КР_ИАТК_Кисель

Министерство образования республики Беларусь

Учреждение образования

«БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ»

Факультет компьютерного проектирования

Специальность:«ПиППУЭС»

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

По курсу:«Интегрированные автоматизированные технологические комплексы»

Вариант № 9

Выполнил:

студент-заочник 5 курса

группы № 990241

Кисель И. Г.

Проверил:

доцент, канд. техн. наук

Завадский С. М.

Минск, 2024

Датчики ионизирующих излучений.

Понятия и определения.

Ионизирующее излучение – вид энергии, высвобождаемой атомами в форме электромагнитных волн (гамма- и рентгеновское излучение) или частиц (нейтроны, бета- и альфа-частицы). Спонтанный распад атомов называется радиоактивностью, а избыток возникающей при этом энергии является формой ионизирующего излучения [1].

Датчик – это измерительный преобразователь, состоящий из одного или нескольких первичных преобразователей (чувствительных элементов), функционально объединенных в единую конструкцию, и служащий для преобразования неэлектрической величины (НЭВ) в электрическую величину (ЭВ) (рис. 1).

Рис. 1. Структурная схема датчика

В специальной литературе относительно датчиков ионизирующего излучения нет четкого разграничения между приборами (дозиметрами) и непосредственно датчиками. Более того, такие датчики даже именуются просто как детекторы радиоактивного излучения (при этом «излучение» трактуется часто как «радиация»). Конечно, отчасти это оправдано в связи с широким спектром как самих дозиметров, так и единиц измерения интенсивности радиоактивного излучения и единиц поглощения веществами продуктов этого излучения. Это также оправдано и физическим свойством самих излучений, относящихся к разряду ядерных и трактуемых как ионизационные излучения. Традиционно такое название принято из-за того, что при прохождении элементарных частиц через различные материалы, поглощающие их энергию, возникают новые заряженные частицы, фотоны и ряд других свободных радикалов.

Ионизирующие излучения, вызванные естественными радионуклидами, создают естественный (природный) радиационный фон, окружающий все живые существа, населяющие нашу планету, т. е. фактически он является неотъемлемым фактором окружающей среды, таким же, как температура, кислород, азот, атмосферное давление и др. Так что можно без преувеличения утверждать, что радиоактивно все, что нас окружает: почва, вода, растения и животные, т. е. все, что распределено на поверхности и в недрах Земли, в ее атмосфере, воде, растениях и организмах всех живых существ, населяющих нашу планету. И несмотря на многочисленные исследования и появляющиеся в печати инновационные материалы, роль естественного радиационного фона в жизни организмов, населяющих Землю, еще до конца не выяснена, однако в большинстве случаев мнения ученых сходятся к тому, что в условиях естественного фона обеспечиваются оптимальные условия для жизнедеятельности растений, животных и человека.

В зависимости от региона планеты уровень естественной радиоактивности может изменяться в пределах 5-20 микрорентген в час. По сложившемуся мнению, такой уровень радиации не опасен для человека и животных, хотя эта точка зрения также неоднозначна. Тем не менее повлиять на естественный уровень подобных излучений практически невозможно, поэтому необходимо максимально ограждать себя от факторов, приводящих к значительному превышению допустимых значений. Для этого и необходимы датчики (детекторы ионизирующих излучений), входящие в состав дозиметрических и радиометрических измерительных приборов [2].

Ионизирующее излучение, или радиация, оказывает негативное воздействие на живые организмы. При прямом воздействии ионизирующего излучения разрушаются живые клетки, нарушается работа тканей, органов, развиваются радиационные ожоги, острый лучевой синдром.

При долгосрочном воздействии увеличивается риск онкологических заболеваний.

Взаимодействие ионизирующего излучения со средой приводит к образованию ионов разных знаков, то есть к ионизации среды (рис. 2). Такими свойствами обладают радиоактивные излучения, излучения высоких энергий, рентгеновские лучи и др. Видимый свет и ульрафиолетовое излучение не относятся к ионизирующим излучениям [3].

