Датчики ионизирующего излучения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Датчики ионизирующего излучения

Проф. Давыдов А.В.

1. Общие сведения и терминология

Датчики (блоки детектирования) ионизирующих излучений относятся к электронным устройствам, основное назначение которых заключается в обеспечении процесса взаимодействия потока ионизирующего излучения с физической средой детектора излучения, и в преобразовании актов взаимодействия в электрические сигналы, которые могут быть зарегистрированы соответствующей измерительной аппаратурой. В комплекте с измерительными блоками датчики образуют приборы для измерения ионизирующих излучений (спектрометры, радиометры, дозиметры и пр.).

Рис. 1. Типовая схема датчика излучения

На рис.1 приведена функциональная схема датчика. Датчик содержит детектор излучения с формирователем электрических сигналов на выходе, предварительный усилитель сигналов, выходной усилитель мощности сигналов и источник питания детектора. Формирователь электрических сигналов обычно объединяется с предварительным усилителем в общий блок согласующего усилителя. В специализированной аппаратуре датчики могут содержать только детекторы излучения (один или несколько) и формирователи сигнала, с включением остальных блоков в состав регистрирующих приборов.

Детектор ионизирующего излучения (radiation detector) - чувствительный элемент средства измерений, предназначенный для регистрации ионизирующего излучения. Действие детектора основано на явлениях, возникающих при прохождении ионизирующего излучения через вещество (рабочую среду детектора).

По физической сущности взаимодействия ионизирующих излучений с веществом выделяют следующие типы детекторов:

- ионизационный, основанный на способности излучений ионизировать среду, через которую они проходят;

- сцинтилляционный, регистрирующий фотоны света, возникающие в сцинтилляторе под действием ионизирующих излучений;

- люминесцентный, базирующийся на эффектах радиофотолюминесценции (ФЛД) и радиотермолюминесценции (ТЛД). Детекторы поглощают и накапливают энергию излучения в молекулярных центрах фотолюминесценции, и способны высвечивать накопленную энергию при освещении ультрафиолетовым светом (ФЛД) или при нагревании (ТЛД);

- фотографический, основан на свойстве ионизирующих излучений воздействовать на чувствительный слой фотоматериалов аналогично видимому свету;

- химический, основанный на измерении выхода радиационно-химических реакций (изменение степени окраски или цвета), протекающих под действием ионизирующих излучений. Метод используют при регистрации значительных уровней радиации;

- калориметрический, базирующийся на измерении количества теплоты, выделяемой в детекторе при поглощении энергии ионизирующих излучений;

Принципы классификации датчиков. Как правило, блоки детектирования специализируются по виду регистрируемого излучения на датчики заряженных частиц, нейтронов и электромагнитного излучения (рентгеновских и гамма-квантов). Специализация достигается применением детектора соответствующего типа и конструкции, обеспечивающих максимальную эффективность регистрации данного вида излучения при минимальной эффективности регистрации всех других видов излучения. Специализация может быть усилена конструкцией датчика, обеспечивающей пропускание на детектор определенного вида излучения при максимальном подавлении сопутствующих видов, и селекцией сигналов в блоке их формирования или в измерительном устройстве. Однако специализация обычно не является абсолютной, так как рабочая среда детекторов имеет определенную вероятность взаимодействия со всеми видами излучения, равно как и конструкционные материалы датчика при взаимодействии с сопутствующим видом излучения могут индуцировать вторичные виды излучения, регистрируемые детектором.

По линейности преобразования энергии ионизирующего излучения в энергию выходных сигналов датчики разделяются на три типа: спектрометрические, счетные и дозовые.

Спектрометрические датчики позволяют регистрировать энергетический спектр излучения. В спектрометрических датчиках амплитудное значение или полный электрический заряд выходного сигнала пропорциональны поглощенной в детекторе энергии частицы, что позволяет реализовать многочисленные методы ядерно-физического анализа вещественного состава изучаемых сред. Спектрометрические датчики используются в составе спектрометров.

Датчики счетного типа предназначены для измерения плотности потока излучения и активности источников излучения (количества распадов в единицу времени в изучаемом образце). Физической величиной, регистрируемой от датчиков счетного типа, является частота (скорость счета) актов взаимодействия частиц ионизирующего излучения с детектором излучения, которая пропорциональна плотности потока излучения. Связь скорости счета частиц с активностью источника излучения задается условиями и методикой измерений.

Датчики счетного типа используются в составе радиометров. По группам практических задач в сочетании с конструктивными особенностями исполнения выделяют следующие типы датчиков:

1. Массовой активности радионуклидов.

2. Поверхностной активности радионуклидов.

3. Объемной активности газов, жидкостей, радиозолей.

4. Плотности потоков ионизирующих частиц.

Дозовые датчики используются в составе дозиметров и предназначены для измерения дозы и/или мощности дозы ионизирующего излучения, т.е. количества энергии ионизирующего излучения, которое воспринимается средой за определенный промежуток времени.

2. Детекторы излучения

Измерение ионизирующего излучения представляет собой регистрацию актов взаимодействия излучения с детектором (в радиометрах) и количественную энергетическую оценку данного взаимодействия (в спектрометрах и дозиметрах). Процесс измерения реализуется только в том случае, если взаимодействие излучения с веществом (рабочей средой) детектора сопровождается процессом преобразования энергии излучения в другой вид энергии, удобный для регистрации.

