Обеспечение единства измерений в дозиметрии фотонного излучения. Учебно-методический модуль

АКАДЕМИЯ СТАНДАРТИЗАЦИИ, МЕТРОЛОГИИ И СЕРТИФИКАЦИИ

С.Г. Кондратенко, Е.И. Григорьев

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЕДИНСТВА ИЗМЕРЕНИЙ В ДОЗИМЕТРИИ ФОТОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ

Москва

2012

1

Кондратенко С.Г., Е.И. Григорьев Е.И.

Учебно-методический модуль «Обеспечение единства измерений в дозиметрии фотонного излучения». 2-е изд. — М.: АСМС,

2012. — 26 с.

Учебно-методический модуль (УММ) предназначен для группового и индивидуального изучения раздела дисциплины «Поверка и калибровка средств измерений ионизирующих излучений» в области дозиметрии фотонного излучения. В УММ включены следующие фрагменты:

взаимодействие фотонного излучения с веществом; принципы и устройства регистрации фотонного излучения; величины и единицы в области дозиметрии, поглощенная, эк-

вивалентная и экспозиционная дозы фотонного излучения; методы и средства поверки; поверочные установки;

методы и средства поверки встроенных и стационарных дозиметрических средств измерений.

Модуль разработан преподавателями кафедры «Физикотехнические и радиотехнические измерения» профессором С.Г. Кондратенко и профессором Е.И. Григорьевым.

© АСМС, 2012

2

Ф Р А Г М Е Н Т 1. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ФОТОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

С ВЕЩЕСТВОМ

ФРАГМЕНТ УЧЕБНОЙ ПРОГРАММЫ

Взаимодействие фотонного излучения с веществом. Закон ослабления узкого пучка фотонов при прохождении через слой вещества. Процессы взаимодействия фотонов с веществом: фотоэффект, комптон-эффект, эффект образования пары электрон– позитрон. Характер суммарного взаимодействия фотонного излучения с веществом.

При проработке темы следует обратить внимание на зависимость видов взаимодействия излучения от энергии квантов и эффективного атомного номера вещества.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К ФРАГМЕНТУ

1.В чем различие взаимодействия с веществом гаммаизлучения и рентгеновского излучения?

2.Возможно ли образование пары электрон–позитрон при взаимодействии с веществом гамма-квантов, образующихся при распаде цезия-137?

3.При какой энергии гамма-квантов наиболее вероятен фотоэффект?

4.Почему свинец является более лучшей защитой от гаммаизлучения, чем алюминий?

5.Почему в спектрометрии гамма-излучения используется фотоэффект?

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

Свойства фотонного излучения определяются его частотой. Названия отдельных видов излучения — рентгеновское, гаммаизлучение — отражают природу их появления, но не свойства. Поэтому для упрощения в конспекте использован термин «гаммаизлучение».

Гамма-излучение относится к сильнопроникающему излучению. Проходя через вещество, гамма-кванты взаимодействуют с атомами, электронами и ядрами, вследствие чего их интенсивность постепенно уменьшается.

3

Направленный пучок гамма-излучения характеризуется интенсивностью J0. При прохождении через плоское вещество в узком пучке всякое взаимодействие гамма-квантов со структурными элементами вещества (атомами, ядрами...) приводит к ослаблению пучка, т.е. выбыванию из пучка гамма-квантов из-за их поглощения или рассеяния. Ослабление пучка происходит по экспоненциальному закону:

J0 = Jxе –μx,

где J0 и Jx (Вт/м) — интенсивность излучения в первоначальном пучке и после прохождения излучения через вещество толщиной

x(м);

(м) — линейный коэффициент ослабления гамма-излучения.

