Дозиметрический контроль

Размещено на http://www.allbest.ru/

План

Введение

1. Ионизационный метод

1.1 Ионизационные камеры

2. Газоразрядные счетчики

3. Люминесцентный метод

4. Фотоэмульсионный метод

5. Химический метод

6. Калориметрический метод

7. Регистрация ионизирующего излучения полупроводниковыми детекторами

7.1 Приборы для регистрации ионизирующего излучения

8. Радиационный контроль

8.1 Работа с радиоактивными веществами в фармацевтике

8.2 Защитные экраны

Список литературы

Введение

Цель дозиметрического контроля - дать количественную оценку уровней загрязненности, определить загрязненные участки и тип радионуклидов, которыми они заражены; в санитарно-защитной зоне - дать количественную оценку снимаемой и фиксированной загрязненности.

В дозиметрической практике применяют прямые и непрямые методы контроля. Прямые методы - это те, при которых детекторы излучения помещают непосредственно у исследуемой поверхности. Если прямые методы применить невозможно (из-за неблагоприятной геометрии поверхности, помех других излучений или необходимости определения вида загрязненности), то используют непрямые методы. К таким методам относят взятие проб с загрязненных поверхностей с помощью мазков, радиоактивность которых потом замеряется. Во многих случаях оба метода дополняют друг друга. При выборе того или иного метода контроля загрязненности поверхностей приходится принимать во внимание физико-химическое состояние загрязнений, материал и геометрию поверхности, которая контролируется, свойства нуклидов, попавших на эту поверхность, и другие факторы.

Контроль гладких поверхностей (полов, столешниц, наружных частей некоторого оборудования) не представляет особой трудности, за исключением случаев, когда влага или грязь могут помешать прямому контролю. Прямой контроль может оказаться неприемлемым, когда в контролируемой поверхности имеются углубления, превышающие длину пробега б-частиц (4-9 см), или внутренняя часть предмета меньше габаритов детектора излучения прибора. В таких случаях непрямой контроль является незаменимым методом. При выборе метода контроля необходимо помнить, что прямой контроль обнаруживает общую загрязненность, а непрямой - снимаемую. Непрямой контроль практически не обнаруживает фиксированную загрязненность.

Во всех случаях прямых методов измерения дозиметрический прибор должен быть перед контролем откалиброван с помощью контрольного источника. Коэффициент калибровки определяется соотношением:

K = Aj•(N - NФ),

где А - внешнее излучение контрольного источника, част./мин; N - показание прибора, имп./мин; AФ - фон прибора, имп./мин.

В случае прямого метода загрязненность определяется по формуле:

qS = (NЗ - Nф)•K/S

где qS - загрязненность поверхности, част./(мин•см ²) ; NЗ - показание прибора от загрязненной поверхности, имп./мин; NФ - площадь детектора излучения, см ².

При выборе контрольного источника необходимо иметь в виду, что наиболее достоверные результаты будут в том случае, когда энергетический спектр контрольного источника аналогичен энергетическому спектру радионуклидов, которыми загрязнена контролируемая поверхность, а радионуклид в контрольном источнике нанесен тонким слоем на подложке. Атомный номер материала подложки должен быть близок (особенно при в-активности) к атомному номеру материала загрязненной поверхности. В процессе измерения необходимо периодически фиксировать фон прибора и учитывать его.

При выборе прибора предпочтение следует отдавать тому, который может раздельно измерять б-, в- и г-излучения; имеет необходимую чувствительность для надежного измерения загрязненности от 0,1 допустимого уровня и выше; удовлетворительно работает при повышенной влажности и изменении температуры; защищен от воздействия магнитных и высокочастотных полей; легко очищается от радиоактивных загрязнений; прост в обращении, стабилен в работе, легок, имеет автономное питание.

Всё ионизирующее излучение прямо или косвенно взаимодействует с той средой, в которую оно проникает, изменяет ее физические и (или) химические свойства. Эти изменения и берутся за основу при разработке методов регистрации ионизирующих излучений. В зависимости от характера взаимодействия ионизирующего излучения со средой различают следующие основные методы его регистрации: ионизационные, люминесцентные, полупроводниковые, фотоэмульсионные, химические и калориметрические.

Ионизационные методы основаны на способности ионизирующего излучения вызывать ионизацию молекул и атомов газа, твердых и жидких веществ. Наибольшее развитие и практическое применение получил метод, основанный на использовании изменения электрической проводимости газов. К основным ионизационным детекторам относятся: ионизационные камеры, газоразрядные счетчики (пропорциональные, счетчики Гейгера-Мюллера, искровые и другие). Для регистрации следов движения (треков) отдельных заряженных частиц применяется камера Вильсона.

Люминесцентные методы основаны на способности ионизирующего излучения возбуждать молекулы и атомы среды, переход их из возбужденного состояния в основное происходит с испусканием света (видимого или ультрафиолетового). Световые вспышки с помощью электронных устройств преобразуются в электрический сигнал, который можно зарегистрировать.

Полупроводниковые детекторы основаны на использовании способности ионизирующего излучения изменять проводимость полупроводников - они приобретают некоторую дополнительную проводимость.

Фотоэмульсионные методы основаны на способности ионизирующего излучения вызывать потемнение фотоэмульсии или оставлять треки в фотоматериалах. Этот метод широко используется в дозиметрии для определения индивидуальных доз от в -, г- и нейтронного излучения. Степень почернения фотоматериала после его проявления находится в определенной зависимости от вида, энергии и интенсивности ионизирующего излучения.

Химические методы основаны на необратимых химических изменениях в некоторых веществах под действием ионизирующих излучений - облучаемая среда может изменить оптическую плотность, цвет, выход химических реакций.

Калориметрические методы основаны на том, что ионизирующее излучение несет энергию, которая поглощается веществом и превращается в тепло.

По назначению и конструкции регистрирующие устройства могут быть самыми разнообразными, но неотъемлемыми их частями являются следующие:

1. Детектор для преобразования энергии ионизирующего излучения при его взаимодействии с веществом в другие формы энергии, более удобные для регистрации (электрическую, световую, тепловую и т.д.).

