ΡΑΔΙΟΧΗΜΕΙΑ 1. ΑΠΑΡΙΘΜΗΤΕΣ ΙΟΝΤΙΣΜΟΥ ΑΕΡΙΩΝ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6.ΜΕΤΡΗΤΕΣ ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

Transcript

1 ΡΑΔΙΟΧΗΜΕΙΑ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ ΤΟΞΙΚΟΤΗΤΑ ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΩΝ ΙΣΟΤΟΠΩΝ Τμήμα Χημικών Μηχανικών ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6.ΜΕΤΡΗΤΕΣ ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 1. ΑΠΑΡΙΘΜΗΤΕΣ ΙΟΝΤΙΣΜΟΥ ΑΕΡΙΩΝ Ιωάννα Δ. Αναστασοπούλου Βασιλική Δρίτσα

2 ΑΔΕΙΑ ΧΡΗΣΗΣ Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άδεια χρήσης άλλου τύπου, αυτή πρέπει να αναφέρεται ρητώς.

3 3 Η ανίχνευση της παρουσίας ραδιενεργών ισοτόπων στο περιβάλλον στηρίζεται στην ιδιότητα που έχουν τα ραδιενεργά στοιχεία να προκαλούν ιοντισμούς όταν συγκρούονται με την ύλη (ιοντίζουσες ακτινοβολίες). Τα σχηματιζόμενα ιόντα έλκονται από τα αντίστοιχα ηλεκτρόδια της ανόδου και καθόδου ηλεκτρικού συστήματος και αποδίδονται είτε ως ηλεκτρικό ρεύμα είτε ως κτύποι. 1.1 Αναλογικοί και Geiger-Muller απαριθμητές Οι αναλογικοί απαριθμητές και οι απαριθμητές Geiger-Muller (GM) είναι κατασκευασμένοι με τέτοιο τρόπο ώστε να μετρούν το ηλεκτρικό ρεύμα που παράγεται από τα ιόντα που σχηματίζονται από την πρόσκρουση των ραδιοϊσοτόπων με ένα αέριο (Μ). (6.1)

4 4 Σχήμα 6.1 Σχηματική αναπαράσταση απλού απαριθμητή

5 5 Στο Σχήμα 6.1 δίνεται σχηματικά η λειτουργία ενός αναλογικού απαριθμητή. Η χρήση ελεγχόμενου αερίου (Ar ή CH 4 ) γίνεται για να έχουμε την δυνατότητα να διαχωρίσουμε την ακτινοβολία άλφα από την βήτα. Με κατάλληλο ενισχυτικό σύστημα μπορούμε να μετρήσουμε ακτίνες X ή και ασθενείς ακτίνες γ. Ένα από τα βασικά προβλήματα των θαλάμων ιοντισμού είναι το ασθενές ηλεκτρικό που παράγεται από έναν απλό ιονισμό. Προκειμένου να υπερβούμε το πρόβλημα αυτό χρησιμοποιούμε κατάλληλο σύστημα ενισχυτών ή εφαρμόζουμε μεγαλύτερη τάση δυναμικού στο κύκλωμα, ενώ η άνοδος είναι έτσι κατασκευασμένη, ώστε να μη δίνεται η δυνατότητα επανασύνδεσης των ιόντων μεταξύ τους. Το δυναμικό της ανόδου μπορεί να φθάσει τα 10 5 V.cm -1 και η διάμετρος να είναι τόσο μικρή όση επιτρέπεται τεχνικά. Ένα ηλεκτρόνιο όταν προσπίπτει στην άνοδο επειδή έχει μεγάλη ταχύτητα μπορεί να αποσπάσει δευτερογενή ηλεκτρόνια τα οποία οδηγούνται προς την άνοδο, με αποτέλεσμα την αύξηση του ηλεκτρικού ρεύματος. Η συνάρτηση του δυναμικού που εφαρμόζεται μεταξύ ανόδου και καθόδου από τον αριθμό των ιόντων (ύψος παλμού) φαίνεται στο Σχήμα 6.2.

