Способи вимірювання іонізуючого випромінювання
Використовують три основні групи приладів для вимірювання та контролю іонізованого випромінювання: радіометри, спектрометри, дозиметри. Найважливішою частиною подібних приладів є детектор - пристрій реєстрації іонізуючого випромінювання. Детектором називають пристрій, в якому енергія іонізуючого випромінювання перетворюється на електричну або інші види енергії, що дозволяє реєструвати випромінювання.
Радіометри:
• вимірюють активність джерела іонізуючого випромінювання; • дозволяють визначити активність конкретного радіонукліду або сумарну активність радіонуклідів у джерелі випромінювання (у Беккерелях).
Спектрометри: • вимірюють енергетичний спектр випромінювання - розподіл гамма-квантів, альфа-або бета-часток за енергіями;
Дозиметри:
• дають оцінки доз опромінення: поглиненої – у Греях (Гр) та похідних (мГр, мкГр тощо); еквівалентної або ефективної - в Зіверті і похідних (мЗв, мкЗв) а також потужності доз;
• дають оцінку потужності доз.
Робота газорозрядних (іонізаційних) детекторів заснована на іонізації робочої речовини (газу) випромінюванням. Найдетектор такого типу — іонізаційна камера. Вона є плоским або циліндричним конденсатором, внутрішній (робочий) об'єм якого заповнений газом. До обкладок конденсатора додається постійна електрична напруга. За відсутності зовнішнього опрокинення газ, що знаходиться між пластинами конденсатора, є ізолятором, тому струм у ланцюгу відсутній. Коли ж частки іонізуючого випромінювання потрапляють у робочий простір конденсатора, вони викликають іонізацію молекул газу
- Утворюються заряджені частинки: вільні електрони та іони. При попаданні в робочий простір конденсатора гамма-квантів газ, що наповнює цепростір, іонізується фотоелектронами, які вириваються з матеріалу стінок камери під дією гамма-випромінювання.
В електричному полі конденсатора негативно заряджені частинки направляють до анода (+), а позитивно заряджені до катода (-). Як наслідок, у ланці виникає короткочасний електричний струм – електричний імпульс. Цей імпульс і являє собою сигнал, що реєструється, що свідчить про наявність частинок або гамма-квантів випромінювання, а його амплітуда залежить від енергії частинок або гамма-квантів. Знаючи сумарний електричний заряд, що у робочому обсязі детектора, можна оцінити величину дози зовнішнього опромінення об'єкта.
Переваги іонізаційної камери – простота та надійність, недолік – слабкий електричний сигнал при реєстрації випромінювання, тобто низька ефективність реєстрації. Пропорційні детектори та лічильники Гейгера-Мюллера – це різновиди приладів на основі газорозрядних детекторів. Вони відрізняються відносно високою анодною напругою, що дозволяє значно посилювати електричні сигнали, що викликаються іонізуючим випромінюванням.
У лічильниках Гейгера-Мюллера виходять сильні електричні сигнали, але вони однакові всім зареєстрованих частинок чи гамма-квантов, незалежно від своїх енергії. Тому подібні лічильники служать лише визначення загальної кількості частинок чи гамма-квантов, не різниці їх у енергії. При використанні пропорційного лічильника зберігається можливість розпізнавати частинки або гамма-кванти, що відрізняються енергією.
Недолік газорозрядних детекторів - низька ефективність реєстрації гамма-випромінювання через високу проникаючу здатність більшість гамма-квантів залишає робочий обсяг детектора, не викликавши іонізації молекул газу. У разі альфа та бета-випромінювання виникає інша проблема. Реєстрація альфа-частинок газ розрядними лічильниками практично неможлива, тому що майже всі ці частинки поглинаються стінками детектора. Бета-частинки також значною мірою поглинаються стінками детектора. Щоб знизити ступінь поглинання бета-часток, зменшують товщину корпусу там, де випромінювання проникає в робочий об'єм детектора.
Напівпровідникові детектори також відносяться до іонізаційних. За принципами дії вони схожі на іонізацію камер, але замість газу в якості робочої речовини використовують напівпровідникові матеріали (область р-п-переходу, включеного в зворотному напрямку). Довжина пробігу альфа-частинок у твердому тілі невелика, тому для реєстрації досить тонкого шару напівпровідника.
Для реєстрації бета-і гамма-випромінювань необхідний товстіший шар напівпровідникового матеріалу. Напівпровідникові детектори дозволяють добре розрізняти частки, близькі до енергії, тобто мають високу енергетичну здатність. Деякі види напівпровідникових детекторів працюють лише за температури рідкого азоту, що значно ускладнює їх конструкцію та експлуатацію.
Широко поширені та сцинтиляційні детектори. Їхня робота заснована на здатності деяких сполук світитися під дією іонізуючого випромінювання. При попаданні в детектор випромінювання збуджує молекули цих сполук, тобто переводить електрони молекул більш високі енергетичні рівні. Повернення молекул в основному енергетичний стан відбувається за дуже короткий проміжок часу та супроводжується випромінюванням фотонів. Світлові спалахи реєструються. Таким чином, детектування іонізуючих випромінювань знайшов широке застосування при появі фотоелектронних помножувачів. (ФЕП) - пристроїв, що дозволяють вимірюватинадслабка (аж до одиничних фотонів) світлові спалахи.
