Физическая биохимия - Фрайфелдер Д.
Скачать (прямая ссылка):
Измерение р-активности методами, основанными на ионизации газов
р-Частица, проходя через газ, способна выбивать орбитальный электрон одного из атомов газа, в результате чего образуется ионная пара — выбитый электрон плюс остающийся положительно заряженный ион. При этом р-частица может иметь значительную энергию, достаточную для ионизации нескольких атомов. Если газ находится в камере, снабженной двумя заряженными электродами, то вторичные электроны и положительные ионы будут двигаться к аноду и катоду соответственно, что можно зарегистрировать в виде очень маленького импульса заряда или тока. р-Частица со средней энергией будет давать от 102’ до 103 пар ионов на 1 см пробега, однако не все эти ионы достигают электродов, поскольку ионные пары быстро рекомбинируют. Эффективность регистрации ионов зависит от напряжения между электродами. Например, при очень низком напряжении большинство ионов рекомбинируют до того, как они достигнут электродов, однако при увеличении напряжения захватывается уже большая фракция ионов до их рекомбинации. Наконец, напряжение возрастает настолько, что все ионы достигают электродов,
РИС. 5-3.
Выход (количество пар
ионов) в трубке Гейгера — Мюллера как функция напряжения между анодом и катодом.
А — область рекомбинации; Б — область простой ионизации;
В — область пропорциональности; Г —область Гейгера-Мюллера; Д — область постоянного разряда.
Приложенное напряжение
что приводит к насыщению. Это свойство ионизационных камер показано на рис. 5-3. При гораздо большем напряжении (значительно более высоком, чем требуется для насыщения), выбитые орбитальные электроны ускоряются настолько, что это вызывает ионизацию атомов газа. Этот процесс называется ионной лавиной или газовым усилением. При еще более высоком напряжении количество собираемых вторичных ионов становится пропорциональным их количеству, образованному при первоначальной ионизации (область пропорциональности). Далее следует вторая область насыщения (область Гейгера — Мюллера), где все возможные ионные пары, как первичные, так и вторичные, собираются электродами полностью; наконец, при достижении достаточно высокого напряжения газ ионизуется под действием приложенного напряжения даже без участия р-частиц (область постоянного разряда). Полностью зависимость системы от напряжения показана на рис. 5-3.
Ионизационные детекторы могут работать либо в области пропорциональности, либо в области Гейгера — Мюллера. Пропорциональный счет имеет то преимущество, что частицы с неодинаковыми энергиями могут различаться при использовании анализаторов интенсивности импульсов (см. разд. «Пропорциональный счет и анализ амплитуды импульсов»), поскольку величина импульса тока, снимаемого с электродов, пропорциональна энергии исходной заряженной частицы, которая попадает в камеру. Таким образом, два различных радиоактивных изотопа, присутствующих в одном образце, и их относительное содержание могут быть определены по их p-спектрам с использованием методики, описанной в примере 5-А применительно к жидкостным сцинтилляционным счетчикам. Неудобство пропорциональ-
Рис. 5-4.
Торцовый счетчик Гейгера — Мюллера.
/ — контакт катода; 2 — изолированная основа; 3 — анодная нить; 4 — металлизированная поверхность-катод; 5 — стеклянный шарик; 6 — вход частиц, 7 — окошко из слюды.
ного счета состоит в необходимости иметь исключительно стабильный высоковольтный источник питания, поскольку малей-шие флуктуации напряжения могут приводить к большим изменениям тока. Пропорциональное определение обычно заменяется использованием жидкостных сцинтилляционных счетчиков (см. следующий раздел) и далее обсуждаться не будет.
В области Гейгера — Мюллера достигается максимальное газовое усиление, и флуктуации напряжения практически не оказывают влияния на ток. Это используется в относительно недорогих, но надежных, чувствительных и стабильных приборах — счетчиках Гейгера — Мюллера.
Схема наиболее распространенного типа счетчика Гейгера — Мюллера — так называемого торцового счетчика — представлена на рис. 5-4. Детектор представляет собой цилиндр, внутренняя стенка которого покрыта металлом и служит катодом, по оси проходит проволочный анод, а в торце расположено окно, через которое (3-частицы попадают в заполненную газом камеру (окно обычно делается из слюды или пленки полимера под названием «майлар»). Электронная система измеряет ток, возникающий при захвате электронов анодом. Трубка обычно заполнена инертным газом, таким, как гелий, неон или аргон, к которому прибавляют небольшое количество гасящего агента — обычно бутана, пропана, этанола, хлора или брома. Гасящий агент служит для предотвращения постоянной ионизации, которая может приводить к тому, что детектор не может реагировать на любую последую-
щую частицу, попавшую в него после первой. Когда положительный ион находится вблизи катода, он иногда может оторвать от него электрон и вновь образовать нейтральный атом. Такая рекомбинация приводит к рентгеновскому и коротковолновому ультрафиолетовому излучениям, каждое из которых способно "ионизировать молекулы газа с образованием последующей лавины электронов. Таким образом, возникает самопроизвольная постоянная ионизация. Однако в присутствии гасящего газа (например, бутана), имеющего более низкий потенциал ионизации, чем основной газ (например, гелий), положительные ионы гелия будут взаимодействовать с бутаном, приобретая его электрон, с образованием нейтрального атома гелия и положительно заряженного иоиа бутана. Эти ионы движутся к катоду и получают электрон, становясь при этом снова нейтральными, однако вследствие физических и химических особенностей бутана избыток энергии рекомбинации не превращается в электромагнитное излучение, а вместо этого приводит к разрыву химических связей в молекуле бутана, вызывая ее распад. После определенного числа разрядов гасящий газ полностью расходуется. Реально большинство коммерческих трубок Гейгера — Мюллера способно регистрировать от 108 до 1010 импульсов прежде, чем детектор придет в негодность. Это ограничение может быть устранено, если снабдить трубки отверстиями для входа и выхода и пропускать через трубку непрерывный поток газа. Такой прибор называется проточным счетчиком. Чувствительность трубки может быть повышена, если она не имеет окна, так как многие р-частицы либо не могут проникнуть через окно, либо, проходя через пего, теряют столько энергии, что уже не могут ионизировать газ. В этом случае трубка изготовляется таким образом, чтобы был обеспечен близкий контакт с держателем образца. Поскольку при введении или удалении образца газ теряется, трубку постоянно продувают током газа. Такая модификация известна под названием проточного счетчика без окна.