2. Усилитель входных импульсов для усиления электрических сигналов.

3. Преобразующее устройство для преобразования электрических сигналов по амплитуде, форме, количеству и длительности.

4. Показывающее или регистрирующее устройство для преобразования электрического сигнала в воспринимаемую человеком форму. Регистрирующим устройством может быть стрелочный прибор, самописец, электромеханический счетчик, сигнальные лампы и т.п.

5. Блок питания для питания отдельных блоков прибора стабилизированным напряжением. Для этой цели используют аккумуляторы, батареи, высоковольтные стабилизаторы напряжения и другие средства, обеспечивающие стабильность работы приборов (установок).

1. Ионизационный метод

Общие принципы

Ионизационные детекторы по конструкции являются своеобразными конденсаторами. Как и всякий конденсатор, ионизационные детекторы имеют два электрода. Внутренним (собирающим) электродом может служить металлический стержень (в ионизационных камерах) или тонкая металлическая нить d=0,1ч0,5 мм (в газоразрядных счетчиках). Внешним электродом - металлический корпус или стекло с напиленным с внутренней стороны металлом. Пространство между электродами заполнено чистым газом или смесью газов. К электродам приложено большое постоянное напряжение (500-1500 В). Под действием ионизирующего излучения в газе возникают заряды. В электрическом поле детектора электроны движутся к собирающему электроду, а положительные ионы - к отрицательному. В детекторе возникает ионизационный ток, величина которого зависит от вида излучения, приложенного к электродам напряжения, формы электродов и свойства газа-наполнителя.

В обычных условиях газ не является проводником электрического тока, и для возникновения его в детекторе необходимо наличие электрических зарядов и напряжения, приложенного к электродам детектора. Электрические заряды в детекторе создают ионизирующее излучение, причем величина тока в детекторе зависит от вида ионизирующего излучения, его интенсивности и приложенного к электродам напряжения.

Кривая вольт-амперной характеристики делится на несколько областей.

Первая область - область Ома. В присутствии источника излучения в газе детектора наряду с процессом ионизации протекает процесс рекомбинации. При небольших напряжениях, приложенных к электродам детектора, лишь малая часть достигает их, а остальные рекомбинируют. С увеличением напряжения возрастает скорость движения зарядов, уменьшается вероятность рекомбинации, всё больше зарядов доходит до электродов и ионизационный ток растет пропорционально напряжению, т.е. в этой области применим закон Ома.

Вторая область - область тока насыщения (в данном режиме работают ионизационные камеры). В этой области величина ионизационного тока не зависит от напряжения на электродах детектора, и это объясняется тем, что практически все заряды, созданные ионизирующим излучением, доходят до электрода детектора. Ток, отвечающий горизонтальному участку кривой, - ток насыщения. Значения тока насыщения служат мерой ионизации газа. Чем больше ионизационный эффект, тем больше величина ионизационного тока. Поэтому по току насыщения можно определить вид и энергию излучения, активность радионуклида, мощность дозы излучения. Ток насыщения определяется по формуле:

Iн = N•V•e,

где N - число пар ионов, образованных в 1 с в 1 см 3 ионизационной камеры; e - заряд электрона; V - рабочий объем камеры, см 3.

Третья область - область пропорциональности. Дальнейшее возрастание ионизационного тока с увеличением напряжения объясняется вторичной ионизацией, т.к. наиболее подвижные заряды в электрическом поле детектора приобретают достаточную кинетическую энергию для ионизации нейтральных атомов газа-наполнителя. При вторичной ионизации происходит лавинообразное размножение зарядов. Такой механизм образования дополнительных зарядов в результате вторичной ионизации получил название ударной ионизации, а вся область напряжений, при которых она возникает, - областью ударной ионизации.



Размножение зарядов в газе характеризуется коэффициентом газового усиления К, который равен отношению ионизационного тока в газе Iг к току насыщения:

K = Iг / Iн

Коэффициент газового усиления является постоянной величиной для данного детектора, он зависит от природы газа-наполнителя, его давления, напряжения на электродах детектора и от конструкционных особенностей детектора. С увеличением напряжения коэффициент газового усиления в области пропорциональности растет по нелинейному закону от 1 до 104.

Если ток насыщения обусловлен только первичной ионизацией, то ток Iг в газе - первичной и вторичной ионизацией, причем ток Iг в газе детектора пропорционален первичной ионизации, т.е. чем больше ионных пар создает ионизирующее излучение в газе, тем больше ионизационный ток Iг. Поэтому эту область называют областью пропорциональности. В ней работают пропорциональные счетчики.

Пропорциональные счетчики можно использовать для тех же целей, что и ионизационные камеры, но первые за счет коэффициента газового усиления более чувствительны к излучению.

Четвертая область - область ограниченной пропорциональности. В этой области нарушается пропорциональность между величинами ионизационного тока и первичной ионизации. При одном и том же напряжении коэффициент газового усиления для б- и в-частиц различен, и поэтому эти кривые не идут параллельно. Область ограниченной пропорциональности практически не используется для регистрации ионизирующих излучений. радионуклид излучение ионизирующий

Пятая область вольт-амперной характеристики - область Гейгера. Дальнейшее увеличение ионизационного тока с увеличением напряжения на электродах детектора также объясняется вторичной ионизацией. В области пропорциональности газовый разряд охватывает небольшую часть объема детектора, в области Гейгера - весь объем. В области Гейгера величина тока совершенно не зависит от первичной ионизации, и газовый разряд охватывает одинаково весь объем счетчика при появлении в газе одной или нескольких тысяч ионных пар. Вторичная ионизация в этой области определяет значение ионизационного тока. В области Гейгера работают счетчики Гейгера-Мюллера, но их нельзя применять для определения вида и энергии излучений.

1.1 Ионизационные камеры

Ионизационными камерами измеряют ионизационный ток или регистрируют отдельные заряженные частицы, попавшие в объем камеры.