Рис. 2. Ионизация среды

Степень негативного влияния определяет тип, уровень радиации. Оно представляет собой электромагнитное поле (гамма-частицы) либо поток элементарных частиц (нейтронов, протонов, бета-, альфа-частиц) (рис. 3).

Рис. 3. Различные виды излучения

Альфа-излучение – представляет собой поток альфа-частиц (ядер атомов гелия). Относятся к сильно ионизирующим частицам, быстро теряющим свою энергию при взаимодействии с атомами вещества. По этой причине альфа-излучение имеет маленькую проникающую способность (путь в веществе) и не способно проникнуть даже через слой обычной бумаги или кожу человека. Альфа-частицы опасны лишь при внутреннем облучении органов и тканей.

Бета-излучение – представляет собой поток электронов. Из-за более низкой, чем у альфа-частиц, ионизирующей способности могут преодолеть большее расстояние в веществе (2-3 см в биологической ткани).

Гамма-излучение не состоит из частиц как альфа- и бета-излучения. Оно, так же как и свет Солнца, представляет собой электромагнитную волну, распространяющуюся со скоростью света. Ионизирующая способность гамма-излучения низка. Проникающая способность – самая большая (в биологических тканях гамма-кванты не задерживаются).

Нейтронное излучение – это ядерное излучение, состоящее из потоков частиц с нейтральным зарядом (нейтронов). Проникающая способность нейтронов очень велика по причине отсутствия заряда и, как следствие, слабого взаимодействия с веществом. Но важно отметить, что характер взаимодействия нейтронов со средой сильно зависит от энергии частиц. По этой причине нейтроны разделяют на группы в зависимости от их энергии. Основные из них это тепловые и быстрые нейтроны. При этом энергия быстрых нейтронов в миллиарды раз больше энергии тепловых нейтронов [3].

Ионизация среды увеличивается с увеличением мощности дозы проникающей радиации и длительности воздействия. Обнаружение воздействия возможно с помощью детекторов ионизирующих веществ. Используя оборудование, измеряющее уровень ионизирующего излучения, можно контролировать дозу облучения.

Измерение уровня ионизирующего излучения проводится для оценки безопасности производственных линий, научных исследований и дозиметрического контроля населения. Объекты контроля – медицинские аппараты, оборудование научных лабораторий, производственное оборудование.

Приборы для измерения уровня излучения применяется в следующих отраслях:

– атомная энергетика;

– производство радиоактивных материалов;

– металлургическая промышленность;

– химическая промышленность;

– системы контроля хранения, перемещения ядерных материалов;

– системы экологического контроля;

– научные исследования.

Детектор (датчик) ионизирущего излучения предназначен для обнаружения излучений и частиц, определения состава излучения, а также измерения его энергетического спектра [4].

Основные виды датчиков.

Действие всех разработанных в настоящее время датчиков радиоактивности основано на эффектах, возникающих в результате взаимодействия ионизирующих излучений (альфа, бета, гамма, нейтронного, рентгеновского) с газообразными, жидкими или твердыми веществами. В результате такого взаимодействия продукты распада теряют свою энергию, что приводит к образованию разноименных носителей заряда – ионов, электронов или дырок, в то время как направленное движение зарядов легко преобразуется в электрические сигналы, связанные с характеристиками радиоактивности; в других случаях эта энергия преобразуется в специфический химический продукт. В литературе нет как таковой специальной классификации таких датчиков. Основное подразделение на виды относится к датчикам обнаружения эффекта от ионизации в газе и эффекта возбуждения атомов (или молекул) вещества под действием ионизирующего излучения.

К датчикам «обнаружения» (т. е. разделения нейтральных молекул газа на ионы и электроны) относятся ионизационные камеры и газоразрядные счетчики.

В ионизационной камере возникшие электроны и положительные ионы под действием электрического поля перемещаются к соответствующим электродам, вследствие чего во внешней цепи появляется ток, являющийся мерой ионизационного эффекта.