В промышленных датчиках используются, в основном, два типа детекторов:

1. Ионизационные детекторы с прямым преобразованием энергии частиц в электрический заряд. К ним относятся газонаполненные детекторы - ионизационные камеры, газоразрядные и пропорциональные счетчики, и полупроводниковые детекторы (ППД).

2. Сцинтилляционные детекторы, в которых используется люминесценция вещества детектора при поглощении излучения с последующим преобразованием энергии световых фотонов в электрический сигнал (при помощи фотоэлектронного умножителя - ФЭУ).

По линейности преобразования энергии излучения в энергию выходного сигнала различают пропорциональные и непропорциональные детекторы. По агрегатному состоянию рабочей среды детекторы подразделяются на газовые, жидкостные и твердотельные.

Принцип действия детекторов основан на обнаружении эффекта ионизации или возбуждения атомов рабочей среды детектора при взаимодействии с излучением. Заряженные частицы взаимодействуют непосредственно с электрическим полем атомов рабочей среды детектора с передачей им своей кинетической энергии. Гамма - кванты и нейтральные частицы взаимодействуют с детектором через процессы фотопоглощения, комптоновского рассеяния, образования электронно-позитронных пар и ядерные реакции в рабочей среде детекторов и в специальных конструкционных материалах, которые может иметь детектор для повышения вероятности этих процессов. В результате этого взаимодействия возникает вторичное излучение, состоящее из заряженных частиц, которое и регистрируется в рабочей среде детектора.

Механизм преобразования энергии в детекторах ионизационного типа идет по цепи: поглощение энергии частицы преобразование поглощенной энергии в первичный электрический заряд (усиление первичного заряда для детекторов с усилением) сбор заряда на электродах детектора. В сцинтилляционных детекторах эта цепь несколько длиннее: поглощение энергии частицы преобразование поглощенной энергии в световые фотоны сбор фотонов на фотокатоде ФЭУ и выбивание из него фотоэлектронов (первичного электрического заряда) усиление электронного потока динодной системой ФЭУ (ударное размножение разгоняемых электронов на динодах ФЭУ) сбор электронного потока на аноде ФЭУ.

Особенности протекания данных процессов в детекторах определяют их основные технические характеристики.

Эффективность регистрации излучения является энергетической пространственно-угловой функцией вероятности процесса взаимодействия излучения с рабочей средой детектора.

Вероятность регистрации ионизирующей частицы при прохождении через рабочую среду детектора определяется вероятностью передачи частицей своей энергии, частично или полностью, рабочей среде. Эта вероятность зависит от вида излучения, его энергии, плотности рабочей среды детектора, его размеров и геометрии измерений. В первом приближении она определяется выражением: p = 1-exp(-??l), где ??- массовый коэффициент поглощения излучения данного вида и энергии в рабочей среде (см2/г), ??- плотность среды, l - средняя длина пробега частиц в среде. Приведенное выражение не учитывает факторов конкретной конструкции детектора и условий проникновения излучения в рабочую среду детектора, что немаловажно для низкоэнергетических видов излучений. Эффективность регистрации может иметь средние значения от 0 до 1.

Рис. 2. Эффективность регистрации гамма-квантов сцинтилляторами NaI(Tl)

дозиметр датчик счетный детектор

На практике понятие эффективности регистрации используется в узком смысле только энергетической функции вероятности регистрации данного вида излучения данным типом детектора, среднее значение которой определяется как отношение числа зарегистрированных частиц к числу частиц, попавших на входное окно детектора. Расчет практической эффективности регистрации производится по формуле: Э(E) = m/(sф(E)), где s - площадь входного окна детектора (для изотропных детекторов - площадь сечения), ф(E) - плотность потока излучения, m - частота актов регистрации выходных сигналов детектора.

Самым проникающим видом излучения с большой длиной пробега квантов является гамма-излучение, в связи с чем для их детектирования используются сцинтилляторы и ППД, эффективность регистрации которых тем больше, чем больше их плотность, геометрические размеры и эффективный атомный номер вещества детектора.

На рис. 2 приведены графики спектральной эффективности регистрации гамма-излучения неорганическими сцинтилляторами NaI(Tl) различных размеров. При регистрации низкоэнергетических гамма-квантов (менее 100 кэВ) существенную роль начинает играть поглощение излучения в контейнере детектора и в защитной конструкции блока детектирования, если он не имеет специального входного окна.

Рис. 3. Эффективность регистрации гамма-квантов газонаполненными счетчиками

Эффективность регистрации гамма-излучения газонаполненными счетчиками в интервале энергий от 100 кэВ до 3 МэВ не превышает 2% и практически не зависит от размеров счетчиков, а в области энергий ниже 200 кэВ существенно зависит от материала корпуса (катода) счетчика, в котором осуществляется конверсия гамма-квантов в электроны. В качестве материала катода обычно используется вольфрам, медь и железо. Пример эффективности регистрации газонаполненных счетчиков приведен на рис. 3.

Что касается эффективности регистрации бета- и альфа-частиц, то практически для всех видов детекторов она близка к 100% в связи с малой проникающей способностью этих видов излучения. Последнее обстоятельство выводит на первое место по влиянию на эффективность регистрации фактор поглощения излучения во входном окне детектора, особенно при регистрации низкоэнергетических частиц.

