуальных фотодозиметров.

Химический метод. Некоторые химические вещества под воздействием ионизирующих излучений меняют свою структуру. Так, хлороформ в воде при облучении разлагается с образованием соляной кислоты, которая дает цветную реакцию с красителем, добавленным к хлороформу.

Двухвалентное железо в кислой среде окисляется в трехвалентное под воздействием свободных радикалов Н+ и ОН-, образующихся в воде при ее облучении. Трехвалентное железо с красителем дает цветную реакцию. По плотности окраски судят о дозе излучения (поглощенной энергии).

На этом принципе основана работа химических дозиметров гамма- и нейтронного излучения ДП-70 и ДП-70М (МП).

Сцинтилляционный метод. Некоторые вещества (сернистый цинк, йодистый натрий, вольфрамат кальция и др.) светятся при воздействии на них ионизирующих излучений.

Возникновение свечения является следствием возбуждения атомов под действием излучений. При возвращении в основное состояние атомы испускают фотоны видимого света различной яркости (сцинтилляция).

Количество вспышек пропорционально мощности дозы излучения.

Рис. 2.1. Фотоголовка сцинтилляционного детектора ионизирующей радиации.

Фотоны видимого света улавливаются специальным прибором – так называемым фотоэлектронным умножителем (ФЭУ), способным регистрировать каждую вспышку (рис. 2.1).

В основу работы индивидуального измерителя дозы (ИД-11) положен сцинтилляционный метод обнаружения ионизирующих излучений.

В современных дозиметрических приборах широкое распространение получил ионизационный метод обнаружения и измерения ионизирующих излучений.

Ионизационный метод. Сущность его заключается в том, что под воздействием ионизирующих излучений в изолированном объеме происходит ионизация газа: электрически нейтральные атомы (молекулы) газа разделяются на положительные и отрицательные ионы, в результате чего электропроводность среды увеличивается.

Если в нее поместить два электрода, к которым приложено постоянное напряжение, то между электродами возникает направленное движение ионов, т.е. возникает так называемый ионизационный ток. Измеряя ионизационный ток, можно судить об интенсивности ионизирующих излучений. Такие устройства называются детекторами излучений.

В качестве детекторов в дозиметрических приборах используются ионизационные камеры и газоразрядные счетчики различных типов.

Приборы, работающие на основе ионизационного метода, имеют принципиально одинаковое устройство и включают: воспринимающее устройство (ионизационную камеру или газоразрядный счетчик), усилитель ионизационного тока.

Приборы, работающие на основе ионизационного метода, имеют принципиально одинаковое устройство и включают: воспринимающее устройство (ионизационную камеру или газоразрядный счетчик) 1, усилитель ионизационного тока (электрическая схема, включающая электрометрическую лампу 2, нагрузочное сопротивление 3 и другие элементы), регистрирующее устройство 4 (микроамперметр) и источник питания 5 (сухие элементы или аккумуляторы) (рис. 2.2).

Рис.2.2. Схема работы ионизационной камеры

Ионизационная камера представляет собой заполненный воздухом замкнутый объём, внутри которого находятся два изолированных друг от друга электрода (типа конденсатора). К электродам камеры прилагается напряжение от источника постоянного тока.

При отсутствии ионизирующего излучения в цепи ионизационной камеры тока не будет, поскольку воздух является изолятором. При воздействии же излучений в ионизационной камере молекулы воздуха ионизируются.

В электрическом поле положительно заряженные частицы перемещаются к катоду, а отрицательные — к аноду. В цепи камеры возникает ионизационный ток, который регистрируется микроамперметром. Числовое значение ионизационного тока пропорционально мощности излучения.

Следовательно, по ионизационному току можно судить о мощности дозы излучений, воздействующей на камеру.

Ионизационные камеры в зависимости от назначения и конструкции могут работать в импульсном и токовым (интегральном) режимах. Импульсные камеры используют для регистрации отдельных тяжелых заряженных частиц (α-частицы, протоны и т.д.).

Удельная ионизация легких частиц (электроны, позитроны) сравнительно мала, поэтому регистрация их в импульсном режиме неэффективна. Токовые камеры применяют для измерения интенсивности всех типов излучения, которые пропорциональны среднему току, проходящему через камеру.

Величина ионизационного тока пропорциональна энергии излучения, поэтому ионизационные камеры измеряют ток насыщения в единицу времени, т.е. мощность дозы данного излучения. Приборы градуируют в единицах мощности дозы.

Значит, ионизационные камеры используют не только для измерения дозы излучения, но и ее мощности.

Пропорциональные счетчики выгодно отличаются от ионизационной камеры тем, что начальное усиление первичной ионизации происходит внутри самого счетчика (Кгу=103 — 104). Наличие пропорциональности усиления в счетчиках позволяет определить энергию ядерных частиц и изучить их природу.

Пропорциональные счетчики бывают торцового типа, например САТ-7 и САТ-8 (счетчик α-частиц торцовый, СИ-3Б и др.). Чтобы обеспечить проникновение в плоскость счетчика α – частиц, входное слюдяное окно делают очень тонким (4-10 мкм).

