56 Носовский - Вопросы дозиметрии и радиационная безопасность на АЭС

•по формулам (6.43) — (6.46) рассчитывают выход тормозного излучения;

•на заданном расстоянии от источника определяют мощность экспозиционной дозы тормозного излучения β- частиц или моноэнергетических электронов, Р/ч по формуле:

где А — активность источника, мКи; 3,7·107— число распадов в 1c, соответствующее активности в 1 мКи; (µenι)m — массовый коэффициент передачи энергии в воздухе (определяется по Eэф), см2/г; 1,6·10-6 — энергетический эквивалент 1 МэВ, эрг/МэВ; r — расстояние от источника, см; 87,3 —энергетический эквивалент 1 P, эрг/(г·Р);

•рассчитывают требуемую кратность ослабления;

•по методу конкурирующих линий рассчитывают требуемую толщину защиты.

Во втором методе ведут оценочный расчет по универсальным таблицам с использованием эффективной энергии тормозного излучения. Под эффективной энергией понимается энергия фотонов такого моноэнергетического фотонного излучения, относительное ослабление которого в поглотителе определенного состава и определенной толщины такое же, как у рассматриваемого немоноэнергетического фотонного (в данном случае тормозного) излучения. Для радионуклидных источников эффективную энергию γ-излучения тормозного излучения Еэф можно принимать равной половине максимальной энергии β-частиц.

ГЛАВА 7

МЕТОДЫ РЕГИСТРАЦИИ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

ФИЗИЧЕСКИЕОСНОВЫРЕГИСТРАЦИИИДОЗИМЕТРИИИЗЛУЧЕНИЙ ИПРИНЦИПЫПОСТРОЕНИЯДЕТЕКТОРОВИЗЛУЧЕНИЯ

Развитие атомной промышленности, широкое использование ядерных технологий в самых различных областях народного хозяйства привели к необходимости создания надежных методов регистрации ионизирующих излучений.

Взаимодействие ионизирующих излучений с различными веществами приводит к разнообразным изменениям их физических и химических свойств. Эти изменения берутся за основу при разработке методов регистрации ионизирующих излучений. Неотъемлемая часть любого детектора — чувствительный объем, в котором энергия ионизирующего излучения в процессе взаимодействия с веществом преобразуется в определенный вид сигнала. Вещество, представляющее собой чувствительный объем, может быть газом, жидкостью, твердым телом, что и дает соответствующие названия детекторам: газовые, жидкостные, твердотельные.

В зависимости от характера взаимодействия ионизирующего излучения с веществом различают следующие методы его регистрации: ионизационные, сцинтилляционные, полупроводниковые, люминесцентные, фото-эмульсионные, химические, калориметрические и др.

Одна из основных характеристик детектора — эффективность регистрации излучения, равная отношению энергии, поглощенной в чувствительном объеме, к энергии излучения, проходящей через этот объем.

Измерительная аппаратура характеризуется чувствительностью, которая определяется минимальным уровнем регистрируемого сигнала детектора. Разнообразные регистрирующие устройства обязательно содержат следующие составные части (рис.7.1):

Детектор для преобразования энергии ионизирующего излучения в другие формы энергии, более удобные для регистрации (электрическую, световую, тепловую и т.д.).

Усилитель для усиления сигналов;

Преобразующее устройство для преобразования сигналов по амплитуде, форме, количеству и длительности.

Показывающее или регистрирующее устройство для преобразования сигнала в воспринимаемую человеком форму. Регистрирующим устройством может быть стрелочный прибор, самописец, электромеханический счетчик, цифровой индикатор, дисплей и т. д.

Блок питания для питания отдельных блоков прибора стабилизированным напряжением. Для этой цели могут использоваться аккумуляторы, батареи, высоковольтные стабилизаторы и другие средства.

Рис.7.1. Структурная схема установки регистрации ионизирующего излучения.

Для того чтобы определить дозиметрические характеристики регистрируемого излучения необходимо установить связь между сигналом, сформированным детектором, и дозой (мощностью дозы) излучения. Рассмотрим на примере фотонного излучения наиболее важные понятия, определения и физические характеристики, необходимые для установления такой связи.

