Контрольні запитання:

1. Які відомі Вам електрохімічні методи вимірювання хімічного складу і концентрації рідини?

2. В чому полягає кондуктометричний метод вимірювання хімічного складу і концентрації рідини?

3. В чому полягає кулонометричний метод вимірювання хімічного складу і концентрації рідини?

4. В чому полягає полярографіч­ний метод вимірювання хімічного складу і концентрації рідини?

5. Для чого призначені газоаналізатори?

6. Як поділяють газоаналізатори в залежності від принципу дії?

7. Який принцип дії іонізаційних газоаналізаторів?

8. Який принцип дії теплових газоаналізаторів?

9. Який принцип дії хроматографічних газоаналізаторів?

10. Які Вам відомі методи вимірювання абсолютної вологості? Дайте їм характеристику.

11. Які Вам відомі методи вимірювання відносної вологості? Дайте їм характеристику.

Тема 5.8 Вимірювання параметрів радіації План

1. Загальні відомості

2. Детектори радіації та їх застосування

3. Приклади реалізації детекторів радіації

1. Загальні відомості

Іонізуюча радіація - електромагнітне або ядерне ( ) випро­мінювання, енергія якого є достатньою для іонізації матеріалу, яким вони поглинаються.

Сьогодні широко застосовуються іонізуючі випромінювання в радіології та медицині, тож необхідно вирішувати завдання захисту від випромінювань. Об'єктивні фізичні характеристики випромінювання не можуть повністю відобразити фізіологічний вплив випромінювання на організм людини. Поряд із цими величинами, що досить повно описують поле випромінювання, додатково використовують спеціальні фізич­ні величини, що характеризують біологічну дію іонізуючого випромі­нювання. Такими є дозиметричні величини.

Отримана (поглинута, абсорбована) радіаційна доза — це енергія, одержана речовиною від іонізаційного випромінювання, віднесена до одиниці маси опроміненої речовини. Одиницею отриманої дози є грей (1 Ґр відповідає 1 джоулю на кг) і рад (абревіатура від Radiation Absorbed Dose-rad): 1рад=100ерґ/г=10^-2 Дж/кг=10^-2 Ґр, 1 Ґр=100 рад.

Поглинута доза є фундаментальним показником, оскільки біоло­гічна дія випромінювання може бути пов'язана з енергією випроміню­вання, яку витримує жива тканина. Дози, котрі в практиці захисту живих організмів від випромінювання вважаються допустимими, становлять 10^-7...10^-8 Ґр. Тому практично застосовується інша, зручніша одиниця поглиненої дози, а саме експозиційна (іонізаційна) доза, як міра іонізації у повітрі рентгенівським (х) чи гамма-випромінюванням. Вона є сумою електричних зарядів усіх іонів одного знака, визначеною у елементі об'єму повітря, поділеною на масу повітря у цьому об'ємі. Одиницею експозиційної дози с рентген: 1 Р=2.58·10^-4 Кл/кг.

Інтенсивність дози відображає дозу радіації за одиницю часу.

2. Детектори радіації та їх застосування

Людські органи чуття не здатні сприймати іонізаційне випроміню­вання, тому існує необхідність в спеціальних пристроях для детекції і вимірювання радіації. Оскільки міра небезпеки враження людини радіацією залежить від типу радіації, її енергетичного спектру і кіль­кості, радіаційні детектори повинні бути спроможними виконувати як кількісні, так і якісні вимірювання.

Серед існуючих пристроїв вимірювання випромінювання можна виділити дві великі групи. Перша - приймачі, у яких використовується явище іонізації газів, котре виникає при дії радіаційного випромі­нювання, а у другій групі застосовується явище іонізації у твердих речовинах і деяких розчинах.

Пристрої, що використовують явище іонізації газів (утворення іонів), прості у виготовленні, мають високу чутливість і надійність. Більшість з них побудовано на основі іонізаційної камери.

Іонізаційні камери. Іонізаційними камерами вимірюють дозу та інтенсивність дози гамма і х-радіації.

Іонізаційна камера - пристрій, розроблений для вимірювання кількості іонізаційного випромінювання, густини потоку чи потужності дози.

Він являє собою металеву посудину, по осі котрої всередині розташовано металевий стержень - електрод, ізольований від посудини (рис. 1).

Рис. 1 – іонізаційна камера

Зовнішнім електродом є стінки посудини. Камера запов­нюється газом — найчастіше повітрям, тиск котрого дорівнює атмосферному. До стержня і до стінок посудини під'єднано джерело напруги, яке створює між електродамипевну різницю потенціалів.

