Вопросы для самоконтроля

1. Какие допущения и ограничения заложены в методику оценки радиационной обстановки.

2. Перечислите наименование зон радиоактивного загрязнения местности? Какие параметры лежат в основе градации зон?

3. Категории устойчивости атмосферы?

4. Решение задач по выявлению и оценке радиационной обстановки.

4. Контроль радиационной обстановки, приборы, системы и средства радиационного контроля

4.1. Общие сведения о радиационной обстановке и ее контроле

Под радиационной обстановкой понимаются масштабы и степень ионизации окружающей среды естественными и искусственными источниками. В зависимости от степени ионизации среды радиационная обстановка может быть нормальной, аномальной и радиоактивным загрязнением.

По критерию мощности эквивалентной дозы ( ) обстановка может быть:

нормальной при до 0,6 мкЗв/ч (до 60 мкР/ч);

аномальной при от 0,6 до 1,2 мкЗв/ч ( 60-120 мкР/ч);

радиационным загрязнением при > 1,2 мкЗв/ч. (120 мкР/ч).

По критерию эффективной годовой дозы (H_эф,) обстановка считается нормальной, если население, проживающее на данной территории, получает в год не более 1 мЗв, исключая природные и медицинские источники излучения.

Контроль радиационной обстановки заключается в проведении радиационного мониторинга и оценки фактической обстановки, прогнозирования ее развития и, на основании сравнения этих данных с предельно допустимыми показателями, определении необходимости принятия мер по защите населения и территорий и нормализации радиационной обстановки.

Государственный контроль радиационной обстановки осуществляется на всей территории РФ в целях систематического предоставления соответствующей оперативной информации органам государственной власти, заинтересованным министерствам и ведомствам для принятия необходимых мер по обеспечению радиационной безопасности населения.

Особое внимание уделяется радиационному контролю районов расположения РОО (ЯОО) на этапах их строительства, эксплуатации (особенно при аварийных ситуациях) и при выводе их из эксплуатации.

Непосредственно проведение мониторинга радиационной обстановки и ее прогнозирование осуществляется подразделениями Федеральной службы по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (Росгидромет), сетью наблюдения и лабораторного контроля (СНЛК) ГО в составе РСЧС, Единой системой выявления последствий применения ОМП (ЕСВОП) МО России, а также различными подразделениями наблюдения и контроля профильных министерств и ведомств, радиационно (ядерно) опасных объектов (ЯОО).

Мониторинг фактической радиационной обстановки осуществляется с помощью приборов, систем и средств радиационного контроля (ПСС РК).

4.2. Методы регистрации ионизирующих излучений

Приборы, системы и средства радиационного контроля предназначены для измерения степени ионизации окружающей среды, радиационного контроля технологических линий радиационно (ядерно) опасных объектов, а также дозиметрического контроля населения в условиях как мирного, так и военного времени. В основе работы приборов и систем радиационного контроля используются различные методы регистрации (индикации) ионизирующего излучения, основными из которых являются:

ионизационный, основанный на свойстве этих излучений ионизировать любую среду, через которую они проходят, в том числе и детекторное (улавливающее) устройство прибора; измеряя ионизационный ток, получают представление об интенсивности радиоактивных излучений;

фотографический, основанный на свойстве ионизирующего излучения воздействовать на светочувствительный слой фотоматериалов аналогично видимому свету. Сравнивая плотность почернения пленки с эталоном, можно определить поглощенную дозу излучения, полученную пленкой;

сцинтилляционный, в основе которого - свечение детектора из люминесцентного материала под воздействием ионизирующих излучений; количество вспышек, пропорциональное мощности излучения, регистрируется фотоэлементным умножителем, преобразующим его в электрический ток;

химический, основанный на использовании химических изменений, происходящих в некоторых жидких и твердых химических веществах под воздействием ионизирующих излучений, в результате чего изменяется структура вещества, совместно с красителем дающая цветную реакцию; по плотности окраски определяется степень ионизации (дозиметр типа ДП-70М);

люминесцентный, базирующийся на эффектах радиофотолюминесцентности (ФЛД) и радиотермолюминесцентности (ТЛД): в первом случае под воздействием ионизирующего излучения в люминесцирующем материале создаются центры фотолюминесценции, содержащие атомы и ионы серебра, которые при освещении ультрафиолетовым светом вызывают видимую люминесценцию, во втором - под действием теплового воздействия (нагрева) поглощенная энергия ионизирующих излучений преобразуется в люминесцентную. Интенсивность люминесценции пропорциональна степени ионизирующих излучений.

