Способы измерения ионизирующего излучения

Используют три основных группы приборов для измерений и контроля ионизуемого излучения: радиометры, спектрометры, дозиметры. Важнейшей частью подобных приборов является детектор — устройство для регистрации ионизирующего излучения. Детектором называют устройство, в котором энергия ионизирующего излучения преобразуется в электрическую или другие виды энергии, что позволяет регистрировать излучение.

Радиометры:

• измеряют активность источника ионизирующего излучения;
• позволяют определить активность конкретного радионуклида или суммарную актив ность радионуклидов в источнике излучения (в Беккерелях).

Спектрометры:
• измеряют энергетический спектр излучения — распределение гамма-квантов, альфа- или бета-частиц по энергиям;

• позволяют установить радионуклидный состав и содержание (активность) каждого радионуклида в источнике (в Беккерелях).

Дозиметры:

• дают оценки доз облучения: поглощенной — в Греях (Гр) и производных (мГр, мкГр т.п.); эквивалентной или эффективной — в Зиверт и производных (мЗв, мкЗв) а также мощности доз;

• дают оценки мощности доз.

Работа газоразрядных (ионизационных) детекторов основана на ионизации рабочего вещества (газа) излучением. Самый детектор такого типа — ионизационная камера. Она представляет собой плоский или цилиндрический конденсатор, внутренний (рабочий) объем которого заполнен газом. К обкладкам конденсатора приложено постоянное электрическое напряжение. При отсутствии внешнего опрочения газ, находящийся между пластинами конденсатора, является изолятором, и поэтому ток в цепи отсутствует. Когда же доли ионизирующего излучения попадают в рабочее пространство конденсатора, они вызывают ионизацию молекул газа

— образуются заряженные частицы: свободные электроны и ионы. При попадании в рабочее пространство конденсатора гамма-квантов газ, наполняющий это пространство, ионизуеться фотоэлектронами, которые вырываются из материала стенок камеры под действием гамма-излучения.

В электрическом поле конденсатора отрицательно заряженные частицы направляют к аноду (+), а положительно заряженные — к катоду (-). Как следствие, в звенье возникает кратковременный электрический ток — электрический импульс. Этот импульс и представляет собой регистрируемый сигнал, свидетельствующий о наличии частиц или гамма-квантов излучения, а его амплитуда зависит от энергии частичок или гамма-квантов. Зная суммарный электрический заряд, возникающий в рабочем объеме детектора, можно оценить величину дозы внешнего облучения объекта.

Преимущества ионизационной камеры — простота и надежность, недостаток — слабый электричний сигнал при регистрации излучения, то есть низкая эффективность регистрации. Пропорциональные детекторы и счетчики Гейгера-Мюллера — это разновидности приборов на основе газоразрядных детекторов. Они отличаются относительно высоким анодным напряжением, что позволяет значительно усиливать электрические сигналы, вызываемые ионизирующим излучением.

В счетчиках Гейгера-Мюллера выходят сильнейшие электрические сигналы, но они одинаковы для всех регистрируемых частиц или гамма-квантов, независимо от их энергии. Поэтому подобные счетчики служат только для определения общего числа частиц или гамма-квантов, без разницы их по энергии. При использовании пропорционального счетчика сохраняется возможность распознавать частицы или гамма-кванты, отличающиеся по энергии.

Недостаток газоразрядных детекторов — низкая эффективность регистрации гамма-излучения в силу высокой проникающей способности большая часть гамма-квантов оставляет рабочий объем детектора, так и не вызвав ионизации молекул газа. В случае альфа и бета-излучение возникает другая проблема. Регистрация альфа-частиц газ разрядными счетчиками практически невозможна, так как почти все эти частицы поглощаются стенками детектора. Бета-частицы также в значительной степени поглощаются стенками детектора. Чтобы снизить степень поглощения бета-частиц, уменьшают толщину корпуса в том месте, где излучение проникает в рабочий объем детектора.

Полупроводниковые детекторы также относятся к ионизационных. По принципов действия они похожи ионизациям камерам, но вместо газа в качестве рабочего вещества используют полупроводниковые материалы (область р-п-перехода, включеного в обратном направлении). Длина пробега альфа-частиц в твердом теле небольшая, поэтому для их регистрации достаточно тонкого слоя полупроводника.

Для регистрации бета- и гамма-излучений нужен более толстый слой полупровидникового материала. Полупроводниковые детекторы позволяют хорошо различать доли, близкие по энергии, то есть имеют высокую энергетическое здатность. Некоторые виды полупроводниковых детекторов работают только при температуре жидкого азота, что значительно усложняет их конструкцию и эксплуатацию.

Широко распространены и сцинтилляционные детекторы. Их работа основана на способности некоторых соединений светиться под действием ионизирующего излучения. При попадании в детектор излучения возбуждает молекулы этих соединений, то есть переводит электроны молекул на более высокие энергетические уровни. Возвращение молекул в основном энергетическое состояние происходит за очень короткий промежуток времени и сопровождается испусканием фотонов. Световые вспышки регистрируются. Таким образом детектирования ионизирующих излучений нашел широкое применение при появлении фотоэлектронных умножителей. (ФЭП) — устройств, позволяющих измерять сверхслабая (вплоть до единичных фотонов) световые вспышки.