В зависимости от интенсивности, вида и энергии излучения ток насыщения в ионизационных камерах измеряется в широких пределах (10-6ч10-15 А). Величину тока насыщения определяют различными измерителями тока. В дозиметрических приборах с ионизационной камерой шкала измерителя тока градуируется в единицах дозиметрических величин.

При регистрации отдельных частиц ионизационными камерами амплитуду импульса напряжения, поступающего на вход усилителя, определяют по формуле:

ДU = e·N / C

где N - число пар ионов, образованных излучением в 1 с в 1 см ³ газа; e - заряд электрона; C - электроемкость камеры.

Ионизационные камеры классифицируются по конструкции, назначению и режиму работы.

По конструкции ионизационные камеры подразделяют на цилиндрические, плоские и сферические. Плоские ионизационные камеры широко применяются в переносных дозиметрических приборах.

По назначению различают ионизационные камеры для б-, в-, г- и нейтронного излучений. б- и в-ионизационные камеры имеют специальное входное окно, закрытое тонкой пленкой слюды или алюминиевой фольги. Толщина пленок должна быть намного меньше пробега б-частиц в слюде и в-частиц в фольге. г-излучение регистрируется по электронам, образовавшимся в результате взаимодействия г-излучения с веществом. Ионизационные камеры для г -излучения бывают двух типов: нормальные (иначе их называют камерами со свободным газом) и стеночные. В качестве нормальных камер применяют плоские, открытые и цилиндрические, корпусом которых служат тонкая, редкая металлическая сетка. Ионизацию воздуха в нормальной камере вызывают электроны, возникающие при взаимодействии г-излучения с атомами воздуха на расстоянии от камеры, равном пробегу электронов. Нормальные камеры применяются для градуировки других ионизационных камер г -излучения. В стеночных ионизационных камерах ионизацию газа-наполнителя вызывают также электроны, но возникающие в стенках камеры. Чтобы стенка камеры пропускала максимальное количество электронов, ее толщина должна приблизительно равняться пробегу электронов в стенке.

Если материал корпуса ионизационной камеры имеет атомный номер, близкий к эффективному номеру воздуха, заполняющего рабочий объем камеры, то его называют воздухоэквивалентным, а ионизационную камеру со стенками из воздухоэквивалентного материала - воздухоэквивалентной ионизационной камерой. В воздухоэквивалентной камере под действием г-излучения 1 г материала стенки образует столько же электронов, сколько и 1 г воздуха. Это обстоятельство важно при определении дозы и мощности дозы.

По режиму работы ионизационные камеры подразделяются на токовые и импульсные. Токовые камеры применяются для измерения суммарной ионизации, а импульсные - для регистрации отдельных частиц. Принципиально токовая ионизационная камера не отличается от импульсной. Одна и та же ионизационная камера может служить и в качестве токовой, и в качестве импульсной. Все зависит от того, какая измерительная схема применяется для измерения ионизационного тока.

2. Газоразрядные счетчики

К газоразрядным счетчикам относятся пропорциональные и счетчики Гейгера-Мюллера. Ионизационный ток в газоразрядных счетчиках определяется по формуле:

I = K•e•N

а амплитуда импульса, снимаемого с нагрузочного сопротивления:

ДU = K•e•N / C

Газоразрядные счетчики классифицируются по конструкции, режиму работы, механизму гашения разряда и назначению.

По конструкции различают цилиндрические и торцовые счетчики.

По режиму работы различают пропорциональные газоразрядные счетчики и счетчики Гейгера-Мюллера.

По механизму гашения различают самогасящиеся и несамогасящиеся счетчики разряда. В газоразрядных счетчиках под действием ионизирующего излучения возникает непрерывный разряд, который необходимо автоматически прерывать для регистрации новой частицы. Непрерывный разряд возникает в результате вырывания фотоэлектронов из катода ультрафиолетовым излучением. Источниками ультрафиолетового излучения являются возбужденные атомы и молекулы, образующиеся в процессе газового разряда в счетчике.

Существуют два основных метода гашения разряда. В одном случае применяют гасящие радиотехнические схемы. Последовательно с собирающим электродом включают большое сопротивление (около 109 Ом). При прохождении по сопротивлению ионизационного тока на нем падает значительная часть напряжения источника питания, а напряжение на электродах в этот момент уменьшается, и начавшийся непрерывный разряд обрывается. В более сложных схемах применяют отрицательную обратную связь, которая каждый раз в ответ на возникающий импульс тока в счетчике вырабатывает и подает на счетчик отрицательный импульс напряжения, снижающий разность потенциалов на электродах счетчика. Таким образом, вызывается гашение возникшего непрерывного разряда. Счетчики, в которых гашение разряда происходит посредством воздействия внешних причин (включение большого сопротивления, применение отрицательной обратной связи), называются несамогасящимися.

В настоящее время в основном используются самогасящие счетчики. Непрерывный разряд в них гасится в результате внутренних причин. К основному газу-наполнителю добавляют небольшое количество органических многоатомных веществ (этиловый спирт, метан, ацетон и др.) или галогенов (хлор, йод, бром). Молекулярные добавки поглощают ультрафиолетовое излучение, и непрерывный разряд прекращается. Самогасящие счетчики имеют лучшие параметры, чем несамогасящиеся.

По назначению различают счетчики для б-, в-частиц, г -излучения, нейтронов и счетчики специального назначения. Например, для регистрации жесткого г-излучения применяются цилиндрические счетчики, стенки которых сделаны из тонкой алюминиевой фольги, а для регистрации мягкого г-излучения - торцовые счетчики. г-излучение регистрируется стеклянными счетчиками, катодом которых является напыленный на стекло тонкий токопроводящий слой (алюминий, медь, графит).

Газоразрядные счетчики можно классифицировать и по другим признакам.

Механизм формирования импульса в газоразрядных счетчиках:



1 - стеклянный баллон (корпус); 2 - металлическая нить (анод); 3 - металлический цилиндр или металлизированное покрытие (катод).