Эта величина является физической константой для каждого вещества и зависит только от энергии гамма-квантов. Однако в практике пользуются массовым коэффициентом ослабления/ (м 2·г–1), а вместо толщины вещества — поверхностной плотностью вещества х (г·м–2). По массовому коэффициенту ослабления можно определить ослабление «чистыми» веществами, которые находятся в твердом, жидком или газообразном состоянии, или ослабление в смеси известного состава. Для этого суммируют ослабление, которое производится отдельными веществами, входящими в состав сложного поглотителя,

где i/ i — массовый коэффициент ослабления i-го отдельного

вещества, имеющего ρi — массовую долю в процентах. Ослабление пучка гамма-квантов при прохождении через ве-

щество определяется всеми видами взаимодействия с этим веществом. К ним относятся фотоэффект, комптон-эффект и эффект образования пары электрон–позитрон Для суммарного коэффициента ослабления можно записать выражение

= + + ,

где — коэффициент фотоэлектрического поглощения гаммаквантов атомами веществ (фотоэффект);

— коэффициент упругого рассеяния гамма-квантов атомами вещества (комптон-эффект);

4

— коэффициент поглощения гамма-квантов атомами вещества за счет образования пары электрон–позитрон (эффект образования пары).

Фотоэффект. При фотоэффекте гамма-квант поглощается атомом вещества, а его энергия h расходуется на преодоление связи электрона в атоме и на сообщение ему кинетической энергии. Вероятность фотоэлектрического поглощения быстро увеличивается с ростом атомного номера поглощающего вещества Z5 и быстро падает с увеличением энергии гамма-квантов hν3/5.

Комптон-эффект. По мере увеличения энергии гаммаквантов вероятность фотоэффекта падает, и основным процессом, ослабляющим пучок гамма-излучения, становится комптоновское рассеяние. Комптон-эффект — упругое рассеяние гамма-квантов на слабо связанном в атоме электроне. Падающий гамма-квант с энергией hν0 рассеивается на электроне. Рассеянный квант hν летит под углом , а рассеянный электрон под углом . Соотношения между углами и , а также между энергиями рассеянных кванта и электрона могут быть различными и определяются исходя из закона сохранения энергии и импульса. Вероятность комптон-эффекта медленно увеличивается с ростом атомного номера вещества и медленно падает с увеличением энергии гаммаквантов:

σ ~ Z/hν.

Образование пар электрон–позитрон. Процесс образования пар состоит в том, что при взаимодействии гамма-кванта достаточно большой энергии с веществом квант поглощается атомом вещества и образуется пара электрон–позитрон. Полная энергия пары равна 1,022 МэВ и, следовательно, это минимальная энергия гамма-кванта, необходимая для образования пары. Вероятность образования пары имеет вид:

~ (hν 1,022).

Список литературы

1.Кондратенко С.Г. Физические основы измерений характеристик ионизирующих излучений. — М.: АСМС, 2005.

2.Брюнин С.Г., Русин Л.П. Физические основы дозиметрии. — М.: Изд-во стандартов, 1984.

5

Ф Р А Г М Е Н Т 2. ПРИНЦИПЫ И УСТРОЙСТВА РЕГИСТРАЦИИ ФОТОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

ФРАГМЕНТ УЧЕБНОЙ ПРОГРАММЫ

Детекторы. Классификация детекторов.

Газовые ионизационные детекторы. Ионизационные камеры, пропорциональные счетчики, счетчики Гейгера–Мюллера.

Сцинтилляционные детекторы. Принцип действия. Работа фотоэлектронного умножителя (ФЭУ).

Полупроводниковые детекторы (ППД). Принцип действия. При проработке темы следует обратить внимание на различие

в характеристиках разных детекторов фотонного излучения.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К ФРАГМЕНТУ

1.Чем отличается принцип действия газовой ионизационной камеры от счетчика Гейгера–Мюллера?

2.Укажите преимущества счетчиков Гейгера–Мюллера.

3.В какой области измерений характеристик ионизирующих излучений преимущественно используются ППД?

4.Укажите преимущества сцинтилляционных детекторов.

