Размещено на http://allbest.ru

Министерство энергетики Украины

Севастопольский национальный университет ядерной энергии и промышленности

Кафедра дозиметрии и РТК

Пояснительная записка

К курсовому проекту по учебной дисциплине

«Основы ядерной физики, радиохимии и дозиметрии»

На тему:

«Расчёт блока детектирования мощности дозы гамма-излучения»

Исполнитель:

Студентка Громова А.В.

Руководитель курсового проекта

Афанасьев А.В.

Севастополь 2008

Содержание

• 1. Понятие о гамма-излучении
• 2. Выбор типа детектора
• 2.1 Режимы работы ГРС. Классификация счётчиков в зависимости от области работы
• 2.2 Методы гашения разряда
• 3. Параметры счёта
• 3.1 Разрешающая способность
• 3.2 Эффективность счетчика
• 3.3 Счетная характеристика. Плато счетчика
• 3.4 Энергетическая зависимость чувствительности
• 4. Рабочая (нагрузочная) характеристика счётчика
• 5. Принцип включения счётчика
• 6. Возможность измерения нейтронов в ГРС
• 7. Выбор детектора и расчёт параметров
• 7.1 Расчёт минимальной скорости счёта, исходя из допустимой основной погрешности
• 7.2 Определение габаритов счётчика
• 7.3 Расчёт чувствительности ГРС
• 7.4 Расчёт ЭЗЧ и подбор компенсационных фильтров
• Вывод

1. Понятие о гамма-излучении

Гамма-излучение - это коротковолновое электромагнитное излучение, с энергией Ег = 0,01-10 МэВ. На шкале электромагнитных волн оно граничит с жестким рентгеновским излучением, занимая область более высоких частот.

Гамма-излучение обладает чрезвычайно малой длинной волны (л = 10 ^-8 - 10^-11см) и вследствие этого ярко выраженными корпускулярными свойствами, т.е. ведет себя подобно потоку частиц - гамма квантов, или фотонов, с энергией hн (н- частота излучения, h - постоянная Планка).

Гамма- излучение возникает при ядерных реакциях, б- и в -распадах радиоактивных ядер, элементарных частиц, при аннигиляции пар частицы-античастица, а также при прохождении быстрых заряженных частиц через вещество.

Гамма-излучение, сопровождающее распад радиоактивных ядер, испускается при переходах ядра из более возбужденного энергетического состояния в менее возбужденное или в основное.

Испускание ядром г-кванта не влечет за собой изменения атомного номера или массового числа, в отличие от других видов радиоактивных превращений.

Ширина линий гамма-излучений чрезвычайно мала (~10^-2 эВ). Поскольку расстояние между уровнями во много раз больше ширины линий, спектр гамма-излучения является линейчатым, т.е. состоит из ряда дискретных линий.

Гамма-излучение обладает большой проникающей способностью, т.е. может проникать сквозь большие толщи вещества без заметного ослабления.

Основные процессы, происходящие при взаимодействии гамма-излучения с веществом это: фотоэлектрическое поглощение (фотоэффект), комптоновское рассеяние (комптон-эффект) и образование пар электрон-позитрон.

Действие на организм гамма-излучения подобно действию других видов ионизирующих излучений, более опасно для организма человека внешнее облучение.

Гамма-излучение может вызывать лучевое поражение организма, вплоть до его гибели.

Характер влияния гамма-излучения зависит от энергии г-квантов и пространственных особенностей облучения, например, внешнее или внутреннее.

Относительная биологическая эффективность гамма-излучения составляет 0,7-0,9. В производственных условиях (хроническое воздействие в малых дозах) относительная биологическая эффективность гамма-излучения принята равной 1.

Гамма-излучение используется в медицине для лечения опухолей, для стерилизации помещений, аппаратуры и лекарственных препаратов. Гамма-излучение применяют также для получения мутаций с последующим отбором хозяйственно-полезных форм.

Гамма-излучение находит применение в технике, например для обнаружения дефектов в металлических деталях - гамма-дефектоскопия.

В радиационной химии гамма-излучение применяется для инициирования химических превращений, например процессов полимеризации.

Таким образом, на сегодняшний день гамма-излучение получило широкое практическое применение, несмотря на то, что оно опасно для организма человека и в то же время неощущаемое, поэтому для его обнаружения и измерения необходимы специальные приборы.

Основной частью приборов для регистрации излучений является элемент, воспринимающий излучения, - детектор излучения.

Для этой цели используются счетчики разных типов, позволяющие зарегистрировать попавшую в него частицу в виде кратковременного электрического тока - импульса.

Наиболее широкое применение имеют газоразрядные счетчики, работа которых основана на ионизирующем действии ядерного излучения.

В данном курсовом проекте основной задачей является разработка проекта блока детектирования гамма-излучения, путём проведения необходимых расчётов: выбора стандартного или разработки нестандартного детектора, проведения проверочного расчёта, расчета ЭЗЧ блока, подбора необходимых компенсирующих фильтров, при необходимости и разработки принципиальной электрической схемы блока.