Под действием ионизирующего излучения в газоразрядном счетчике возникает ионизационный ток. Этот ток заряжает конденсатор. Через некоторое время конденсатор начинает разряжаться, и разрядный ток проходит через нагрузочное сопротивление, вызывая на нем кратковременное падение напряжения - импульс напряжения (10-4-10-2 В). Слабый импульс напряжения после усиления поступает на преобразующее, а затем на регистрирующее устройство.

Параметры газоразрядных счётчиков.

Газоразрядные счетчики характеризуются следующими параметрами: счетная характеристика счетчика, фон счетчика, разрешающая способность, эффективность и срок службы счетчика.

Счетная характеристика счетчика представляет собой зависимость скорости счета (имп./мин) от радиоактивного источника с неизменной интенсивностью от напряжения, приложенного к счетчику. Счетная характеристика определяется экспериментально и изображается в виде графика. Ее необходимо определять для того, чтобы оценить пригодность счетчика к работе и найти рабочее напряжение, при котором проводят измерения.

Рабочее напряжение выбирают в середине или в первой трети горизонтального участка (плато), на котором скорость счета не зависит от напряжения.

Плато счетчика имеет некоторый подъем (наклон), обусловленный появлением ложных импульсов. Наклон плато - относительное возрастание скорости счета при увеличении напряжения на 1 В. У типов счетчиков наклон плато, как правило, не превышает 0,1-0,15%. В процессе эксплуатации счетчиков наклон плато увеличивается, и поэтому необходимо время от времени снимать их счетную характеристику.

Фон счетчика Nф - средняя скорость счета счетчика при рабочем напряжении в отсутствие радиоактивного источника. Фон счетчика в основном обусловлен космическим излучением, радионуклидами, входящими в материал счетчика, его загрязнением и ложными импульсами. Фон счетчика от космического излучения обычно равен 2-3 имп./мин на 1 см 2 поверхности трубки. Для уменьшения фона от космического излучения счетчики помещают в массивные (свинцовые, стальные, ртутные) светонепроницаемые экраны.

Разрешающая способность счетчика - это время, через которое счетчик может зарегистрировать следующую частицу. При этом разрешающая способность счетной установки в целом определяется не только счетчиком (как детектором излучения), но и всеми ее элементами.

Эффективность счетчика е - отношение числа частиц, вызвавших импульс (n1), к общему числу частиц (n2), попавших в счетчик в единицу времени:

е = (n1/n2)•100%.

Эффективность газоразрядных счетчиков может быть от долей процента до 100%. Эффективность 100% означает, что счетчик на каждую влетевшую частицу выдает один импульс. Такую эффективность имеют некоторые в-счетчики. Эффективность счетчиков к г -излучению примерно 1-3%. Эффективность зависит от конструкции, материала счетчика и энергии излучения.

Срок службы счетчика определяется общим числом зарегистрированных без существенных изменений параметров счетчика частиц. Например, срок службы высоковольтных счетчиков - порядка 109-1010 импульсов. Несамогасящиеся и галогенные счетчики характеризуются более длительным сроком службы.

Определение активности радионуклида на регистрирующих установках.

Существуют два основных метода измерения активности радионуклида на регистрирующих установках: относительный и абсолютный. Сущность относительного метода измерения активности радионуклида состоит в сравнении скорости счета от источника с известной активностью со скоростью счета от источника с неизвестной активностью. Активность радионуклида определяется по формуле:

Ax = Aизв•Nx / Nизв

где Nизв и Nx - скорости счета соответственно от источника с известной и неизвестной активностью, имп./мин; Aизв - активность источника, Бк. Для определения активности радионуклидов относительным методом необходимо иметь большой набор источников по активности, изотопному и химическому составу. При относительном методе определения активности вводят поправки на разрешающее время и фон. Относительный метод прост и точен, но может иметь большую погрешность измерений из-за неэквивалентности сравниваемых источников.

Сущность абсолютного метода измерения активности сводится к определению полной (4р) активности источника. Активность источника рассчитывается как произведение измеренной скорости счета (N, имп./с) от источника на ряд поправочных коэффициентов:

A = Ki•N

где Ki - суммарный поправочный коэффициент, или, иначе, цена деления одного импульса.

3. Люминесцентный метод

Люминесцентный метод дозиметрии основан на способности ионизирующего излучения возбуждать атомы и молекулы среды. Переход атомов и молекул из возбужденного состояния в основное сопровождается испусканием света (видимого, ультрафиолетового). Это явление носит название люминесценции, а вещества, в которых происходит люминесценция, называются люминофорами (сцинтилляторами), сцинтилляционными детекторами. В сцинтилляционных детекторах происходит преобразование энергии излучения в световую вспышку.

Сцинтилляционные детекторы.

Сцинтилляционные детекторы классифицируются по различным признакам.

1. По механизму возникновения световых вспышек. В некоторых сцинтилляционных детекторах световая вспышка возникает в момент прохождения излучения через них, т. е. в очень короткий промежуток времени (10-9-10-7 с). Это явление называется флуоресценцией. Для улучшения флуоресценции в неорганические сцинтилляционные детекторы вводят атомы других веществ, называемых активаторами (Tl, Cu, Ag и др.). Активаторы указываются в скобках после символического обозначения сцинтиллятора: NaI(Tl), ZnS(Ag), CdS(Tl) и т. п. Активатор не является сцинтиллятором, а лишь образует центры флуоресценции. В других сцинтилляционных детекторах под действием ионизирующего излучения возбужденные атомы и молекулы находятся в метастабильном (возбужденном) состоянии длительное время, пока не получат добавочную энергию извне. Только добавочная энергия, полученная, например, в виде ультрафиолетового излучения, позволяет возбужденным атомам перейти в основное состояние с испусканием световых вспышек. Это явление носит название фосфоресценции, а вещества, в которых наблюдается эффект фосфоресценции, - вспышечными сцинтилляторами.

2. По природе. Сцинтилляционные детекторы подразделяются на неорганические (NaI, CsI, KI, LiI, ZnS, CdS и др.) и органические (антрацен, стильбен, нафталин, терфенил и др.).