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

Для регистрации фотонного излучения необходимо иметь устройство, в котором происходит превращение энергии излучения с образованием некоего эффекта, удобного для регистрации, а также измерительную аппаратуру для наблюдения и измерения этого эффекта. Такое устройство называется детектором.

Детекторы классифицируются по:

по принципу преобразования энергии фотонного излучения; по агрегатному состоянию рабочей среды детектора; по характеру сигнала, образуемого в детекторе, и функции

преобразования энергии в сигнал.

По принципу преобразования энергии фотонного излучения детекторы делятся на:

ионизационные детекторы, в которых преобразование энергии излучения происходит за счет процесса ионизации среды

6

в детекторе (ионизационные камеры, пропорциональные счетчики, счетчики Гейгера–Мюллера, трековые камеры, ППД);

радиолюминесцентные детекторы, в которых энергия излучения расходуется на возбуждение атомов вещества детектора с последующим высвечиванием квантов видимого света (сцинтилляционные детекторы, термолюминесцентные детекторы);

химические детекторы, в которых энергия излучения затрачивается на изменение молекулярного состава среды детектора;

зарядовые детекторы, в которых энергия фотонов преобразуется в энергию электрического заряда.

По агрегатному состоянию среды различаются:

газовые детекторы (ионизационные газовые детекторы, газовые сцинтилляционные детекторы);

твердотельные детекторы (кристаллические, пластиковые сцинтилляционные детекторы, ППД, химические детекторы);

жидкостные детекторы (жидкие сцинтилляционные детекторы). По характеру сигнала и функции преобразования энергии фо-

тонного излучения в сигнал различаются:

дискретные пропорциональные детекторы. Под понятием «дискретный» подразумевается детектор, позволяющий регистрировать отдельные кванты. Понятие «пропорциональный» отражает факт пропорциональности сигнала детектора и энергии кванта;

дискретные непропорциональные детекторы. Это детекторы, регистрирующие отдельные кванты, но с сигналом, не пропорциональным энергии кванта;

аналоговые детекторы. Это детекторы, характеризуемые интегральным эффектом от попадания в детектор множества квантов. В детекторе вырабатывается сигнал, пропорциональный некоторому среднему уровню излучения, а отдельные кванты не регистрируются.

Газовые ионизационные детекторы

Принцип работы газовых ионизационных детекторов рассмотрен на примере работы плоской ионизационной камеры, включенной в электрическую схему (см. схему). Эта камера состоит из двух плоских электродов, разделенных газом-напол- нителем. К электродам подведено высокое напряжение, а в цепь последовательно с камерой включен измеритель тока.

7

3

1

2

4

Схема подключения плоской ионизационной камеры:

1 — поток частиц; 2 — ионизационная камера; 3 — измеритель тока; 4 — источник высокого напряжения

Газ является изолятором, так как в нем нет носителей зарядов. Однако под действием излучения в нем происходит ионизация атомов, образуются ионные пары, носители заряда. Положительные ионы начинают двигаться к катоду, а отрицательные к аноду. В цепи возникает ток, регистрируемый измерителем. По значению тока определяется интенсивность излучения.

При столкновении отрицательных и положительных ионов происходит процесс рекомбинации, в котором ионы превращаются в нейтральные атомы. Следовательно, рекомбинация уменьшает ионизационный ток. Однако при достаточно сильном электрическом поле скорость направленного тока ионов возрастает настолько, что рекомбинация практически не сказывается на значении ионизационного тока (ток насыщения). Так работают ионизационные камеры.

Пропорциональные счетчики

При увеличении напряжения электроны разгоняются до такой степени, что начинают в свою очередь ионизировать атомы газа (вторичная ионизация). Так происходит усиление первичной ионизации. Ионизационный ток возрастает в несколько раз по сравнению с током насыщения (область пропорциональных счетчиков). Конструктивно пропорциональные счетчики выполнены в виде цилиндрического катода и нитевидного анода. Импульсы с пропорциональных счетчиков пропорциональны энергии регистрируемых фотонов.