Принципиальная схема любого прибора радиационного контроля включает воспринимающее устройство (индикатор), детекторное (преобразующее) устройство, блок питания, устройство отображения уровней индикации (стрелочные жидкокристаллические индикаторы, цифровые светодиодные и жидкокристаллические дисплеи и т. п.).

Детекторы ионизационного типа

Ионизационный метод реализован в ионизационных камерах и в газоразрядных счетчиках.

Ионизационная камера (рис. 4.1.) - в простейшем случае это газовый детектор, состоящий из двух параллельных металлических пластин (электродов), пространство между которыми заполняется воздухом или другим газом и является чувствительным объемом детектора. К электродам камеры прикладывается некоторая разность потенциалов от источника постоянного напряжения.

В нормальных условиях газ, заполняющий камеру, является изолятором, поэтому в измерительной цепи ток отсутствует.

При ионизации газа в нем образуются электроны и положительные ионы - газ становится электропроводным. Поскольку к электродам приложена разность потенциалов, то электроны и ионы будут двигаться к соответствующим электродам, и в цепи возникнет ток. Обычно такой ток чрезвычайно мал, и измерить его можно только с помощью специальных измерительных приборов.

Рис. 4.1 .Схема включения токовой ионизационной камеры в измерительную цепь: 1,2-электроды; 3-измерительный прибор; 4- источник питания

В токовых камерах ток i пропорционален мощности поглощенной дозы.

В интегральных камерах изменение (уменьшение) разности потенциалов ΔU пропорционально поглощенной дозе излучения.

Рассмотрим принцип работы токовой камеры. Зависимость ионизационного тока i от напряжения U на электродах, полученная при постоянной мощности дозы излучения, называется вольт-амперной характеристикой токовой камеры (рис. 4.2).

На участке I этой характеристики значение ионизационного тока зависит от напряжения на электродах, поэтому этот участок является нерабочим.

На участке II значение ионизационного тока, называемого в этом случае током насыщения i_н , не зависит от напряжения, приложенного к электродам, а определяется мощностью дозы ионизирующего излучения. Пропорциональная зависимость тока насыщения от мощности дозы на участке II (этот участок называется "плато") и используется в ионизационных токовых камерах. Участок III - участок газового усиления, используемый в газоразрядных счетчиках (см. ниже).

Рис. 4.2. Вольт-амперная характеристика ионизационной камеры

Ток ионизационной камеры в режиме насыщения определяется выражением

i_н = q·е·V А, (4.1.)

где q — количество пар ионов, образующихся в 1 см³ объема камеры в течение 1 сек, см^-3· с^-1;

е — заряд электрона, равный 1,610^-19 Кл;

V — объем ионизационной камеры, см³.

Допустим, что мощность экспозиционной дозы воздействующего на камеру излучения равна 1 Р/ч количество пар ионов, образующихся в 1 см³ объема камеры в течение 1 сек составит q= 2,08·10⁹ /3600 = 5,7810⁵ . Тогда:

i_н = 5,7810⁵ ·1,610^-19 ·Х· V = 0,92410^-13 ·Х· V, А (4.2.)

Однако в реальных приборах используют ионизационные камеры закрытых конструкций. И, следовательно, необходимо учитывать вклад в ионизацию воздуха внутри камеры тех электронов, которые образовались в стенке при воздействии нее гамма-излучения. Это осуществляется введением в выражение (4.2.) отношения μ_kmст/ μ_kmв ,

Используя формулу (4.2), выражение (4.1) может быть представлено в виде:

i_н = 0,92410^-13 V· Х, А. (4.3)

Ионизационную камеру применяют и для измерения дозы ионизирующего излучения. В этом случае принцип работы камеры основан на разряде емкости, то есть используется свойство камеры как конденсатора.

Для измерения дозы ионизационная камера предварительно заряжается внешним источником напряжения до начальной разности потенциалов Uо. Тогда заряд камеры будет равен

Q_o = C·U_{o ,} Кл (4.4.)

