Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы радиационной безопасности. Пособие для студентов инженерно-технических специальностей
.pdf
Зная величину коллективной эффективной дозы, можно оценивать масштаб радиационного поражения. Если предположить, что
группа людей будет продолжать жить в условиях постоянного облучения длительное время, как это происходит в районах, подвергшихся радиоактивному загрязнению в результате аварии на Чернобыльской АЭС, и известны закономерности изменения радиационного
воздействия, то можно рассчитать предотвращаемую дозу в результате, например, отселения людей из загрязненных радионуклидами
районов.
Предотвращаемая доза – прогнозируемая доза вследствие радиационной аварии, которая может быть предотвращена защитными мероприятиями. Измеряется в человеко-зивертах за определенный период времени, например за год, за человеческую жизнь.
Этот показатель позволяет прогнозировать риск заболеваний в такой группе людей, среднюю продолжительность жизни и т. п.
Расчет предотвращаемой дозы весьма сложен и должен учитывать
периоды полураспада радионуклидов, способность их накапливаться
в органах и выводиться из организма, особенности рациона питания
и загрязненность продуктов радионуклидами, долю внешнего облучения и т. д. Как правило, предотвращаемую дозу рассчитывают за
жизнь, т. е. за 70 лет.
Полной ожидаемой коллективной эффективной эквивалентной дозой называется такая доза, которую
получат многие поколения от какого-либо источника радиоактивности за все время его существования. Она также измеряется в человеко-
зивертах.
Следует отметить, что с помощью приборов можно измерить экспозиционную дозу. При определенных условиях измерению поддается и поглощенная доза, хотя сделать это достаточно трудно, так
как для этого нужно иметь тканеэквивалентные детекторы радиационного излучения. Все остальные дозы приборами не измеряются, а
рассчитываются и оцениваются с использованием косвенных радиометрических данных и разнообразных коэффициентов.
Вопросы для самоконтроля
1. Что такое доза?
2. Какие дозы вы знаете?
3. Что показывает взвешивающий коэффициент для отдельных видов излуче-
ния?
4. Чем характеризуется различная чувствительность тканей и органов к дейс-
твию ионизирующих излучений?
41
4. РЕГИСТРАЦИЯ ИОНИЗИРУЮЩЕГО
ИЗЛУЧЕНИЯ
Для обнаружения и измерения радиоактивных излучений используют специальные дозиметрические приборы, основным элементом
которых является детектор. Детектор преобразует поглощенную в
нем энергию излучения в какой-либо другой вид энергии, удобный
для регистрации, например электрический сигнал.
В зависимости от того, какие изменения облученного вещества
используются для регистрации излучения, различают следующие де-
текторы для обнаружения и измерения радиоактивных излучений:
ионизационные, сцинтилляционные, химические, фотографические
и полупроводниковые, а также черенковские счетчики, калориметрические детекторы, камера Вильсона, диффузионная, пузырьковая,
эмульсионная, искровая камеры.
В настоящее время при массовых дозиметрических измерениях
наиболее широкое применение получили ионизационные и сцинтилляционные детекторы.
4.1. Детекторы ионизирующих излучений
Действие большинства детекторов основано на обнаружении эффектов от ионизации или возбуждения атомов или молекул вещества
ионизирующим излучением. К детекторам, основанным на обнаружении эффекта от ионизации в газе, относятся ионизационные камеры и газоразрядные счетчики.
Газонаполненные счетчики (ГНС). К ГНС относят ионизаци-
онные камеры, пропорциональные детекторы и детекторы Гейгера-
Излучение
Рис. 4.1. Схема газоразрядного
счетчика
Мюллера. В простейшем случае ГНС
состоит из двух параллельных металлических пластин-электродов, пространство между которыми заполнено
воздухом или другим газом и является
чувствительным объемом счетчика. К
электродам прикладывается некоторая
разность потенциалов от источника
постоянного напряжения (рис. 4.1).
Если к ГНС поднести радиоактивный источник, то его излучение приведет к ионизации газа в чувствительном объеме. При неизменных условиях
число пар ион–электрон, образовавшихся в 1 см3 чувствительного объема
42
в единицу времени, определяется видом и мощностью экспозиционной и
поглощенной доз.