Наполняют счетчик смесью неона с аргоном почти до уровня атмосферного давления. В счетчиках открытого типа рабочая полость сообщается с внешним воздухом.

Такие счетчики работают при атмосферном давлении, они допускают непрерывные протекание или циркуляцию наполняющего их газа и поэтому их часто используют для регистрации активности газовых проб.

Газоразрядный счетчик используется для измерения радиоактивных излучений малой интенсивности. Высокая чувствительность счетчика позволяет измерять интенсивность излучения в десятки тысяч раз меньше той, которую удается измерить ионизационной камерой.

Счетчик представляет собой полый герметичный металлический или стеклянный цилиндр, заполненный разреженной смесью инертных газов (аргон, неон) с некоторыми добавками, улучшающими работу счётчика (пары спирта).

Внутри цилиндра, вдоль его оси, натянута тонкая металлическая нить (анод), изолированная от цилиндра. Катодом служит металлический корпус или тонкий слой металла, нанесенный на внутреннюю поверхность стеклянного корпуса счётчика.

К металлической нити и токопроводящему слою (катоду) подают напряжение электрического тока.

В газоразрядных счетчиках используют принцип усиления газового разряда. При отсутствии радиоактивного излучения свободных ионов в объеме счетчика нет. Следовательно, в цепи счетчика электрического тока также нет. При воздействии радиоактивных излучений в рабочем объеме счетчика образуются заряженные частицы.

Электроны, двигаясь в электрическом поле к аноду счетчика, площадь которого значительно меньше площади катода, приобретают кинетическую энергию, достаточную для дополнительной ионизации атомов газовой среды. Выбитые при этом электроны также производят ионизацию.

Таким образом, одна частица радиоактивного излучения, попавшая в объем смеси газового счетчика, вызывает образование лавины, свободных электронов. На нити счетчика собирается большое количество электронов. В результате этого положительный потенциал резко уменьшается и возникает электрический импульс.

Регистрируя количество импульсов тока, возникающих в единицу времени, можно судить об интенсивности радиоактивных излучений.

Счетчики Гейгера – Мюллера (газоразрядные счетчики) конструктивно почти не отличаются от пропорциональных счетчиков цилиндрического торцового типа. Основное отличие состоит в том, что внутренний объем счетчика Гейгера наполнен инертным газом

Рис. 2.3. Схема включения счётчика Гейгера-Мюллера.

при пониженном давлении (15-75 гПа), а работа осуществляется в области Гейгера, т.е. в режиме самостоятельного газового разряда (рис. 2.3).

Счетчики для регистрации γ– излучения имеют некоторую особенность в конструкции. Регистрация γ–излучения возможна в результате выбивания вторичных электронов из катода счетчика на основе известных трех механизмов взаимодействия этого излучения с веществом: фотоэффекта, комптонэффекта, образования электронно–позитронных пар.

Вторичные электроны (фотоэлектроны, электроны отдачи, электронно-позитронные пары), попадая в чувствительный объем счетчика, вызывают газовый разряд (ударную ионизацию), который и регистрируется радиометрическим устройством. Этот закон Брэгга-Грея используется также и для дозиметрии нейтронов. Ионизационный метод положен в основу работы таких дозиметрических приборов, как ДП-5А (Б, В), ДП-ЗБ, ДП-22В и ИД-1.

Твердотельные дозиметры. В системе обеспечения радиационной безопасности широко используются твердотельные дозиметры. К последним относятся фотопленочные дозиметры, дозиметры, основанные на окрашивании твердых материалов, и, наконец, твердые вещества, активируемые нейтронами.

В качестве примера твёрдотельных дозиметров можно привести полупроводниковые детекторы (ППД) ионизирующих излучений. Действие ППД основано на свойствах полупроводников проводить электрический импульс под действием ионизирующих излучений.

Из всех полупроводников наиболее пригодны для детекторов монокристаллы германия и кремния.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Источник: https://studopedia.ru/3_129721_detektori-yadernih-izlucheniy.html

Радиоактивные вещества.раздел 1

Синтез ядер. Детектирование ядерных излучений

Автор-составитель: к.х.н., с.н.с. Е.В. Платыгина

Большинство радиоактивных нуклидов обладает своим, только им присущим энергетическим спектром корпускулярного и фотонного излучений (см. Приложение I). Это позволяет по измеренному спектру не только идентифицировать те или иные нуклиды в смеси, но и определять их количество с высокой точностью. Комплексный анализ, как правило, требует использования различных методов и методик исследования.

Например, при анализе жидких радиоактивных отходов реактора LWR используются [1]:

  •  радиохимический метод, включающий a -спектрометрию на заключительной стадии для идентификации большинства актинидов;

  •  метод трековых детекторов для определения микроконцентраций основных делящихся материалов 235U и 239Pu в сумме;

  •  нейтронный активационный анализ с последующей g -спектрометрией пробы для обнаружения 238U и 241Am.