Понятие практической эффективности регистрации обычно применяется к датчику в целом (с данным типом детектора) и выражается в % (от 0 до 100%). Для характеристики блоков детектирования и устройств с фиксированной геометрией измерений применяется также понятие светосилы, как отношение числа регистрируемых частиц к числу частиц, испускаемых источником излучения. Значение светосилы является безразмерной величиной в интервале 0-1.

Энергетическое разрешение детекторов. При регистрации моноэнергетического излучения и линейном преобразовании энергии частиц в выходные сигналы в силу статистической природы процессов преобразования распределение значений выходных сигналов "расплывается" в фотопик (рис. 4). За меру "расплывания" энергии сигналов принимается значение ширины фотопика на половине его высоты. Эта характеристика регистрации излучения получила название энергетического разрешения детекторов. Если источник излучения имеет две линии излучения и второй фотопик отстоит от первого на расстоянии, меньшем энергетического разрешения, то фотопики сливаются в один суммарный пик.

Рис. 4.

Для сравнения детекторов значение энергетического разрешения выражают в относительных единицах (или в %) значения центра распределения: R = r/Eo, где Eo - энергия центра распределения.

При аппроксимации фотопика функцией Гаусса имеет место: r =???где?- среднее квадратическое отклонение энергии зарегистрированных сигналов от среднего значения Eo. При удельной энергии ? на образование первичных носителей заряда, формирующих выходной сигнал, среднее число носителей заряда N при поглощении частицы с энергией Е, дисперсия их числа и значение относительного энергетического разрешения равны:

N=E/, 2 = F N, R=2.36 /N.

где F- поправочный коэффициент на частичное нарушение статистики процесса. Значение коэффициента F для каждого типа, размеров и конструкции детектора определяется индивидуально. Средние значения коэффициентов порядка 0.2-0.4 для полупроводниковых, 0.4-0.7 для газонаполненных и 1.5-2 для сцинтилляционных детекторов.

При известном разрешении детектора R1 для энергетической линии E1 оценка разрешения R2 для любой другой энергии E2 может производиться по формуле:

R2 = R1.

Энергетическое разрешение детекторов тем лучше, чем большее число носителей заряда образуется в детекторе, т.е. чем выше энергия излучения и меньше удельная энергия образования носителей заряда.

Наименьшую удельную энергию образования одной пары носителей заряда (электрон-дырка) имеют полупроводниковые детекторы - от 2,9 до 3,7 эВ в зависимости от типа, что обеспечивает ППД наилучшее энергетическое разрешение из всех типов детекторов. Удельная энергия ионизации среды в газовых детекторах (образование пары ион - электрон) на порядок выше и составляет от 20 до 32 эВ в зависимости от типа среды, и энергетическое разрешение газовых детекторов практически в 3 раза хуже разрешения ППД. В сцинтилляционных детекторах энергия излучения конвертируется в фотоны света (коэффициент преобразования не более 0.1), а первичными носителями заряда являются фотоэлектроны, которые выбиваются с фотокатода ФЭУ световыми фотонами (вероятность не более 0.1 на фотон). Отсюда следует, что удельная энергия образования первичных носителей заряда в сцинтилляционных детекторах практически на порядок больше, чем у газонаполненных детекторов, и на 2 порядка больше, чем у ППД, а энергетическое разрешение соответственно в 3-4 раза хуже, чем у газонаполненных детекторов, и на порядок хуже, чем в ППД.

В таблице 1 приведены средние значения удельной энергии и энергетического разрешения по энергии 662 кэВ изотопа Цезий-137 для наиболее распространенных типов детекторов, по которым нетрудно выполнить оценку разрешения детекторов для любой другой энергии излучения.

Таблица 1. Удельная энергия преобразования и энергетическое разрешение детекторов по энергетической линии излучения 662 кэВ

Детекторы	Материал рабочей среды	???эВ	R, %
Полупроводниковые	Германий Кремний	2.96 3.67	0.2-0.8 0.3-1.0
Газонаполненные	Ксенон Криптон Аргон	21 23 26	1.2-1.6 1.4-1.8 1.5-1.9
Сцинтилляционные	NaI(Tl) CsI(Tl) Антрацен Стильбен Пластмасса Жидкость	250-300 600-700 500-600 900-1100 1000-1500 1000-2000	6-8 8-9 7-9 10-12 10-15 10-17

Разрешение может существенно ухудшаться, если энергия излучения соизмерима с энергией собственных тепловых шумов детектора. При регистрации гамма-квантов в нормальных температурных условиях среднее значение энергетического эквивалента тепловых шумов для пропорциональных счетчиков составляет 0.2-0.5 кэВ, для фотоумножителей в энергетической шкале NaI(Tl) 0.3-1 кэВ, для кремниевых ППД может достигать 10 кэВ. Для снижения уровня шумов, ППД используются с охлаждением до 70-1000К, при этом уровень шумов может быть снижен на порядок. Кроме того, при регистрации низкоэнергетического излучения приобретают значение шумы первого каскада усиления сигнала.

Избирательность детекторов. Детекторы различных типов, размеров и конструкций, с различным состоянием агрегатной среды могут отличаться на 1, 2 и более порядков как по эффективности регистрации различных видов излучения, так и по эффективности регистрации в различных диапазонах спектра излучения. Это позволяет специализировать детекторы по измерительным задачам и производить измерение одних видов и энергий излучения на сопутствующем фоне излучения других видов и энергий. Качество работы детекторов при этом может прямо оцениваться избирательностью - отношением эффективности регистрации измеряемого и фонового излучения при равных значениях плотности потоков. Избирательность в значительной степени может быть усилена геометрией измерений и конструкцией блока детектирования в целом (экранирование, коллимация и т.п.).

