Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Практические работы по курсу «Радиоэкология». Учебное пособие
.pdf
центрации загрязняющего вещества, может ли он обеспечить
измерение во всём диапазоне концентраций вещества, достаточно ли быстро прибор реагирует на изменение контролируемого параметра и т.п.
Для ответа на эти и другие аналогичные вопросы необходимо знать основные характеристики методов и приборов
контроля, важные с точки зрения применения для контроля
параметров окружающей среды, в том числе и радиоактивных
загрязнений. Такими характеристиками являются точность,
чувствительность, линейность, воспроизводимость, дрейф нуля, постоянная времени и т.д.
Измеренное значение отличается от действительного
благодаря присутствию таких погрешностей, как инструментальная, методическая, статическая, динамическая и эксплуатационная. Для приборов радиационного контроля характерна
статистическая погрешность, обусловленная как случайным
характером появления регистрируемых частиц или квантов,
так и различными случайными процессами, возникающими в
детекторе и измерительном устройстве прибора. При выбранном методе измерений инструментальная погрешность зависит от совершенства характеристик самого измерительного
прибора, чувствительности его к помехам и уровня собственных помех.
Динамическая погрешность зависит от скорости изменения измеряемой величины, например активности, во времени.
Статическая погрешность зависит от нелинейности преобразователя и его чувствительности. Эксплуатационная погрешность – это погрешность, зависящая от внешних условий.
Внешние условия – это интервал изменения влажности,
температуры, давления, радиации окружающей среды, а также механических воздействий, в пределах которых обеспечено нормальное функционирование прибора.
Точность работы дозиметрических приборов оценивают
относительной погрешностью. Относительная погрешность
выражается в относительных единицах или процентах.
141
Помехи – нежелательные сигналы на выходе детектора,
вызванные воздействием посторонних излучений или внутренними шумами детектора.
Быстродействие – способность прибора реагировать на
быстрые изменения измеряемой величины. Оно характеризуется постоянной величиной времени прибора Тп, а также затуханием и приращением сигнала. За время регистрации сигнала принимают время от момента скачкообразного изменения концентрации на входе прибора до момента установления показания, равного 95% начальной концентрации.
Дозиметрия ионизирующих излучений
Для измерения суммарной экспозиционной или поглощённой дозы излучения применяют емкостной, фотографический, термолюминесцентный и радиохимический методы.
Конденсаторные дозиметры предназначены для контроля полученной индивидуальной дозы облучения персонала. В настоящее время используются конденсаторные дозиметры ДК-0,2 (предназначен для измерения дневной дозы
фотонного облучения персонала), дозиметр ДКП-50-А,
предназначен для измерения доз фотонного излучения в
диапазоне 2-50 Р, а также дозиметры КИД-1 – в диапазоне
0,005-1,0 Р.
Фотографический метод основан на способности бета-,
гамма- и рентгеновского излучений вызывать потемнение
фотографической плёнки или пластинки. О суммарной дозе
поглощённого излучения судят по плотности почернения,
засвеченной лучами, а затем проявленной плёнки. На этом
принципе работают фотоплёночные дозиметры серий ИФК
и ИФКУ, предназначенные для индивидуальной дозиметрии.
Дозиметры позволяют регистрировать гамма-излучение с
энергией 0,02-3,0 МэВ в диапазоне экспозиционных доз
0,02-2,0 Р, 0,3-12,0 Р и 0,01-50,0 Р соответственно.
142
Термолюминесцентный метод основан на аккумуляции
энергии радиоактивного излучения люминофорами и её выделении в виде света при их последующем нагревании в специальном регистрирующем устройстве до температуры 300°С.
Этот метод позволяет измерить дозу излучений в огромном
диапазоне – от сотых долей до десятков грей. Комплект термолюминесцентных дозиметров ТЛД-1 состоит из набора кассет с детекторами на основе соединений LiF и СаSО4, активированных марганцем, и измерительного прибора.
