Способ определения глубины диффузионного проникновения радиоактивных атомов в вещество Советский патент 1990 года по МПК G01T1/29 

Изобретение относится к прикладной ядерной физике и может быть использовано при исследованиях возникших вследствие диффузии распреде- . лений радиоактивных атомов по глубн- не вещества и при изучении процесса диффузии, в частности, для измерения коэффициента диффузии.

Целью изобретения является расширение круга радиоактивных веществ, для которых определяют возникшее в результате диффузии распределение атомов по глубине. .

Сущность изобретения состоит в том, что измеряют в перпендикулярном по- верхности образца направлении спектры гамма- и рентгеновского излучений и по отношению интенсивностей гамма- линий и линий характеристического рентгеновского излучения как самих радиоактивных атомов, так и неактивных атомов матрицы,определяют среднюю глубину диффузионного проникновения.

На чертеже изображен в разрезе слой исследуемого вещества, на некотором расстоянии от которого находится детектор гамма- и рентгеновского излучений, обладающий достаточной разрешающей способностью для выделения гамма-линий и линий характеристического рентгеновского излучения.

Пусть диффузионное распределение радиоактивных атомов характеризуется их объемной концентрацией l(z) , которая для плоского достаточно протяженного образца зависит от координаты Z. Тогда от радиоактивных атомов, находя1цихся в элементе объема ofV, вблизи точки А, детектор зарегистрирует следующие количества гамма-квантов и рентгеновских лучей определен- |ных энергий в единицу времени:

:-A J /,

:dy, I(z) dV.e a

/

cf, l(z) J v ea

34ет 6 дет У 7 4 г2/

-,

i

Злрт gyter.Xt 4Гг2

де

,

f

лег

e

Д - постоянная распада радиоактивных атомов ,j доли испускаемых радиоактивными атомами гамма- и рентгеновских фотонов регистрируемых энергий, приходящиеся на 1 распадi линейные коэффициенты полного поглощения г амма- и рентгеновских лучей радиоактивных атомов в данном веществе матрицы соответственно,; площадь детектора, на которую падают фотоныj

и. е

лету- лет Х

эффективности детектора для гамма-квантов и рентгеновских лучей радиоактивных атомов соответственно 1, - путь в веществе образца, который проходят излучения, испущенные в объеме dlV в направлении детектора, г, - расстояние от до детектора.

Общие регистрируемые детектором интенсивности излучений получаются- интегрированием вьфажений (1) и (2) по объему образца.

Кроме излучений, испускаемых непосредственно радиоактивными атомами, детектор регистрирует вторичное излучение, возникающее в образце вследствие рассеяния и поглощения первичного гамма- и рентгеновского и.злуче- ний. В частности, в детектор попадают фотоны, испытывающие комптоновское и релеевское рассеяния, а также рентгеновские лучи вещества матрицы, в которую введены радиоактивные атомы. Это последнее излучение образуется

0

5

0

вследствие фотопоглощения первичных излучений и иных процессов, ведущих к образованию вакансий в электронных, оболочках атомов матрицы, например, при комптоновском рассеянии гамма- квантов на связанных электронах глубоких оболочек. Вторичные процессы дают малые поправки к интенсивностям i гамма- и рентгеновского излучений. К тому же некоторые из вторичных ркла- дов можно исключить с помощью отбора по энергии как, например, вклады ком- птоновского рассеяния и рентгеновских лучей матрицы, если она не состоит из тех же атомов, что и продукты распада внедренных в нее радиоактивных атомов.

Для вычисления вкладов вторичных излучений рассмотрим второй элемент объема образца c(V, находяищйся вблизи точки в. Вклад гамма-излучения, испытывающего релеевское рассеяние, составляет:

5

J3-,) oJV, л а

-f-r

-Нг-

,JV.j

e Здст бдетг

n

AfTrl

(3)

где I - объемная концентрация ато

мов матрицыi

ргл(б) - дифференциальное сечение релеевского рассеяния на угол 9 j

, 1 ,1 и г показаны на чертеже,- - площадь детектора, просматриваемая из точки В,

peftV

с

Ает

5

Вклад вторичного рентгеновского излучения равен:

. dX,j l(z) «

ju т f g SotrXt «ЫУ,,, AiT 4-rr; X-i

l(z)./V, B. I

.-Hx.e.