3. По способу приготовления. Сцинтилляционные детекторы изготовляются в виде монокристаллов, в виде сцинтилляторов, заполимеризованных в прозрачной пластмассе или нанесенных тонким слоем на стекло, органическую пленку или другой прозрачный для света материал. Монокристаллы органических и неорганических веществ имеют наилучшие параметры, но сложны в изготовлении, хрупки, поглощают влагу из воздуха. Для увеличения срока службы кристаллы помещают в герметические алюминиевые контейнеры с оптическим выходом. Однако при наличии контейнера затрудняются измерения излучений малой проникающей способности и небольших энергий. Для регистрации мягкого излучения и излучения с малой проникающей способностью готовят жидкие сцинтилляторы, растворенные в каком-либо растворителе.

4. По агрегатному состоянию сцинтилляторы подразделяются на твердые, жидкие и газообразные. Примером газообразного сцинтиллятора является чистый ксенон, применяемый для регистрации осколков деления.

Сцинтилляционные детекторы можно классифицировать и по другим признакам, например по виду регистрируемого ими излучения. Они должны иметь высокую эффективность преобразования энергии излучения в световую, обладать малым временем высвечивания, быть прозрачными к собственному испускаемому свету.

Сцинтилляционные детекторы в настоящее время нашли широкое применение в дозиметрии, и объясняется это следующими причинами: они обладают высокой эффективностью регистрации ионизирующего излучения, пропорциональностью величины световой вспышки от энергии излучения, малым разрешающим временем, что позволяет измерять большие потоки излучения, просты в изготовлении и эксплуатации.

Наряду с достоинствами сцинтилляционные детекторы имеют недостатки: одинаковая высокая чувствительность одновременно к нескольким видам излучения; длина волны световой вспышки может не совпадать со спектральной чувствительностью фотокатода; наличие собственных шумов фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) в результате тепловой эмиссии электронов с фотокатода; недостаточное стабильное напряжение на электродах ФЭУ.

Структурная схема сцинтилляционного счетчика:

Схема устройства и принцип работы фотоэлектронного умножителя:

Сцинтилляционный счетчик.

Сцинтилляционный счетчик представляет собой совокупность сцинтилляционного детектора с фотоэлектронным умножителем (ФЭУ). ФЭУ предназначен для преобразования вспышек света, возникающих в сцинтилляторе под действием излучения, в электрический сигнал. Многокаскадный электронный умножитель был изобретен в СССР в 1930 г. инженером Л.А. Кубецким.

Под действием излучения в сцинтилляционном детекторе возникают вспышки света, которые попадают на чувствительный слой (чаще всего сурьмяно-цезиевый) фотокатода и выбивают из него фотоэлектроны. С помощью фокусирующего электрода фотоэлектроны попадают на первый динод, из которого они выбивают в результате вторичной эмиссии дополнительные электроны. Фотоэлектроны и дополнительные электроны поступают на следующий динод, и опять происходит дальнейшее увеличение потока электронов и т. д. Таким образом, в ФЭУ происходит умножение электронов, иначе, усиление электронного потока. С последнего динода электроны попадают на анод, связанный с радиотехническим устройством для усиления и регистрации тока.

ФЭУ имеет до 15 динодов, питание ФЭУ осуществляется с помощью делителя напряжения, коэффициент усиления достигает 106.

При работе со сцинтилляционным счетчиком необходимо обеспечить его хорошую светонепроницаемость, защитить его от воздействия внешних магнитных и электрических полей и по возможности обеспечить постоянство температуры и влажности окружающего воздуха. Необходимо также обеспечить хороший оптический контакт сцинтиллятора с фотокатодом ФЭУ. Для этих целей используют жидкость, имеющую показатель преломления, близкий к показателю стеклянного баллона ФЭУ (вазелиновое, кедровое масло).

Фосфоресцентные детекторы

Вспышечные сцинтилляторы способны запасать поглощенную энергию излучения и длительное время сохранять ее, а затем под действием стимулятора освобождать ее в виде вспышки света. Механизм этого явления заключается в следующем. При поглощении энергии излучения, как центрами люминесценции, так и основным веществом вспышечного сцинтиллятора появляются свободные электроны, которые перемещаются до тех пор, пока не будут локализованы (захвачены) в электронных ловушках. При стимулировании вспышечного сцинтиллятора происходит освобождение электронов из ловушек, что приводит затем к рекомбинации их с примесными центрами (центрами люминесценции). Энергия, выделившаяся при рекомбинации, переводит примесные центры в возбужденное состояние, что приводит к испусканию квантов света. По яркости вспышки судят о величине энергии ионизирующего излучения, а, следовательно, о поглощенной дозе излучения.

В зависимости от способа освобождения запасенной энергии излучения люминесцентные детекторы подразделяются на термолюминесцентные и радиофотолюминесцентные.

Термолюминесцентные детекторы находят весьма широкое применение в дозиметрии, особенно индивидуальной. В качестве материалов, обладающих наилучшими термолюминесцентными свойствами, используют CaF₂ (Mn), LiF, алюмофосфатные стекла и др. Освобождение поглощенной энергии излучения происходит под воздействием инфракрасного излучения. При увеличении температуры детектора (300-370°С) происходит термическое высвечивание, при котором яркость свечения максимальна. Максимальная яркость свечения пропорциональна поглощенной дозе.

Важнейшими преимуществами термолюминесцентных дозиметров перед другими являются высокая чувствительность и линейная зависимость яркости вспышки от поглощенной энергии излучения в широком диапазоне поглощенных доз, многократность использования, небольшие габариты, небольшое время измерения, низкая стоимость и стабильность работы при изменении температуры в широком диапазоне. Недостатком термолюминесцентных детекторов, как и многих других, является их низкая чувствительность и то, что они не воздухоэквивалентны, т. е. обладают "ходом с жесткостью" (зависимостью показания прибора от энергии ионизирующего излучения). Для выравнивания хода с жесткостью обычно используют свинцовый фильтр толщиной около 1,3 мм. Фильтр позволяет выравнивать ход с жесткостью в диапазоне энергий от 150 кэВ до нескольких МэВ.