2. Выбор типа детектора

Газоразрядный счетчик используется для измерения радиоактивных излучений малой интенсивности. Высокая чувствительность счетчика позволяет измерять интенсивность излучения в десятки тысяч раз меньше той, которую удается измерить ионизационной камерой. Принципиальное отличие газоразрядного счётчика от ионизационной камеры состоит в том, что в счётчике происходит усиление ионизационного тока за счёт ударной ионизации, которая имеет место в сильных электрических полях.

Наибольшее распространение получили две конструкции газоразрядных счётчиков: цилиндрические и торцевые. Газоразрядный счетчик представляет собой полый герметичный металлический или стеклянный цилиндр, заполненный разряженной смесью инертных газов (аргон, неон) с некоторыми добавками, улучшающими работу счетчика (пары спирта).

Внутри цилиндра, вдоль его оси, натянута тонкая металлическая нить (анод) диаметром 0,1-0,5 мм., изолированная от цилиндра. Катодом служит металлический корпус или тонкий слой металла, нанесенный на внутреннюю поверхность стеклянного корпуса счетчика.

К металлической нити и токопроводящему слою (катоду) подают напряжение электрического тока. У торцевых счётчиков один конец нити впаян в баллон, а на другом на расстоянии 1-3 мм от поверхности укреплена бусинка из изолирующего материала, предотвращающая возникновение ложных разрядов с острия нити.

Применение цилиндрических счётчиков позволяет получить высокую напряженность электрического поля в небольшом объёме вокруг анода, достаточную для лавинообразной вторичной ионизации. Использование для наполнения благородных газов обусловлено наличием у них малого коэффициента прилипания электронов, благодаря чему перенос отрицательных зарядов в счётчике осуществляется электронами. Это способствует ускорению процесса развития газового разряда и сокращению длительности импульса. Использование воздуха нецелесообразно, так как входящий в состав воздуха кислород легко захватывает электроны, образуя малоподвижные отрицательные ионы.

Давление газа в счётчике составляет 1300-4000 Па (10-30 мм.рт.ст.). При пониженном давлении возрастает длина свободного пробега электрона между соударениями с атомами газа, что способствует приобретению им кинетической энергии, достаточной для ударной ионизации.

Рассмотрим принцип работы газоразрядного счётчика при попадании в его объём заряженной частицы. В газоразрядных счетчиках используют принцип усиления газового разряда. В отсутствие радиоактивного излучения свободных ионов в объеме счетчика нет.

Следовательно, в цепи счетчика электрического тока также нет. При воздействии радиоактивных излучений в рабочем объеме счетчика образуются заряженные частицы. Электроны, двигаясь в электрическом поле к аноду счетчика, площадь которого значительно меньше площади катода, приобретают кинетическую энергию, достаточную для дополнительной ионизации атомов газовой среды. Выбитые при этом электроны также производят ионизацию.

Таким образом, одна частица радиоактивного излучения, попавшая в объем смеси газового счетчика, вызывает образование лавины свободных электронов. На нити счетчика собирается большое количество электронов. В результате этого положительный потенциал резко уменьшается и возникает электрический импульс. Регистрируя количество импульсов тока, возникающих в единицу времени, можно судить об интенсивности радиоактивных излучений.

2.1 Режимы работы ГРС. Классификация счётчиков в зависимости от области работы

Коэффициент газового усиления М, как мера увеличения ионизационного эффекта, а соответственно и амплитуда импульса газоразрядного счётчика сложным образом зависят от напряжения на его электродах. На характер этой зависимости оказывает влияние и величина начальной ионизации.

Рассмотрим зависимость амплитуды импульса счётчика от напряжения на его электродах при различной величине начальной ионизации, вызванной попаданием в счётчик заряженных частиц. (Рис.1)

Рис. 1. Зависимость амплитуды импульса от напряжения на электродах счётчика

При напряжениях от 0 до U1 на электродах счётчика последний работает как импульсная ионизационная камера.

Вначале, при малых напряжениях на электродах, с ростом напряжения U растет пропорционально и ток и амплитуда импульса, но, начиная с некоторого значения напряжения Uн, ток достигает насыщения и не изменяется при дальнейшем росте U в значительном интервале напряжения, соответственно и амплитуда импульса также.

Объясняется это тем, что при малых напряжениях не все ионы, образовавшиеся под действием излучения, достигают электродов. Часть их сталкивается с ионами противоположного знака и рекомбинирует.

При напряжениях Uн и выше электрическое поле настолько велико, что все образующиеся ионы растаскиваются к противоположным электродам. Этот ионизационный ток получил название тока насыщения, так как его величина не зависит от напряжения и определяется только числом образующихся ионов в единицу времени.

Так как одна ионизирующая частица создает очень малый импульс тока (exp(-14)A), то без предварительного усиления не может быть измерен даже чувствительными гальванометрами.

Поэтому ионизационные камеры, как правило, делают больших размеров и применяют для регистрации (в отличие от счетчика) целого потока ионизирующих частиц.

