Методи за измерване на йонизиращи лъчения
За измерване и контрол на йонизиращи лъчения се използват три основни групи уреди: радиометри, спектрометри, дозиметри. Най-важната част от такива устройства е детекторът - устройство за регистриране на йонизиращи лъчения. Детекторът е устройство, в което енергията на йонизиращото лъчение се преобразува в електрическа или друг вид енергия, което прави възможно откриването на радиация.
Радиометри:
• измерване на активността на източника на йонизиращи лъчения; • ви позволяват да определите активността на конкретен радионуклид или общата активност на радионуклидите в източника на радиация (в бекерели).
Спектрометри: • измерване на енергийния спектър на лъчение - разпределение на гама кванти, алфа или бета частици по енергия;
Дозиметри:
• дават оценки на дозите на облъчване: погълнати - в Грей (Gy) и производни (mGy, µGy и др.); еквивалентни или ефективни - в сиверт и производни (mSv, µSv), както и мощност на дозата;
• дава оценки на мощността на дозата.
Работата нагазоразрядни (йонизационни) детектори се основава на йонизация на работното вещество (газ) чрез излъчване. Най-добрият детектор от този тип е йонизационна камера. Представлява плосък или цилиндричен кондензатор, чийто вътрешен (работен) обем е запълнен с газ. Към пластините на кондензатора се прилага постоянно напрежение. При липса на външна реакция газът между плочите на кондензатора е изолатор и следователно няма ток във веригата. Когато фракции от йонизиращо лъчение навлизат в работното пространство на кондензатора, те причиняват йонизация на газовите молекули
се образуват заредени частици: свободни електрони и йони. Когато гама-квантите навлязат в работното пространство на кондензатора, газът го запълвапространството се йонизира от фотоелектрони, които излизат от материала на стените на камерата под действието на гама лъчение.
В електрическото поле на кондензатора отрицателно заредените частици са насочени към анода (+), а положително заредените частици към катода (-). В резултат на това в връзката възниква краткотраен електрически ток - електрически импулс. Този импулс е регистриран сигнал, показващ наличието на частици или гама лъчи, като неговата амплитуда зависи от енергията на частиците или гама лъчите. Познавайки общия електрически заряд, възникващ в работния обем на детектора, е възможно да се оцени стойността на дозата на външно облъчване на обекта.
Предимствата на йонизационната камера са простота и надеждност, недостатъкът е слаб електрически сигнал по време на регистрация на радиация, тоест ниска ефективност на регистрация. Пропорционалните детектори и броячите на Гайгер-Мюлер са видове устройства, базирани на газоразрядни детектори. Те се отличават със сравнително високо анодно напрежение, което позволява значително усилване на електрическите сигнали, причинени от йонизиращо лъчение.
Най-силните електрически сигнали излизат в броячите на Гайгер-Мюлер, но те са еднакви за всички открити частици или гама кванти, независимо от тяхната енергия. Следователно такива броячи служат само за определяне на общия брой частици или гама-кванти, без тяхната разлика в енергията. Когато се използва пропорционален брояч, остава възможно да се разпознаят частици или гама кванти, които се различават по енергия.
Недостатъкът на газоразрядните детектори е ниската ефективност на откриване на гама-лъчение поради високата проникваща способност, повечето от гама-квантите напускат работния обем на детектора, без да причиняват йонизация на газовите молекули. В случай на алфа и бетарадиацията повдига друг проблем. Регистрирането на алфа частици в газ чрез разрядни броячи е практически невъзможно, тъй като почти всички тези частици се абсорбират от стените на детектора. Бета частиците също се абсорбират до голяма степен от стените на детектора. За да намалите степента на поглъщане на бета частиците, намалете дебелината на тялото в мястото, където радиацията прониква в работния обем на детектора.
Полупроводниковите детектори се наричат още йонизационни детектори. Според принципа на работа те са подобни на йонизационните камери, но вместо газ, като работно вещество се използват полупроводникови материали (областта на pn прехода е включена в обратна посока). Дължината на пътя на алфа частиците в твърдо тяло е малка, така че тънък полупроводников слой е достатъчен, за да ги открие.
За откриване на бета и гама лъчение е необходим по-дебел слой полупроводников материал. Полупроводниковите детектори позволяват да се разграничат добре близки по енергия дялове, т.е. те имат висока енергийна плътност. Някои видове полупроводникови детектори работят само при температура на течен азот, което значително усложнява тяхното проектиране и работа.