6.1. Детектирование ядерных излучений

Детектирование любого вида излучения сводится в итоге к детектированию заряженных частиц и основано на регистрации эффектов, вызываемых заряженной частицей при ее прохождении через вещество, проявляющихся вблизи траектории частицы и в начальный момент локализованных в области, размеры которой соизмеримы с межатомными расстояниями. Эффекты, которые можно регистрировать, разделяются на две группы: первая — это ионизация и возбуждение вещества в треке частицы, вторая — это излучения различной природы (излучение Вавилова — Черенкова, звук, тормозное излучение и т. п.), генерируемые частицей и выходящие из трека и, возможно, из объема детектора.

Выбор детектора, конструкция защиты и характер воздействия на биологические объекты обусловлены, прежде всего, механизмом взаимодействия излучения с веществом:

1. Энергия, теряемая при термализации горячих носителей заряда, а также в процессе нерадиационного девозбуждения центра свечения и при безызлучательной рекомбинации носителей заряда. Все эти потери идут на нагревание вещества, и их можно назвать тепловыми (тепловой эффект). Измерение теплового эффекта лежит в основе калориметрического метода и метода пузырьковых камер.

2. Затраты энергии, связанные с захватом носителей заряда на глубокие центры. Эти затраты энергии частично переходят в потенциальную энергию центров захвата, энергия как бы запасается и может быть использована при освобождении носителей заряда, например, при нагревании вещества. На этом основаны термолюминесцентные методы.

3. Энергия различных излучений, возникающих в веществе при прохождении через него и выходящих из вещества (излучение Вавилова — Черенкова, звук, тормозное излучение и т. п.). Некоторая доля этих вторичных излучений поглощается в самом веществе. На регистрации этих излучений основан целый ряд методов детектирования.

4. Измерение энергии, идущей на образование свободных носителей заряда и их числа, лежит в основе ионизационного метода.

5. Энергия, идущая на образование фотонов люминесценции; измерение числа фотонов и их энергии лежит в основе сцинтилляционного метода.

6. Потенциальная энергия свободных носителей заряда.

7. Энергия, затрачиваемая на изменение структуры вещества.

6.1.1. Потери энергии

В первичном процессе происходят возбуждение и ионизация атомов, причем энергетическое распределение испущенных атомами электронов пропорционально . Электроны с энергией Е >100 эВ могут затем ионизировать атомы во вторичных столкновениях. Общее число образовавшихся ионов NT пропорционально потере энергии D Е в веществе:

, (6.1.1)

где wi — потеря энергии на образование одной электрон-ионной пары.

В воздухе на образование одной пары ионов затрачивается энергия w ≈ 34 эВ, причем около половины этой энергии идет на возбуждение атомов и расщепление молекул на атомы без ионизации.

Средняя потеря энергии частицей на единице пути * с учетом квантово-механических и релятивистских эффектов зависит от заряда z частицы, ее скорости (энергии) v, плотности электронов в среде (nZ) и среднего ионизационного потенциала среды (I):

, (6.1.2)

где c — скорость света в вакууме; n — число атомов в единице объема среды; e — заряд электрона.

Средний ионизационный потенциал изменяется от 15,6 эВ для водорода до 810 эВ для урана. Для элементов с Z > 47 отношение 8,8± 0,3.

Ионизационные потери энергии электронов при v ≈ c пропорциональны Z и логарифму энергии:

(6.1.3)

Электроны высоких энергий вследствие их малой массы могут терять энергию посредством испускания фотонов при торможении в электрическом поле ядра. Потери энергии на тормозное излучение пропорциональны энергии электронов (E), ядерной плотности среды (n) и эффективному сечению радиационных потерь s рад (s рад ~ Z2lnE):

= nEs рад , (6.1.4)

т. е. потери энергии на излучение растут линейно с энергией и пропорциональны Z2.

При больших энергиях электронов преобладают потери на излучение. Ниже критической энергии, равной большую роль играют ионизационные потери. Бете и Гайтлер дают приближенное соотношение между удельными радиационными и ионизационными потерями энергии:

(6.1.5)

Здесь Z — порядковый номер элемента; E — энергия частицы, МэВ.

Для электронов с энергией больше критической изменение энергии за счет радиационных потерь в зависимости от пройденного расстояния описывается экспоненциальным законом

. (6.1.6)

Расстояние x0, на котором энергия электрона в результате радиационного торможения уменьшается в «е» раз, называется радиационной длиной.

Тормозное излучение имеет сплошной спектр: энергия фотонов hn , излучаемых в элементарном акте, лежит в пределах от нуля до hn max = Ee (где Ee — кинетическая энергия электрона до столкновения).

С достаточной для практических расчетов точностью можно считать, что эффективная энергия квантов тормозного излучения равна половине максимальной энергии тормозящихся b -частиц, если Е0max £  10 МэВ, и одной трети максимальной энергии, если 10 МэВ 

Источник: http://chemanalytica.com/book/novyy_spravochnik_khimika_i_tekhnologa/11_radioaktivnye_veshchestva_vrednye_veshchestva_gigienicheskie_normativy/5132

Booksm
Добавить комментарий