Итак, в области 0-U1 коэффициент газового усиления М=1, величины амплитуд импульсов строго пропорциональны начальной ионизации.

При напряжении в счётчике выше U1 в нём возникает ударная ионизация, сопровождающаяся ростом тока в импульсе. Это означает, что в газе появляются дополнительные свободные электрические заряды. Электроны, образованные первоначальным действием радиации на нейтральные атомы газа, сильно ускоряются электрическим полем, т.к. они обладают малой массой и, следовательно, инерцией.

При этом электроны приобретают большую кинетическую энергию, пропорциональную квадрату скорости, и сами становятся быстрыми частицами, способными производить ионизацию при столкновении с нейтральными молекулами и атомами.

Если электрон (бета-частица) пролетает так близко от электрона внешней оболочки атома, что возникающая между ними сила отталкивания превышает силы, удерживающие электрон в атоме, он вылетает за пределы последнего.

Такой механизм образования ионов получил название ударной ионизации, а вся область напряжений, при которых она возникает --области ударной ионизации. За счет ударной ионизации можно получить значительное увеличение ионизационных токов.

Отношение полного числа ионов, пришедших к нити счетчика, к числу первичных ионов, созданных ионизирующей частицей, получило название коэффициента газового усиления.

Величина его зависит от приложенного напряжения и может превосходить 10 млн. Так как газоразрядные счетчики работают в режимах, соответствующих области ударной ионизации, то за счет газового усиления они значительно превосходят ионизационные камеры по своей чувствительности.

В области U1-U2 коэффициент газового усиления М>1. По мере повышения напряжения область вокруг анода, в которой происходит ударная ионизация, увеличивается, растёт коэффициент газового усиления и соответственно амплитуда импульса.

В этой области они не зависят от начальной ионизации, а зависят только от напряжения на счётчике. Следовательно, число электронов, попадающих на анод, пропорционально числу первичных электронов, тогда амплитуда импульса при любом напряжении на счётчике пропорциональна первоначальной ионизации. Поэтому рассматриваемая область называется пропорциональной областью, а счётчики, работающие в этой области - пропорциональными.

Пропорциональная зависимость между амплитудой импульсов сохраняется лишь до тех пор, пока общее количество образованных ионов в области ударной ионизации невелико.

При напряжениях на счётчике выше U2 размеры области ударной ионизации растут, а потому растёт и количество пар ионов, создаваемых за счёт ударной ионизации.

В этой области коэффициент газового усиления начинает зависеть от начальной ионизации. Чем больше начальная ионизация, тем меньше коэффициент, и тем медленнее он растёт с ростом напряжения на счётчике. Это хорошо видно при рассмотрении кривых в области от U2 до U3. Здесь кривые постепенно сближаются, и при U3 сходятся в одной точке.

Таким образом, в отличии от пропорциональной области линейная связь между амплитудой импульса и начальной ионизацией на этом участке нарушается.

Поэтому рассматриваемая область напряжений называется областью ограниченной пропорциональности, а счётчики, работающие в этой области - ограниченно-пропорциональными.

При напряжении на счётчике, превышающем U3, амплитуды импульсов не зависят от начальной ионизации, а зависят только от величины напряжения. В результате ударной ионизации и вторичных процессов разряд через очень маленький промежуток времени распространяется по всей длине анода.

Конечной стадией газового разряда является нейтрализация положительных ионов на катоде. Однако в счётчиках, наполненных инертным газом, разряд после нейтрализации положительных ионов на катоде не прекращается и, если не принять специальных мер, будет продолжаться непрерывно.

Повторные разряды вызываются свободными электронами, которые появляются в рабочем объёме счётчика в процессе нейтрализации положительных ионов. Подошедший к катоду положительный ион, обладающий большой потенциальной энергией, вырывает с его поверхности электрон и нейтрализуется.

При этом образовавшийся нейтральный атом сохраняет остаточную энергию в виде энергии возбуждения.

Переход возбуждённого атома в основное состояние сопровождается испусканием кванта ультрафиолетового излучения, вызывающего фотоэффект на катоде. А т.к. к этому времени напряженность электрического поля в счётчике успевает восстановиться почти до первоначального значения, то в области ударной ионизации эти фотоэлектроны вызовут новую вспышку газового разряда.

Данное явление будет повторяться непрерывно без внешнего инициатора, и в счётчике возникнет непрерывный разряд. Такой самоподдерживающийся разряд называется самостоятельным, а область напряжений от U3 до U4 областью самостоятельного разряда.

Счётчики, работающие в этой области, называют счётчиками с самостоятельным разрядом. В настоящее время эти счётчики получили широкое применение в аппаратуре радиационного контроля.

Применение счётчиков с самостоятельным разрядом для регистрации излучений возможно только в случае погашения разряда. В зависимости от применяемого способа гашения разряда счётчики делятся на несамогасящиеся (счётчики Гейлера-Мюллера) и самогасящиеся. В несамогасящих счётчиках гашение осуществляется радиоэлектронными схемами (внешнее гашение).