Радиохимический метод основан на измерении результата радиационно-химических реакций, протекающих под действием ионизирующих излучений. При действии излучений в
веществе происходят химические реакции и образуются новые соединения. Далее определяют количество образовавшегося вещества, а следовательно, и дозу поглощённого излучения. Метод является громоздким, но применяется при необходимости измерения больших доз. Например, нитратный детектор используют для измерения доз порядка 0,5-8 Гр, ферросульфатный жидкий детектор (насыщенный раствор FеSО4
в разбавленной серной кислоте Н2SO4) – для доз 20-400 Гр,
цериевый (0,1 М раствор Се2(SО4)3 в 0,4 М Н2SO4) – для доз
102-105 Гр.
Методы и приборы для измерения мощности
дозы ионизирующих излучений
Для исследования различных характеристик излучений
(мощности дозы, энергии, спектрального состава и др.) ис-
пользуются различные регистрирующие и измерительные
приборы. Любой такой прибор состоит из двух основных
частей – детектора и измерительного устройства (рис. 9.1).
Детектор
Рис. 9.1. Устройство радиационных приборов
143
Измерительное устройство
В таком приборе детектор осуществляет преобразование
попадающих в него ионизирующих частиц или квантов в электрические импульсы. Измерительное устройство или устройство обработки информации, прежде всего, усиливает импульсы, а затем обрабатывает поток импульсов и в соответствии с
заложенным в него алгоритмом выдает нужную информацию –
считает число импульсов в секунду, измеряет их длительность,
измеряет амплитуду импульсов, определяет мощность дозы,
определяет спектральную характеристику излучения и т.п.
В качестве первичных датчиков для регистрации излучения используются ионизационные, сцинтилляционные и
полупроводниковые детекторы.
Детекторы обладают разной чувствительностью к различным излучениям. Только правильно выбрав детектор,
можно быть уверенным в том, что проведенные измерения и
полученные результаты дают более или менее точную оценку параметров исследуемого излучения.
Ионизационные детекторы. По конструкции ионизаци-
онные детекторы разделяются на цилиндрические и торцовые.
Цилиндрический детектор состоит из наружного проводящего
цилиндра (катода) и тонкой металлической нити (анода), натянутой по оси цилиндра и изолированной от него (рис. 9.2).
Рис. 9.2. Цилиндрический детектор:
1 – изолятор, 2 – анод – вольфрамовая нить,
3 – катод – корпус детектора
144
Внутреннее пространство детектора заполнено газовой
смесью, состоящей, например, из аргона (90%) и изопентана
(10%). Пары изопентана, спирта, хлора, фтора или метила
добавляют для гашения газового разряда. Детекторы с добавками хлора и фтора называют галогенными и они являются самогасящимися. Давление газовой смеси составляет
50-100 мм рт. ст.
Торцовые детекторы (рис. 9.3) отличаются тем, что в
них анод закреплён одним концом, а другой конец оканчивается маленьким стеклянным шариком и остаётся свободным.
Рис. 9.3. Торцовый детектор:
1 – стеклянный баллон, 2 – анод – вольфрамовая нить,
3 – катод, 4 – тонкое слюдяное окно
Торцовые счётчики используют для измерения бетаизлучений, для этого в корпусе счётчика делают окошко, закрытое тонким слоем материала, слабо поглощающего это
излучение.
К электродам прикладывается напряжение, создающее
сильное электрическое поле. Ионизирующая частица, попавшая в детектор, образует в нём огромное количество пар
ионов. Отрицательные ионы движутся к аноду, а положи-
145
тельные к катоду и создают кратковременный импульс тока,
который длится порядка 10-4 с.
Ионизационные детекторы в зависимости от приложенного напряжения подразделяют на ионизационные камеры и
ионизационные счётчики.
На рис. 9.4 показана зависимость ионизационного тока
для излучений с различной энергией Еi частиц от напряжения
V, приложенного к электродам, называемая вольтамперной
характеристикой.