Широко приложение намират и сцинтилационните детектори. Тяхната работа се основава на способността на някои съединения да светят под въздействието на йонизиращо лъчение. Когато попадне в радиационния детектор, той възбужда молекулите на тези съединения, тоест прехвърля електроните на молекулите на по-високи енергийни нива. Връщането на молекулите в основно енергийно състояние става за много кратък период от време и е придружено от излъчване на фотони. Регистрират се светлинни проблясъци. По този начин откриването на йонизиращо лъчение намери широко приложение с появата на фотоумножителните тръби. (FEP) - устройства, които ви позволяват да измерватесвръхслаби (до единични фотони) светлинни проблясъци.
Като сцинтилатори се използват неорганични и органични съединения в твърдо и течно състояние. За регистриране на гама лъчи широко се използват сцинтилатори на базата на монокристали N aI и C sI. В този случай ефективността на откриване на гама лъчение е десетки процента. При регистриране на бета радиация е по-добре да използвате органични сцинтилатори, включително редки. При алфа лъчение се използват сцинтилатори на базата на цинков сулфид или кадмий. Сцинтилационните детектори имат добра енергийна разделителна способност, но в това отношение отстъпват на полупроводниковите.
И двата вида детектори се характеризират с висока скорост.
Принципът на действие нафотоемулсионните детектори е подобен на фотографския. Йонизиращото лъчение въздейства върху фотографската емулсия, нанесена върху филм или плака, и образува скрито изображение. След проява в онези места, които са получили експозиция, остава тъмна следа. Такива детектори са в състояние да записват следата (пистата) на движението на ядрените частици, поради което се класифицират като детектори за следи.
В дозиметрията се използват фотоемулсии, както и термолуминесцентни(TLD) и фотолуминесцентни (FLD) детектори. В състава на TLD и FLD влизат фосфори - вещества, чието излъчване води до появата на така наречените фотолуминесцентни центрове. Такива центрове възникват в резултат на разрушаване на фосфорните молекули. За разлика от сцинтилаторите, фосфорните молекули могат да бъдат във възбудено състояние за доста дълго време и абсорбираната радиационна енергия може да се съхранява в облъчения материал. Луминесценцията не започва веднага след облъчването, а само след допълнително излагане на луминофора. В случай на FLD, луминесценцията може да причиниултравиолетова радиация. В TLD луминесценцията започва след нагряване на фосфора до определена температура (обикновено не повече от 573 K). Такъв ефект се оказва върху луминофора в устройството, където се измерва интензитета на светене. Според нейната стойност се определя кумулативната доза външно облъчване за човека. След "прочитане" FLD и TLD детекторите могат да се използват отново за дозиметрични измервания.
Най-проститедозиметри, създадени на базата на йонизационна камера, всъщност измерват общия електрически заряд на частиците, образувани във вещества за определен период от време под действието на гама лъчение. Електрическите заряди, възникващи в йонизираната камера, са изключително малки и практически не могат да бъдат измерени. Следователно йонизационните камери се използват само за оценка на дозата гама-лъчение с висок интензитет. В повечето случаи се използват други радиационни детектори. Най-често се използват броячи на Geiger-Muller, както и устройства, базирани на сцинтилационни и полупроводникови детектори.
Дозите на външно облъчване на човек се контролират с помощта на индивидуални дозиметри. Съвременните дозиметри позволяват да се определи ефективната доза на абсолютно произволно облъчване на човешкото тяло и дават показания в микросиверти (µSv) или милисиверти (mSv). В инструментите, които определят мощността на външната доза, мерната единица обикновено е микросиверт на час (µSv/h).
Гама-радиометрите обикновено използват сцинтилационни детектори. Радиометърът разполага със специален блок за обработка, в който на базата на въведената информация за масата или обема на пробата се определя специфичната активност на измерваната проба от броя на регистрираните от уреда гама кванти. Уредът дава показания в бекерели на килограм (Bq/kg) или инчаБекерели на литър (Bq/l).
Специални изисквания са наложени за защита на радиометъра от фоново лъчение, което може да изкриви показанията на инструмента. Колкото по-ниска е специфичната активност на измерваните проби, толкова по-високи са изискванията към качеството на детектора и защитата на устройството от фоново излъчване, което не е свързано с излъчването на изследваната проба.
Броячът на радиация за хора е вид радиометър и е предназначен да измерва активността на радиоактивен цезий, калий и други радионуклиди в човешкото тяло чрез съпътстващото разпадане на гама лъчение.
Спектрометрите дават най-пълна информация за излъчването на радионуклидите. Гама, алфа и бета спектрометрите ви позволяват да определите енергийния спектър на радиацията, т.е. разпределението на гама кванти, алфа или бета частици по енергия. Емисионният спектър на всеки радионуклид е уникален, което позволява да се определи кои радионуклиди и в какво количество се съдържат в анализираната проба. Спектрометрите използват полупроводникови или сцинтилационни детектори. Спектрометрите са най-сложните и скъпи измервателни инструменти.
Сподели "Методи за измерване на йонизиращи лъчения"