В самогасящихся счётчиках гашение достигается за счёт введения в рабочий объём счётчика специальных гасящих примесей (внутреннее гашение).

При напряжениях на счётчике выше U4 в нём развивается непрерывный самопроизвольный разряд, который уже не вызывается ионизацией. Данную область называют областью самопроизвольного разряда.

Разновидностью самостоятельного разряда является коронный разряд, который не нуждается для своего поддержания в действии внешнего ионизатора. Коронный разряд возникает тогда, когда имеет место резко выраженная неоднородность электрического поля в рабочем объёме счётчика. Корона у анода возникает в виде тонкого слоя светящегося газа, который называется коронирующим слоем.

В нём идёт усиленное образование электронно-ионных лавин. Остальное пространство между электродами представляет собой внешнюю область короны, в которой отсутствуют свободные электроны. Носителями тока являются в основном положительные ионы.

Таким образом через счётчик протекает ток, называемый током короны.

2.2 Методы гашения разряда

Рассмотрим более подробно методы гашения непрерывного разряда в самогасящих счётчиках и счётчиках Гейлера-Мюллера. Попадание следующей ионизационной частицы в “зажженный” счетчик не может заметно изменить величину тока и, следовательно, не будет зарегистрировано.

Поэтому необходимо автоматически прерывать разряд в счетчике Гейгера и, таким образом, подготовлять счетчик к регистрации новой частицы.

Существуют два основных метода гашения разряда:

1. Применение гасящих радиотехнических схем;

2. Заполнение счетчиков подобранными смесями газов. Именно в соответствии с этим, в первом случае счетчики называют несамогасящимися, во втором - самогасящимися.

Простейшая схема состоит из большого (миллиарды Ом) сопротивления, включенного последовательно с анодом счетчика. При прохождении по этому сопротивлению импульса тока на нем падает значительная часть напряжения источника питания, а напряжение на электродах в этот момент уменьшается.

Начавшийся непрерывный разряд обрывается, так как счетчик оказывается переведенным в режим области пропорционального счета или даже тока насыщения. В более сложных схемах гашения обычно используется своего рода отрицательная обратная связь. В ответ на возникший в счетчике импульс тока специальная радиотехническая схема вырабатывает отрицательный импульс напряжения.

Этот отрицательный импульс подается на счетчик, снижает разность потенциалов на электродах и, таким образом, вызывает прекращение газового разряда в счетчике. Недостатком рассмотренного способа гашения является низкая разрешающая способность.

В настоящее время почти исключительно используются самогасящиеся счетчики, которые обладают рядом преимуществ (быстрота действия, упрощение схемы включения, и др.).

Чтобы сделать счетчик самогасящимся, нужно, очевидно, ограничить явления, способствующие установлению непрерывного разряда в счетчике. Прежде всего следует избежать вырывания электронов из катода при поглощении на нем ультрафиолетового излучения, так как это является главной причиной образования непрерывного разряда.

Появление самопроизвольных ложных импульсов вслед за регистрацией настоящего импульса, вызванного частицей, попавшей в счетчик, следует связывать с выбиванием электронов из катода положительными ионами и с высвечиванием так называемых метастабильных атомов.

Оказалось, что для этого, что для этого к обычному наполнителю - одноатомному газу, например аргону, следует добавить до 10% газа или паров многоатомных молекул некоторых веществ (этиловый спирт, метан, хлор, и др.).

Возможно подобрать такое сочетание газов в смеси, что образующиеся фотоны будут полностью поглощаться многоатомными молекулами на расстоянии в 1-2 мм. от места их возникновения и не смогут поэтому все долететь до катода и вызвать заметный фотоэффект.

При этом многоатомные молекулы либо ионизируются, либо диссоциируют на радикалы - распадаются на части.

В настоящее время галогенные и спиртовые счётчики получили широкое применение, благодаря ряду своих свойств. Для галогенных счётчиков это: низкое рабочее напряжение 300-340 В, (в то время как для спиртовых 500-1000 В), широкий интервал рабочих температур и большой срок службы (до 10¹² импульсов), определяемый лишь разрушением анода в результате бомбардировки электронами, в то время к их недостаткам относятся большое время развития заряда (около 10^-5 с), что связано с захватом электронов галогеном с образованием отрицательных ионов.

3. Параметры счёта

Параметры газоразрядных счетчиков определяются не только конструкцией, материалом, из которого изготовлены электроды, составом и давлением наполняющих счетчик газов, но и технологией изготовления: для получения стабильных результатов требуется высокая чистота и культура производства. Основными характеристиками счетчика являются: максимальная скорость счета или разрешающая способность, эффективность, чувствительность, уровень натурального (темнового) фона, вольтамперная характеристика, допустимая интенсивность облучения, счетная характеристика, рабочее напряжение счёта и т.д.

3.1 Разрешающая способность

Максимальная скорость счета, т.е. наибольшее число импульсов, которые могут возникнуть в счетчике за 1 сек, очевидно, зависит от длительности так называемого “мертвого времени”, в течение которого счетчик не способен ответить импульсом на влетевшую в него частицу.