Рис. 9.4. Вольтамперная характеристика ионизационного
детектора для излучений с различной энергией (Е
> Е2 > Е1)
3
В интервале напряжений от U0 до U1 рекомбинация ионов отсутствует и все образованные излучением ионы долетают до электродов. Сила тока при этом не зависит от величины приложенного напряжения и остаётся постоянной. Такой ток называют током насыщения, а интервал – областью
тока насыщения. Для этого режима величина импульса тока
зависит только от числа пар ионов, образованных частицей,
т.е величина импульса пропорциональна энергии частицы.
146
На участке напряжений от U1 до U2 ионы ускоряются
электричеcким полем до таких скоростей и приобретают такую энергию, что сами, сталкиваясь с атомами газа, производят его ионизацию. Этот процесс называют ударной ионизацией. При этом наблюдается пропорциональность между
числом пар ионов, образованных излучением, и числом пар
ионов, возникших в результате ударной ионизации. Эта область газового разряда называется областью пропорциональности. В области пропорциональности коэффициент газового
усиления изменяется от 1 при напряжениях близких к U1 до
10 000 и более при напряжениях близких к U2. В области пропорциональности величина импульса также пропорциональна
энергии частицы. Благодаря газовому усилению пропорциональный счётчик имеет на выходе импульсы достаточно
большой амплитуды, что упрощает схему усиления. Ионизационные камеры имеют плохую разрешающую способность
по энергии, порядка 30-50 кэВ, регистрируемых частиц или
квантов. Это не позволяет различать частицы с мало отличающимися энергиями и использовать их для спектрометрии.
В этих областях работают все ионизационные камеры.
Область напряжений от U
до U
2
называют областью ог-
3
раниченной пропорциональности, и она в ионизационных
детекторах не используется.
Применение ионизационных счётчиков ограничено их
сравнительно небольшим разрешающим временем. Как уже
было сказано, длительность импульса тока в ионизационном
счетчике составляет порядка 10-4 с. Если интенсивность регистрируемого потока такова, что частицы будут попадать в
детектор через меньший интервал, то счётчик будет не в состоянии их регистрировать. Время, в течение которого детектор не может регистрировать следующую частицу, называют
«мёртвым временем». При очень большой активности источника излучения или при высоком уровне радиоактивного загрязнения прибор с ионизационным датчиком будет давать
либо искажённые показания, либо не будет работать совсем.
147
При напряжениях от U3 до U4 сила ионизационного тока
не зависит от первоначальной ионизации, а определяется
только величиной напряжения. В этой области достаточно появления между электродами одной пары ионов, чтобы возник
лавинообразный процесс, приводящий к ионизации всего пространства. Эта область газового разряда называется областью
Гейгера, а детекторы называют счётчиками Гейгера-Мюллера.
Такой детектор можно использовать только для определения
количества ионизирующих частиц, что позволяет измерять
мощность дозы при известной энергии излучения.
Счётчики Гейгера – Мюллера применяют для регистрации гамма- и бета-излучения. К ним относятся торцовые
счётчики типа СБТ, МСТ-17, Т-25-БФЛ и др., а также цилиндрические счётчики СТС-5, СТС-6 и др. У цилиндрических
счётчиков стенки выполнены из нержавеющей стали или
алюминия. В портативной аппаратуре используются галогенные счётчики СИ-8Б, СБТ-10, СБТ-12 и др.
Ионизационные детекторы применены в рентгенометрах ДРГ-01Т1, БЕЛЛА, РКСБ-104, Скаут и др., в радиометрах КРК-1, БЕТА, ТИСС, КРБ-1 и др.
