Методы наблюдения и регистрации ионизирующих излучений

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 5 – Устройство счетчика Гейгера

 

 

Рисунок 6 - Радиометр, чувствительный элемент — счётчик Гейгера—расположен в выносном блоке на переднем плане.

Удобен тем, что в одну секунду такой счетчик может регистрировать приблизительно 10000 частиц.

Конечно, счетчик Гейгера – удобная вещь, которая дает возможность определить существование вообще радиоактивности. Однако определить параметры частицы, провести с этими частицами какие-либо исследования, счетчик Гейгера – Мюллера не позволяет. Для этого нужны совсем другие способы, совсем другие методы [1]. Счётчик Гейгера регистрирует факт прохождения частицы через счётчик, но не позволяет измерить энергию частицы.

 

в) Пропорциональные (газоразрядные) счетчики различных типов.

Имеют такую же конструкцию, как и счетчик Гейгера, но за счёт подбора напряжения питания и состава газовой смеси при ионизации газа пролетевшей заряженной частицей не происходит коронного разряда. Под действием электрического поля создаваемого вблизи положительного электрода первичные частицы производят вторичную ионизацию и создают электрические лавины, что приводит к усилению первичной ионизации созданной пролетевшей через счётчик частицы в тысячу - миллион раз. Пропорциональный счетчик позволяет регистрировать энергию частиц.

г) Полупроводниковый счетчик (твердотельная ионизационная камера).

Устройство похоже на ионизационную камеру, но роль газа играет чувствительная область, в которой в обычном состоянии нет свободных носителей заряда. Попав в эту область заряженная частица вызывает ионизацию, соответственно в зоне проводимости появляются электроны, а в валентной зоне - дырки. Под действием приложенного к напыленным на поверхность чувствительной зоны электродам напряжения, возникает движение электронов и дырок, формируется импульс тока. Заряд импульса тока несет информацию о количестве электронов и дырок и соответственно об энергии, которую заряженная частица потеряла в чувствительной области. Если частица полностью потеряла энергию в чувствительной области, проинтегрировав токовый импульс получают информацию об энергии частицы [4]. Полупроводниковые счётчики обладают высоким энергетическим разрешением. 

 

д) Другие счетчики: камера Вильсона, пузырьковая камера, искровая

камера, стриммерная камера, пропорциональная камера, дрейфовая камера.

 

 

3.1.2 ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЙ МЕТОД

Метод основан на способности веществ к отсроченному или немедленному свечению под воздействием излучения.

• флуоресцентный счетчик - детектирование основано на способности

некоторых веществ (активизированное серебро и др.) накапливать энергию от ядерных излучений. Впоследствии при нагревании или освещении ультрафиолетом энергия отдается и измеряется с помощью термолюминесцентных и стеклянных дозиметров.

• сцинтилляционный счетчик - детектирование основано на способности

атомов специальных веществ - сцинтилляторов возбуждаться под воздействием излучений и при возвращении в основное состояние испускать фотоны видимого света (сцинтилляции), которые улавливаются специальным прибором – фотоэлектронным умножителем. На выходе фотоэлектронного умножителя, появляется ток, по величине которого судят об излучении.

 

3.1.3 СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ МЕТОД

Этот метод основывается на том, что некоторые вещества (сернистый цинк, йодистый натрий, вольфрамат кальция) светятся при воздействии на них ионизирующих излучений.

Возникновение свечения является следствием возбуждения атомов под воздействием излучений: при возвращении в основное состояние атомы испускают фотоны видимого света различной яркости (сцинтилляции). Фотоны видимого света улавливаются специальным прибором – так называемым фотоэлектронным умножителем, способным регистрировать каждую вспышку.

В основу работы индивидуального измерителя дозы ИД-11 положен сцинтилляционный метод обнаружения ионизирующих излучений.

Современные сцинтилляционные счетчики подразделяют на счетчики с твердым и жидким сцинтилляторами.

Жидкостно - сцинтилляционные счетчики предназначены для регистрации бета - излучения низкой энергии. Для регистрации гамма-излучения удобно использовать твердые сцинтилляторы. Сцинтиллятор — вещество, испускающее вспышки света при действии на него ионизирующей радиации.

Жидкие сцинтилляторы — это растворы, содержащие соединения, способные флуоресцировать под действием ионизирующей радиации. Наиболее широко в качестве такого соединения используют 2,5-дифенилоксазол (ППО). Радиоактивное соединения вводят в сцинтиллятор, что обеспечивает наибольший его контакт с флуоресцирующим веществом.

