Тема 2. Приборы для измерения ионизирующих излучений (ИИ)

Классификация приборов. Принципиальная схема устройства дозиметрических и радиометрических приборов. Типы детекторов и процессы, происходящие в них.

Приборы для измерения ИИ можно условно разделить на три группы: дозиметры, радиометры и спектрометры.

Дозиметрыпредназначены для измерения экспозиционной дозы рентгеновского (X) и гамма-излучений (γ), поглощенной дозы излучения и их мощности, уровня радиационного фона.

Радиометрыпредназначены для измерения активности радиоактивных веществ в исследуемых пробах, а также для плотности потока ИИ, удельной (массовой, объемной и поверхностной) радиоактивности сельскохозяйственной продукции, жидкостей и газов.

Спектрометры(лат. spectrum от лат. spectare – смотреть + от греч. metron – «мера», metreo – «измеряю») предназначены для измерения энергетического распределения квантов γ-излучения, энергетического анализа спектра α-частиц, энергетического анализа β-частиц на принципе пространственного разделения электронов, имеющих различную энергию, с помощью магнитного и электрического полей (рис. 2).

Выпускаемые приборы имеют различные системы и конструкции, но при этом все они имеют одинаковую принципиальную схему устройства, состоящую из 4-х блоков:

• детектирования;

• преобразования;

• усиления;

• регистрации.

Рисунок 2 - Спектрометр СЕ-БГ-01 «АКП»-150-63 для определения

содержания в пробах радиоизотопов Cs¹³⁷, Sr⁹⁰, Ra²²⁶, Th²³², K⁴⁰, Rn²²²

В первом блоке происходит обнаружение (детектирование) радиации. Детектирование основано на использовании основного свойства радиации: вызывать при взаимодействии с любым веществом физико-химические процессы. К физическим процессам относятся ионизация и возбуждение атомов (молекул) с последующей сцинтилляцией (от лат. scintillatio – «мерцание»), т. е. кратковременной вспышкой, свечением. Плотность ионизации будет зависеть от энергии радиации.

К последующим или вторичным эффектам относятся фотохимические реакции, изменения химических свойств атомов или молекул. К вторичным эффектам в живом организме можно отнести также биологический эффект.

Во втором блоке (преобразования) физические процессы преобразуются в электричество или другие виды энергии, удобные для регистрации (измерения).

В третьем блоке происходит усиление электрических импульсов или других эффектов.

И, наконец, в четвертом блоке осуществляется регистрация или измерение.

Принцип работы детектора и его тип в значительной степени определяется характером эффекта, возникшего в нем под действием ИИ.

Детектор (от лат. detector – «обнаружитель») - это чувствительный элемент средства измерения, предназначенный для регистрации ионизирующего излучения.

Действие детектора основано на явлении, возникающем при прохождении ионизирующего излучения через его вещество (т. е. рабочую среду детектора).

Различают электрические, сцинтилляционные, самостоятельные и калориметрические детекторы.

Электрические детекторы - улавливают энергию ионизации, вызванную излучением и преобразуют ее в электрические импульсы. Для этого подобные детекторы снабжены источником электрического питания.

К этому типу детекторов относятся ионизационные камеры, газоразрядные счетчики Гейгера-Мюллера, кристаллические и полупроводниковые детекторы, представляет собой кристаллы кремния, германия, сульфида свинца или сульфида кадмия.

Детекторы, в которых используется принцип газового усиления, называются газоразрядными счетчиками. Основным параметром в этом случае является коэффициент газового усиления K, представляющий собой отношение количества ионов, пришедших на собирающий электрод, к общему числу первоначально образованных ионов.

Простейшая ионизационная камера (рис. 3) представляет собой замкнутый газовый объем, в котором расположены два плоскопараллельных электрода.

Рисунок 3 - Принципиальная схема ионизационной камеры

К электродам прикладывается разность потенциалов, создающая в рабочем объеме камеры электрическое поле напряженности. Заряженные частицы, проходя через рабочий объем камеры, производят ионизацию атомов газа, в результате чего вдоль пути частицы образуются ионы. Под действием электрического поля они начинают двигаться к соответствующим электродам камеры.

Действие кристаллических и полупроводниковых детекторов основано на ионизации твердых тел.

Измерение уровня излучения происходит путем измерения уровня ионизации газа в рабочем объеме камеры, который находится между двумя электродами. Между электродами создается разность потенциалов.

Рисунок 4 - Газоразрядный детектор в стеклянном корпусе

При наличии ионов в газе между электродами возникает ионный ток, который может быть измерен. При прочих равных условиях он пропорционален скорости образования ионов и, следовательно, мощности дозы облучения.