W

11

XI

Sдет ЕдетXi

4 IT r|(4)

де 6

ФХ, - поперечные сечения . фотопоглощения атомами матрицы гамма- квантов и первичных рентгеновских лучей соответственно; и - линейный коэффициент . полного поглощения

вторичных рентгеновских лучей в вевдестве матрицыJ

-дет X,

эффективность детек тора для вторичных рентгеновских лучей; а - доля регистрируемых вторичных рентгеновсч кик лучей на 1 акт фотопоглощения первичного излучения. Второе слагаемое в формуле (4) отличается от нуля только при условии, что энергия первичных рентгеновских лучей превосходит порог фотопоглощения, соответствующего появлению вакансии в электронной оболочке атома матрицы, после которого испускается регистрируемое вторичное рентгеновское излучение.

Полные вклады вторичных процессов получаются двойным интегрированием выражений (3) и (4) по объему .образца (по JV, и по dVj). Учет релеевс- кого рассеяния по формуле (3) требуется лишь при особо точных измерениях.

Б качестве примера приведем результаты опыта по диффузии атомов радиоактивного кадмия-109 в монокристаллическую пластину особо чистого серебра. Пластина представляла собой диск диаметром 25,8 мм и толщиной 0,8 мм, отрезанный от монокристалла серебра на электроэрози 0 онном станке. На одну из плос ких ст рон пластины было электролитически нанесено 50 мкг радиоактивного кадмия из раствора. СёСЦ. Затем пласти на была выдержана в течение 92 ч

15 при в вакуумно отпаянной квар цевой ампуле. Известные данные о коэффициенте диффузии кадмия в сере ре позволили оценить расчетным путе среднюю глубину проникновения атомо

20 кадмия в кристалл: z YDtjT. Эта величина оказалась равной 133 мкм. помощью германиевого детектора были выполнены измерения интрнсивнобтей гамма-лучей с энергией 88 кэВ, исНапример, в случае диффузии кадмия-109 25 пускаемых образующимися после бетав серебро вклад релеевского рассеяния в интенсивность гамма-лучей 88 кэВ

меньше 1%.

Результаты интегрирования всех четырех выражений зависят от характера распределения I(z). При термодиффузионном внедрении радиоактивных атомов через протяженную плоскую поверхность образца их распределение по глубине Z имеет вид: .

распада кадмия-109 ядрами серебра-1 и рентгеновских фотонов К-серии серебра (в данном случае энергии рент геновских лучей матрицы и атомов, о

30 разующихся после радиоактивного рас пада внедренных атомов, совпадают). Эти измерения проделаны как с изго товленным серебряным гамма-источником, так и с тонким источником,пред

,с ставляющим собой кружок фильтроваль ной бумаги, пропитанной раствором р диоактивного CdCl. Этот последний источник позволил определить отноше ние эффективностей примененного деI(z,t5t4 )

4Dt

5Ф4

(5)

где D - коэффициент диффузии- t эфф - продолжительность диффузии; Q - общее количество продиффун- дировавшего вещества.

. I

. . , - Задавая различные значения параметра z Vdt

зФф

характеризующего

среднюю глубину диффузии, можно вычислить набор распределений внедряемых атомов по глубине, и использовать каждое из вычисленных распределений для расчета интенсивностей гамма- лучей и обоих видов рентгеновских излучений. Путем сравнения расчетных отношений интенсивностей гамма- квантов и характеристических рентгеновских фотонов с экспериментально измеренными отношениями интенсивностей можно определить вид глубинного распределения радиоактивных атомов, реализовавшийся в данном случае.

