16.2. Методи реєстрації іонізуючих випромінювань

Для того щоб оцінити з гігієнічних позицій умови праці персо­налу, необхідно мати насамперед об'єктивні дані про інтенсивність іонізуючого випромінювання. Треба заміряти дозу або потужність дози від джерел, що є в виробничому приміщенні, відповідною апа­ратурою.

Вимірювальні прилади складаються з таких основних конструк­тивних елементів: датчика (детектора випромінювання) — пристрою, що вловлює енергію випромінювання (залежно від способу реєстра­ції, може бути у вигляді іонізаційної камери, газорозрядного лічиль­ника, фотопомножувача, фотопластинки, розчину відповідного хіміч­ного складу); підсилювача-нормалізатора імпульсів, призначенням якого є посилення сили струму у схемі приладу та вимірювального приладу у вигляді шкали зі стрілкою, електромеханічного лічиль­ника, перерахункової схеми тощо. Уся схема підключається до дже­рела струму — електромережі чи батареї акумуляторів.

Нижче наводяться відомості про конструктивні особливості та принципи роботи реєстраційних пристроїв — датчиків, а також основні способи реєстрації випромінювань. Залежно від енергії і виду взаємодії з речовиною окремі види випромінювань можуть бути зареєстровані повністю, частково або не реєструються тим чи іншим видом детектора. Очевидно, правильний підхід до вибору при­ладів радіаційного контролю забезпечить одержання результатів ви­сокої точності, що дасть змогу надалі розробити гігієнічно обгрун­товані заходи, спрямовані на оптимізацію радіаційної обстановки в виробничих приміщеннях.

Перелік основних методів реєстрації іонізуючих випромінювань при здійсненні дозиметричних вимірювань у виробничих приміщен­нях наведено у табл. 123.

Іонізаційний метод реєстрації випромінювань ґрунтується на вимірюванні іонізації газів, яка настає під дією радіоактивних ви­промінювань.

Перший вид датчиків — іонізаційні камери є видозміною газово­го конденсатора, що має два електроди, на які подається напруга від батареї (мал. 94). Якщо відсутні джерела випромінювання, повітря між пластинками є ізолятором і струм через конденсатор не про­ходить. При наявності джерела в повітрі утворюються іони, що під впливом електричного поля рухаються між електродами і прилад засвідчить, що в колі виник електричний струм. Сила цього струму залежить від напруги, що подається на електроди. Ця залежність має назву вольтамперної характеристики датчика (мал. 95).

Спочатку сила струму зростає пропорційно напрузі згідно з за­коном Ома (ділянка О— f/₍). Надалі (ділянка U_t — (7₂) сила струму при збільшенні напруги не зростає, оскільки всі утворені іони до­сягають обмоток конденсатора; ця ділянка називається областю на­сичення. При напрузі, яка перевищує значення U_r рух електронів прискорюється до такої кінетичної енергії, яка є достатньою для вто-

Таблиця 123
Методи реєстрації іонізуючих випромінювань
Методи реєстрації	Детектори випромінювань	Ділянка застосування
Іонізаційний	Іонізаційні камери Газорозрядні лічильники	Вимірювання дози та потужності дози бета- і гама-випромінювання; радіометрія альфа-, бета- та гама-джерел Вимірювання потужності дози гама-випромінювання; радіометрія альфа-, бета-і гама-джерел
Люмінесцентний	Сцинтиляційні лічильники Люмінесцентні дозиметри	Вимірювання потужності дози бета- і гама-випромінювання; радіометрія альфа-, бета-і тама- джерел Вимірювання дози гама-випромінювання, потоків нейтронів
Фотографічний	Фотодозиметри (фотоплівка)	Вимірювання доз гама- і рентгенівського випромінювання
Хімічний	Хімічні речовини	Індикація і вимірювання великих доз гама-випромінювання
Калориметричний	Калориметри	Вимірювання великих доз гама-випромі­нювання

ринної іонізації молекул. Ділянка U₂ — U₃ називається ділянкою пропорційності, або областю газового посилення. При дальшому збіль­шенні напруги (ділянка U, — С7₄) вторинна іонізація така інтенсив­на, що частинка чи квант будь-якої енергії, що потрапляють в об'єм датчика, спричиняють утворення потоку іонів. Ця ділянка називаєть­ся областю Гейгера.

Іонізаційні камери як низьковольтні датчики працюють у ді­лянці напруг "область насичення" (100-300 В). Залежно від форми електродів розрізняють циліндричні, пласкі та сферичні камери. Чим більший об'єм камери, тим більше пар іонів утворюється вторинни-

Мал. 94. Схема роботи іоніза­ційної камери:

112 — електроди камери; 3 — джерело живлення; 4 — радіоак­тивний препарат; 5 — вимірюваль­ний прилад.

Мал. 95. Вольтамперна характеристика роботи іонізаційних детекторів.

ми електронами. Тому для вимірювання малих доз використовують великі камери (об'ємом 0,5-5 л), для вимірювання великих — за­довольняються камерами об'ємом в декілька кубічних сантиметрів.

У ділянці газового посилення використовують пропорційні лі­чильники, зокрема, для визначення альфа-частинок у мішаному по­тоці випромінювання.