На основе термолюминесцентных детекторов выпускаются комплекты (как многократного пользования, так и аварийные) индивидуальных дозиметров для регистрации поглощенных доз в-, г-, нейтронного излучений, например, МКД типа "А" и "Б", ДВНГ-М и др.

Радиофотолюминесцентные детекторы представляют собой разновидность люминесцентных детекторов. В качестве материала для изготовления радиофотолюминесцентных детекторов используются в основном фосфатные стекла, активированные серебром. При облучении таких стекол возникают центры люминесценции, причем под воздействием ионизирующего излучения такие центры возникают в узкой полосе поглощения (от 330 до 370 нм). Для возбуждения центров радиофотолюминесценции детектор облучают ультрафиолетовым излучением определенной длины волны (365 нм). Для этой цели ультрафиолетовое излучение пропускают через фильтр, который и выделяет нужный спектр.

4. Фотоэмульсионный метод

Фотоэмульсионный метод дозиметрии основан на том, что ионизирующее излучение, воздействуя на фотоэмульсию подобно видимому свету, вызывает потемнение фотоэмульсии.

Различают суммарное воздействие ионизирующего излучения (эффект от которого определяется по общему потемнению фотоэмульсионного слоя) и воздействие от отдельных заряженных частиц. В последнем случае заряженные частицы, попав в чувствительный слой фотоматериалов, оставляют на своем пути следы-треки, по которым судят о числе, энергии, виде заряженных частиц, их ионизирующей способности. Для целей дозиметрии используют оба указанных эффекта.

Фотоэмульсия представляет собой взвесь большого количества мелких кристаллов (зерен) галоидного серебра (обычно AgBr или AgCl) в желатине; она наносится тонким слоем на твердую подложку из стекла, целлулоида, бумаги или другого материала. Фотоэмульсии отличаются друг от друга содержанием галоидного серебра, размерами кристаллов и толщиной фотослоев. Например, в рентгеновской пленке, используемой в дозиметрии, концентрация галоидного серебра составляет 85-87% массы эмульсии (в обычных фотопленках 30-40%), а размер зерен кристаллов колеблется от 0,5 до 3 мкм. В ядерных фотоэмульсиях размер зерен кристаллов ?0,1-0,4 мкм. Толщина эмульсионного слоя в фотоматериале в зависимости от его назначения колеблется от 2 до 100 мкм (в обычной фотографической пленке толщина фотоэмульсии составляет около 20 мкм).

Ионизирующее излучение, проходя через фотоэмульсионный слой, воздействует на кристаллы галоидного серебра. Благодаря ионизации молекул галоидного серебра отдельные зерна (так называемые центры "проявления") распадаются и в результате появляются атомы металлического серебра. В процессе проявления свободные атомы серебра обусловливают интенсивное восстановление металлического серебра в тех зернах галоидного серебра, в которых они находятся. Чем больше ионизация, создаваемая заряженными частицами, и выше чувствительность фотоэмульсии, тем больше эффект почернения. В процессе проявления пленки скрытое изображение становится видимым. После проявления пленка фиксируется для удаления оставшегося металлического серебра. По результатам измерения степени почернения пленки можно получить информацию о поглощенной дозе.

Почернение фотопленок можно фотометрировать с помощью денситометра или рассматривать в микроскоп (для счета треков). Степень почернения фотоматериала характеризуют плотностью почернения его фотоэмульсии:

S = log I0/I,

где S - плотность почернения; I0 - интенсивность видимого света, падающего на проявленную и отфиксированную фотопленку; I - интенсивность прошедшего через этот материал света. Например, если I0/I = 0,1; 0,01; 0,001, то S соответственно будет 1, 2, 3. Денситометры позволяют измерять плотность почернения фотоматериала в пределах от 0,02 до 3 единиц.

Фотоэмульсионный метод получил широкое распространение при индивидуальном контроле персонала для регистрации поглощенных доз в-, г-излучений, тепловых и быстрых нейтронов. При использовании рентгеновской пленки типа "рентген X" диапазон измерения доз 0,5-15 рад, а типа "рентген XX" 0,05-3 рад. Также применение находят пленки, используемые в обычной фотографии, которые позволяют измерять поглощенную дозу г-излучения до 1000 рад, а при специальной технике обработки пленки даже до 5000 рад.

Если использовать кадмиевый фильтр, то фотоэмульсионный метод можно успешно применять для регистрации поглощенных доз от тепловых нейтронов. В этом случае тепловые нейтроны, взаимодействуя с кадмием по реакции (n, г), дают г -излучение, которое при взаимодействии с эмульсией вызывает ее почернение, пропорциональное поглощенной дозе тепловых нейтронов. Для измерения доз быстрых нейтронов используют толстослойные водородсодержащие пленки. В этом случае быстрые нейтроны образуют в водородсодержащем материале протоны отдачи, которые оставляют в фотоэмульсии вдоль пути прохождения след (трек). По количеству треков судят о поглощенной дозе или потоке нейтронов.

Вследствие того, что фотоэмульсионные пленки от партии к партии имеют различие в характеристиках, необходимо перед проявлением и фиксированием пленок, выданных персоналу, снять градуировочную характеристику для той же партии пленок. Для снятия градуировочной кривой берется аттестованный источник ионизирующего излучения с известными характеристиками и нарезанные из того же материала, что и выданные персоналу пленки. При облучении пленки в кассетах располагаются вокруг источника на строго рассчитанных расстояниях, которые соответствуют определенным дозам за время облучения. Одну пленку оставляют фоновой для определения степени ее почернения (вуали) в отсутствие поля ионизирующего излучения. После облучения строится график зависимости

S = f(Д).

Проявление и фиксирование рабочих, градуировочных и вуальной пленок производится одновременно в одних и тех же растворах.

