Вопросы для самоконтроля:

1. Что такое экспозиционная доза и в каких единицах измеряется

2. Что такое поглощенная доза и в каких единицах она измеряется

3. Что такое эквивалентная доза и в каких единицах она измеряется

4. Что такое эффективная эквивалентная доза и в каких единицах она измеряется

5. Что такое мощности доз и в каких единицах они измеряются

1.2.4. Основные способы определения и измерения ионизирующих излучений

Для решения задач радиационной безопасности необходимо знать основные характеристики ионизирующих излучений. Известно, что все ионизирующие излучения взаимодействуют со средой и вызывают изменения ее физических и химических свойств. Это и используется для обнаружения и измерения характеристик ионизирующих излучений.

Наиболее распространенные способы регистрации: фотографический, химический, полупроводниковый, сцинтилляционный, биологический, ионизационный.

Фотографический - основан на потемнении фотоэмульсии под воздействием ионизирующих излучений (разновидность химического).

Химический - основан на измерении концентрации радикалов воды, которые появились в результате ее облучения ионизирующими излучениями. Можно использовать свойство некоторых веществ изменять свой цвет под воздействием излучений.

Полупроводниковый - основан на том, что некоторые полупроводники изменяют свое сопротивление под воздействием ионизирующих излучений.

Сцинтилляционный - основан на том, что некоторые вещества под воздействием ионизирующих излучений испускают фотоны видимого света.

Биологический - основан на исследовании состава крови и структуры зубов.

Ионизационный - основан на ионизации газов.

Наиболее распространенными способами являются ионизационный и сцинтилляционный. Для регистрации каждого вида заряженных частиц и гамма-квантов по вызываемому или ионизационному эффекту применяют счетчики или ионизационные камеры определенного типа и конструкции. Это обусловлено тем, что величина ионизации зависит от вида излучения, его энергии и природы поглощения. Работа детекторов ионизирующих излучений описывается различными характеристиками. Наиболее употребительными являются: эффективность счетчика, мертвое время, рабочее напряжение.

Под эффективностью детектора понимают вероятность того, что попавшая в объем счетчика (камеры) частица будет зарегистрирована.

Под мертвым временем детектора понимают минимальное время между пролетом двух следующих одна за другой частиц, регистрируемых отдельно.

Рабочее напряжение - это такое напряжение на электродах, при котором его незначительные колебания не должны искажать результаты регистрации

Сущность ионизационного метода демонстрируется рисунком 1.14. В состав схемы входит конденсатор, размещенный в герметичной колбе (1), наполненной газом, миллиамперметр (2), источник питания постоянного тока (3), усилитель (4) и выключатель (5). Если замкнуть цепь при отсутствии ионизирующих излучений, то конденсатор в колбе зарядится от источника. Если емкость конденсато­ра небольшая, а инерционность стрелочного прибора значительная, то стрелка прибора практически останется на нуле, так как после импуль­са тока конденсатор окажется заряженным, а цепь разомкнутой.

При облучении колбы ионизирующим излучением в ней произойдет ионизация газа. Чем больше интенсивность облучения, тем больше ионизация газа, тем больше ток пройдет по цепи. Прибор может быть отградуирован в соответствующих единицах и можно регистрировать и измерять ионизирующие излучения.

Чувствительность такого прибора не всегда может оказаться достаточной, чтобы измерять малые уровни радиации. Поэтому используют различные участки вольтамперной характеристики (рис. 1.15). На практике чаще используют участки характеристики 1, 2, 4. Работа на соответствующем участке характеристики зависит от типа детектора, его конструкции и приложенного напряжения.

>

2

1

4

3

5

Рис.1.14. Принцип ионизационного метода детектирования

Рис.1.15. Вольтамперная характеристика ионизационного детектора

В зависимости от подаваемого напряжения двухэлектродный промежуток может работать: в режиме ионизационной камеры, пропорционального счетчика или счетчика Гейгера-Мюллера.

Ионизационные камеры - это газоразрядные детекторы, работающие при напряжениях, соответствующих участку 1 вольтамперной характерис­тики. Принципиальная схема ионизационной камеры показана на рис.1.16. Частица, пролетая в пространстве между электродами, ионизирует атомы и молекулы газа. Затрачивая энергиюЕ, она создаетN_опар ионов. Связанные с ними заряды обоих знаков имеют величинуq_окаж­дый. Если за времяtв объем камеры влетелоnтаких частиц, то сум­марный заряд Q_о каждого знака, вызванный ими будет

Q_о = nеЕ/I (1.54)

где I - энергия ионизации атома /молекулы/ газа в межэлектродном пространстве.

Если напряжение между электродами равно нулю, то возникшие ионы быстро рекомбинируют, в результате чего система возвращается в исходное положение.

Если считать, что для инертных газов I = 30 - 40 эВ, то в случае когда n = 1 и Е = 1 МэВ, величинаN_о = 3х10⁴, а Q_о = 5х10^-15 Кл.

Измеряемой величиной в ионизационной камере является электрический ток, величина которого пропорциональна интенсивности падающего излучения. При малой интенсивности излучения ток

в цепи очень мал и его измерение представляет трудность. Поэтому чувствительность такого

прибора при малых плотностях излучений недостаточна.

Рис.1.16. Принципиальная схема ионизационной камеры.

Вольтамперная характеристика зависит от конструктивного исполнения ионизационной рамеры. Наибольшее распространение получили камеры цилиндрической и плоской форм.