Як сцинтилятор використовують неорганічні та органічні сполуки в твердому і рідкому стані. Для реєстрації гамма-квантів широко використовують сцинтилятори на основі монокристалів N aI і C sI. І тут ефективність реєстрації гамма-випромінювання становить десятки відсотків. При реєстрації бета-випромінювання краще використовувати органічні сцинтилятори, в тому числі рідкісні. У разі альфа-випромінювання застосовують сцинтилятори на основі сульфіду цинку або кадмію. Сцинтиляційні детектори мають непогану енергетичну роздільну здатність, однак у цьому відношенні поступаються напівпровідникових.
Обидва типи детекторів відрізняються високою швидкодією.
Принцип діїфотоемульсійних детекторів подібний до фотографічного. Іонізуючого випромінювання впливає на фотоемульсію, нанесену на плівку або платівка, і утворює приховане зображення. Після прояву у тих місцях, які отримали опромінення, залишається темний слід. Такі детектори здатні фіксувати слід (трек) руху ядерних частинок, тому їх належать до класу трекових.
У дозиметрії використовують фотоемульсійні, а також термолюмінесцентні(ТЛД) та фотолюмінесцентні (ФЛД) детектори. До складу ТЛД та ФЛД входять люмінофори – речовини, випромінювання яких призводить до виникнення так званих центрів фотолюмінесценції. Подібні центри виникають унаслідок порушення молекул люмінофора. На відміну від сцинтиляторів, молекули люмінофора можуть перебувати у збудженому стані досить тривалий час, і поглинена енергія випромінювання може зберігатися в опромінюваному матеріалі. Люмінесценція починається не відразу після опромінення, а лише після додаткової дії на люмінофор. У разі ФЛД люмінесценції може спричинитиультрафіолетове випромінювання. У ТЛД люмінесценція починається після нагрівання люмінофора до певної температури (зазвичай трохи більше 573 До). Такий вплив роблять на люмінофор у приладі, де вимірюється інтенсивність свічення. За її величиною визначають накопичувальну людиною дозу зовнішнього опромінення. Після зчитування показань детектори ФЛД і ТЛД можуть бути знову використані для дозиметричних вимірювань.
Найпростіші дозиметри створені на основі іонізаційної камери і фактично вимірюють сумарний електричний заряд частинок, що утворюються в речовини за певний проміжок часу під дією гамма-випромінювання. Електричні заряди, що виникають в іонізованій камері, надзвичайно малі і практично не піддаються вимірюванню. Тому іонізаційні камери використовують лише для оцінки дози гамма-випромінювання високої інтенсивності. Найчастіше використовують інші детектори випромінювання. Найчастіше використовують лічильники Гейгера-Мюллера, а також прилади на основі сцинтиляційних та напівпровідникових детекторів.
Дози зовнішнього опромінення людини контролюють індивідуальними дозиметрами. Сучасні дозиметри дозволяють визначати ефективну дозу абсолютно дочних опромінення організму людини і дають показання в мікрозивертах (мкЗв) або мілізівертах (мЗв). У приладах, за допомогою яких визначається потужність дози зовнішнього опромінення, одиницею вимірювання зазвичай служить мікрозиверт за годину (мкЗв/год).
У гамма-радіометрах зазвичай використовують сцинтиляційні детектори. У радіометрі є спеціальний блок обробки, в якому на основі введеної інформації про масу або обсяг проби за кількістю зареєстрованих приладом гамма-квантів визначається питома активність вимірюваної проби. Прилад видає показання в Беккерелях на кілограм (Бк/кг) абоБеккерелі на літр (Бк/л).
Особливі вимоги пред'являються захисту радіометра від фонового випромінювання, яке може спотворити показання приладу. Чим менша питома активність вимірюваних зразків, тим вище вимоги до якості детектора та захисту приладу від фонових випромінювань, не пов'язаних з випромінюванням досліджуваного зразка.
Лічильник випромінювання людини є різновидом радіометра і призначений для вимірювання активності в тілі людини радіоактивного цезію, калію та інших радіонуклідів за розпадом гамма-випромінювання, що супроводжує їх.
Спектрометри дають найповнішу інформацію про випромінювання радіонуклідів. Гамма-, альфа- та бета-спектрометри дозволяють визначити енергетичний спектр випромінювання, тобто розподіл гамма-квантів, альфа- або бета-часток за енергіями. Спектр випромінювання кожного радіонукліду унікальний, що дозволяє визначати, які радіонукліди і в якій кількості містяться в зразку, що аналізується. У спектрометрах використовують напівпровідникові чи сцинтиляційні детектори. Спектрометри - це найскладніші та найдорожчі вимірювальні прилади.
Поділитись "Способи вимірювання іонізуючого випромінювання"