У електричне коло між джерелом напруги і електродами послідовно ввімкнено вимірювальний резистор або конденсатор, паралельно до котрого під'єднують пристрій індикації.

Густину потоку випромінювання визначають, вимірюючи іоніза­ційний струм. Іонізаційний струм вимірюють за спадом напруги на високоомному вимірювальному резисторі. Коли необхідно визначити дозу випромінювання, котра пропорційна до інтеграла струму в часі, вимірюють напругу, до якої зарядиться конденсатор.

Фізичні основи роботи іонізаційних камер такі. Оскільки у зви­чайному стані гази є ізоляторами, то при певній різниці потенціалів між електродами струм у колі не протікає. Якщо під впливом радіаційного випромінювання у газі утворюються заряджені частинки - іони, то виникає іонізаційний струм, що залежний від значення прикладеної до електродів напруги. При малій напрузі швидкість дрейфу іонів є незначною й існує можливість рекомбінації позитивних і негативних іонів у вимірювальному об'ємі. У цьому випадку деякі іони можуть рекомбінувати, не дійшовши до електродів. Із збільшенням напруги між електродами при певній напруженості електричного поля майже усі іони встигатимуть до рекомбінації дійти до електродів. У цьому випадку іонізаційний струм майже не залежатиме від напруги на камері і буде пропорційним до густини потоку частинок чи потужності дози. Такий стан є звичайним режимом роботи іонізаційних камер.

При наступному підвищенні напруги кінетична енергія утворених іонів є достатньою для того, щоб вони при зіткненнях самі утворювали пари іонів, внаслідок чого забезпечується ефект підсилення. Отже, утворений імпульс пропорційний до кількості іонів, сформованих у газі первинними іонізуючими частинками. У такому діапазоні напруг пра­цюють пропорційні лічильники.

Пропорційні лічильники використовуються для детектування од­ного типу радіації у присутності інших типів радіації або для отримання вихідного сигналу, більшого, ніж у іонізаційної камери. Також про­порційні лічильники можуть бути використаними для вимірювання абсорбованої (отриманої) енергії (дози). Найширше пропорційні лічиль­ники застосовуються для детектування альфа-частинок, нейтронів і фотонів.

Лічильник Ґейґера-Мюллера. Ще збільшуючи напругу між елек­тродами, доходять до ділянки із самостійним розрядом. Кожна первинна

іонізація спричиняє виникнення у камері розрядних імпульсів, утворе­них у результаті лавинної іонізації. В такому режимі працює лічильник Ґейґера-Мюллера, котрий має високу чутливість.

Лічильник Ґейґера-Мюллера використовується для детекції одного випадку іонізації. Звичайно він обладнаний аудіо-пристроєм, котрий видає звукові сигнали у формі "клацання". Такий лічильник детектує гамма-фотони чи бета-частинки. Лічильники Ґейґера-Мюллера звичайно обладнані розділювальним екраном. Коли камера закрита екраном, до неї надходить тільки гамма-радіація, у відкритому стані надходять бета-і ґамма-частинки.

Використання впливу радіаційного випромінювання на тверді тіла. При поглинанні речовиною іонізуючої енергії деяка частина цієї енергії витрачається на зміну фізичного стану речовини. Для того, щоб використати це явище для вимірювання радіації, необхідне певне еталонне середовище, зміну стану котрого можна точно виміряти. Такими явищами є зміна кольору і люмінесценція.

Напівпровідникові детектори. Кремнієві чи германієві діоди ви­користовують аналогічно до газонаповнених іонізаційних камер для вимірювання спектрального розподілу квантів випромінювання. Радіа­ційне випромінювання спричиняє утворення у напівпровіднику пар електрон-дірка. При прикладанні електричного поля до р-п-переходу виникає відповідний струм. Перевагою напівпровідникових детекторів є те, що їх іонізаційний струм у десятки разів більший, ніж у газів. Завдяки більшій густині у напівпровіднику поглинається значно більша кількість енергії, ніж у газах. Проте германієві і кремнієві детектори необхідно охолоджувати до температури близько -200 °С і також вико­ристовувати електронні схеми перетворення імпульсів із малими влас­ними шумами.

Для дозиметричних вимірювань використовують кристали сульфі­ду кадмію CdS, електрична провідність котрих змінюється залежно від отриманого випромінювання. Такі зонди мають малі габарити. Проте їх характеристики сильно залежать від температури і енергії випро­мінювання.

Сцинтилятивний лічильник. Робота сцинтилятивного лічиль­ника базується на явищі виникнення у деяких речовинах (фосфорах) під дією ядерного випромінювання світлових спалахів (сцинтиляцій).