В області Гейгера при напругах більш ніж 400 В використову­ються газорозрядні лічильники, які за формою поділяються на ци­ліндричні та торцеві. В об'єм циліндричного лічильника іонізуючі частинки або кванти надходять через стінку — корпус, виготовле­ний з алюмінію, міді або скла. По осі корпусу натягнута металева нитка завтовшки 0,1-0,2 мм, на яку подається позитивний потенці­ал (до 1000 В). В торцевих лічильниках один із торців закритий тонкою плівкою зі слюди, що створює незначний опір при надход­женні в детектор частинок з малою проникною здатністю (альфа- чи бета-частинок) та незначною енергією. При підготовці до роботи га­зорозрядних датчиків знімають їх лічильну характеристику, що яв­ляє собою залежність кількості імпульсів, яку видає лічильник на вимірювальний пристрій приладу, від напруги. В ділянці напруг ви­діляють область "плато" — діапазон, у якому при збільшенні на­пруги кількість імпульсів зростає незначно. Плато не повинно бути коротшим за 150 В. Робочу напругу встановлюють на межі між пер­шою та другою частиною плато (наприклад, коли плато починається при напрузі 500 В, а закінчується при 800 В, робоча напруга стано­витиме 600 В). Оскільки плато практично на графіку не зовсім "го­ризонтальне" і має деякий похил, останній прийнято виражати як процентне збільшення числа імпульсів зі збільшенням напруги на 100 В. Похил плато не повинен перевищувати 15%. Лічильники з більшим похилом плато або з коротшою за 150 В його довжиною непридатні для експлуатації.

Люмінесцентний метод реєстрації випромінювань. Встановле­но, що деякі речовини, т. зв. фосфори, наприклад сірчистий цинк, ак­тивований солями міді чи срібла, здатні під дією частинок або кван­тів давати спалахи світла (сцинтиляції). Число спалахів при цьо­му прямо пропорційне дозі опромінювання фосфору. Виділенню на­копиченої у фосфорі за рахунок опромінення енергії сприяє нагрі­вання (радіотермолюмінесценція) або дія інфрачервоного випромі­нювання (радіофотолюмінесценція). Для практичного застосування створені термолюмінесцентні дозиметри з детекторами на основі фтористого літію з діапазоном вимірювання від 0,01 до 10³ Гр, фто­ристого кальцію — до 10⁴ Гр та ін. Як фотолюмінесцентні детекто­ри використовують NaCl-Ag, KCl-Ag, CaSO.-Mn, межа виміру яких до!0⁴Гр.

Спалахи реєструються за допомогою сцинтиляційного датчика, що складається з фосфору та фотоелектропомножувача. Останній перетворює спалахи на електричні імпульси, які підсилюються все­редині цього пристрою у мільйони разів. Усередині скляної колби є система електродів (мал. 96). Першим електродом є фотокатод, за

Мал. 96. Будова сцинтиляційного лічильника:

Цифрами 1,2, 3, 4, 5, 13, 14 позначені номери ніжок цоколя фотоелектронного

помножувача.

ним міститься фокусуючий електрод у вигляді пластинки з круг­лим отвором. Далі розташовані інші електроди (емітери), а останнім електродом є анод. Катод перебуває під найнижчою напругою, на кож­ний наступний електрод (емітер) подається напруга приблизно на 100 В вища, ніж на попередній. Різниця потенціалів між катодом і анодом може перевищувати 2000 В. Завдяки такому перепаду на­пруг електрони всередині детектора розганяються і за рахунок вто­ринної іонізації сила струму зростає в багато разів.

Фотографічний метод реєстрації випромінювань. Цей метод ба­зується на властивості іонізуючих випромінювань впливати на фо­тоемульсію — аналогічно денному світлу і викликати її почорніння. Він придатний для реєстрації бета-частинок, гама-квантів, а також потоків нейтронів. Ступінь почорніння визначається шляхом порів­няння інтенсивності світлового потоку, що падає на плівку, з інтен­сивністю світлового потоку, що пройшов через плівку. Перед застосу­ванням плівки для вимірювання треба визначити залежність ступе­ня почорніння від дози і побудувати калібрувальну криву. Густину почорніння вимірюють за допомогою денситометрів. Метод застосо­вується при проведенні індивідуального дозиметричного контролю з використанням дозиметра індивідуального фотоконтролю типу ІФК.

Хімічний метод реєстрації випромінювань ґрунтується на тому, що під впливом радіації в речовині відбуваються реакції, що супрово­дяться зміною кольору. Наприклад, опромінення платиноціаніду барію змінює зелений колір на жовтогарячий. Речовини типу хлороформу під дією гама-випромінювання розкладаються з утворенням соляної кислоти. Цей метод малочутливий, неточний і тому використовується переважно для вимірювання великих доз випромінювання.

Калориметричний метод реєстрації випромінювань. При радіо­активному розпаді і взаємодії іонізуючого випромінювання з речо­виною виділяється тепло. Якби вся енергія випромінювання пере­творювалася на теплову, яку можна виміряти за допомогою калори-

метрів, то шляхом простих розрахунків можна було б визначити активність досліджуваних препаратів.

Проте радіоактивний розпад характеризується незначною тепло­продукцією. Наприклад, і г радію-226 упродовж години виділяє ли­ше 136 кал, іонізація біологічної тканини дозою порядку 10 Гр-під­вищує температуру на соті частки градуса. Тому калориметричний метод має дуже обмежене застосування, наприклад, для здійснення замірів у активній зоні реактора.