5.4 Методи вимірювання радіоактивності

Метою вимірів радіоактивності є: встановлення радіоактивності, оцінка її інтенсивності, спектрального складу випромінювань, встановлення природи радіоактивності і кількості радіоактивних елементів, вивчення характеру розподілу радіоактивності і її носіїв, потужностей доз випромінювання.

Існуючі радіометричні методи засновані на реєстрації ефекту взаємодії радіоактивного опромінювання з речовиною. В зв’язку з цим виділяють такі основні методи реєстрації радіоактивності:

1. іонізаційні, які включають, в залежності режиму апаратури і її конструкції, інтегральний (чи власно іонізаційний) і імпульсний (або метод рахунку) методи;

2. сцинтиляційний;

3. фотографічний;

4. люмінесцентний і кристалічних лічильників;

5. реєстрація черенковського випромінювання.

Найпоширеннішими у практиці радіометрії є іонізаційні (імпульсні) і сцинтиляційні методи.

Іонізаційні і сцинтиляційні методи. Принципово будь-яка установка для реєстрації випромінювання іонізаційним або сцинтиляційним методами складається з двох частин: детектора і вимірювальної апаратури. Детектор являє собою чутливий елемент, в якому відбувається взаємодія випромінювання з речовиною. Вимірювальна апаратура сприймає сигнал з детектора і виконує функції необхідні для виконання вимірів. Серед детекторів іонізаційного метода реєстрації випромінювань відрізняють іонізаційні камери, газорозрядні пропорційні лічильники і лічильники Гейгера. Найбільш розповсюдженими типами детекторів є лічильники Гейгера, в меншій мірі іонізаційні камери. Існують датчики для реєстрації , -часток, - квантів і нейтронів.

Принципово газорозрядний лічильник являє собою циліндричний конденсатор, в якому одна з обкладок це коаксиально розташований електрод. Якщо на такий конденсатор подати напругу, то іони, створені при потраплянні всередину ядерної частинки, будуть збиратися на обкладках конденсатора і змінювати його потенціал. При цьому кількість утворених іонів (або величина заряду – dg) і відповідно величина зміни потенціалу (dV) на конденсаторі ємністю С буде для часток з різною іонізуючою здібністю різною і буде дорівнювати:

B.

При низьких напругах в іонізаційних камерах іони газу, які виникли під впливом радіоактивних випромінювань, самі не іонізують, а збираються на електродах конденсатора. Підключивши до такої камери вимірювальний прилад, можна зафіксувати дуже слабкі струми іонізації. Вони можуть бути зафіксовані в межах певного часу t:

,

або якщо ,

де - зміна напруги на електродах за час , С – ємність конденсатора, , тобто величина іонізаційного струму визначається за різницею потенціалів за певний час.

Так як, у вимірювальних приладах використовуються різноманітні шкали, за допомогою яких виконується відлік показань приладів, вони можуть бути проградуйовані. В цьому випадку V=V₁–V₂=nV₁, де V₁ ціна поділу шкали, n – число поділок шкали. В зв’язку з тим, що V₁C – для цього приладу величина постійна (а), то I=a , тобто вимірювальна величина іонізаційного струму оцінюється за кількістю поділок шкали, пройдених рухомою системою(нитка, петля, квадрант). Причому швидкість переміщення рухомої системи є мірою радіоактивності препарату (іоноутворення). На цьому принципі побудований інтегральний іонізаційний метод вимірювання загальної радіоактивності порід і мінералів.

Основним засобом оцінки радіоактивності і наявності радіоактивних елементів в інтегральному іонізаційному методі (як і в інших радіометричних методах) є відносний метод, який ґрунтується на порівнянні показників приладів від дослідженого зразка до еталонного зразка, при дотриманні ідентичності умов вимірів. Оцінка вмісту радіоактивних елементів в цьому випадку проводиться за формулою:

,

де а – вміст радіоактивних елементів в еталоні - величина іонізаційного струму від зразка та еталону; - маси (або випромінюванні площі) проби та еталону (у випадку їх неідентичності).

Інтегральні методи вимірювання радіоактивності в теперішній час використовуються обмежено: при радіохімічному аналізі , оцінюванні радіоактивності еманацій, при вимірюванні сильно емануючих проб та проб, які мають в своєму складі калій тощо. Вони були змінені більш продуктивними та чутливими імпульсними методами. В якості датчиків в цьому методі використовуються або газорозрядні лічильники (в іонізаційному методі) або різноманітні люмінофори (в сцинтиляційному методі).

Газорозрядний лічильник являє собою герметичний скляний (-лічильник) або металевий (-лічильник) циліндричний конденсатор, який заповнений сумішшю з інертних газів та галоїдних сполук. Електродами лічильника є коаксиально розташовані металева нитка та оболонка (для -датчиків) або циліндр (для -датчиків) лічильника. На електроди подається висока напруга, достатня для ударної іонізації газу в середині лічильника. Суть цього процесу полягає у прискоренні полем іонів, які утворюються в результаті взаємодії радіоактивного випромінювання з атомами і молекулами газу. В результаті такого прискорення (при певній напрузі) іони, стикаючись з нейтральними атомами і молекулами, здатні їх іонізувати. Цей процес зростає лавиноподібно і приводить до розряду, який заповнює увесь об’єм лічильника і утворює на зовнішньому навантаженні лічильника різкий перепад струму. За частотою подібних розрядів формується уявлення про величину радіоактивності. Вибір оптимальної напруги роботи датчиків здійснюється шляхом отримання так названої лічильної характеристики – графіка залежностей швидкості розрядів від прикладеної до датчика напруги, при постійному джерелі випромінювання (рис. 5.5). Робоча напруга вибирається в межах “плато” - більш-менш горизонтальної частини характеристики.