Аналогом ионизационной камеры также является полупроводниковый датчик с твердотельным чувствительным объемом. Кроме того, в практике применяются также так называемые датчики прямого заряда.

В газоразрядном счетчике используются усилительные свойства вторичной ионизации, в результате чего число электронов и ионов, достигающих соответствующих электродов, во много раз превышает число ионов, образованных при первичной ионизации.

К датчикам эффекта возбуждения атомов или молекул вещества под действием ионизирующего излучения относятся стинцилляционные детекторы-счетчики, в которых возникает флуоресценция (свечение) в результате перехода возбужденных атомов или молекул в основное состояние. Световые вспышки с помощью фотоэлектронного умножителя преобразуются в электрические импульсы.

Трековые или следовые детекторы позволяют наблюдать визуально следы (треки) проходящих частиц. К ним относится: камера Вильсона, пузырьковая камера, ядерные фотоэмульсии, искровые камеры. Общий принцип регистрации основан на том, что ускоренные заряженные частицы, попадая в рабочее вещество, ионизируют его по ходу движения. В результате ионизации вещества возникают вторичные эффекты, которые можно наблюдать и по ним оценивать наличие частиц, их энергию, среднюю длину пробега и т.д.

Известны химические датчики, в которых поглощение энергии ионизирующего излучения веществом вызывает химические реакции, количественный продукт которых определяет величину поглощенной энергии вещества.

Известны также фотографические датчики, в которых воздействие излучения вызывает почернение чувствительного фотоматериала. По плотности почернения можно судить о поглощенной веществом энергии излучения.

Следует отметить, что из вышеупомянутых датчиков наибольшее применение в практике получили ионизационные датчики (детекторы), входящие в состав дозиметрической аппаратуры.

Сцинтилляционные, химические и фотографические датчики в основном применяются в специальных случаях [2].

Датчики радиоактивности с ионизационной камерой.

Такой датчик (рис. 4) представляет собой герметичный объем, заполненный воздухом или инертным газом (гелий, аргон). Внутри камеры расположены два различной формы электрода – анод и катод. Под воздействием ионизирующего излучения возникшие противоположно заряженные ионы перемещаются к электродам в соответствии со своим зарядом: отрицательно заряженные ионы движутся к аноду, а положительно заряженные – к катоду.

Рис. 4. Датчик с ионизационной камерой.

При небольших значениях постоянного напряжения (рис. 5), меньших U₁, скорость дрейфа ионов мала и они активно рекомбинируют, взаимно уничтожаясь, поэтому ток датчика пропорционален приложенному напряжению. Однако для нормальной работы датчика выбирается режим насыщения (участок U₁ – U₂), при котором прекращается процесс рекомбинации (все ионы достигли своих электродов) и ток уже не зависит от величины приложенного напряжения. Такой режим и является рабочим режимом датчика, при котором ток пропорционален величине энергии ионизирующего излучения. Для большинства используемых в таких датчиках газов энергия ионизации излучения составляет порядка 10—20 эВ.

Рис. 5. Вольт-амперная характеристика датчика с ионизационной камерой.

Счетчики Гейгера – Мюллера.

Счетчик Гейгера – Мюллера – один из простейших подвидов газоразрядной ионизационной камеры, изобретенный немецким физиком Хансом Гейгером в 1908 г. и усовершенствованный им совместно с Вальтером Мюллером в 1928 г., до сих пор находит широкое применение из-за своей низкой стоимости и простоты в эксплуатации.

В простейшей конструкции счетчик Гейгера – Мюллера представляет собой герметичный стеклянный цилиндр, заполненный инертным газом (например, гелием или аргоном), внутри которого протянут тонкий токопроводящий провод, являющийся анодом (рис. 6). На стенках колбы закрепляется тонкая металлическая пленка (катод).