Ионизационные камеры позволяют измерять не только альфа-, бета- или гамма-лучи, но и нейтронное излучение.

В счетчиках Гейгера-Мюллера (рис. 5) возникает явление так называемого газового усиления за счет вторичной ионизации, когда в сильном электрическом поле электроны, выбитые под действием ИИ, разгоняются до энергии, достаточной, чтобы в свою очередь ионизировать молекулы газа.

Рисунок 5 - Газоразрядные счетчики Гейгера-Мюллера

Газ, которым заполняется ионизационная камера, обычно является инертным (или их смесью) с добавлением легко ионизирующегося соединения (обычно углеводорода, например, метана или ацетилена).

Сцинтилляционные детекторы - крупные монокристаллы некоторых неорганических и органических веществ.

Под действием ядерных излучений возбужденные атомы в таких веществах отдают энергию в виде световых вспышек. Последние преобразуются с помощью фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) в электрические сигналы, доступные для точной регистрации.

Светопровод Фотоэлектронный

умножитель

Излучение

Рисунок 6 - Принципиальная схема сцинтилляционного детектора

Наряду с несомненными достоинствами, ФЭУ обладают рядом недостатков, к числу которых относятся:

• невысокая квантовая эффективность фотокатода;

• необходимость стабильного высоковольтного питания (600 - 1200 В);

• чувствительность к магнитным полям;

• относительно большие габаритные размеры.

Поэтому в некоторых случаях альтернативой ФЭУ могут служить полупроводниковые детекторные фотоприемники (рис. 7).

Следует, однако, заметить, что кремниевые фотодиоды существенно уступают ФЭУ по быстродействию, энергетическому диапазону регистрируемых квантов и температурной стабильности.

Рисунок 7 - Принципиальная схема полупроводникового детектора

Детекторы двух перечисленных типов выявляют первичные эффекты взаимодействия ИИ с веществом только во время действия самого излучения.

Так, кремниевые фотоприемники, применяющиеся в этих целях, лишены недостатков ФЭУ. Если в паре с кремниевым фотоприемником часто используют сцинтилляционный кристалл CsI, то в случае с ФЭУ чаще используется монокристалл NaI (рис. 8).

Рисунок 8 - Монокристалл NaI в алюминиевом кожухе с окошком

Самостоятельные детекторы - это фотографические эмульсии (или фотоэмульсионные микрокристаллы), т. е. суспензии светочувствительных микрокристаллов (зерен) галогенидов серебра в связующих - водных растворах желатина, эфирах целлюлозы, агаре, альбумине и др.

Нанесенные на подложку и высушенные фотоэмульсии образуют светочувствительный слой фотоматериалов, способных изменять свою окраску, состав, степень прозрачности и долгое время сохранять результат воздействия излучения в регистрируемой форме (рис. 9).

Рисунок 9 - Светочувствительные зёрна бромида серебра

на фотопленке

Калориметрические детекторы – это детекторы, принцип действия которых основан на измерении тепла, выделяемого веществом чувствительного объема детектора, за счет поглощения энер-

гии ионизирующего излучения (рис. 10).

Рисунок 10 - Один из видов ионизационного калориметра

Последние два типа детекторов улавливают вторичные эффекты излучения и в практике медицинских и ветеринарных радиологических лабораторий, как правило, применяются редко.

Все радиологические приборы могут быть классифицированы по различным признакам:

1) способу регистрации излучения в соответствии с физическими методами (ионизационные, сцинтилляционные и др.);

2) типу детектора;

3) точности результатов измерения;

4) источнику питания;

5) виду регистрируемого излучения;

6) назначению.

О различиях по первым двум признакам было сказано выше.

С учетом точности результатов измерения приборы делятся на

эталонные (с точностью до ± 2%), практические (с точностью ± 5-10%) и индикаторные или бытовые (с точностью ± 30 -50% и более).

Индикаторными называют такие приборы, показания которых лишь приближенно отражают дозу излучения или количеством радиоактивных веществ. Так как ошибка в количественной оценке показателей прибора, может превышать 50%, то при помощи индикаторных приборов нельзя измерить активность или уровень излучения.

По виду источника питания различают полевые (переносные) и стационарные приборы. Полевые приборы снабжены либо элементами питания (батарейки, аккумуляторы), либо генераторами электрической энергии в виде электростатических зарядных устройств. Стационарные приборы рассчитаны на сетевое питание переменным током и снабжены выпрямителями, так как их детекторы и электрические схемы требуют питания постоянным током.

По виду регистрируемого излучения различают приборы для измерения рентгеновского, α-, β- и γ-излучения.