Для детектирования заряженных частиц, в принципе, можно использовать все типы детекторов, при этом по характеру преобразования энергии частиц в заряд детекторы разделяют на пробежные и пролетные. К пробежным относят детекторы с толщиной чувствительного объема, превышающей длину пробега частиц в материале детектора и обеспечивающей полное поглощение энергии частиц. У пролетных детекторов толщина чувствительного объема много меньше длины пробега частиц и выходные сигналы пропорциональны произведению линейной плотности ионизации на треках частиц на длину треков, т.е. зависят от типа частиц, их массы, заряда и угла входа в детектор. Один и тот же детектор может быть пробежным к одному виду частиц и пролетным к другому, что создает условия для их селективной регистрации. Так, например, поверхностно-барьерные ППД с малой толщиной чувствительного слоя (порядка 0.05 мм) являются пробежными по альфа-излучению и пролетными по бета-излучению с энергией более 100 кэВ.

Реакция детекторов на поток нейтральных частиц и квантов имеет более сложный характер и проходит в два этапа. На первом этапе в чувствительной среде детектора или в специальных материалах его конструкции осуществляется конверсия первичного потока излучения во вторичный поток заряженных частиц, который и регистрируется на втором этапе. Эффективность процессов на этих двух этапах может изменяться раздельно и целенаправленно, что создает разнообразие детекторов по материалам и агрегатному состоянию чувствительных сред и защите от внешних потоков заряженных частиц в зависимости от специализации датчиков по видам и энергии регистрируемого излучения.

В таблице 2 приведена основная специализация детекторов по видам регистрируемого излучения и по возможностям спектрального анализа излучения.

Таблица 2. Направления основной специализации детекторов

Тип детектора Признаки	Вид излучения	Спектральный анализ
					n					n
Камеры интегральные газовые ионизационные	+	+	+	+	+	-	-	-	-	-
Камеры импульсные газовые ионизационные	+	+	+	+	+	+	+	-	-	+
Счетчики пропорциональные газовые ионизационные	+	+	+	+	+	-	+	+	+	+
Счетчики Гейгера-Мюллера газовые ионизационные	+	+	+	+	-	-	-	-	-	-
Полупроводниковые p-n, твердотельные ионизационные	+	-	-	-	+	+	-	-	-	-
Полупроводниковые p-i-n, твердотельные ионизационные	+	+	+	+	+	+	+	+	+	+
Сцинтилляционные газовые	+	+	-	-	+	+	+	-	-	+
Сцинтилляционные жидкостные	-	+	+	-	+	-	+	+	-	-
Сцинтилляционные неорганические твердотельные	+	+	+	+	+	+	+	+	+	+
Сцинтилляционные органические твердотельные	+	+	+	+	+	+	+	+	+	+
Сцинтилляционные пластмассовые твердотельные	+	+	+	+	+	-	-	-	-	-
Сцинтилляционные дисперсные твердотельные.	+	+	-	-	+	-	-	-	-	-

3. Радиационный фон регистрации ионизирующих излучений

Естественный радиационный фон (natural background) - ионизирующее излучение, состоящее из космического излучения и ионизирующего излучения природных радионуклидов.

Одна из типовых задач радиометрических измерений - определение в пробах (в среде) активности радионуклидов, при этом гамма-излучение нуклидов может быть соизмеримо и даже меньше естественного фона. Радиационный фон и его основная составляющая - фоновое гамма-излучение, присутствует при регистрации всех видов излучения, причем уменьшить влияние гамма-фона на результаты измерений всегда сложнее, чем всех других составляющих радиационного фона.

Основные составляющие радиационного фона:

- низко- и высокоэнергетические компоненты космического излучения;

- излучение конструкционных материалов аппаратуры и самого детектора;

- излучение окружающей среды.

Космическое излучение. Первичное космическое излучение является потоком очень быстрых заряженных частиц (в основном протонов) с энергией до 1010-1012 МэВ. На высотах ниже 20 км космическое излучение практически полностью имеет вторичный характер. Высокоэнергетическая составляющая вторичного излучения представлена в основном заряженными частицами - мюонами ("+" и "-" мезонами с массой 207 масс электрона), с энергией порядка 100 МэВ. Низкоэнергетическое излучение состоит из электронно-позитронных пар и гамма-квантов. Кроме того, вторичное космическое излучение содержит нейтронную составляющую с широким энергетическим спектром.

Космическое излучение регистрируется детекторами как непосредственно, так и через вторичное излучение, создаваемое в окружающих детектор материалах, в том числе с образованием в них нестабильных изотопов. Доля космического излучения в общем радиационном фоне составляет в среднем 1/3.

Радиоактивные загрязнения. Источниками радиоактивного загрязнения материалов детектора и блока детектирования являются естественные радионуклиды (ЕРН) рядов урана/тория и калий-40. Последний присутствует в природном калии (0.012%, 31400 Бк/кг) и во всех материалах, содержащих калий в своем составе (стекло баллонов ФЭУ, световоды и пр.). Элементы рядов урана и тория в виде микропримесей присутствуют во всех материалах, включая материал детектора. Так, активность ЕРН в конструкционных марках свинца достигает 60 Бк/кг, в алюминии- 27 Бк/кг, и даже в плексигласе - до 0.25 Бк/кг. Доля гамма-фона, создаваемого радиоактивным загрязнением материалов детектора и датчика, также может достигать 1/3 общего радиационного фона.