Где С – емкость камеры, Ф.

При действии ионизирующего излучения в результате ионизации разность потенциалов на электродах камеры будет уменьшаться за счет нейтрализации на них положительных и отрицательных ионов. Так при действии на камеру ионизирующего излучения мощностью дозы Х=1 Р/ч в течении 1 часа, заряд на электродах камеры уменьшится на величину:

∆Q_o = 2,08·10⁹ ·1,610^-19 ·V = 3,32810^-10·V, Кл (4.5.)

Что приведет и к уменьшению напряжения камеры:

, В (4.6.)

Используя формулу (4.5), выражение (4.6.) может быть представлено в виде:

U= 3,32810^-10 · · Х , В (4.7.)

Остаточное напряжение на камере составит:

U = U_o − U= U_o − 3,32810^-10 · · Х (4.8.)

На вышерассмотренном принципе разработаны малогабаритные прямопоказывающие дозиметры, предназначенные для измерения индивидуальных доз внешнего облучения (рис. 4.3.).

Рис. 4.3. Дозиметр карманный прямопоказывающий

Конструктивно прямопоказывающий дозиметр выполняется в виде авторучки, которая крепится к карману одежды с помощью держателя. Такой дозиметр состоит из цилиндрического дюралевого корпуса, в котором расположены ионизационная камера, электроскоп, отсчетный микроскоп с 90-кратным увеличением и зарядная часть.

Основная часть дозиметра - малогабаритная ионизационная камера, к которой подключен конденсатор с электроскопом. Корпус камеры является внешним (отрицательным) электродом, а изогнутый металлический стержень – внутренним (положительным). Для расширения пределов измерения в ионизационной камере установлен конденсатор.

Электроскоп образуют изогнутая U-образная часть внутреннего электрода (держатель) и прикрепленная к нему в двух точках тонкая стеклянная платинированная визирная нить (подвижный элемент), обладающая большой механической устойчивостью и хорошей токопроводностью.

Отсчетный микроскоп расположен в передней части корпуса. Он состоит из окуляра, объектива и прозрачной шкалы, расположенной в фокальной плоскости объектива. В приборах, выпущенных давно, шкала проградуирована во внесистемных единицах экспозиционной дозы -рентгенах, миллирентгенах (при измерении гамма-излучения) или в единицах поглощенной дозы - рад (при измерении гамма-нейтронного излучения).

В качестве примера на рис. 4.3 изображена шкала дозиметра карманного прямопоказывающего ДКП-50А.

Принцип работы дозиметра заключается в следующем. Перед работой конденсатор и ионизационную камеру заряжают от специального электрохимического или пьезоэлектрического зарядного устройства. В процессе зарядки визирная нить электроскопа отклоняется от внутреннего электрода под действием сил электростатического отталкивания. Отклонение нити зависит от величины приложенного напряжения, которое при зарядке регулируют и подбирают так, чтобы изображение нити совместилось с нулем шкалы отсчетного микроскопа.

Под воздействием гамма- (или гамма-нейтронного) излучения в рабочем объеме камеры возникает ионизационный ток, что приводит к уменьшению первоначального заряда конденсатора и камеры, а следовательно, и потенциала внутреннего электрода. Уменьшение потенциала, измеряемого электроскопом, пропорционально дозе облучения.

Уменьшение потенциала внутреннего электрода приводит к уменьшению сил электростатического отталкивания между визирной нитью и держателем электроскопа. В результате визирная нить сближается с держателем, а ее изображение перемещается по шкале отсчетного микроскопа в сторону увеличения показаний. Отсчет показаний проводят, держа дозиметр в направлении источника света и наблюдая через окуляр за положением нити.

Газоразрядный счетчик

Основной недостаток ионизационных камер - низкое значение выходного сигнала, что требует его усиления.

С увеличением напряженности электрического поля ионизационного детектора скорость дрейфа ионов, образованных первичным ионизирующим излучением, будет возрастать. Электроны, обладающие небольшой массой по сравнению с массой положительно заряженных ионов газа-наполнителя, будут с большей скоростью двигаться к собирающему электроду (аноду).