Если между электродами ГНС создать разность потенциалов, то
электроны будут двигаться к положительному электроду, ионы – к
отрицательному. Это вызывает появление тока в цепи ГНС, который
будет увеличиваться с ростом приложенного напряжения. Ионизационный ток пропорционален мощности дозы излучения и сложным
образом зависит от напряжения между электродами. На рисунке 4.2
представлена вольт-амперная характеристика ГНС.
На приведенном графике можно выделить пять областей. Для
низкой разности потенциалов (область 0 – U1) не все положительные
ионы и электроны, образующиеся в чувствительном объеме счетчика в результате действия излучения, достигают электродов. Часть из
них рекомбинирует, образуя нейтральные атомы и молекулы. В этой
области рост тока с ростом напряжения обусловлен увеличением
скорости движения заряженных частиц и уменьшением вероятности рекомбинации. На начальном участке в этой области выполняется
закон Ома.
В области напряжений от U1 до U2 скорость движения заряженных
частиц становится такой, что они достигают электродов, не успевая
рекомбинировать. Следовательно, все возникшие в чувствительном
объеме ГНС под воздействием излучения ионы и электроны достигают электродов, а величина разрядного тока перестает зависеть от
напряжения. Число заряженных частиц, попадающих на электроды,
в этом случае определяется только интенсивностью действующего
внешнего ионизирующего излучения и не зависит от напряжения на
электродах ГНС. Такой разрядный ток носит название тока насыщения. Различные значения тока насыщения для случаев ионизации
газа потоком альфа- или бета-частиц обусловлены различной иони-
Рис. 4.2. Вольт-амперная характеристика ГНС
43
зирующей способностью этих излучений. Ионизационная способность альфа-излучения намного больше, чем бета-излучения, поэтому больше и соответствующий ток насыщения. В области насыщения
работают ионизационные камеры.
Дальнейшее увеличение напряжения (U > U
) между электродами
2
опять приводит к увеличению разрядного тока. Это возможно только в том случае, когда в межэлектродном промежутке появляются
новые электрические заряды, помимо тех, возникновение которых
обусловлено действием внешней радиации. Говорят, что в этом случае
начинает действовать механизм газового усиления. Это происходит
вследствие того, что скорость, приобретаемая электронами в электрическом поле между двумя последовательными столкновениями с
нейтральными атомами или молекулами, становится достаточной
для ионизации последних. Такая вторичная ионизация называется
ударной (область U
– U4).
2
В области U2 – U3 существует строгая пропорциональность между
числом пар ионов n0, образованных в 1 секунду под действием излучения, и общим числом пар ионов n, образованных в 1 секунду в газовом объеме:
n = kn0,
где k – постоянная при данном напряжении величина, которая называется коэффициентом газового усиления и показывает, во сколько
раз общее число пар ионов, созданных в газовом промежутке с учетом
ударной ионизации, больше числа пар ионов, образованных первичным излучением.
Эту часть области U2 – U3 называют областью пропорциональности, и в ней работают пропорциональные детекторы.
Поскольку сила ионизационного тока равна произведению общего числа пар ионов n в газовом промежутке на заряд каждого иона e,
имеем с учетом предыдущего выражения
ikne=
.
0
Таким образом, измерив силу ионизационного тока i и зная коэффициент газового усиления k, можно определить число образовав-
шихся пар ионов, а значит, и мощность дозы излучения.
С дальнейшим увеличением напряжения пропорциональность
нарушается и при приближении к напряжению U3 исчезает совсем.
Газовый разряд становится самостоятельным (область U3 – U4). Разрядный ток в этом случае не зависит от начальной ионизации, но в
начале области U3 – U4 (эту область называют областью Гейгера) для
возникновения разряда необходимо действие внешнего ионизатора.
В этой области работают детекторы Гейгера-Мюллера.
Если напряжение на электродах камеры становится больше, чем
U4, то наступает непрерывный разряд, который вообще не связан с
44
внешней ионизацией. Счетчик в этом случае оказывается непригодным к работе.
Как мы видим, режимы работы счетчика определяются приложенным к нему напряжением. В соответствии с ними различают следующие виды газонаполненных счетчиков: ионизационная
камера (ИК), пропорциональный счетчик, счетчик Гейгера-Мюллера
и искровая камера. Она является специализированным прибором для
изучения элементарных частиц.