Цилиндрические ионизационные камеры конструктивно представляют собой систему, состоящую из пустотелого электропроводящего цилиндра и коаксиально расположенного электропроводящего стержня. Внешний электрод соединяется с положительным полюсом источника питания камеры.

Плоские ионизационные камеры конструктивно выполняются в виде прямоугольной коробки (рис.1.16.), внутри которой размещается стержень или пластина. Внутренняя поверхность коробки покрывается слоем графитового порошка для обеспечения электропроводности. Стержень или пластина являются отрицательным электродом, а слой графита - положительным электродом камеры.

Конденсаторные ионизационные камеры предназначены для измерения дозы облучения. Конструктивно такие камеры представляют собой трубку из электропроводящего материала, которая является отрицательным электродом камеры. Внутри трубки расположен металлический стержень, являющийся положительным электродом камеры и конденсатора. Для расширения пределов измерения параллельно электроду подключается конденсатор с высококачественным диэлектриком. Конденсаторные камеры используются в качестве дозиметра комплектов ДП-24, ДП-22В.

Пропорциональные счетчики - это газоразрядные детекторы, работающие при напряжениях, соответствующих участку 2 вольтамперной характеристики. Принципиальная схема счетчика показана на рис. 1.17.

В этих приборах первично созданные ионы за счет энергии электрического поля вызывают на пути к электродам дополнительную ионизацию газа. Очевидно, что граничное напряжение между областью ионизационной камеры и областью пропорционального счета создает такое электрическое поле, в котором электроны на длине свободного пробега приобретают энергию, достаточную для ионизации атомов (молекул) газа, наполняющего счетчик.

R

Рис.1.17. Принципиальная схема пропорционального счетчика.

Если каждая, созданная первичной частицей пара ионов на пути к электродам образует К новых пар ионов, то общий заряд Q_окаждого знака, возникающий в объеме в результате пролета одной частицы будет:

Q_о = КеЕ/I, (1.55)

где К - коэффициент газового усиления.

Коэффициент газового усиления в области пропорционального счета зависит лишь от приложенного напряжения. Поэтому, при данном напряжении импульс на выходе счетчика пропорционален энергии, затраченной частицей на ионизацию. Горящий в пропорциональном счетчике несамостоятельный разряд прекращается при устранении излучений.

Широко распространены цилиндрические пропорциональные счетчики, в которых возле анода, изготовленного в виде тонкой нити, создается сильное электрическое поле. Вторичная ионизация, происходящая в этой области, обуславливает усиление тока. Таким образом, пропорциональные счетчики более чувствительны, чем ионизационные камеры.

Счетчики Гейгера-Мюллера - это газоразрядные детекторы, работающие при напряжениях, соответствующие участку 4 вольтамперной характеристики, называемому областью Гейгера.

Для того чтобы создать условия для развития газового разряда при сравнительно невысоких напряжениях, рационально использовать не - однородные электрические поля и низкое давление газа, примерно 100 - 200 мм рт. ст. Поэтому счетчики Гейгера - Мюллера изготавливают в виде цилиндрического катода, на оси которого расположен тонкий проволоч­ный анод. При попадании ионизирующих частиц в цилиндр, в газе образуются свободные электроны, которые движутся к нити. Вблизи нити напряженность электрического поля велика и электроны ускоряются настолько, что начинают ионизировать газ. По мере приближения к нити число электронов возрастает лавинообразно, возникает коронный разряд, распространяющийся вдоль нити. Этот разряд обрывается включением большого сопротивления R = 10⁸- 10⁹ Ом (не самогасящийся счетчик Гейгера), либо введением специального состава газовой смеси инертного газа с примесью паров спирта или другого многоатомного га за (самогасящийся счетчик Гейгера). В отличие от ионизационной камеры и пропорционального счетчика, в счетчике Гейгера величина тока не зависит от количества первично созданных ионов, а обуславливается приложенным напряжением и величиной сопротивления, включенного последовательно цепь разрядного промежутка.

Таким образом, счетчик Гейгера-Мюллера пригоден лишь для счета частиц.

Сцинтилляционный счетчик. Сцинтилляционный счетчик состоит из сцинтилляционного детектора и пересчетного устройства. Схема сцинтилляционного детектора показана на рис.1.18. Сцинтилляционный детектор состоит из сцинтиллятора и фотоэлектронного умножителя. Принцип действия заключается в следующем:

1

2

3

5

4

●β

R_н

R₁ R₂ R₃ R₄ R₅ R₆

Рис.1.18. Схема стинцилляционного детектора

1- сцинтиллятор; 2 - фотокатод; 3 - фокусирующая система 4 - анод; 5 - диноды; Резисторы R₁-R₆- делитель напряжения.

Под действием ионизирующих излучений, поступающих на сцинтиллятор 1 в нем возникают вспышки света, которые затем попадают на фотокатод 2 (чаще всего - сурьмяно-цезиевый) и выбивают из него фотоэлектроны. С помощью фокусирующего электрода 3 фотоэлектроны попадают на первый динод (5), из которого они выбивают в результате вторичной эмиссии дополнительные электроны. Далее они поступают на следующий динод и т.д. Так происходит умножение электронов (усиление электронного потока). С последнего динода электронный поток попадает на анод, связанный с обычным усилителем. На схеме показан делитель напряжения, который обеспечивает напряжением каждый динод и анод. Для обеспечения работы счетчика применяют значительной величины напряжение.

Сцинтилляционный счетчик нашел достаточно широкое применение, как достаточно точный способ регистрации излучений.