6 6 Σχήμα 6.2. Συνάρτηση του ύψους των παλμών και του εφαρμοσμένου δυναμικού ενός απαριθμητή αερίου για ακτίνες α, β και Χ. Η περιοχή I ονομάζεται και περιοχή επανασύνδεσης επειδή το δυναμικό δεν είναι αρκετά υψηλό και επομένως είναι δυνατή η επανασύνδεση μεταξύ των ιόντων που παράγονται από την εξίσωση (6.1). Στην περιοχή II η εφαρμοζόμενη τάση είναι τέτοια ώστε να μην επιτρέπονται οι επανασυνδέσεις των παραγομένων ιόντων. Όπως φαίνεται από το διάγραμμα, στην περιοχή αυτή το παραγόμενο ηλεκτρικό ρεύμα είναι σταθερό, που σημαίνει ότι όλα τα ιόντα έλκονται από τα αντίστοιχα ηλεκτρόδια (κορεσμός). Επειδή ο ειδικός ιοντισμός, δηλαδή ο αριθμός των ζευγών ιόντων ανά μονάδα μήκους της τροχιάς, για τις ακτίνες α είναι μεγαλύτερος από τον αντίστοιχο των ακτίνων β και X, το μετρούμενο ηλεκτρικό ρεύμα (παλμός) είναι αντίστοιχα μεγαλύτερος (Σχήμα 6.1).

7 7 Για κάθε περιοχή το ρεύμα που παράγεται από τις ακτίνες X είναι πάντα μικρότερο από το αντίστοιχο των ακτίνων α της ίδιας αρχικής ενέργειας. Στις περιοχές III, IV και V η τάση δυναμικού που εφαρμόζεται στην άνοδο είναι μεγάλη με αποτέλεσμα το ρεύμα να αυξάνεται ανάλογα με την αύξηση των ιόντων του αερίου. Η αύξηση αυτή είναι ανάλογη του αρχικού ιοντισμού που προκλήθηκε στο αέριο του απαριθμητή. Η περιοχή III λέγεται οριακά αναλογική ή περιορισμένης αναλογίας, η περιοχή IV αναλογική και η περιοχή V χαρακτηρίζεται ως GM (Geiger-Muller). Η περιοχή V αντιστοιχεί στην αποδιέγερση του συστήματος και δεν λαμβάνεται υπόψη. Η αύξηση του ρεύματος εξαρτάται από την άνοδο και το σχήμα της καθόδου. Για παράδειγμα η κάθοδος και η άνοδος θα μπορούσαν να έχουν τέτοιο σχήμα ώστε να διπλασιάζεται ο αριθμός των ιόντων του αερίου στον θάλαμο ιοντισμού για κάθε 100 V. Αυτό σημαίνει ότι αν η τάση του ρεύματος αυξηθεί από 1000 V στα 1300 V, τότε η ενίσχυση θα είναι 2 3. Περαιτέρω αύξηση από τα 1300 V στα 1800 V θα προκαλέσει ενίσχυση κατά 2 5 ζεύγη ή συνολικά 2 8 (=256) ζεύγη. Έτσι, αν από ένα ραδιενεργό ισότοπο παραχθεί ηλεκτρικό ρεύμα που να αντιστοιχεί σε 10 6 ηλεκτρόνια στα 1000 V, τότε ενίσχυση στα 1800 V θα έχει ως αποτέλεσμα την παραγωγή δευτερογενών ηλεκτρονίων και ο συνολικός αριθμός των ηλεκτρονίων υπολογίζεται ίσος με 10 6 x10 8 ή Αν ένα ραδιενεργό στοιχείο εκπέμπει ακτίνες α ενέργειας 4,5 Μ ev και προσδίδει στον θάλαμο ιοντισμού όλη την ενέργεια, τότε παράγονται 4,5x10 6 ev/35 ev= 1,28 x10 5 ζεύγη ιόντων, όπου 35 ev είναι περίπου η ενέργεια ιοντισμού.

8 ΧΡΗΜΑΤΟΔΟΤΗΣΗ Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα Ε.Μ.Π.» έχει χρηματοδοτήσει μόνο την αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.