В дозиметрической аппаратуре наибольшее применение нашли
ИК цилиндрической формы. Эта система состоит из пустотелого
проводящего цилиндра (катод) и коаксиально расположенного электропроводящего стержня (анод). Такие камеры используются в качестве воспринимающего элемента в рентгенометрах ДП-3 и ДП-3Б.
ИК работает в области тока насыщения.
Газоразрядные счетчики (ГРС). Принципиальное отличие ГРС
от ИК в том, что в ГРС используется усиление ионизационного тока
в режиме ударной ионизации. ГРС, работающие в области пропорциональности, называются пропорциональными счетчиками или
детекторами. Конструктивно ГРС выполнен в виде металлического или стеклянного (покрытого внутри слоем металла) цилиндра,
по оси которого натягивается тонкая металлическая нить (рис. 4.3).
Бывают также торцовые ГРС.
Выполнение анода в виде тонкой металлической нити позволяет
получить большое значение напряженности электрического поля,
необходимое для создания условий ударной ионизации, при сравнительно небольшом напряжении на электродах счетчика (200–1000 В).
В качестве наполнителя в большинстве случаев используют благородные газы – аргон или неон под давлением 100–260 Па.
Принцип действия ГРС, который работает в области Гейгера, заключается в следующем. Заряженная частица, попав в объем счетчика, образует некоторое количество электрон-ионных пар. Когда
напряженность поля достаточно велика, электроны на длине свободного пробега приобретают энергию, превосходящую энергию ионизации нейтральных молекул наполняющего газа. В результате в газе
развиваются электронно-ионные лавины и возникает самостоятельный разряд, что обеспечивает достаточно высокий уровень электрического сигнала на аноде.
Рис. 4.3. Схема газоразрядного счетчика
45
Возникший в ГРС самостоятельный самоподдерживающийся газовый разряд является откликом на попадание в его рабочий объем
ионизирующей частицы. Для того чтобы счетчик смог отреагировать
на появление в нем новой частицы, необходимо погасить самостоятельный разряд в объеме ГРС.
Различают несамогасящиеся и самогасящиеся счетчики Гейгера.
Они отличаются составом газовой смеси и быстродействием.
В несамогасящихся счетчиках применяют радиотехнический метод прерывания газового разряда, вводя в цепь счетчика высокоомное сопротивление R ≈ 109 Ом (рис. 4.4).
При отсутствии газового разряда напряжение между электродами
счетчика равно напряжению на клеммах источника. Самостоятельный разряд замыкает цепь, и через сопротивление R начинает течь
ток I. По закону Ома это приводит к уменьшению напряжения между
катодом и анодом счетчика: Uсч = U
– IR. И когда Uсч становится
ист
меньше U0 (напряжение зажигания разряда), газовый разряд прерывается. После этого чувствительность счетчика восстанавливается
через 10–2 с. Это время называется «мертвым временем» счетчика, и
в течение этого времени он нечувствителен к проходящим через его
рабочий объем ионизирующим частицам.
Импульс тока, возникающий в процессе газового разряда, усиливается и регистрируется. Длительность его в несамогасящемся счетчике ≈ 10–6 с.
Самогасящиеся счетчики заполняют чистыми газами, например, аргоном с добавкой 10 % многоатомного газа – паров спирта или
этилена. Многоатомные молекулы эффективно поглощают фотоны
и блокируют фотоэффект (генерацию электронов с поверхности катода), что обеспечивает самопроизвольное гашение разряда. Однако
из-за диссоциации многоатомных молекул срок службы таких счетчиков ограничен, они выдерживают лишь 108–109 срабатываний.
Если вместо многоатомной добавки использовать галогены (Сl, Вr
или J) в количестве 0,1 %, а в качестве основного газа – неон или ге-
Рис. 4.4. Схема включения несамогасящегося газоразрядного счетчика
46
лий с примесью аргона, то срок службы ГРС становится практически
неограниченным. В галогенных счетчиках одновалентные атомы Сl,
Вr или J ионизируются и экранируют поле анода облаком медленных
положительных ионов.
Время нечувствительности самогасящихся ГРС – порядка 10
4
т. е. они способны регистрировать 10
–105 ионизирующих частиц в
–4
с,
секунду.
Счетчики Гейгера не способны «различать» виды излучения и
из мерять энергию частиц. С их помощью можно измерить непосредственно лишь поток ионизирующих частиц (интенсивность излучения) или плотность потока частиц. Однако соответствующими
приемами показания счетчиков можно сделать примерно пропорциональными экспозиционной дозе.