Рис. 6. Простейшая конструкция счетчика Гейгера – Мюллера:

1 – герметически запаянная стеклянная трубка; 2 – катод (тонкий слой меди внутри колбы); 3 – вывод катода; 4 – анод (тонкая нить с выводом)

Принцип действия счетчика Гейгера – Мюллера основан на регистрации ионизирующей частицы, прошедшей через объем газа в процессе ударной ионизации.

В нормальных условиях газ, разделяющий катод и анод, не проводит электрический ток. Однако частицы ионизирующего излучения, проходя через объем колбы, сталкиваются с молекулами газа, ионизируя их, вследствие чего газ становится проводящим и между электродами возникают импульсы электрического тока, свидетельствующие о прохождении в данный момент частиц радиоактивного излучения. Фактически данный детектор является эквивалентом газонаполненного конденсатора, который пробивается при пролете ионизирующей частицы через объем газа. Входящие в состав дозиметрических приборов такие датчики требуют рабочего напряжения питания в пределах 300 – 400 В, что осуществляется за счет дополнительной электронной схемы преобразования. В бытовых дозиметрах и радиометрах производства СССР и России обычно применяются счетчики с рабочим напряжением 390 В. Существуют различные модификации счетчика Гейгера – Мюллера, хотя принцип действия остается одним и тем же.

Полупроводниковые датчики радиоактивного излучения.

Эти датчики являются аналогом датчиков с ионизационной камерой. Их основное преимущество по сравнению с имеющимися современными детекторами ионизирующих излучений – высокая чувствительность при небольших размерах. Это обусловлено тем, что плотность вещества чувствительного объема в полупроводником материале примерно на три порядка выше плотности газа в ионизационной камере, а энергия образования подвергнутых излучению пар носителей на порядок ниже, что дает увеличение поглощенной энергии в единице объема полупроводника в 10 раз.

Принцип действия полупроводниковых датчиков ионизирующего излучения основан на эффективной ионизации атомов исходных полупроводников и примесей в обратно смещенном р-п-переходе полупроводника. При обратно смещенном р-п-переходе внешнее электрическое поле (рис. 7) концентрирует дырки у отрицательного электрода, а электроны – у положительного. В результате в р-п-переходе создается обедненная носителями зона, в которой находятся только атомы исходных полупроводников и примесей, чувствительных к ионизирующему излучению. При прохождении через чувствительную зону ионизирующего излучения в ее объеме формируются новые электронно-дырочные пары, перемещающиеся к соответствующим электродам, создавая ток во внешней цепи, величина которого пропорциональна энергии ионизирующего излучения.

Рис. 7. Полупроводниковый датчик ионизирующего излучения.

Такие датчики формируются на основе различных примесных полупроводниковых материалов и используются для определения энергий с большой ионизационной способностью. Их большое преимущество – малая величина энергии (~3 эВ), требуемая для образования носителей заряда.

Датчики радиоактивности прямого заряда.

Принцип работы датчиков прямого заряда основана на взаимодействии нейтронов и гамма-квантов с чувствительным к ним материалом датчика, в результате которого происходит ядерная реакция с появлением бета-частиц или электронов, количество которых можно регистрировать.

Основой конструкции такого датчика (рис. 8) являются нейтроночувствительный эмиттер и коллектор, разделенные диэлектрическим материалом (например, оксидом алюминия). В качестве эмиттера используются такие металлы как платина, родий или кадмий. Лучшей линейной зависимостью выходного сигнала обладают датчики с эмиттером из родия, а худшей – из платины, хотя платина больше подходит для обнаружения гамма-излучения, нежели нейтронного.

Рис. 8. Конструкция датчика прямого заряда:

1 – коллектор – тонкостенный металлический корпус (нержавеющая сталь);

2 – эмиттер; 3 – диэлектрик (оксид алюминия); 4 – металлическая оболочка; 5 – нихромовая жила; 6 – оксид магния.