Электронное равновесие — это такое состояние взаимодействия фотонов с веществом, при котором поглощенная энергия излучения в заданном объеме вещества равна суммарной кинетической энергии электронов, освобожденных фотонами в том же объеме. Поглощенная энергия в объеме определяется соотношением:

где Eγ, E'γ суммарная энергия всех фотонов, соответственно входящих в рассматриваемый объем и выходящих из него; Ее, Е'е— суммарная кинетическая энергия всех входящих и выходящих электронов. Энергия входящих в объем фотонов преобразуется в суммарную кинетическую энергию электронов, возникающих в этом объеме Ек и энергию фотонов, выходящих из объема E'γ :

т.е. при электронном равновесии суммарная кинетическая энергия всех электронов, входящих в рассматриваемый объем, равна суммарной кинетической энергии электронов, покидающих его.

Эффективный атомный номер вещества в дозиметрии — это атомный номер та-

кого условного простого вещества, для которого коэффициент передачи энергии излучения, рассчитанный на один электрон среды, равен коэффициенту для данного сложного вещества.

В двух веществах с одинаковым эффективным атомным номером при электронном равновесии и тождественных условиях облучения поглощенная энергия излучения, приходящаяся на один электрон облучаемой среды, будет одинаковой.

Эффективный атомный номер определяется для каждого вида взаимодействия. Для фотоэффекта эффективный атомный номер сложного вещества определяется по формуле

Для эффекта образования пар

где а1, а2, а3... — относительное число атомов соответственно элементов Z1, Z2, Z3... в сложном веществе.

Для комптон-эффекта нет необходимости в определении Zэф, так как для сложного вещества, состоящего из не очень тяжелых элементов, число электронов меняется незначительно и сечение пропорционально Z/A = const.

Средняя энергия ионообразования. Освобожденные фотонами электроны расходуют свою энергию на возбуждение, ионизацию и тормозное излучение. Кинетическая энергия первичного электрона равна

где Eион — энергия, затрачиваемая на ионизацию, Es — энергия, переходящая в энергию характеристического и тормозного излучения.

Если принять что Ui — средний потенциал ионизации атомов среды, а Nион — полное число пар ионов, то получим

где е — заряд одного иона; е · Ui — энергия ионизации. Из (7.6) и (7.7) получим среднюю энергию, необходимую на образование одной пары ионов:

Средняя энергия ионообразования включает в себя энергию ионизации и энергию возбуждения. В области энергий электронов до нескольких мегаэлектронвольт потерей энергии на тормозное излучение пренебрегают. Среднее значение W0 для воздуха принято равным 33,85 эВ.

Соотношение Брэгга-Грея устанавливает связь между поглощенной энергией в полости и в окружающей ее стенке. Теоретически соотношение получается при следующих предположениях:

•интенсивность первичного излучения постоянна в газовой полости и окружающем ее веществе;

•линейные размеры газовой полости значительно меньше, чем пробег электронов, освобожденных фотонами;

• газовая полость для достижения в ней электронного равновесия должна быть окружена слоем твердого вещества, толщина которого больше пробега наиболее быстрых электронов в твердом веществе.

Исходят этих предположений, можно получить следующее соотношение:

где ∆EZ — энергия, поглощенная в единицу времени в единице объема твердого вещества вблизи полости;

ρ = Sz(Ee)/Sr(Ee) — среднее значение отношения тормозной способности (средней потери энергии на единице пути электронами с энергией Ее) твердого вещества и газа;

q — число пар ионов, образующихся в единице объема полости в единицу времени; W0 — средняя энергия ионообразования в воздухе.

Формула (7.9) называется формулой Брэгга-Грея. Произведение q · ω в формуле равно энергии, поглощенной в единице объема полости ∆EП. В общем случае для любого наполнения полости и любого состава окружающего ее материала формула (7.9) имеет вид

Энергетическая зависимость чувствительности дозиметрических детекторов. Пред-

положим, что показания прибора, предназначенного для измерения поглощенной энергии ∆E0 в некотором образцовом веществе, пропорциональны поглощенной энергии в чувствительном объеме детектора. Если для детектора соблюдены условия Брэгга-Грея, то поглощенная энергия ∆EZ в стенках, окружающих чувствительный объем детектора, связана с поглощенной энергией в самом чувствительном объеме ∆EП соотношением

При электронном равновесии

где µen,0 и µen,z — коэффициенты поглощения энергии фотонного излучения образцового вещества и стенки детектора соответственно.