Окружающая среда. Остальная часть фона определяется излучением всех внешних для блока детектирования объектов окружающей среды, включая радон и продукты его распада в воздушной среде.

Методы снижения фона. Существуют три основных метода снижения радиационного фона:

- использование радиационно-чистых материалов в конструкции датчиков;

- применение защиты от внешнего излучения;

- использование дополнительных детекторов для исключения из регистрации сигналов радиационного фона.

Использование радиационно-чистых материалов в конструкции датчиков. Конструкцию датчиков следует выполнять из плексигласа, фторопласта, электролитической меди и радиационно-чистой нержавеющей стали, для пайки применять химически чистое олово. При использовании сцинтилляционных детекторов применять ФЭУ с баллонами из безкалиевого стекла и безкалиевые световоды. В качестве светоотражающих материалов для сцинтилляторов использовать фторопласт или окись алюминия (вместо окиси магния, в которой больше микропримесей ЕРН).

Защита от внешнего излучения. Для защиты от внешнего гамма-излучения (космического и окружающей среды) требуется материал с большой плотностью и высоким атомным номером. Для этих целей обычно используется свинец, однако за счет загрязнения ЕРН поверхностная активность свинца может достигать 18 Бк/м2. С внутренней поверхности свинцового экрана на детектор может выходить характеристическое излучение свинца, которое возникает при фотопоглощении гамма-квантов, в том числе от измеряемых проб. Для поглощения данного излучения на внутренней поверхности свинцовой защиты располагают дополнительный защитный экран, как правило, из кадмия или олова (1-2 мм) и меди (0.3-0.5 мм), что позволяет ослабить возникающее характеристическое излучение более чем в 100 раз.

При хорошей защите от внешнего гамма-излучения на первый план выходит радиационный захват тепловых нейтронов с образованием радиоактивных нуклидов в материалах детектора, датчика и в самой защите. Неприятной особенностью данного фактора является его зависимость от атмосферного давления, т.к. при изменении давления на 1% происходит изменение плотности потока космических нейтронов на 7.2%. Для снижения нейтронной составляющей фона защиту с внешней стороны дополняют слоем вещества, замедляющего и поглощающего нейтроны (парафин и борная кислота, обогащенная изотопом Бор-10).

Метод активной защиты. Методы пассивной защиты не обеспечивает защиты детекторов от мюонов. Мюонная составляющая излучения также зависит от атмосферного давления, хотя и в меньшей степени (порядка 1.2% при изменении давления на 1%). Эту компоненту фона снижают активным методом - при помощи защитных детекторов, которые располагают вокруг основного детектора. Эффективность регистрации мюонов для всех детекторов близка к 100%, и по отношению к ним все детекторы являются пролетными. Сигналы детектирования мюонов в основном детекторе будут сопровождаться сигналами детектирования этих же мюонов в защитном детекторе и могут использоваться для блокировки регистрации фоновых сигналов в основном детекторе по принципу временных совпадений.

Метод активной защиты выполняет аналогичные защитные функции и от внешнего высокоэнергетического гамма-излучения. В качестве защитных детекторов используются сцинтилляционных счетчики с пластмассовыми и жидкими сцинтилляторами, при этом суммарный радиационный фон может быть снижен в 10 и более раз.

При измерении активности препаратов двумя детекторами в геометрии, близкой к 4? (препарат между детекторами), метод регистрации сигналов в детекторах по антисовпадениям выполняет аналогичную активную защиту от радиационного фона, особенно эффективную при использовании сцинтилляторов большого диаметра.

4. Датчики рентгеновского и гамма-излучения

Основной диапазон энергий гамма-излучения естественных и искусственных радионуклидов 0.1-3 МэВ. Для детектирования излучения используются детекторы с высокой плотностью и большим атомным номером чувствительной среды, а именно - сцинтилляционные детекторы с неорганическими сцинтилляторами и германиевые ППД.

Наиболее распространенный тип сцинтиллятора - NaI(Tl), плотность - 3.67 г/см3, эффективный атомный номер - 50, размеры выпускаемых монокристаллов (диаметр, высота) от 10 х 10 до 200 х 200 мм и более. Сцинтилляторы имеют высокую эффективность регистрации излучения (например, кристалл 63 х 40 мм: 99% при Е<0.2 МэВ, 48% при Е=0.66 МэВ, 37% при Е=1.33 МэВ), и высокую относительную долю фотопиков в регистрируемом спектральном распределении (чем больше кристалл, тем больше вероятность полного поглощения квантов даже больших энергий). Для измерения малых активностей в геометрии, близкой к 4?, выпускаются кристаллы с "колодцем".

Еще большую плотность (4.5 г/см3) и эффективный атомный номер (Z=54) имеют кристаллы CsI(Tl). Однако конверсионная эффективность и, соответственно, энергетическое разрешение CsI уступают NaI, что ограничивает их применение.

Германиевые ППД по сравнению с кремниевыми имеют более высокий атомный номер (32) и более высокую эффективность регистрации излучения. Однако чувствительные объемы выпускаемых ППД пока уступают сцинтилляторам, а стоимость и затраты на эксплуатацию много выше. Использование ППД целесообразно только в тех случаях, когда требуется высокое энергетическое разрешение детекторов.