Счетчики Гейгера–Мюллера

С дальнейшим увеличением напряжения на электродах счетчика электроны начинают в значительной степени возбуждать

8

молекулы газа. Снятие возбуждения осуществляется высвечиванием квантов электромагнитного излучения в области видимого света. С увеличением концентрации возбужденных молекул возрастает и количество квантов. Под действием квантов из катода и молекул газа вырывается все больше фотоэлектронов. Последние в свою очередь дают начало новым лавинам электронов в объеме счетчика. Таким образом, повышение напряжения приводит к распространению газового разряда по всему объему счетчика. Это происходит при напряжениях, называемых пороговыми, когда газовый разряд охватывает весь объем счетчика (область счетчиков Гейгера–Мюллера).

Для работы счетчика Гейгера–Мюллера необходимо оборвать газовый разряд сразу после его образования. По способу гашения разряда счетчики Гейгера–Мюллера подразделяются на самогасящиеся и несамогасящиеся. В самогасящихся счетчиках разряд гасится газом-наполнителем (пары спирта), в несамогасящихся — внешними устройствами.

Сцинтилляционные счетчики

Всцинтилляционом счетчике используется эффект возбуждения атомов и молекул вещества детектора под воздействием гамма-излучения. Возбужденные атомы переходят в основное состояние, испуская кванты электромагнитного излучения, вспышки света. Такие вспышки называются сцинтилляциями, а вещество, испускающее свет под действием ионизирующих излучений

ипропускающих этот свет через себя, — сцинтиллятором.

Вкачестве сцинтилляторов используются неорганические, твердые пластмассовые кристаллы, жидкие органические и газовые сцинтилляторы.

Широкое распространение для регистрации гамма-излучения

получили неорганические сцинтилляторы, особенно а (Тl). Сцинтилляционные счетчики представляют собой сочетание

сцинтиллятора и фотоэлектронного умножителя (ФЭУ), в котором происходит преобразование световой вспышки в электрический сигнал.

Полупроводниковые детекторы

Физические процессы взаимодействия излучения с веществом в твердом и газовом состоянии не различаются. Однако

9

тормозная способность для излучения в твердых телах во много раз превосходит тормозную способность в газах.

Регистрация гамма-излучения в полупроводниковых детекторах подобна регистрации в газовом счетчике и сводится к измерению импульсов напряжения, возникающих в результате возрастания проводимости кристалла детектора под действием гаммаквантов.

Список литературы

1.Кондратенко С.Г. Физические основы измерений характеристик ионизирующих излучений. — М.: АСМС, 2005.

2.Брюнин С.Г., Русин Л.П. Физические основы дозиметрии. — М.: Изд-во стандартов, 1984.

Ф Р А Г М Е Н Т 3. ВЕЛИЧИНЫ И ЕДИНИЦЫ

В ДОЗИМЕТРИИ ФОТОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

ФРАГМЕНТ УЧЕБНОЙ ПРОГРАММЫ

Величины и единицы в дозиметрии. Поглощенная, эквивалентная и экспозиционная дозы. Мощность дозы. Связь дозиметрических величин.

При изучении темы нужно обратить внимание на различие в поглощенной и экспозиционной дозах фотонного излучения. Следует проработать РД 50-454–84.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К ФРАГМЕНТУ

1.Почему экспозиционая доза отнесена к «временно допускаемой» величине?

2.Можно ли измерить эффект воздействия больших доз гам- ма-излучения на человека в единицах эквивалентной дозы?

3.Почему в дозиметрии существуют две величины системы СИ: поглощенная и эквивалентная дозы?

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

Активность А — число распадов ядер радионуклида в единицу времени. Единица 1 Бк — активность радионуклида, в котором происходит 1 распад за секунду. Временно допускается к использованию единица 1 Ки = 3,7 · 1010 Бк.

10