Так как показания прибора пропорциональны ∆EП, а измеряемая величина есть ∆E0, то чувствительность детектора пропорциональна отношению ∆ЕП/∆Е0. Из (7.11) и (7.12) получим выражение для чувствительности

Рассмотрим энергетическую зависимость чувствительности ∆ЕП/∆Е0 = f(E) стеночной ионизационной камеры, наполненной воздухом, приняв воздух за образцовое вещество, в котором необходимо измерить поглощенную энергию в поле фотонного излучения. Тогда вместо (7.13) можно записать

где µen,э,в и Sэ,в — соответственно коэффициент поглощения и тормозная способность для воздуха в расчете на один электрон среды;

µen,э,Z и Sэ,Z — эти же величины для материала стенки камеры.

Отношение Sэ,в/Sэ,Z практически не зависит от энергии фотонов и, таким образом, энергетическая зависимость чувствительности детектора определяется отношением µen,Э,Z

/µen,Э,В

Изменения коэффициентов поглощения (а следовательно и чувствительности детектора) в зависимости от энергии первичного излучения называют ходом с жесткостью.

ИОНИЗАЦИОННЫЙ МЕТОД

Ионизационный метод основан на способности ионизирующего излучения вызывать ионизацию среды. Если взять какое-либо непроводящее электрический ток вещество и поместить его в поле действия ионизирующего излучения, то при взаимодействии излучения с веществом часть энергии передается атомам и молекулам этого вещества и расходуется на их ионизацию. В веществе появляются положительно и отрицательно заряженные ионы. При отсутствии электрического поля ионы рекомбинируют между собой и в результате в веществе устанавливается равновесная концентрация ионных пар (равенство скоростей ионизации и рекомбинации при постоянной интенсивности излучения).

Если к веществу приложить разность потенциалов, то в нем возникает электрическое поле, под действием которого положительные ионы перемещаются к отрицательному электроду, а отрицательные — к положительному электроду. В результате этого в цепи возникает электрический ток. При определенных условиях сила тока пропорциональна интенсивности излучения, воздействующего на вещество.

Ионизационные детекторы по конструкции подобны конденсаторам, то есть имеют два электрода, разделенные диэлектриком. В качестве диэлектрика обычно используют газ или смесь газов.

Рис. 7.2. Простейшая схема ионизационного детектора

На ион зарядом е в электрическом поле напряженностью E действует сила, равная произведению е . E. Под действием этой силы ионы движутся к электродам, причем скорость их движения пропорциональна напряженности электрического поля. При достаточно большой напряженности скорость перемещения электронов (как более легких частиц) может возрасти настолько, что электрон на длине свободного пробега (от столкновения до столкновения) разгоняется до энергии, превышающей потенциал ионизации атомов и молекул газа. Неупругие столкновения с таким электроном приводят к ионизации атомов и молекул. Этот процесс, названный ударной ионизацией, увеличивает число пар ионов, образующихся в газе, и является механизмом газового усиления ионизационного эффекта регистрируемого излучения.

Все ионизационные детекторы делятся на:

—ионизационные камеры — детекторы с низким значением напряженности электрического поля в чувствительном объеме, недостаточном для возникновения ударной ионизации,

—газоразрядные счетчики — детекторы с высоким значением напряженности электрического поля, использующие механизм газового усиления.

Одной из важнейших характеристик ионизационного детектора является вольтамперная характеристика (зависимость ионизационного тока от напряжения на электродах при неизменной интенсивности излучения).

Рис. 7.3. Обобщенная вольт-амперная характеристика ионизационного детектора.

I — область Ома,

II — область ионизационных камер,

III — область газоразрядных счетчиков (область газового усиления)

Область Ома.

В присутствии источника излучения в газе детектора, наряду с ионизацией, протекает рекомбинация. При небольших напряжениях, приложенных к электродам детектора, лишь малая часть зарядов достигает их, а остальные рекомбинируют. С увеличением напряжения возрастает скорость движения зарядов, уменьшается вероятность рекомбинации, все больше зарядов доходит до электродов и ионизационный ток растет пропорционально напряжению

Область ионизационных камер.