Обозначая разрешающую способность счетчика через Nmax [имп/сек], можем её связь с мертвым временем выразить формулой:

Nmax =1/ tм,

где tм - «мёртвое» время счётчика

Для определения полного числа частиц, попавших в счетчик, нужно внести поправки на просчет, т.е. на те незарегистрированные частицы, которые попали внутрь счетчика в течение мертвого времени:

N=Nизм/(1-Nизмtм)

3.2 Эффективность счетчика

Эффективность счетчика характеризует способность счетчика реагировать на то или иное излучение. Численно она равна отношению числа частиц, вызвавших импульсы, к общему числу частиц, попавших в счетчик за единицу времени. Обычно эффективность обозначают в процентах.

е=Nc/Nn,

где Nс - число частиц или квантов, вызвавших процессы, позволяющие провести их регистрацию

Nп - полное число частиц или квантов.

Необходимым условием регистрации г-квантов является поглощение его в счётчике, сопровождающееся образованием вторичного электрона. Причём поглощённый квант будет зарегистрирован только в том случае, если образованный им электрон попадёт в чувствительный объём счётчика и вызовет газовый разряд.

Вследствие большой проникающей способности г-квантов вероятность их поглощения счётчиком очень мала, поэтому эффективность регистрации счётчиков к г-квантам составляет от нескольких десятых до 1-2%.

Эффективность счётчика весьма сложно зависит от энергии г-квантов, атомного номера материала корпуса (катода) и его толщины. Характерная зависимость эффективности счётчиков от энергии г-излучения приведена на рис.2.



Рис. 2. Зависимость эффективности счётчиков от энергии г-излучения при оптимальной толщине катода: 1-алюминий, 2-латунь

Как видно из графика, эффективность регистрации не высока и резко изменяется с изменением энергии г-квантов. Увеличение эффективности в области очень малых энергий связано с резким ростом поглощения г-квантов за счёт фотоэффекта. Чем выше атомный номер материала корпуса и больше его толщина, тем выше вероятность взаимодействия г-квантов и, следовательно, эффективность счётчика.

3.3 Счетная характеристика. Плато счетчика

Знание счетной характеристики позволяет поставить счетчик в нормальный режим работы, позволяет оценивать качество счётчика и, следовательно, возможность его использования для регистрации излучения, выбрать величину рабочего напряжения, при котором счётчик работает стабильно, определить напряжение начала счёта. Обычно счетная характеристика представляет собой график зависимости числа импульсов в единицу времени от напряжения на электродах.

На рис. 3 изображена типичная счетная характеристика, видно, что при напряжениях, меньших начала счета U1 , счетчик не считает, не пригоден к работе, т.к. нет ударной ионизации, поскольку мало напряжение. Затем с увеличением напряжения до U2 (начало плато) число регистрируемых в минуту импульсов резко возрастает при увеличении напряжения, а затем остается примерно постоянным до значения напряжения U3 (конец плато).

Этот горизонтальный участок U2-U3 получил название плато и является рабочим участком характеристики. Чем больше ширина и меньше наклон плато, тем выше качество счётчика. Наклон плато обусловлен ложными импульсами. Счётчик пригоден к работе, если U3-U2 ?100 В.

Рис. 3. Счётная характеристика ГРС

3.4 Энергетическая зависимость чувствительности

Отношение чувствительности прибора при данной энергии Егх к чувствительности при образцовой энергии (Е г_обр) называется энергетической зависимостью чувствительности. Ход зависимости показан на рис. 5.



Рис. 4. Энергетическая зависимость чувствительности ГРС

Для расчётов ЭЗЧ при проектировании ГРС используют формулу:

(3.4.1)

Наличие ЭЗЧ приводит к погрешностям при измерениях д=ЭЗЧ-1. Для уменьшения ЭЗЧ используют фильтры, которые поглощают мягкое излучение и пропускают жёсткое, тем самым уменьшая погрешность. Тогда формула для расчёта ЭЗЧ ГРС с фильтром будет иметь вид:

(3.4.2)

Для фильтров с отверстиями:

(3.4.3)

Радикально уменьшить ЭЗЧ можно, если перевести счётчик в пропорциональный режим, когда амплитуда импульса пропорциональна энергии. При этом измеряют амплитуду импульса и вводят поправку на ЭЗЧ.

Чувствительность - изменение тока или скорости счёта при изменении потока измеряемого излучения на единицу. По сравнению с ИК, ГРС имеют более высокую чувствительность, поскольку регистрирует отдельные частицы.

Чувствительность ГРС определяем по расчётным формулам для скорости счёта импульсов :

(3.4.4)

Соответственно зависит от скорости счёта и мощности дозы Рг.

Уровень натурального (темнового ) фона - скорость счёта без внешних источников излучения. Вольтамперная характеристика - зависимость тока, протекающего через счётчик, от напряжения при постоянной интенсивности облучения. Допустимая интенсивность облучения - кратковременная допустимая перегрузка счётчика по интенсивности облучения, при которой происходит отклонение параметров счётчика от норм технических условий.