Б качестве примера приведем результаты опыта по диффузии атомов радиоактивного кадмия-109 в монокристаллическую пластину особо чистого серебра. Пластина представляла собой диск диаметром 25,8 мм и толщиной 0,8 мм, отрезанный от монокристалла серебра на электроэрозионном станке. На одну из плос ких сторон пластины было электролитически нанесено 50 мкг радиоактивного кадмия из раствора. СёСЦ. Затем пластина была выдержана в течение 92 ч

при в вакуумно отпаянной кварцевой ампуле. Известные данные о коэффициенте диффузии кадмия в серебре позволили оценить расчетным путем среднюю глубину проникновения атомов

кадмия в кристалл: z YDtjT. Эта величина оказалась равной 133 мкм. С помощью германиевого детектора были выполнены измерения интрнсивнобтей гамма-лучей с энергией 88 кэВ, испускаемых образующимися после бетараспада кадмия-109 ядрами серебра-109, и рентгеновских фотонов К-серии серебра (в данном случае энергии рентгеновских лучей матрицы и атомов, образующихся после радиоактивного распада внедренных атомов, совпадают). Эти измерения проделаны как с изго товленным серебряным гамма-источником, так и с тонким источником,представляющим собой кружок фильтровальной бумаги, пропитанной раствором ра- . диоактивного CdCl. Этот последний источник позволил определить отношение эффективностей примененного детектора для гамма-лучей и рентгеновс- . ких квантов серебра-109. По формулам (1), (2) и (4) с использованием формулы (5) на ЭВМ вычислялись отношения интенсивностей гамма-линии 88 кэВ и

рентгеновских линий К-серии серебра для разных значений параметра z; Выяснилось, что наиболее близкое к экспериментально полученному значение этого отношения соответствует величине z мкм, что- хорошо согласуется с вышеприведенной теоретической оценкой. Таким образом,предлагаемый способ является корректорным. Использование предлагаемого способа определения глубины диффузионного проникновения радиоактивных атомов в вещество позволяет проводить подобные измерения с гораздо большим числом разновидностей радиоактивных

атомов, чем при использовании прототипа. Это приводит к резкому расширению круга веществ, для которых становится возможным изучение диф- фузий с использованием радиоактивных атомов. Данный способ пригоден не только к определению глубины залега-. НИН продиффундировавших атомов, но и ко всем тем случаям, когда имеется обоснованное модельное представление о виде распределения атомов по -глубине образца. Например, если в вещество внедряются тяжелые радиоактивные ионы, предварительно ускоренные до о ределенной энергии, то можно ожидать что они будут иметь одинаковый пробе и поэтому образуют внутри мишени структуру в виде тонкого плоского слоя. Глубину залегания этого слоя можно определить данным способом. Формула изобретения Способ определения глубины диффу- .зионного проникновения радиоактивных

атомов в вещество, основанный на измерении спектрального распределения излучения, испускаемого продиффун- дировавшими радиоактивными атомами и атомами вещества матрицы, отличающийся тем, что, с целью расширения круга радиоактивных веществ, для которых определяют возникшее в результате диффузии рас- П1 еделение атомов по глубине, измеряют спектры испускаемых образцом гамма- и характеристического рентгеновского излучений и по отношениям интенсивности гамма-линий и линий характеристического рентгеновского излучения как с.амих радиоактивных атомов, так и неактивных атомов матрицы, в которую введена радиоактивность, определяют глубину диффузионного проникновения сравнением с результатами расчета этих отношений для разных задаваемых глубин диффу- .зионного проникновения.

Изобретение относится к способам определения глубины диффузионного проникновения радиоактивных атомов в вещество. Целью изобретения является расширение круга радиоактивных веществ, для которых определяется возникшее в результате диффузии распределение атомов по глубине. Способ заключается в измерении спектров гамма-лучей и рентгеновских характеристических фотонов, испускаемых радиоактивными атомами, внедренными в исследуемый образец, определений по этим спектрам отношения интенсивностей гамма-линий и линий характеристического рентгеновского излучения и в сравнении полученных отношений с результатами расчета, основанного на модельном представлении о распределении внедренных атомов по глубине. Параметр, характеризующий это распределение, определяется из условия наилучшего согласия ответных и расчетных данных. Физическая основа способа - различие в коэффициентах поглощения гамма-квантов и рентгеновских фотонов. 1 ил.

Иене$иеное teMfcmte (нвтрица, S l&t&enti Bodut

«й ти1ние

Де/пет/ио/) tttMna- и риняннвШ с излучении