В качестве твердых сцинтилляторов чаще всего используют кристалл йодистого натрия, которому придают форму колодца. Под действием излучения молекулы кристаллической решетки подвергаются ионизации и возбуждению, сопровождающемуся световой вспышкой. Интенсивность вспышки зависит от энергии излучения. Световые вспышки фиксируются фотоумножителем, который превращает их в электрические импульсы. Амплитуда этих импульсов пропорциональна интенсивности вспышек, а следовательно, энергии излучения, вызывающего эти вспышки.

Чаще всего в качестве сцинтилляторов используются неорганические монокристаллы. Иногда для увеличения световыхода в кристалл вводят так называемый активатор (или допант). Так, в сцинтилляторе NaI(Tl) в кристаллической матрице иодида натрия содержатся активирующие центры таллия (примесь на уровне сотых долей процента). Сцинтилляторы, которые светятся без активатора, называются собственными.

Органические сцинтилляторы обычно представляют собой двух- − трёхкомпонентные смеси. Первичные центры флуоресценции возбуждаются за счёт потери энергии налетающими частицами. При распаде этих возбуждённых состояний излучается свет в ультрафиолетовом диапазоне длин волн. Длина поглощения этого ультрафиолета, однако, весьма мала: центры флуоресценции непрозрачны для их собственного излученного света.

Вывод света осуществляется добавлением к сцинтиллятору второго компонента, поглощающего первично излученный свет и переизлучающего его изотропно с большими длинами волн (так называемого сместителя спектра, или шифтера).

Органические сцинтилляторы имеют гораздо меньшие времена высвечивания (порядка единиц — десятков наносекунд) по сравнению с неорганическими, но имеют меньший световыход [6].

 

ПРИНЦИП РАБОТЫ СЦИНТИЛЛЯЦИОННОГО СЧЁТЧИКА

Сцинтилляционный счётчик - прибор для регистрации ядерных излучений и элементарных частиц (протонов, нейтронов, электронов, g-квантов, мезонов и т. д.), основными элементами которого являются вещество, люминесцирующее под действием заряженных частиц (сцинтиллятор), и фотоэлектронный умножитель (ФЭУ).

 

Рисунок 7 – Устройство сцинтилляционного счётчика

Принцип действия сцинтилляционного счётчика состоит в следующем (рисунок 7): заряженная частица, проходя через сцинтиллятор, наряду с ионизацией атомов и молекул возбуждает их. Возвращаясь в невозбуждённое (основное) состояние, атомы испускают фотоны. Излученный свет собирается – в спектральном диапазоне сцинтиллятора – на фотоприёмник. В качестве последнего часто служит фотоэлектронный умножитель (ФЭУ). Фотоэлектронный умножитель представляет собой стеклянный цилиндр, откаченный до остаточного давления не выше 10-6 мм рт. ст., в торце которого расположено прозрачное плоское окно, на поверхность которого со стороны эвакуируемого объёма нанесён тонкий слой вещества с малой работой выхода электронов (фотокатод), обычно на основе сурьмы и цезия. Далее в эвакуированном пространстве располагается серия электродов – динодов, на которые с помощью делителя напряжения от источника электропитания подаётся последовательно возрастающая разность потенциалов. Диноды ФЭУ изготавливаются из вещества также с малой работой выхода электронов. Они способны при бомбардировке их электронами испускать вторичные электроны в количествах, превышающих число первичных в несколько раз. Последний динод является анодом ФЭУ. Основным параметром ФЭУ является коэффициент усиления при определённом режиме питания. Обычно ФЭУ содержит девять и более динодов и усиление первичного тока достигает для различных умножителей величин 105 – 1010 раз, что позволяет получать электрические сигналы амплитудой от вольт до десятков вольт.

 

 

 

 

Рисунок 8 - Блок-схема сцинтилляционного счётчика

Фотоны, попадая на фотокатод ФЭУ, в результате фотоэффекта выбивают электроны, в результате чего на аноде ФЭУ возникает электрический импульс, который далее усиливается динодной системы за счёт механизма вторичной электронной эмиссии. Анодный токовый сигнал ФЭУ – через усилитель или непосредственно - подается на вход измерительного прибора – счетчика импульсов, осциллографа, аналого - цифрового преобразователя и т.п. Амплитуда и длительность импульса на выходе определяются свойствами как сцинтиллятора, так и ФЭУ. В ряде случаев на выходе усилителя наблюдается большое число импульсов (обычно малых по амплитуде), не связанных с регистрацией ядерных частиц, а именно, импульсов собственных шумов ФЭУ и ускорителя. Для устранения шумов между усилителем и счётчиком импульсов включается интегральный амплитудный дискриминатор, пропускающий лишь те импульсы, амплитуды которых больше некоторого значения порогового напряжения. Детектирование нейтральных частиц (нейтронов, γ-квантов) происходит по вторичным заряженным частицам, образующимся при взаимодействии нейтронов и γ-квантов с атомами сцинтиллятора(рисунок 8).