Рабочее напряжение счётчика - напряжение, при котором рекомендуется эксплуатировать счётчик. Обычно его выбирают в середине плато счётной характеристики. Рабочий диапазон температур - диапазон температур, в котором параметры счётчика изменяются незначительно.

Ресурс работы - количество импульсов, которое счётчик может зарегистрировать без изменения или с небольшими изменениями своих параметров.

4. Рабочая (нагрузочная) характеристика счётчика

Представляет собой зависимость скорости счёта от мощности дозы при постоянном напряжении.

Снимается экспериментально для определения чувствительности счётчика и диапазона измерений.

Рабочим участком является прямолинейный.

Рис. 4. Нагрузочная характеристика газоразрядного счётчика

Отклонение от линейности в начале характеристики объясняется наличием собственного фона, в конце - появлением просчётов из-за наличия мёртвого времени у счётчика.

И чем больше мощность дозы, тем больше будет отклонение. Диапазон измерения определяется допустимой величиной погрешности, величиной фона, разрешающего времени и заданным временем измерения.

Чувствительность определяется в одной точке как отношение .

Рабочий диапазон счётчика соответствует линейному участку нагрузочной характеристики.

Нижняя граница диапазона измерения тем меньше, чем меньше уровень фона счётчика, чем выше чувствительность, чем больше время измерения и больше допустимая погрешность.

Верхняя граница тем больше, чем меньше разрешающее время счётчика.

5. Принцип включения счётчика

Схемы включения предназначены для связи счётчиков с источниками питания и с последующими электронными схемами, регистрирующими импульсы счётчиков.

Любая схема включения состоит из цепи питания счётчика и входной цепи регистрирующей схемы. Входная цепь служит для передачи импульса с нагрузки счётчика на вход схемы регистрации.

По физическим признакам входные цепи могут подразделяться на линейные, интегрирующие и дифференцирующие. Связь счётчика со входом схемы может быть гальванической, ёмкостной и индуктивной. На практике в основном применяется ёмкостная связь.

Импульсные схемы включения позволяют регистрировать каждый импульс счетчика. Эта схема обеспечивает высокую точность измерения, гибкость и универсальность процесса измерения. Она весьма удобны при измерении малых потоков частиц, когда скорость счета импульсов, обусловленных излучением, соизмерима со скоростью счета фона.

Рассмотрим широко распространенную импульсную схему включения счетчика с емкостной связью (показанную на рис 6).В исходном состоянии напряжение на аноде счетчика и на разделительном конденсаторе С1 равно напряжению источника питания U_гс.

При возникновении разряда в счетчике напряжение на входе уменьшается через внутреннее сопротивление счетчика и резитор Кс. Ток разряда на резисторе Кс создает импульс напряжения отрицательной полярности, который и регистрируется электронной схемой.

После окончания разряда напряжение на аноде счетчика и на конденсаторе С1 восстанавливается до первоначальной величины. Ток заряда конденсатора С1 создает на резисторе R_c,, положительный выброс напряжения.

Амплитуда этого выброса мала вследствие малой величины тока заряда, протекающего через большое суммарное сопротивление резисторов R_c и R_н..

Если необходимо получить максимальную амплитуду импульса, то постоянную времени КС выбирают из условия КС >t_u(i), где t_u(i) - длительность импульса тока счетчика. В том случае, когда стремятся получить минимальную длительность выходного импульса напряжения, постоянную времени входной цепи выбирают меньше длительности импульса тока счетчика: RС-<< t_u(i)

Рис. 5 Импульсная схема включения счётчика

6. Возможность измерения нейтронов в ГРС

С помощью газоразрядных счётчиков можно измерять нейтроны, как тепловые, так и быстрые. Для регистрации тепловых нейтронов применяются пропорциональные счётчики и счётчики коронного разряда с борными наполнителями, где бор вводят в виде твёрдого вещества (аморфного бора) или газообразного (трёхфтористый бор - СНМ-3-для пропорционального режима, СНМ-11 - для режима коронного разряда), которым покрывают внутреннюю поверхность катода, также выпускаются счётчики тепловых нейтронов, содержащие смесь естественных нуклидов бора (¹⁰ В и ¹¹ В) или обогащённую нуклидом ¹⁰

В (СНМО-5-для пропорционального режима и СНМ-12, СНМ-21 -для коронного разряда) Причём толщину покрытия выбирают не превышающую пробег б-частицы с энергией 1,46 МэВ. Борные счётчики могут применяться и для регистрации быстрых нейтронов.

В этом случае счётчик помещают в замедлитель, обычно парафин. Путём подбора размеров парафинового замедлителя к геометрии измерения можно добиться постоянной эффективности регистрации нейтронов в широком диапазоне их энергий.

Такие счётчики называют всеволновыми. Известны пропорциональные счётчики с тканеэквивалентными стенками и с тканеэквивалентным газом, использующиеся для дозиметрии нейтронов. Ионизация в рабочем объёме счётчика производится заряженными частицами, образующимися в стенках и непосредственно в газовом объёме при поглощении нейтронов. Измерение дозы сводится к измерению суммы амплитуд импульсов напряжения на счётчике, которая пропорциональна полной ионизации в газовом объёме счётчика за время экспозиции.