При нахождении датчика в потоке нейтронов электроны, образующиеся при бета-распаде в нейтроночувствительном эмиттере, движутся к коллектору и поглощаются им. Создается разность потенциалов в промежутке эмиттер – коллектор, следовательно, датчик работает подобно генератору, вырабатывая ток, величина которого пропорциональна плотности нейтронов.

Коллектор 1 датчика соединен с металлической оболочкой 4, а эмиттер – с нихромовой жилой 5. Пространство между выводами заполнено оксидом магния 6.

Следует отметить, что образуемые в веществе эмиттера электроны создаются в результате фотоэффекта и комптоновского рассеяния гамма-квантов, испускаемых в реакции (n, γ). По использованию двух этих основных эффектов такие датчики подразделяются на комптоновские и активационные.

К достоинствам датчиков прямого заряда следует отнести достаточно длительный срок эксплуатации (несколько лет), возможность работы при больших температурах (до 700 °С), нечувствительность к фоновым излучениям [5].

Камера Вильсона.

В качестве рабочего вещества используется (пересыщенный) переохлажденный пар. В состав пара входит вода, этиловый спирт, гелий и аргон. Камера (рис.9) представляет собой стеклянный цилиндрический сосуд, покрытый сверху стеклом 1. Над этим стеклом располагается фотокамера 2. Снизу сосуда расположен подвижный поршень, над поршнем располагается сетка, покрытая слоем черного влажного бархата или сукна.

Рис. 9. Схема камеры Вильсона.

При быстром опускании поршня происходит адиабатическое расширение газа, что сопровождается понижением его температуры. За счет охлаждения пар становится переохлажденным.

Заряженные частицы, пролетая в газе, создают на своем пути цепочку ионов. На этих ионах как на центрах конденсации образуются капельки жидкости. Таким образом, при движении в камере частица оставляет за собой след (трек), который хорошо виден и может быть сфотографирован. По геометрии полученных треков можно определить количество частиц и направления их движения. Если весь трек умещается в камере, то можно установить энергию частицы, средний линейный пробег, линейную плотность ионизации (количество капель на единицу длины трека). При помещении камеры в постоянное магнитное поле можно по радиусу кривизны траектории определить удельный заряд, скорость и энергию частиц.

Пузырьковая камера.

В качестве рабочего вещества используют перегретую жидкость, закипающую при резком уменьшении ее давления. В качестве рабочих жидкостей применяют жидкий водород, пропан C₃H₈, ксенон и другие легко кипящие жидкости. При движении заряженных частиц образуются ионы, являющиеся центрами интенсивного парообразования, приводящие к появлению цепочки пузырьков. В пузырьковой камере можно регистрировать частицы очень больших энергий, т.к. частицы тормозятся в ней на отрезках в тысячу раз меньших, чем в камере Вильсона (плотность перегретой жидкости в тысячу больше плотности переохлажденного пара).

Толстослойные (ядерные) фотоэмульсии.

Этот метод основан на фотохимическом действии ионизирующего излучения. Под действием проходящих через фотоэмульсию быстрых заряженных частиц нарушается структура кристаллической решетки зерен бромистого серебра, делающих их неспособных к проявлению, поэтому после проявления получают цепочку черных точек, которые видны под микроскопом. Ядерные эмульсии применяются в виде слоев толщиной от 0,5 до 1 мм. Это позволяет исследовать траектории частиц высоких энергий. Например, частица с энергией порядка 10 МэВ образует след длиной 0,1 мм и не выходит за пределы слоя.

Для изучения треков частиц с еще большей энергией и имеющих средний линейный пробег больше толщины одной пластины используют стопу из большого числа пластин. Стопу пластин располагают наклонно к следу. В этом случае последовательные участки следов траектории частицы можно изучать по почернению эмульсии в пластинках стопы, следующих друг за другом.

Сцинтилляционный счетчик.

При попадании α-частиц на флуоресцирующие вещества они вызывают слабые световые вспышки – так называемые сцинцилляции. Было установлено, что каждая попавшая на такое вещество α-частица вызывает одну вспышку и это может быть использовано для счета α-частиц [6]. Однако непосредственный подсчет глазом числа вспышек утомителен и труден.