Сцинтилятивний лічильник складається з чутливого до випромі­нювання сцинтилятивного детектора, у котрому міститься кристалічний (або рідкий чи газоподібний) фосфор (можливо використовувати іонід натрію Nal), фотоелектронного помножувача і схем для підрахунку променевої емісії опроміненого фосфору.

Під дією радіоактивних променів на детектор виникають короткі світлові спалахи. Світло сцинтиляцій потрапляє на світлочутливий фотокатод, вибиваючи із нього фотоелектрони, що утворюють фото­струм. За значенням фотоструму, підсиленого у фотоелектронному помножувачі, визначається інтенсивність проміння, що потрапило на фосфор.

Сцинтилятивні лічильники можуть детектувати альфа- і бета-частинки, гамма-промені, нейтрони, фотони і електрони. Найчастіше використовуються альфа-лічильники або ґамма-детектори. Хоча ці пристрої мають велику залежність чутливості від енергії випроміню­вання, сцинтилятивні лічильники ефективніші при детектуванні фонового гамма-випромінювання, ніж лічильники Ґейґера-Мюллера.

Хімічні дозиметри. Хемічні дозиметри є системами, у яких вимірюються хемічні зміни у високополімеризованих речовинах, спри­чинені іонізуючим випромінюванням. Зміна кольору полімерних плівок (полістирольних, поліамідних, полівінілхлоридних) також може вико­ристовуватись у індикаторах поглиненої дози.

Найчастіше застосовуються хемічні дозиметри, побудовані на використанні утворення вільних радикалів у деяких органічних речови­нах, наприклад, амінокислотах. Ці радикали можна виявити за видимою зміною кольору або точніше з використанням електронно-спінового ре­зонансу чи за показами pW-метра. Більшість хемічних систем практич­них розмірів придатна для вимірювання великих доз гамма-випроміню­вання від сотень до мільйонів кҐр.

Фотоемульсійні детектори. Фотоемульсія часто використову­ється як детектор радіації. Проте існує тенденція її заміни термолю­мінесцентними дозиметрами.

Пакет фотоплівки, навитий у світлонепроникній упаковці, вико­ристовується для вимірювання кумулятивної (накопиченої) радіаційної експозиції для персонального спостереження (моніторингу). Пакет може містити декілька плівок і металевих фільтрів (алюмінієві, мідні та кадмієво-вольфрамові) для екранованих від звичайних видів радіоактив-

ності частин плівки. Після проявлення порівнюють оптичну густину, (щільність) із калібраційною кривою і визначають накопичену дозу. Щонайменше дві плівки різних типів використовуються для вимірю­вання у широкому діапазоні експозиції: низькоекспозиційна плівка від 0,02 до 2 кҐр і високоекспозиційна від 1 до 1000 кҐр.

Фільтри з важких металів підсилюють взаємодію з ґамма-раді-ацією. Бета-радіація визначається спостереженням зміни щільності час­тини плівки, котра не була покрита фільтром.

Плівкові пакети широко використовуються як дешеві і точні засоби для реєстрації радіації. їх недоліками є те, що тепло, вологість і старіння спричиняють природні зміни у оптичній щільності плівки.

Термолюмінесцентні детектори. У певного класу неорганічних кристалів електрони, які внаслідок опромінення були підняті на вищі енергетичні рівні, можуть зберігати радіаційну енергію. Збережена енергія пізніше може бути вивільнена у вигляді термолюмінесцентного світла внаслідок нагрівання; кількість світла пропорційна до первинної абсорбованої радіації.

Радіофотолюмінесцентне скло є дозиметричним матеріалом, кот­рий після попереднього радіаційного опромінення має люмінесценцію, спричинену збуджуючим ультрафіолетовим промінням. Найчастіше ви­користовується активоване сріблом радіофотолюмінесцентне скло для дозиметрії х і ґамма-радіації. Ними можна вимірювати радіацію у межах від 0,01 кҐр до декількох мільйонів кҐр.

Дозиметри цього типу показують загальну накопичену дозу. Для високоенергетичної нейтронної дозиметрії використовуються силіко­нові діоди. Нейтрони, реагуючи у діодах, спричиняють зміщення атомів силіконового кристала, результатом чого є порівняно стабільна і при­датна для вимірювання зміна електричного опору.

Такі дозиметри майже завжди нечутливі до х- та ґамма-радіації і мають діапазон від 1 до 1000 кҐр залежно від конкретного типу. Най­частіше використовуються у персональних дозиметрах.