Рисунок 5.5. – Лічильна характеристика газорозрядного лічильника

У сцинтиляційному методі використовують в ролі датчиків різного роду люмінофори в сполученні з фотоелектронним помножувачем. Заряджені частинки чи -кванти взаємодіють з матеріалом люмінофору, викликаючи спалахи люмінесценції. Останні перетворюються в електричні імпульси, які потім реєструються. В залежності від характеру реєструючого випромінювання, застосовують неорганічні, органічні, тверді, рідкі і газоподібні люмінофори. Вони в порівнянні з газонаповненими датчиками мають ряд переваг: високу ефективність, велику роздільну здатність, можливість оцінки енергетичного спектру випромінювання. Люмінофори можуть виготовлятися відкритого типу, що дозволяє використовувати їх для реєстрації -випромінювання. Напівпровідникові детектори поділяються на два типи: кристалічні і власно напівпровідникові. В кристалічних детекторах, які складаються з пластини монокристалу діелектрика з металізованими протилежними сторонами і включених в електричну мережу, струм протікає тільки під дією іонізації, викликаної радіоактивним випромінюванням. Останнє, при проходженні через кристал, утворює на своєму шляху вільні електрони і дірки, кількість яких пропорційна енергії випромінювання. Під дією прикладеної на датчик зовнішньої напруги вони переміщуються до електродів.

Основною перевагою напівпровідникових детекторів є безпосереднє перетворення іонізації в електричний сигнал (у сцинтиляційних детекторах іонізацію викликає світовий спалах, який за допомогою ФЕП перетворюється в електричний). Крім того, ці лічильники компактні, нечутливі до зовнішнього магнітного поля, мають високу роздільну здатність, ефективність.

Вимірювальними приладами в імпульсному методі є радіометри. Радіометр має два блоки: блок реєстрації (датчик) і блок вимірювання, які мають роз’ємне сполучення між собою. Радіометри для інтегральних вимірювань радіоактивності складаються за наступною принциповою блок-схемою (рис. 5.6).

Рисунок 5.6 – Блок-схема інтегрального радіометру

Оцінка радіоактивності природних об’єктів за допомогою радіометрів відносна – у порівнянні з радіоактивністю еталонів із відомим вмістом радіоактивного елементу, що утворюють певні потужності випромінювання на різних віддалях від еталону. Для цього прилади еталонують за допомогою стандартних еталонів - випромінювання, тобто для кожного радіометра будують графік залежності показів приладу від потужності доз (р), які створюються еталоном на різних віддалях від датчика (рис. 5.7).

Згідно формули:

Р= ,

де а – вміст радіоактивного елементу в еталоні, мг; r – віддаль між датчиком і еталоном.

За допомогою графіку еталонування покази приладу приводяться до єдиної системи – потужності дози, що дає можливість порівняння між собою результатів вимірів різних радіометрів.

Спектрометричні радіометри використовуються для оцінки енергій реєструючого -вимірювання. Основною частиною -спектрометра є амплітудний аналізатор – прилад, який дозволяє виділити і зареєструвати -випромінювання різних енергій. Серед амплітудних аналізаторів виділяють інтегральні і диференціальні аналізатори. Перші використовують для реєстрації імпульсів з амплітудою вище деякого порогу, другі – в деякому вузькому діапазоні (вікні) амплітуд.

Рисунок  5.7 – Графіки еталонування радіометрів, побудовані (а – за різностним ефектом [J_i-Ф]; б – разом із фоном [Ф]; J_i – значення радіоактивності)

Диференціальні амплітудні аналізатори мають два вбудованих, паралельно один до одного, дискримінатора – порогового амплітудного аналізатора: дискримінаторів нижнього і верхнього рівнів. Перший пропускає імпульси з амплітудою вище порогової, другий – нижче верхнього порогу. На виході диференціального аналізатора будуть з’являтися імпульси струму тільки тоді, коли їх амплітуда буде вище рівня порогу нижнього рівня і нижче верхнього (схема антиспівпадань - рис. 5.8).

Рисунок 5.8 – Блок-схема одноканального диференційного амплітудного аналізатора

Синхронно змінюючи напругу на обох дискримінаторах, можна вивчати диференціальний спектр - залежність числа імпульсів на виході аналізатора від порогу дискримінації. Можна цю залежність виразити в енергетичних одиницях (електрон-вольтах), якщо попередньо, за допомогою еталонів з відомими енергетичними показниками, встановити зв’язок між амплітудою імпульсів (у вольтах) і енергією випромінювання (в електрон-вольтах). Для скорочення часу вимірів можна користуватися багатоканальними аналізаторами.