газоразрядный счётчик детектор

7. Выбор детектора и расчёт параметров

7.1 Расчёт минимальной скорости счёта, исходя из допустимой основной погрешности

7.2 Определение габаритов счётчика по формуле (3.4.4)

Находим площадь счётчика из формулы (2)

Принимаем l_k=0,65*10^-3 см, тогда d_k=0,1см.

7.3 Расчёт чувствительности ГРС

7.4 Проверка чувствительности

д =n_счmax*t_разр <д_доп,

где t _разр=10^-4с

7.5 Расчёт ЭЗЧ и подбор компенсационных фильтров

Рассчитываем в диапазоне, допустимом дополнительной погрешностью (ддоп =40%) по формулам (3.4.1), (3.4.2), (3.4.3).

Наиболее эффективным для уменьшения ЭЗЧ является свинцовый фильтр с 6% отверстиями от общей площади фильтра, при этом наибольший диапазон энергий Ег (0,3-1 МэВ) попадает в заданный по условию предел дополнительной погрешности (±40%). Но, этот диапазон недостаточен для поставленной по условию задачи (диапазон энергий 0,3-6 МэВ), поэтому целесообразно провести расчёты при Егобр=1,25 МэВ.

Табл. 1. Расчёт ЭЗЧ при Егобр=0,662 МэВ

Eг	ЭЗЧо	KAl	ЭЗЧAl	+бЭЗЧ	-бЭЗЧ	КPb	ЭЗЧ Pb	Кпб+6%отв	ЭЗЧ Pb+отв
0,010	0	0,000939747	0	1,4	0,6	0	0	0,013600193	0
0,020	0	0,431322159	0	1,4	0,6	4,2264E-245	0	0,013600193	0
0,040	14,70363095	0,89323998	13,133871	1,4	0,6	9,12852E-40	1,342E-38	0,013600193	0,199972226
0,050	65,70588366	0,936130864	61,509306	1,4	0,6	8,20605E-22	5,392E-20	0,013600193	0,89361273
0,060	108,705369	0,955519603	103,87011	1,4	0,6	1,1754E-13	1,278E-11	0,013600193	1,478414049
0,080	104,2890531	0,971610767	101,32837	1,4	0,6	1,43837E-06	0,00015	0,013600344	1,41836702
0,100	76,80617565	0,977946807	75,112354	1,4	0,6	3,93284E-16	3,021E-14	0,013600193	1,044578848
0,150	51,96931216	0,984619507	51,169999	1,4	0,6	4,23554E-06	0,0002201	0,013600725	0,706820318
0,200	24,76203178	0,988071713	24,466663	1,4	0,6	0,003306054	0,0818646	0,014858871	0,367935841
0,300	7,38726503	0,992329569	7,3306015	1,4	0,6	0,158500109	1,1708823	0,128615102	0,950113842
0,400	3,269560095	0,995311028	3,2542292	1,4	0,6	0,469540839	1,535192	0,421924511	1,379507546
0,500	1,848635636	0,997503122	1,8440198	1,4	0,6	0,731981528	1,3531671	0,699040734	1,292271611
0,600	1,228263643	0,99920032	1,2272814	1,4	0,6	0,913931185	1,1225484	0,901680128	1,10750092
0,800	0,683028553	1,001701446	0,6841907	1,4	0,6	1,146598806	0,7831597	1,170688162	0,799613442
1,000	0,45849856	1,003606488	0,4601521	1,4	0,6	1,278132464	0,5860219	1,32698349	0,608420019
1,500	0,25323703	1,006621828	0,2549139	1,4	0,6	1,435911731	0,363626	1,518018742	0,384418557
2,000	0,181987568	1,008536228	0,1835411	1,4	0,6	1,496606183	0,2723637	1,592465576	0,289808938
3,000	0,131866598	1,010555318	0,1332585	1,4	0,6	1,516492345	0,1999747	1,61696829	0,213224107
4,000	0,105621024	1,011768713	0,106864	1,4	0,6	1,529284532	0,1615246	1,632758543	0,172453629
5,000	0,092588935	1,012578452	0,0937536	1,4	0,6	1,521048653	0,1408323	1,62258991	0,150233871
6,000	0,083674542	1,012983564	0,0847609	1,4	0,6	1,509230623	0,1262842	1,608014522	0,134549879

Тогда,

Чувствительность прибора не меняется.

Проверка чувствительности:

Расчёт ЭЗЧ и подбор компенсационных фильтров в диапазоне, допустимом дополнительной погрешностью (ддоп =40%) по формулам (3.4.1), (3.4.2), (3.4.3).