Благодаря дешевизне, простоте и надежности в эксплуатации ГРС
широко применяются в приборах для измерения экспозиционной
дозы и интенсивности ионизирующего излучения: в бытовых дозиметрах «РАТОН», «СОСНА», «БЕЛЛА» и др., а также в дозиметрах
и радиометрах специального назначения ДП-5А, ДПГ-01Т, БЕТА,
КРБ-1 и др.
Полупроводниковый детектор в первом приближении можно
рассматривать как ионизационную камеру с твердым диэлектриком
между электродами. Так же, как и в газонаполненной ионизационной
камере, при поглощении ионизирующего излучения в твердотельной
камере образуются носители заряда, которые под действием электрического поля собираются на электродах. Возникающие при этом
импульсы тока или напряжения используются для регистрации излучений. Число образовавшихся пар – носителей заряда практически
зависит только от энергии, потерянной ионизирующей частицей, и не
зависит от ее характеристик (заряда, скорости и т. д.). Это обеспечивает характерную для ионизационных камер линейную связь между
амплитудой импульса и потерянной в регистрирующей части детектора энергией для всех видов частиц.
Твердотельные камеры обладают несомненными преимуществами
перед газонаполненными. Во-первых, в чувствительном объеме этих
камер содержится большая масса вещества, чем в газовом промежутке. Следовательно, в твердотельной камере полностью укладываются
пробеги ионизирующих частиц с гораздо большей энергией, чем в газонаполненной. При регистрации γ-квантов эффективность твердотельных камер также существенно выше. Очень важно, что γ-кванты,
попадающие в детектор, выбивают электроны преимущественно не
из электродов, как это имеет место в газонаполненных ионизационных камерах, а образуют их в чувствительном объеме камеры. В то
же время при необходимости можно сделать твердотельную камеру
с очень малым промежутком между электродами. В таком детекторе
47
поглощается очень небольшая доля энергии падающих частиц, что позволяет применять его для измерения удельных потерь энергии.
Во-вторых, и это еще более важно, твердотельные камеры имеют
существенно лучшее энергетическое и временное разрешение, что связано с иными, чем в газонаполненной камере, процессами образования и
движения носителей зарядов.
Бурное развитие в последние годы полупроводниковых детекторов связано с большим чувствительным объемом (в несколько десятков
и даже сотен кубических сантиметров) и с их очень высокой разрешающей способностью (десятые доли процента) при сохранении достаточной эффективности. Полупроводниковые детекторы применяются для регистрации и спектрометрии заряженных частиц, нейтронов,
γ-квантов. В рентгеновской области до энергий порядка 40 кэВ обычно
используют кремниевые детекторы, а при более высоких энергиях – детекторы из германия.
Химические детекторы основаны на измерении выхода радиационно-химических реакций, протекающих под действием ионизирующих излучений. Под выходом реакции понимают число характерных
превращений на единицу поглощенной энергии. Если выход не зависит от скорости поглощения энергии, то система может быть применена для определения поглощенных доз излучения.
Жидкие химические детекторы основаны на химических реакциях, происходящих между растворенными в воде веществами и
продуктами радиолиза воды, образующимися под действием ионизирующих излучений. Такими продуктами являются свободные радикалы ОН• и Н•. Они не несут электрического заряда, но имеют ненасыщенные химические валентности и поэтому обладают высокой
реакционной способностью.
В ферросульфатном детекторе ионы двухвалентного железа Fe+2
окисляются в кислой среде радикалами ОН• до трехвалентного Fe+3.
Количество образовавшихся ионов Fe+3 служит мерой поглощения
энергии излучения и может быть определено по плотности окраски
реактива. Ферросульфатный детектор может быть использован в
диапазоне энергий от 100 кэВ до 2 МэВ. Диапазон измеряемых доз
γ-излучения лежит в пределах от 20 до 400 Гр, т. е. такие детекторы
обладают низкой чувствительностью.
Нитратный детектор основан на свойстве ионов нитрата NO–3
восстанавливаться атомарным водородом до нитрит-ионов NO–2,
которые могут быть обнаружены рядом индикаторов. В качестве дозиметрической системы используют водные растворы нитратов, например КNO3. Нитратные детекторы применяются для измерения
поглощения доз γ-излучения в широком диапазоне от 50 до 800 Гр.