Как сцинтилляторов используют неорганические и органические соединения в твердом и жидком состоянии. Для регистрации гамма-квантов широко используют сцинтиляторы на основе монокристаллов N aI и C sI . В этом случае эффективность регистрации гамма-излучения составляет десятки процентов. При регистрации бета-излучения лучше использовать органические сцинтилляторы, в том числе и редкие. В случае альфа-излучения применяют сцинтилляторы на основе сульфиду цинка или кадмия. Сцинтилляционные детекторы имеют неплохую энергетическое разрешение, однако в этом отношении уступают полупроводниковых.

Оба типа детекторов отличаются высоким быстродействием.

Принцип действия фотоемульсионних детекторов подобный фотографическом. Ионизирующего излучения влияет на фотоэмульсию, нанесенную на пленку или пластинка, и образует скрытое изображение. После проявления в тех местах, которые получили облучения, остается темный след. Такие детекторы способны фиксировать след (трек) движения ядерных частиц, поэтому их относят к классу трековых.

В дозиметрии используют фотоемульсийни, а также термолюминесцентные (ТЛД) и фотолюминесцентные (ФЛД) детекторы. В состав ТЛД и ФЛД входят люминофоры — вещества, излучения которых приводит к возникновению так называемых центров фотолюминесценции. Подобные центры возникают в результате нарушения молекул люминофора. В отличие от сцинтилляторов, молекулы люминофора могут находиться в возбужденном состоянии достаточно длительное время, и поглощенная энергия излучения может храниться в облучается материале. Люминесценция начинается не сразу после облучения, а только после дополнительного воздействия на люминофор. В случае ФЛД люминесценции может вызвать ультрафиолетовое излучения. В ТЛД люминесценция начинается после нагрева люминофора до определенной температуры (обычно не более 573 К). Такое воздействие оказывают на люминофор в приборе, где измеряется интенсивность свечения. По ее величине определяют накопительную человеком дозу внешнего облучения. После «считывания показаний» детекторы ФЛД и ТЛД могут быть снова использованы для дозиметрических измерений.

Простейшие дозиметры созданные на основе ионизационной камеры и фактически измеряют суммарный электрический заряд частиц, образующихся в вещества за определенный промежуток времени под действием гамма-излучения. Возникающие в ионизированой камере электрические заряды чрезвычайно малы и практически не поддаются измерению. Поэтому ионизационные камеры используют только для оценки дозы гамма-излучения высокой интенсивности. В большинстве случаев используют другие детекторы излучения. Чаще всего используют счетчики Гейгера-Мюллера, а также приборы на основе сцинтилляционных и полупровидниковых детекторов.

Дозы внешнего облучения человека контролируют с помощью индивидуальных дозиметров. Современные дозиметры позволяют определять эффективную дозу совершенно по дочных облучения организма человека и дают показания в микрозивертах (мкЗв) или миллизивертов (мЗв). В приборах, с помощью которых определяется мощность дозы внешнего облучения, единицей измерения обычно служит микрозиверт в час (мкЗв/ч).

С помощью дозиметров нельзя измерять содержание радионуклидов в почве и уровень загрязнения радионуклидами продуктов питания. Такие измерения можна проводить с помощью радиометров и спектрометров. Радиометры предназначены для определения содержания радионуклидов в образцах почвы, воды, продуктов питания и т. д. По величине измеряемой активности радионуклидов в этих образцах.

В гамма-радиометрах обычно используют сцинтилляционные детекторы. В радиометре есть специальный блок обработки, в котором на основе введенной информации о массе или объеме пробы по числу зарегистрированных прибором гамма-квантов определяется удельная активность измеряемой пробы. Прибор выдает показания в Беккерелях на килограмм (Бк/кг) или в Беккерелях на литр (Бк/л).

Особые требования предъявляются к защите радиометра от фонового излучения, которое может исказить показания прибора. Чем меньше удельная активность измеряемых образцов, тем выше требования, предъявляемые к качеству детектора и защиты прибора от фоновых излучений, не связанных с излучением исследуемого образца.

Счетчик излучения человека является разновидностью радиометра и предназначен для измерения активности в теле человека радиоактивного цезия, калия и других радионуклидов по сопровождающему их распад гамма-излучению.

Спектрометры дают наиболее полную информацию об излучении радионуклидов. Гамма-, альфа- и бета-спектрометры позволяют определить энергетический спектр излучения, то есть распределение гамма-квантов, альфа- или бета-частиц по энергиям. Спектр излучения каждого радионуклида уникален, что позволяет определять, какие радионуклиды и в каком количестве содержатся в анализируемом образце. В спектрометрах используют полупроводниковые или сцинтилляционные детекторы. Спектрометры — это наиболее сложные и дорогие измерительные приборы.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

CAPTCHA image
*