Сцинтилляционные детекторы. Сцинтилляционный ме-
тод регистрации излучений основан на способности некоторых кристаллов, оргстёкол, газов и жидкостей испускать
вспышки света – фотоны света при поглощении ионизирующих излучений. Каждой частице (кванту), попавшей в сцинтиллятор, соответствует вспышка, сила которой пропорциональна энергии частицы (кванта). Благодаря этому по числу
вспышек и их силе можно судить об интенсивности излучений, определять мощность дозы, энергию, спектральный состав и другие характеристики исследуемого источника излучений. Для регистрации световых вспышек используется фотоэлектронный умножитель (ФЭУ).
Сцинтилляционный детектор состоит из сцинтиллятора
и ФЭУ. Схематическое устройство сцинтилляционного детектора показано на рис. 9.5.
148
схеме
к электронной
Рис. 9.5. Устройство сцинтилляционного детектора:
1 – сцинтиллятор, 2 – световод, 3 – фотокатод,
4 – фокусирующий электрод, 5 – диноды,
6 – стеклянный корпус ФЭУ, 7 – анод
При попадании радиоактивной частицы или кванта в
сцинтиллятор 1 возникает световая вспышка, фотон света
проходит через световод 2 и достигает фотокатода 3 фотоэлектронного умножителя. Фотон света выбивает из фотокатода некоторое количество фотоэлектронов, которые фокусируются фокусирующим электродом 4 и попадают на первый динод 5. ФЭУ имеет от 9 до 12 динодов. Между фокусирующим электродом 4, динодами 5 и анодом 7 приложено
напряжение, которое ускоряет электроны. Фотоэлектроны,
ускоренные приложенным напряжением, выбивают из динода большее количество электронов, которые вылетают в направлении следующего динода и т.д. Таким образом, электронный пучок, проходя через динодную систему, умножается. Когда электронный пучок достигает анода 7, в анодной
цепи возникает электрический импульс, амплитуда и форма
которого зависят от вида и энергии зарегистрированной частицы. Электрические импульсы поступают в электрическую
измерительную схему для дальнейшей обработки.
Сцинтилляционные детекторы имеют высокую разрешающую способность по энергии и по времени. Длительность импульсов на выходе ФЭУ определяется, прежде всего,
типом сцинтиллятора. При использовании сцинтиллятора из
NaJ(Тl) (йодистого натрия, активированного таллием), дли-
149
тельность импульсов на выходе ФЭУ составляет порядка
0,25 мкс, стильбена или антрацена – 0,1 мкс, что позволяет
применять такие детекторы для измерения активностей на
2-3 порядка выше, чем при использовании ионизационных де-
текторов. Сцинтилляционные детекторы обеспечивают высокую пропорциональность между силой вспышки и амплитудой импульса на выходе ФЭУ. Благодаря этому такой детектор имеет высокую разрешающую способность по энергии,
порядка 10-30 кэВ регистрируемых частиц или квантов.
Сцинтилляционные детекторы нашли самое широкое
применение, так как позволяют регистрировать любые виды
излучений, определять мощность дозы, исследовать спектральные и другие характеристики.
Сцинтилляционные детекторы использованы в радиометре РКБ-1еМ, гамма-спектрометре «Прогресс» и др.
Полупроводниковые детекторы. Полупроводниковые де-
текторы позволяют регистрировать все виды ионизирующих
излучений, в том числе и альфа-излучение, благодаря тому,
что не требуют никакого защитного корпуса и излучение попадает непосредственно на рабочую поверхность полупроводника. В принципе работа полупроводникового детектора
также основана на эффекте ионизации, но ионизации в твёрдом теле. Наиболее широко распространены германиевые
детекторы. Эти детекторы обладают очень высокой чувствительностью, но требуют для поддержания в рабочем состоянии постоянного охлаждения жидким азотом, что усложняет
и удорожает их применение.
Полупроводниковые детекторы обладают самым высоким разрешением из всех существующих детекторов как по
энергиям, так и по времени. Длительность импульсов, формируемых полупроводниковым детектором, составляет порядка 0,01 мкс.
Примером применения полупроводниковых детекторов
является измерительная камера радиометров радона РРА-01,
«Рамон» и др.
150
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]