Недостаток тот же, что и у ферросульфатного детектора, – невысокая
чувствительность.
48
Химические детекторы на основе хлорзамещенных углеводоро-
дов более чувствительны благодаря возникновению в веществе детектора цепных реакций, приводящих к большому количеству конечных продуктов. Так, детекторы на основе хлороформа при облучении
образуют соляную кислоту, которую можно обнаружить с помощью
любого кислотного индикатора. Такие детекторы позволяют определять дозу γ-излучения, начиная с 0,1 Гр. Недостатки: термическая
нестабильность, чувствительность к примесям и дневному свету.
Аналогичными характеристиками обладают детекторы на основе
четыреххлористого углерода.
Фотографические детекторы (ФД) основаны на свойстве иони-
зирующих излучений воздействовать на чувствительный слой фотоматериалов аналогично видимому свету. Для детектирования обычно
применяют р ентгеновские пленки, представляющие собой
чувствительную эмульсию (AgCl или AgBr), нанесенную на целлулоидную подложку. Облученная, проявленная и закрепленная пленка
имеет определенную оптическую плотность почернения
S = Lg(I0/I),
где I0 – интенсивность падающего на обработанную пластинку света,
I – интенсивность прошедшего через пластинку света.
Почернение пленки измеряют с помощью фотометра или денсиметра и по данным этого измерения определяют поглощенную дозу
D, используя сенситометрическую характеристику пленки – зависимостью плотности почернения S от логарифма дозы D.
На фотографическом методе дозиметрии основан индивидуальный
фотоконтроль (ИФК) – система контроля доз облучения, получаемых отдельными лицами. Диапазон измеряемых доз, например для
пленки «Рентген XX», равен 0,5–20 мГр, для пленки «Рентген X» –
5–150 мГр. Погрешность в определении дозы γ-излучения может превышать 30 %.
Достоинства ФД:
– возможность массового применения для индивидуального контроля доз;
– документальность регистрации полученной дозы;
– возможность совместной и раздельной регистрации дозы от γ- и
β-излучения;
– возможность регистрации дозы нейтронного излучения.
Недостатки: малая чувствительность пленок, низкая точность,
громоздкость обработки, невозможность повторного использования
облученной пленки.
Сцинтилляционный счетчик (СС) состоит из сцинтиллятора –
вещества, способного испускать видимое излучение под действием
49
заряженных частиц, и фотоэлектронного умножителя (ФЭУ), в котором энергия световых вспышек (сцинтилляций) посредством фотоэффекта преобразуется в импульс электрического тока.
Фотоэлектронный умножитель совмещает свойства фотоэлемента и усилителя тока с большим коэффициентом усиления (10
6
–109).
ФЭУ состоит (рис. 4.5) из фотокатода, анода и динодов (эмиттеров),
либо покрытых сурьмяно-цезиевой смесью, либо изготовленных из
специальных сплавов алюминия, магния и серы, обладающих большим коэффициентом вторичной эмиссии электронов. Вся система
ФЭУ размещена в стеклянном баллоне с высоким вакуумом, необходимом для сохранения поверхностей фотослоя и динодов, а также
для свободного движения электронов.
В СС ФЭУ работает в импульсном режиме. Под действием светового импульса, возникшего в сцинтилляторе, из фотокатода за счет
фотоэффекта выбиваются электроны, которые собираются электрическим полем и направляются на первый динод, ускоряясь до энергии, достаточной для выбивания вторичных электронов из следующего динода. Умножение числа электронов происходит при попадании
потока первичных электронов на динод. Выбитые при ударе электроны фокусируются на последующий динод, из которого они вновь
выбивают примерно удвоенное количество электронов, и т. д. Таким
образом, лавина электронов возрастает от катода к аноду, происходит преобразование очень слабых световых вспышек, возникающих в
сцинтилляторе, в регистрируемые электрические импульсы.
ФЭУ – фотоэлектронный умножитель; В – высоковольтный источник питания;
У – электронный умножитель; П – пересчетный прибор; Д – дискриминатор, не
пропускающий малые шумовые сигналы; Р – регистратор, счетчик импульсов
Рис. 4.5. Схема сцинтилляционного счетчика:
50
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]