Фотоэмульсионный метод регистрации ионизирующих излучений имеет ряд преимуществ перед другими методами: пленки могут продолжительное время сохраняться как документ, дозиметры имеют малые размеры, низкую стоимость, возможность регистрации нескольких типов излучений. Наряду с этим метод имеет и ряд недостатков: ход с жесткостью, фотоматериалы не могут длительно храниться без употребления, имеются трудности и неудобства с обработкой пленок. Однако, несмотря на ряд недостатков, фотоэмульсионный метод весьма распространен в практике работы дозиметрических служб.

5. Химический метод

Применение химических методов дозиметрии, как правило, связано с измерением больших доз (от десятков до нескольких тысяч рад) г-, нейтронных, протонных и смешанных полей от мощных облучательных установок и источников ионизирующих излучений. В дозиметрической практике используются жидкие, твердые и газообразные химические вещества, на их основе и созданы жидкие, твердые и газообразные химические дозиметры.

Жидкие химические дозиметры представляют собой водные растворы специально подобранных веществ. Действие ионизирующего излучения на водный раствор можно условно разделить на три стадии: физическую, физико-химическую и химическую. На первой стадии происходит ионизация и возбуждение молекул воды. На второй стадии возбужденные молекулы претерпевают ряд превращений, в результате которых возникают химически активные свободные радикалы (H•, OH•, HO_•2) и весьма сильный окислитель - перекись водорода H₂O₂. На третьей стадии свободные радикалы, избежавшие рекомбинации, вступают в химические реакции с веществами, растворенными в воде. В итоге происходит изменение оптической плотности раствора, которая в определенных пределах пропорциональна поглощенной дозе ионизирующего излучения.

Радиолиз органических жидкостей существенно отличается от радиолиза воды. Как в том, так и в другом случае механизм воздействия ионизирующих излучений на неорганические и органические жидкости весьма сложен и до конца не изучен.

Выход продуктов радиолиза или изменение оптической плотности жидкостей после их облучения определяется экспериментально.

Для количественной характеристики действия ионизирующего излучения на химическую систему вводится понятие химического выхода реакции - число характерных превращений на 100 эВ поглощенной энергии. Зная химический выход реакции, нетрудно рассчитать и поглощенную дозу:

Д = 9,64•108 • M / (G•с

где M - концентрация продукта, моль/л; G - химический выход реакции, молекул/100 эВ; с - плотность раствора, г/см ³.

Из жидких химических дозиметров наибольшее применение получили ферросульфатный и цериевый.

Ферросульфатный дозиметр представляет собой раствор сульфата двухвалентного железа (FeSO₄•7H₂O) или раствор железоаммонийных квасцов (NH4)2[Fe(SO₄)₂] в разбавленной серной кислоте. Под воздействием ионизирующего излучения двухвалентное железо Fe₂+ окисляется в трехвалентное Fe₃+, количество которого и служит мерой поглощенной энергии ионизирующего излучения. Концентрацию Fe3+ можно определить различными методами: спектрофотометрическим, методом эталонных растворов, потенциометрическим титрованием и др. Ферросульфатный метод отличается высокой точностью (погрешность измерения до 2%), быстротой определения дозы, широким диапазоном измеряемых доз (5-2•105 рад).

Если в ферросульфатный дозиметр добавить определенное количество лития или бора (в виде соли), то им можно измерять плотность потока тепловых нейтронов. В случае необходимости разделения химического действия нейтронов и г -излучений используют два ферросульфатных дозиметра: один с поглотителем тепловых нейтронов, а другой без него. Разность выхода в обоих дозиметрах определяет дозу от г - и нейтронной составляющих.

Другим примером жидких химических дозиметров является цериевый дозиметр. Он представляет собой водный раствор четырехвалентного сернокислого церия в разбавленной соляной кислоте. Продукты радиолиза воды в этой системе восстанавливают четырехвалентный церий Ce₄+ в трехвалентный Ce₃+. Наряду с реакцией восстановления идет реакция окисления трехвалентного церия в четырехвалентный. Результирующий выход реакции представляет собой разность выхода восстановительно-окислительного процесса. Концентрацию четырехвалентного церия определяют титрованием или спектрофотометрическим методом. Показания цериевого дозиметра не зависят от энергии ионизирующего излучения в пределах 0,1-25 МэВ и мощности поглощенной дозы до 108 рад/с. Диапазон измеряемых доз 9•103-108 рад.

Химические жидкие дозиметры представляют собой запаянные стеклянные ампулы, наполненные специально подобранными растворами. Рецептура водных растворов подбирается обычно таким образом, чтобы заметное изменение окраски происходило при воздействии определенных доз ионизирующего излучения. Набор таких ампул представляет собой химический дозиметр. Для оценки дозы ионизирующего излучения используют набор эталонов окрасок, соответствующий определенным дозам облучения, или прибор, фиксирующий изменение окраски водных растворов в зависимости от поглощенной дозы.

Твердые химические дозиметры изготовляют на основе полимерных пленок или стекол. В качестве полимерных дозиметров используют пленки из различных полимерных материалов, таких как поливинилхлорид, целлофан, полиэтилен, ацетат, триацетат и др. Под действием ионизирующего излучения полимерные пленки изменяют оптическую плотность в линейной зависимости от дозы излучения. При этом в зависимости от величины дозы излучения может происходить окрашивание некоторых полимерных пленок, например, пленки из поливинилхлорида с увеличением дозы окрашиваются в зеленый, желтый, янтарно- и красно-коричневый цвета. В дозиметрии, кроме прозрачных пленок, употребляют и пленки с добавлением различных красителей, например, поливинилхлорид с метиленовым голубым.

Полимерные дозиметры пригодны для измерения лишь больших доз излучения (104-107 рад); они удобны в обращении, механически прочны, но имеют недостаток - зависимость показаний дозиметра от энергии излучения.

У стеклянных дозиметров определение дозы основано на изменении оптической плотности стекла. Стеклянные дозиметры используются в широком диапазоне доз (от нескольких миллирад до 1010 рад); в области низких энергий фотонов дозиметры имеют значительный ход с жесткостью. Для полного или частичного устранения его стеклянные диски или пластинки помещают в компенсирующие фильтры.