При достижении определенной разности потенциалов кинетическая энергия ускоренных в электрическом поле электронов достигнет величины, при которой наступит ударная ионизация. Вновь образованные вторичные электроны также будут ускоряться в электрическом поле и производить ионизацию атомов газа-наполнителя. В результате возникает лавинный процесс - газовое усиление первичной ионизации. Коэффициент газового усиления, представляющий собой отношение количества электронов, дошедших до анода, к количеству первичных электронов, может достигать 10⁶-10⁷.

Ионизационные детекторы, в которых используется принцип газового усиления ( участок III на рис. 4.2), называются газоразрядными счетчиками.

Конструктивно газоразрядный счетчик (рис. 4.4) выполняется в виде металлического или стеклянного, покрытого внутри слоем металла, цилиндра, по оси которого натянута тонкая металлическая нить, выполняющая роль анода. Катодом служит металлический цилиндр.

Выполнение анода в виде тонкой металлической нити позволяет получить большое значение напряженности электрического поля у поверхности анода, необходимое для создания условий ударной ионизации при сравнительно небольшом напряжении на электродах счетчика.

, В/см, (4.9.)

где U— напряжение между электродами счетчика, В;

r_к — радиус катода счетчика, см;

r_a — радиус анода счетчика, см;

r — расстояние от оси анода до точки внутри объема счетчика, в которой Е имеет значение, определяемое данной формулой, см.

В качестве наполнителей внутренней полости счетчика используются некоторые благородные газы, в частности, аргон, неон и др.

Эффект газового усиления резко увеличивает чувствительность газоразрядных счетчиков по сравнению с ионизационными камерами и позволяет регистрировать отдельные частицы.

Рис. 4.4. Схема включения газоразрядного счетчика в измерительную цепь: 1 - анод; 2 - катод

При попадании в рабочий объем счетчика ионизирующих частиц в измерительной цепи на сопротивлении анодной нагрузки R возникают импульсы напряжения, частота которых пропорциональна мощности поглощенной дозы.

N = = 19,6· ·Х = · ·Х

N = 1,5·10⁴· ·Х с^-1, (4.10)

где N— частота следования импульсов, с ^-1;

S — площадь поперечного сечения счетчика, см²;

_кв — линейный коэффициент передачи энергии излучений в воздухе, 1/см.;

_mкв - массовый коэффициент передачи энергии излучений в воздухе, см²/г.;

ε — эффективность счетчика;

Е γ —энергия гамма-квантов, Мэв;

Р — мощность дозы гамма-излучений, р/ч;

Эти параметры отображаются регистрирующим устройством в аналоговой или цифровой форме.

Для измерения указанных величин используются газоразрядные счетчики Гейгера-Мюллера.

Амплитуда импульса напряжения, возникающего на счетчике при

Сцинтилляционной детектор

Рассмотрим принцип действия сцинтилляционного счетчика (детектора), принципиальная схема которого изображена на рис.4.5.

Ионизирующее излучение, взаимодействуя с веществом сцинтиллятора 1, вызывает в нем вспышки света. Некоторая часть фотонов света через светопровод 2 попадает на фотокатод 3 фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) и вырывает из него фотоэлектроны. Фотоэлектроны проходят через фокусирующую диафрагму 4 и ускоряются электрическим полем, существующим между умножающими электродами (динодами) 5. Каждый ускоренный электрон, тормозясь в диноде, выбивает из него несколько вторичных электронов, которые благодаря специальной геометрии динода направляются на последующий динод. Поток электронов собирается на последнем диноде 6, называемом анодом. Питание ФЭУ осуществляется от источника высокого стабилизированного напряжения с делителем 8. В цепь анода 6 включается сопротивление нагрузки 7, на котором формируется импульс напряжения. Коэффициент умножения ФЭУ лежит в пределах 10 ⁵-10 ^6.

Таким образом, с помощью сцинтилляционного детектора можно измерить поглощенную дозу (по количеству импульсов за определенное время) и ее мощность (по частоте следования импульсов).

Описанные методы и принципы работы измерителей параметров ионизирующих излучений используются в приборах, предназначенных для персонала. В приборах для населения в качестве детекторов применяются газоразрядные счетчики.

Рис. 4.5. Принципиальная схема сцинтилляционного детектора