При регистрации рентгеновского и гамма-излучения с энергией ниже 100 кэВ используются детекторы с высокой эффективностью регистрации в этом диапазоне при минимальной эффективности регистрации более высокоэнергетического излучения. Этим условиям удовлетворяют газонаполненные детекторы и ППД. Используются также сцинтилляционные детекторы с тонкими сцинтилляторами (например, NaI с толщиной пластин 1 мм), однако в этом диапазоне энергий сцинтилляторы отличаются очень низким энергетическим разрешением (десятки процентов). При регистрации квантов с энергий менее 20 кэВ детекторы должны иметь бериллиевое входное окно толщиной не более 100 мкм (поглощение квантов с энергией 8 кэВ в таком окне не превышает 10%). Применяются также лавсановые и слюдяные входные окна толщиной менее 10 мкм. Регистрацию излучения с энергией менее 4-5 кэВ выполняют проточными газонаполненными счетчиками, имеющими открытое входное окно и непрерывное пополнение утечки рабочей среды.

5. Датчики бета-излучения

Выбор детекторов для бета-измерений определяется ограниченной проникающей способностью бета-излучения (линейные потери энергии в веществе около 2 МэВ на 1 г/см2) и непрерывным характером спектра бета-частиц.

Бета-измерения усложняются тем, что фоновое гамма-излучение при взаимодействии с веществом детектора дает зарядовое распределение сигналов, которое перекрывается со спектрами бета-частиц. Это затрудняет использование селекции выходных сигналов для повышения избирательности по бета-излучению, и стимулирует использование в бета-датчиках непропорциональных детекторов (счетчиков Гейгера) и детекторов пролетного типа.

Одним из основных параметров газонаполненных бета-детекторов является энергетический порог чувствительности Епор, значение которого зависит от толщины входного окна или стенки детектора. Под Епор понимают энергию излучения, для которой прозрачность окна равна 0,5. По этому параметру детекторы разделяют на 4 группы: цилиндрические тонкостенные счетчики с толщиной стенки 40-60 мг/см2 (порог 1 МэВ и выше), торцевые с герметичным слюдяным окном толщиной 1-5 мг/см2 (порог 0.1-0.25 МэВ), проточные с негерметичным окном из металлизированной органической пленки толщиной менее 1 мг/см2 (порог 20-100 кэВ) и проточные беспороговые счетчики с помещением препаратов непосредственно в рабочую среду детектора (в том числе в газовой форме).

Фон газонаполненных бета-детекторов обычно характеризуется частотой выходных сигналов в отсутствие измеряемых препаратов. Значение фона для цилиндрических счетчиков зависит от размеров счетчиков (10-100 имп/мин), для торцевых счетчиков и счетчиков с входным окном пропорционально площади входного окна (2-4 имп/мин на 1 см2). При комбинировании пассивных и активных методов защиты от фона последний может быть уменьшен в 20-40 раз.

Датчики с цилиндрическими счетчиками и счетчиками с входным окном применяются, как правило, для относительных измерений с градуированием по источникам известной активности. При средней длине пробега электронов в газонаполненных счетчиках порядка 10 мг/см2 потери энергии в газовой среде счетчиков обычно не превышают 200 кэВ, и счетчики относятся к типу пролетных для большинства измеряемых бета-активных препаратов.

Сцинтилляционные детекторы позволяют создавать бета-датчики как пролетного, так и пробежного типа. Основные требования к бета-сцинтилляторам - минимальная чувствительность к гамма-излучению и минимальное отражение бета-частиц. Этим требованиям удовлетворяют органические, пластмассовые и жидкостные сцинтилляторы, имеющие малую плотность и малый эффективный атомный номер.

Избирательность бета-датчиков в условиях внешнего гамма-излучения определяется отношением эффективностей регистрации потоков бета- и гамма-частиц. Для пролетных детекторов оптимальная толщина сцинтиллятора, при которой данное отношение максимально (более 50), составляет 15-20 мг/см2. Другой путь повышения избирательности - двухслойные бета-гамма-сцинтилляторы (фосфичи), отличающиеся по времени высвечивания световых фотонов (например, пластмасса + CsI), с последующей селекцией выходных сигналов по их форме. Фосфичи используется как в пролетных, так и в пробежных бета-детекторах.

Получили применение жидкостные сцинтилляционные детекторы (ЖСД) с растворением или вводом в виде взвеси или эмульсии бета-активных нуклидов непосредственно в сцинтиллирующую жидкость, что обеспечивает высокую эффективность регистрации бета-частиц. Низкая стоимость ЖСД способствует их применению для избирательной бета-радиометрии нуклидов по максимальным энергиям излучения.

К числу мешающих факторов при использовании ЖСД следует отнести гашение сцинтилляций при вводе препаратов в сцинтиллирующую жидкость. Оно может быть цветовое и химическое. Цветовое гашение вызывается препаратами, имеющими определенную окраску. Химическое гашение проявляется в изменении препаратом конверсионной эффективности сцинтиллятора. При наличии гашения требуется введение в результаты измерений соответствующих поправок.