Табл. 2. Расчёт ЭЗЧ при Егобр=1,25 МэВ

Е	ЭЗЧо	KAl	ЭЗЧAl	+бЭЗЧ	-бЭЗЧ	КPb	ЭЗЧ Pb	Кпб+10%отв	ЭЗЧ Pb+отв
0,010	0	0,0009397	0	1,4	0,6	0	0	0,00785355	0
0,030	0,0238622	0,7788787	0,0185858	1,4	0,6	1,3842E-84	3,3031E-86	0,00785355	0,0001874
0,040	6,8997478	0,89324	6,1631306	1,4	0,6	9,1285E-40	6,2984E-39	0,00785355	0,05418753
0,050	66,988771	0,9361309	62,710256	1,4	0,6	8,2061E-22	5,4971E-20	0,00785355	0,52609979
0,060	163,7964	0,9555196	156,51067	1,4	0,6	1,1754E-13	1,9253E-11	0,00785355	1,28638352
0,080	226,86675	0,9716108	220,42618	1,4	0,6	1,4384E-06	0,00032632	0,00785356	1,78171204
0,100	102,45063	0,9779468	100,19126	1,4	0,6	3,9328E-16	4,0292E-14	0,00785355	0,80460132
0,145	121,03716	0,9840289	119,10406	1,4	0,6	7,8939E-07	9,5546E-05	0,00785356	0,95057213
0,150	115,95082	0,9846195	114,16744	1,4	0,6	4,2355E-06	0,00049111	0,00785359	0,91063061
0,200	64,770889	0,9880717	63,998283	1,4	0,6	0,00330605	0,21413604	0,00815303	0,5280787
0,300	21,243401	0,9923296	21,080455	1,4	0,6	0,15850011	3,36708134	0,06001119	1,27484186
0,400	9,6585349	0,995311	9,6132463	1,4	0,6	0,46954084	4,53507656	0,22976329	2,21917677
0,500	5,521616	0,9975031	5,5078292	1,4	0,6	0,73198153	4,04172092	0,4089776	2,25821726
0,600	3,6889831	0,9992003	3,6860331	1,4	0,6	0,91393119	3,37147672	0,54715286	2,01843768
0,800	2,0630444	1,0017014	2,0665546	1,4	0,6	1,14659881	2,36548425	0,73758072	1,52166178
1,000	1,3886218	1,0036065	1,3936299	1,4	0,6	1,27813246	1,77484261	0,85127833	1,18210366
1,500	0,7691918	1,0066218	0,7742853	1,4	0,6	1,43591173	1,10449153	0,9928822	0,76371685
2,000	0,5533475	1,0085362	0,558071	1,4	0,6	1,49660618	0,82814333	1,04878449	0,58034231
3,000	0,4010829	1,0105553	0,4053165	1,4	0,6	1,51649234	0,60823919	1,06726704	0,42806259
4,000	0,3213223	1,0117687	0,3251038	1,4	0,6	1,52928453	0,49139318	1,07919917	0,34677073
5,000	0,2816378	1,0125785	0,2851804	1,4	0,6	1,52104865	0,42838484	1,07151319	0,30177865
6,000	0,2544724	1,0129836	0,2577764	1,4	0,6	1,50923062	0,38405753	1,06050845	0,26987012

При увеличении образцовой энергии Егобр до 1,25 МэВ, использование свинцового фильтра с 6% отверстий является более эффективным, чем при Егобр=0,662 МэВ, т.к. энергетический диапазон расширяется до 2,5 МэВ.

Вывод

Газоразрядные счётчики являются удобными в эксплуатации детекторами излучений. Они получили широкое распространение благодаря ряду преимуществ по сравнению с другими детекторами:

ь высокой чувствительностью, обусловленной использованием усиления ионизации,

ь простоте преобразования ионизации в электрические сигналы большой мощности, относительно простой конструкции и технологии изготовления,

ь небольшой стоимости,

ь работе в большем диапазоне температур.

Но также газоразрядные счётчики имеют ряд недостатков, по сравнению с другими детекторами излучений:

· имеют ресурс не более 10¹⁰ импульсов из-за расхода гасящей добавки и разрушения анода электронными лавинами, в то время как ионизационная камера имеет большой, практически неограниченный срок службы.

· диапазон излучения газоразрядного счётчика 3-4 порядка, в то время как для ионизационной камеры - 5-6 порядков.

· нижняя граница ГРС ниже, чем ИК и приближается к уровню естественного фона.

Из данных преимуществ и недостатков следует область применения ГРС - для контроля радиационной безопасности при нормальной работе АЭС. Поскольку погрешность за счёт ЭЗЧ у газоразрядных счётчиков выше, чем у ионизационных камер, то для измерения дозы облучения людей используют ионизационные камеры, а не ГРС.

Список использованной литературы

1. В.А. Москаленко, В.В. Смоленцев «Теоретические основы корабельной дозиметрии» часть I

2. И.В. Савченко «Теоретические основы дозиметрии», 1985

3. А.В. Афанасьев, В.В. Гуманный, Г.П. Мясоедов «Основы ядерной физики, радиохимии и дозиметрии», Севастополь, 2003

4. Б.П. Голубев «Дозиметрия и защита от ионизирующих излучений»

Размещено на Allbest.ru

...