 

 

3.2 ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ

В их основе лежит количественное определение изменений в химических растворах (цвета, прозрачности, выпадения осадков, выделения газа), которые возникают в результате поглощения энергии излучения.

Их сущность состоит в том, что молекулы некоторых веществ в результате воздействия ионизирующих излучений распадаются, образуя новые химические соединения. Количество вновь образованных химических веществ можно определить различными способами. На этом методе основан принцип работы химического дозиметра гамма - и нейтронного излучения ДП-70 МП.

Дозиметр ДП-70МП предназначен для измерения дозы гамма и нейтронного облучения в пределах от 50 до 800 Р. Он представляет собой стеклянную ампулу, содержащую бесцветный раствор. Ампула помещена в пластмассовый (ДП-70МП) или металлический (ДП-70М) футляр. Футляр закрывается крышкой, на внутренней стороне которой находится цветной эталон, соответствующий окраске раствора при дозе облучения 100 Р (рад). По мере облучения раствор меняет свою окраску. Это свойство и положено в основу работы химического дозиметра. Он дает возможность определять дозы как при однократном, так и при многократном облучении. Масса дозиметра - 46 г. Носят его в кармане одежды. Для того чтобы определить полученную дозу облучения, ампулу вынимают из футляра, вставляют в корпус колориметра. Вращая диск с фильтрами, ищут совпадение окраски ампулы с цветом фильтра, на котором и написана доза облучения. Если интенсивность окраски ампулы (дозиметра) является промежуточной между соседними двумя фильтрами, то доза определяется как средние значение обозначенных доз на этих фильтрах.

 

3.2.1 КОЛОРИМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД

Фиксирование с помощью цветных реакций изменения вещества под воздействием ионизирующего излучения.

Например:

• Хлороформ в воде при облучении разлагается с образованием соляной

кислоты, которая дает цветную реакцию с красителем;

• Двухвалентное железо в кислой среде окисляется в трехвалентное под

воздействием свободных радикалов воды, образующихся при ее облучении, а трехвалентное железо дает с красителем цветную реакцию.

Изменение окраски растворов измеряется с помощью колориметра (рисунок 9,10), по плотности окраски судят о дозе облучения.

 

Рисунок 9 – Портативный

колориметр

Рисунок 10 - Калориметр IKA C200

 

3.2.2 ФОТОГРАФИЧЕСКИЙ МЕТОД

Метод основан на измерении степени почернения фотоэмульсии, т. е. на регистрации восстановления галогенидов серебра в фотопленке с дальнейшим качественным или количественным анализом. Прохождение ионизирующего излучения через фотоэмульсию делает затронутые им кристаллы галогенидов серебра способными к проявлению, при этом плотность почернения пропорциональна дозе облучения. Сравнивая плотность почернения с эталоном, определяют дозу облучения, полученную пленкой. На этом принципе основана работа индивидуальных фотодозиметров.

Ионизирующее действие быстрых заряженных частиц на эмульсию фотопластинки позволило французскому физику А. А. Беккерелю открыть в 1896 году радиоактивность. Метод фотоэмульсии был развит советскими физиками Л. В. Мысовским и А. П. Ждановым.

Фотографические детекторы основаны на свойстве ионизирующих излучений воздействовать на чувствительный слой фотоматериалов аналогично видимому свету. Для детектирования обычно применяют рентгеновские пленки, представляющие собой чувствительную эмульсию, нанесенную с одной или с двух сторон на целлулоидную подложку. В состав эмульсии входит бромистое  или хлористое серебро, равномерно распределенное в слое желатина [5].

Под действием ионизирующих излучений бромид серебра распадается на бром и серебро. Образовавшиеся наимельчайшие кристаллы серебра при проявлении фотопластинки вызывают не почернение (рисунок  11). Плотность почернения пропорциональна поглощенной энергии излучения (поглощенной дозе). Сравнивая плотность почернения с эталоном, определяют дозу излучения (экспозиционную или поглощенную). Плотность почернения фотослоя измеряют с помощью специальных приборов – фотометров или денситометров.