В газовых дозиметрах под действием ионизирующего излучения образуются газообразные продукты или происходит полимеризация веществ, находящихся в дозиметре. Изменение состояния газовой среды дозиметров пропорционально поглощенной дозе. Примером газового дозиметра может служить дозиметр, представляющий собой тонкостенный кварцевый сосуд, заполненный закисью азота N₂O. Под действием в-, г-излучения в диапазоне доз 106-109 рад образуются газообразные продукты: азот N₂, кислород O₂ и двуокись азота NO₂, содержание которых нетрудно определить обычными химическими методами. Для измерения доз от тепловых нейтронов в закись азота добавляют нейтронозахватывающие добавки (окись бора или лития), вызывающие реакцию (n, г). Для определения поглощенной дозы от смешанных потоков г - излучения, быстрых и тепловых нейтронов используют дозиметры с водным раствором йодистого калия KI. Под действием излучения из раствора выделяются водород и кислород, по содержанию которых судят о поглощенных дозах.

6. Калориметрический метод

При взаимодействии ионизирующего излучения с веществом поглощенная энергия в конечном итоге превращается в тепловую при условии, если поглощаемое вещество является химически инертным к излучению. Количество тепла, выделяемого в поглощающем веществе, можно измерить различными калориметрическими методами.

Количество тепла Q, выделенное радионуклидом, можно определить, если известна энергия E, освобождающаяся при одном акте распада, и активность препарата:

Q = 3,7•1010 •A•з•E

где A - активность препарата, Ки; з - коэффициент, показывающий долю излучения, поглощенную в данном калориметре. Для б- и в-частиц з = 1.

Количество тепла, соответствующее полному поглощению излучения от радиоактивного препарата пропорционально активности препарата, и поэтому калориметрический метод является одним из основных абсолютных методов в метрологии ионизирующих излучений, применяемых для определения активности эталонных препаратов. Калориметрический метод позволяет непосредственно измерить переданную веществу энергию ионизирующего излучения, а, следовательно, и абсолютно определить поглощенную дозу излучения в этом веществе. С помощью соответствующих эталонов воспроизводится единица поглощенной дозы излучения или единица мощности поглощенной дозы, что весьма важно для метрологии ионизирующего излучения.

Калориметры широко используют для измерения поглощенной дозы; для абсолютного измерения активности долгоживущих радионуклидов, период полураспада которых значительно больше времени, необходимого для установления в калориметре термодинамического равновесия; для измерения мощных потоков ионизирующих излучений, например, при исследованиях на ядерных реакторах.

Недостатками калориметрического метода регистрации ионизирующих излучений являются сложность аппаратурного оформления, необходимость создания строго стационарного режима термостатирования, трудность в создании компактной аппаратуры.

7. Регистрация ионизирующего излучения полупроводниковыми детекторами

Основной областью полупроводникового детектора является обедненная носителями область p-n-перехода. Ионизирующая частица, попадая в обедненную область детектора, в результате неупругих столкновений с электронами отдает им свою энергию и образует пары "электрон-дырка". Для образования одной электронно-дырочной пары в полупроводниках требуется незначительная энергия: в кремнии 3,6 эВ, в германии 2,94 эВ. При этом для образования одной ионной пары в воздухе расходуется энергия около 34 эВ, т. е. на порядок больше. Следовательно, эффективность полупроводниковых детекторов в несколько раз выше ионизационных. Плотность вещества полупроводникового детектора в несколько тысяч раз больше плотности газа или воздуха, поэтому габариты полупроводниковых детекторов значительно меньше ионизационных. Полупроводниковые детекторы отличаются от газовых высокой подвижностью электронов и дырок как носителей зарядов. Если пробеги заряженных частиц полностью укладываются внутри обедненного слоя, то зависимость между энергией частицы и амплитудой импульса напряжения будет линейной, так как амплитуда импульса пропорциональна собранному по емкости заряду. Перечисленные преимущества полупроводниковых детекторов по сравнению с газовыми и ионизационными делают их перспективными для создания высокоэффективных детекторов.

Наряду с преимуществами полупроводниковые детекторы имеют ряд существенных недостатков, не позволяющих широко использовать их в практике дозиметрических служб. Основные из них следующие: зависимость дозовой чувствительности от энергии излучения; неопределенность величины чувствительного объема полупроводникового детектора; сравнительно высокая стоимость.

Наиболее практичными материалами для изготовления полупроводниковых детекторов оказались кремний и германий. Наибольшее применение в практике работы нашли поверхностно-барьерные, диффузионно-дрейфовые и литиево-дрейфовые полупроводниковые детекторы.

Для изготовления поверхностно-барьерных детекторов берется тонкая пластинка кристалла кремния, на одной стороне которой создаются очень тонкий слой проводимости p-типа за счет травления в специальном составе кислот и n-p-переход. Затем изготовляются электрические контакты. С одной стороны контакт состоит из никеля, с другой - из золота (путем напыления в вакууме его тонкого слоя).

Диффузионные детекторы являются разновидностью поверхностно-барьерных детекторов. Отличие заключается в том, что напряжение к ним прикладывается обратное. Глубина чувствительного слоя диффузионных детекторов значительно больше, чем у поверхностно-барьерных. Она колеблется от сотен микрон до 2 мм.

Диффузионные детекторы весьма эффективно используются для счета в-частиц средних энергий и для регистрации ускоренных заряженных частиц.

Диффузионно-дрейфовые детекторы n-i-p-типа отличаются от поверхностно-барьерных детекторов технологией изготовления и сложностью структуры. В результате определенных технологических процессов создается кристалл со сложной структурой: с одного края n-проводимость, с другого p-проводимость, а в середине располагается i-слой, где специально скомпенсированы все примеси. Это обеспечивается благодаря диффузии, а затем дрейфа ионов лития вглубь кристалла германия или кремния. Под действием электрического поля и высокой температуры (около 400°С) ионы лития и компенсируют акцепторы.

...