Факторы фона сцинтилляционных бета-детекторов аналогичны факторам фона газонаполненных детекторов, при этом основной вклад переносится на внутренние составляющие: загрязнения ЕРН конструктивных элементов датчика, Калий-40 в стекле ФЭУ и флаконах для ЖСД, тепловые шумы ФЭУ. Для снижения тепловых шумов ФЭУ применяется включение двух ФЭУ, работающих на один сцинтиллятор в режиме совпадений, что позволяет снизить тепловой шум ФЭУ на 3 порядка и более. Большинство бета-излучателей имеют схемы распада с одновременным вылетом гамма-квантов, что позволяет производить измерение их активности, в том числе абсолютной, на принципе бета-гамма-временных корреляций с использованием фосфичей.

Применение ППД в бета-радиометрии ограничено в силу как характера самого излучения (непрерывный спектр не требует высокого разрешения детектора), так и особенностей ППД, а именно - значительные (при отсутствии охлаждения) тепловые шумы, существенный коэффициент отражения электронов на входе, особенно для германиевых ППД.

6. Датчики альфа-излучения

Измерение альфа-излучения чаще всего связано с определением относительного содержания альфа-активных нуклидов с высоким атомным номером. При использовании практически всех видов детекторов с учетом особенностей альфа-излучения имеет место:

- высокое энергетическое разрешение детектирования, особенно в газонаполненных детекторах (менее 1%) и в ППД (до 0.2%);

- слабая зависимость чувствительности детекторов от энергии излучения, отношение площадей фотопиков в спектре равно отношению активностей соответствующих нуклидов;

- высокая избирательность и радиационная помехоустойчивость.

При толщине чувствительного слоя детектора не более 20 мг/см2, детектор является пробежным для бета-частиц и амплитуда сигналов от бета-частиц на порядок меньше амплитуды сигналов от альфа-частиц. Такой же порядок действителен и для регистрации гамма-квантов с учетом вероятности их конверсии в электроны в материалах детектора. Это позволяет производить измерения альфа-частиц на фоне больших потоков бета- и гамма-излучения.

Но имеются и определенные трудности в методике измерений. Отметим основные из них.

Без специальной пробоподготовки препаратов измерения возможны только в насыщенных по излучению слоях. Для измерений в тонких слоях толщина слоя должна быть не более 50-100 мкг/см2. Такого же порядка должно быть и входное окно детектора в сумме с "мертвым" слоем - воздушным (и любым другим) промежутком между источником и детектором, при этом желательно обеспечить ограничение углов входа частиц в окно детектора применением сотовых коллиматоров. Потери энергии альфа-частиц во входном окне и "мертвом" слое примерно равны 0.5 МэВ на 1 мг/см2.

При измерениях в тонких слоях активности долгоживущих нуклидов поверхностная активность препаратов становится очень низкой (до 0.01 Бк/см2) и нормативная погрешность измерений обеспечивается применением источников излучения (проб) и детекторов с возможно большой поверхностью и длительным накоплением информации. В качестве детекторов в этом случае обычно используются импульсные ионизационные камеры. Влияние разброса углов движения альфа-частиц снимается сотовым коллиматором, однако "прозрачность" сотового коллиматора, как правило, не превышает 5-10%. Для источников с поверхностной активностью излучения 10 и более Бк/см2 в качестве детекторов предпочтительно применение ППД с толщиной входного окна в пределах 10-50 мкг/см2.

Основной вклад в фон альфа-детекторов дают два источника:

- альфа-излучение материалов детектора;

- альфа-излучение радона и продуктов его распада в воздушной среде вокруг твердотельных детекторов и в газовой среде ионизационных камер.

7. Датчики нейтронного излучения

Задачей нейтронной радиометрии, как правило, является раздельное измерение плотностей потоков данных групп или измерение плотности потока одной энергетической группы на фоне двух других. Потоки нейтронов сопровождаются более или менее значительными потоками гамма-квантов.

Нейтроны регистрируются по вторичному излучению их взаимодействия со средой. Для этих целей используются процессы: упругое рассеяние нейтронов; неупругое рассеяние с образованием возбужденных ядер; радиационный захват нейтронов ядром; ядерные реакции под действием нейтронов.

Ядерные реакции с вылетом заряженных частиц (протонов и альфа-частиц) наблюдаются на легких ядрах. Такие реакции идут на гелии-3 с вылетом протона и на литий-6 и боре-10 с вылетом альфа-частиц. Эти элементы и используются, в основном, для детектирования нейтронов. Тяжелые ядра при захвате нейтронов делятся на два более легких ядра с освобождением энергии до 200 МэВ, из которых порядка 160 МэВ передается осколкам деления. Большинство тяжелых ядер делится под действием быстрых нейтронов, но имеются и нуклиды (уран-235, плутоний-239 и др.) с большим сечением реакции в тепловой области.

Газонаполненные детекторы тепловых нейтронов основаны, как правило, на ядерных реакциях с вылетом альфа-частиц, что позволяет обеспечить их полное поглощение при малой чувствительности к гамма-излучению. Избирательность по тепловым нейтронам на фоне быстрых нейтронов обеспечивается разностью (на 3 порядка и более) вероятности реакций по этим группам нейтронов. Наибольшее распространение получили борные счетчики. В качестве газа-наполнителя используется либо трехфтористый бор с обогащением бором-10 до 80-85%, либо аргон, при этом бор в аморфном виде наносится на внутреннюю сторону счетчика толщиной 0.8-1 мг/см2, что обеспечивает чувствительность порядка 0.01 имп/нейтрон на 1 см2 рабочей поверхности. Естественный фон счетчиков не превышает 1 имп/мин.

