V.3.2. Detecția radiațiilor nucleare.

Radiațiile ionizante nu pot fi percepute de simțurile umane, dar pot fi detectate cu ajutorul detectoarelor de radiații ionizante, aparate utilizate pentru a obține informații despre intensitatea radiațiilor într-un anumit loc din spațiu, la un moment dat. Ele sunt conectate la aparate de măsură (numărător electronic, ampermetru, voltmetru) şi, astfel, se pot face măsurători cantitative.

Detectarea radiațiilor ionizante se bazează pe următoarele fenomene produse în urma interacţiunii lor cu substanța:
- electrice (ionizarea mediilor străbătute);
- fotochimice (impresionarea emulsiilor fotografice);
- optice (scintilație, luminescența);
- chimice (influențarea cineticii reacțiilor, radiocatalizarea lor);

Tipuri de detectoare de radiații:

1. Camerele de ionizare, contoarele proporționale şi contoarele Geiger-Müller (pentru înregistrarea radiațiilor alfa, beta, gamma și a celei cosmice) măsoară sarcina electrică rezultată în urma ionizării unui gaz.

2. Detectoarele cu semiconductori se bazează tot pe fenomenul de ionizare ce are loc, însă, în interiorul unui semiconductor. Numărul de perechi electron-gol este proporțional cu energia particulei. Purtătorii de sarcină colectați prin aplicarea unei diferențe de potențial formează un puls a cărui amplitudine este proporțională cu energia particulelor nucleare înregistrate.

3. Detectoarele cu scintilație se bazează pe emiterea de radiații luminoase (scântei) în urma interacției radiației ionizante (de exemplu, particule α) cu o substanţă care poate fi sub formă solidă (cristalul de iodură de sodiu) sau lichidă (solvenți organici in care se adaugă substanţe scintilante). Fotonii sunt înregistrați cu ajutorul unui fotomultiplicator care produce un puls de tensiune. Amplitudinea pulsului este direct proporțională cu numărul de scintilații produse de particula încărcată electric la trecerea prin cristal și, implicit, cu energia acesteia.

4. Filmele fotografice utilizează efectul chimic de înnegrire a unei emulsii fotografice ca rezultat al ionizării microcristalelor de halogenură de argint, astfel încât gradul de înnegrire a plăcii produsă de argintul metalic rezultat prin descompunerea halogenurii este proporțională cu cantitatea de radiații primite de emulsie. După developare centrii de argint metalic se observă cu ajutorul unui microscop ce permite vizualizarea traiectoriei particulei nucleare și determinarea energiei și tipului ei.

5. Detectoarele termoluminiscente (TLD) utilizează proprietățile de termoluminescență a unor cristale solide prin care energia absorbită de acestea în urma iradierii este eliberată sub formă de lumină la încălzirea lor peste o anumită temperatură.

6. Dozimetrele chimice utilizează reacțiile chimice ale unor substanţe produse în urma iradierii.

Detectorul Geiger-Müller

Detectorul Geiger-Müller se compune dintr-un electrod cilindric (catod) pe axa căruia este plasat un fir, electrodul central. Cilindrul şi firul central sunt așezați într-un cilindru de sticlă umplut cu anumite gaze la presiune scăzută (de exemplu, argon amestecat cu vapori de alcool). Pe firul central (anodul) se aplică un potenţial pozitiv faţă de cilindrul metalic. Electrozii sunt legați la o diferență de potențial de câteva sute de volți.

La trecerea unei particule nucleare încărcate prin contor se produce ionizarea gazului, adică perechi de ion-electron. Electronii sunt puternic accelerați în câmpul electric intens al firului central și produc la rândul lor alte ionizări. Avalanșa de electroni se multiplică din cauza fotonilor de dezexcitare. Astfel apare în circuit un curent de descărcare de scurtă durată deoarece ionii pozitivi din vecinătatea firului se deplasează mai încet decât electronii spre catod. Ionii creează o sarcină spațială ce ecranează câmpul din jurul anodului încât va opri avalanșa de electroni. Acest lucru determină descărcarea capacității contorului, caracterul descărcării depinzând de tensiunea aplicată. În momentul descărcării capacității contorului, prin rezistenţa R de valoare ridicată, va trece un curent I. La bornele rezistenţei apare astfel un impuls de tensiune U = R ∙ I care este transmis sistemului de înregistrare prin capacitatea de intrare C.

Curentul care trece prin circuit produce la bornele rezistorului R o cădere de tensiune care este amplificată și înregistrată. Acesta este pulsul de tensiune care se obține la trecerea unei particule încărcate electric prin contor.

Contorul Geiger-Müller funcționează în pulsuri, și-anume: fiecare particulă nucleară produce un curent de ionizare de scurtă durată, numit puls de tensiune care apare la bornele contorului şi care este transmis prin condensatorul C la instalația de numărare.

Datorită ionizării secundare foarte mari, numărul de electroni care cad pe anod nu mai este proporțional cu numărul de perechi de ioni format de particula nucleară incidentă. Astfel, amplitudinea pulsului este aceeași pentru orice tip de particulă, de orice energie. Acest contor permite numărarea particulelor nucleare care pătrund în el, neputând determina și alte proprietăți ale particulelor nucleare.