В конце сороковых годов прошлого века были построены сцинтилляционные счетчики частиц (рис. 10). Такой счетчик состоит из флуоресцирующего вещества. В качестве люминофоров используются кристаллы: йодистый натрий или калий, нафталин, антрацен и другие. Применяются также жидкие люминофоры, например, раствор трифенила в ксилоле. Частицы, обладающие достаточно большой энергией попадая в вещество, вызывают сцинтцилляционные вспышки. Каждая вспышка действует на фотокатод электронного умножителя и выбивает из него электроны. Электроны, проходя через n каскадов умножителя, дают на выходе импульс тока, который затем подается на вход усилителя. Усиленный электрический импульс подается на регистрирующее устройство (осциллограф или электромеханический счетчик импульсов). С помощью осциллографа можно определить интенсивность отдельных импульсов. Эта интенсивность пропорциональна энергии отдельной сосчитанной частицы. Таким образом, определяют не только число частиц, но и распределение их по энергиям.

Рис. 10. Схема сцинтилляционного счетчика.

Для того чтобы большая часть света, возникающая в результате вспышки, доходила до фотокатода, между веществом и фотоэлектронным умножителем устанавливают светопровод. Светопровод представляет собой цилиндрический стержень из органического стекла люцита, внутри которого свет проходит, испытывая полное внутреннее отражение.

Заключение.

Современные датчики ионизирующего излучения обладают высокой чувствительностью, быстрым откликом, широким динамическим диапазоном и низким уровнем фонового шума. Они могут быть использованы для мониторинга радиационной обстановки, контроля радиационных рисков, дозиметрии ионизирующего излучения, а также для контроля и безопасности на ядерных электростанциях и других объектах, где существует потенциальная угроза радиационным воздействиям.

Однако, несмотря на все достижения в этой области, существует потребность в дальнейших исследованиях и разработках для создания более точных, компактных и экономически эффективных датчиков. Также важно обеспечить их надежность и долговечность, чтобы они могли быть использованы в различных условиях и средах.

В целом, датчики ионизирующего излучения играют важную роль в обеспечении безопасности и защите от радиационных рисков. Разработка новых и усовершенствование существующих датчиков будет способствовать улучшению контроля и мониторинга радиационной обстановки, что имеет критическое значение для защиты жизни и здоровья людей.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

[1] Ионизирующее излучение и его последствия для здоровья // Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) [Электронный ресурс]. – 2024. – Режим доступа: https://www.who.int/ru/news-room/fact-sheets/detail/ionizing-radiation-and-health-effects – Дата доступа: 23.02.2024.

[2] Тихонов А. И. Датчики и измерительная техника в электроэнергетике : учебное пособие для вузов / А. И. Тихонов, С. В. Бирюков, А. А. Соловьев. – М. : Издательство Юрайт, 2022. – 267 с.

[3] Основы радиационной безопасности // НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ [Электронный ресурс]. – 2024. – Режим доступа: https://www.pnpi.nrcki.ru/radiazionnaya/osnovy-radiatsionnoj-bezopasnosti – Дата доступа: 23.02.2024.

[4] Приборы для регистрации уровня ионизирующего излучеия // Институт физико-технических проблем (ИФТП) [Электронный ресурс] – 2024. – Режим доступа: https://iftp.ru/cat/Pribory-dlya-registratsii-ioniziruyuschikh-izlucheniy/ – Дата доступа: 23.02.2024.

[5] Мительман М. Г., Розенблюм Н. Д. Зарядовые детекторы ионизирующих излучений. – М. : Энергоиздат, 1982. – 78 с.

[6] Ремизов А. Н. Медицинская и биологическая физика: Учеб. для вузов / А. Н. Ремизов, А. Г. Максина, А. Я. Потапенко. – 4-е изд., перераб. и дополн. – М.: Дрофа, 2003. – 560 с.: ил.