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. Щезбільшуючи 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.

Читайте також:

<== попередня сторінка	\|	наступна сторінка ==>
Загальні відомості	\|	Лекція 1. Духовно-моральні та соціокультурні основи розвитку соціально-економічних систем

Не знайшли потрібну інформацію? Скористайтесь пошуком google:

Генерація сторінки за: 0.023 сек.