На 1-2 порядка более высокую эффективность регистрации (до 80-90%) имеют счетчики, заполняемые гелием-3 и аргоном под давлением 5-10 атмосфер, но при этом повышается и их чувствительность к гамма-излучению.

Напротив, на 1-2 порядка пониженную чувствительность к гамма-излучению имеют камеры деления на основе урана-233, урана-235 и плутония-239, которые наносятся на внутреннюю поверхность камер. Камеры используются для работы в активных зонах реакторов.

В сцинтилляционных детекторах для регистрации нейтронных потоков используются литиевые сцинтилляторы на основе монокристаллов LiI(Eu) или стекла с литием, с разной степенью обогащения литием-6 (до 90%). Эффективность регистрации тепловых нейтронов до 80-95% обеспечивается при толщине сцинтилляторов от 15 до 1-2 мм (тем меньше, чем больше степень обогащения лития).

Измерение нейтронов с энергией 0.1-10 МэВ основано, как правило, на регистрации протонов отдачи в водородосодержащих средах.

Для регистрации быстрых нейтронов при наличии гамма-фона используются дисперсные сцинтилляторы, представляющие собой сцинтиллирующий порошок типа ZnS(Ag) или гранулы сцинтиллирующей пластмассы в водородосодержащем материале - люците, плексигласе, полистироле. В связи с ограниченной прозрачностью дисперсных сцинтилляторов они выполняются относительно небольшой толщины (не более 2 мм), при этом эффективность регистрации быстрых нейтронов обычно не превышает 2%. Сопутствующее гамма-излучение исключается методом амплитудной селекции выходных сигналов.

Более высокая эффективность регистрации быстрых нейтронов обеспечивается в органических сцинтилляторах с высоким собственным содержанием водорода и высокой прозрачностью. К ним относятся стильбен, антрацен, сцинтиллирующие пластмассы и жидкости. При толщине сцинтиллирующего материала более 10 мм эффективность регистрации нейтронов превышает 40-50%, однако, при этом возрастает и эффективность регистрации гамма-квантов. Энергетическое распределение сигналов регистрации протонов отдачи близко к равномерному в диапазоне от 0 до максимальной энергии отдачи ядер водорода и не разделяется по амплитудам от актов регистрации гамма-квантов. Для исключения влияния гамма-фона используется селекция сигналов по их форме.

В заключение отметим, что широкий энергетический диапазон нейтронного излучения и разнообразие форм взаимодействия нейтронов с различными материалами позволили обеспечить большое разнообразие детекторов нейтронного излучения. Выше в очень краткой форме затронуты только наиболее характерные их виды.

8. Радиометры и дозиметры широкого пользования

В настоящее время имеется большое количество радиометров и дозиметров различного типа и назначения. Ниже приводятся наиболее известные из них.

- мо1. СРП-88Н (сцинтилляционный радиометр) - профессиональный радиометр для поиска и обнаружения источников фотонного излучения, широко применяется в геологии. Имеет цифровой и стрелочный индикаторы, возможность установки порога срабатывания звукового сигнализатора. Блок детектирования выносной. В качестве детектора используется сцинтилляционный кристалл NaI. Автономный источник питания - 4 элемента Ф-343.

2. Дозиметр ДБГ-06Т - предназначен для измерения мощности экспозиционной дозы фотонного излучения. Источник питания - гальванический элемент типа «Корунд». Диапазон измерения от 0.01 до 99.99 мР/ч (25 с), от 0.1 до 999.99 мЗв/ч (2.5 с).

3. Дозиметр ДРГ-01Т1 - предназначен для измерения мощности экспозиционной дозы фотонного излучения. Диапазон измерения от 0.01 до 9.99 мР/ч (25 с), от 0.01 Р/ч до 9.999 Р/ч (2.5 с).

4. Дозиметр ДБГ-01Н - для обнаружения радиоактивного загрязнения и оценки с помощью звукового сигнализатора уровня мощности эквивалентной дозы фотонного излучения. Источник питания - гальванический элемент типа «Корунд». Диапазон измерения от 0.1 мЗв/ч до 999.9 мЗв/ч.

5. Радиометр бета-гамма излучения РКС-20.03 «Припять» - предназначен для контроля радиационной обстановки в местах проживания, пребывания и работы. Радиометр позволяет измерять:

величину внешнего гамма-фона; уровни загрязнения радиоактивными веществами жилых и общественных помещений, территории, различных поверхностей; суммарное содержание радиоактивных веществ (без определения изотопного состава) в продуктах питания и других объектах внешней среды (жидких и сыпучих). Диапазоны измерений:щности экспозиционной дозы гамма-излучения от 0.01 до 20.00 мР/ч;

- мощности эквивалентной дозы гамма-излучения от 0.1 до 200.0 мЗв/ч;

- плотности потока бета-излучения от 10 до 20.00*103 частиц/мин.см2;

- удельной активности от 1*10-7 до 2*10-5 Кюри/кг.

Источник питания - гальванический элемент типа «Корунд» или внешний источник питания постоянного напряжения от 4.7 до 12 В.

6. Дозиметр ДРГ-11Т "Рудник" - выполнен во взрыво-безопасном исполнении и предназначен для измерения мощности экспозиционной дозы гамма-излучения. Диапазон измерения 0.010 до 9.999 мР/ч. Источник питания - гальванический элемент типа «Корунд».

Размещено на Allbest.ru

...