По мере увеличения напряжения на электродах ток растет, и, наконец, разность потенциалов достигает такой величины, при которой практически все ионы, образованные в чувствительном объеме детектора, достигают электродов. Дальнейшее увеличение разности потенциалов не вызывает роста тока через детектор. В вольтамперной характеристике наблюдается плато, а ток через детектор в этом случае принято называть током насыщения.

Область газоразрядных счетчиков (область ударной ионизации).

С увеличением напряженности электрического поля скорость дрейфа ионов будет возрастать. При достижении определенной разности потенциалов кинетическая энергия ускоренных в электрическом поле электронов на участке между двумя соударениями достигает величины, при которой электрон сможет вызвать ионизацию нейтрального атома. Вновь образованные электроны также будут ускоряться в электрическом поле и производить ионизацию атомов, таким образом возникает лавинообразный процесс.

Область ударной ионизации имеет несколько подобластей , которые подробно будут рассмотрены далее.

Ионизационные детекторы, работающие в области Π (ионизационные камеры), регистрируют суммарную ионизацию и используются для измерения энергии, переданной облучаемому веществу. Ионизационные детекторы, работающие в области Ш (газоразрядные счетчики) используются в основном для определения количества радиоактивных веществ

Ионизационные камеры.

По конструкции ионизационные камеры подразделяются на цилиндрические, плоские и сферические.

При конструировании и изготовлении ионизационных камер большое значение имеет выбор изоляционного материала между электродами. В качестве изолятора используются слюда, янтарь, фарфор, фторопласт и другие материалы.

Собирающий электрод в зависимости от применения изготовляется из вольфрама, стали, сплавов металлов, а корпус камеры — из меди, латуни, нержавеющей стали, графита, алюминия и др.

По назначению различаются ионизационные камеры для α-, β-, γ- и нейтронного излучений, α- и β-ионизационные камеры имеют специальное входное окно, закрытое тонкой пленкой слюды или алюминиевой фольги. Толщина пленок должна быть значительно меньше пробега α-частиц в слюде и β-частиц в фольге, γ-излучение регистрируется по электронам, образовавшимся в результате его взаимодействия с веществом. Ионизационные камеры для γ-излучения бывают двух типов: нормальные (или камеры со свободным газом) и стеночные. В качестве нормальных камер применяют плоские открытые и цилиндрические, корпусом которых служит редкая сетка из тонкой металлической проволоки. Ионизацию воздуха в нормальной камере вызывают электроны, возникающие при взаимодействии γ-излучения на расстоянии от камеры, равному пробегу электронов. Нормальные камеры используются для градуировки других ионизационных камер γ-излучения. В стеночных ионизационных камерах ионизацию газа-наполнителя вызывают электроны, возникающие в стенках камеры.

Если материал корпуса ионизационной камеры имеет атомный номер, близкий к эффективному атомному номеру воздуха, заполняющего рабочий объем камеры, то его называют воздухо-эквивалентным, а ионизационную камеру с такими стенками — воздухоэквивалентной ионизационной камерой.

Поскольку для целей дозиметрии важно измерять энергию, переданную ионизирующим излучением живой ткани, которая по своему эффективному атомному номеру близка к воздуху, воздухоэквивалентность детектора имеет важное значение

B ионизационных камерах ток насыщения однозначно связан с числом лар ионов, образованных излучением в чувствительном объеме камеры Так при равномерной по объему камеры ионизации

(7.15)

где N0 — число пар ионов, образованных излучением в 1 см3 объема камеры за единицу времени;

V — чувствительный объем камеры, е — заряд электрона,

Рэксп — мощность экспозиционной дозы излучения; W0 — 33,85 эВ — средняя энергия новообразования

Количество электричества (заряд образованных ионов) для камеры, заполненной воздухом.

(7.16)

где Dэксп — экспозиционная доза излучения

Таким образом, из формул видно, что ток насыщения в камере пропорционален мощности экспозиционной дозы, а полное количество электричества, образованное в камере за некоторое время, пропорционально экспозиционной дозе излучения за то же время.

На практике такой способ определения мощности дозы имеет некоторые недостатки. Так для ионизационной камеры с чувствительным объемом 10-3 м3, значение ионизационного тока при мощности дозы 2,8 мбэр/ч равно 2,6 . 10-13A, поэтому схема, содержащая ионизационную камеру, неизбежно должна содержать блок усиления слабых сигналов

Ионизационные камеры, которые служат для измерения суммарного ионизационного эффекта, называются токовыми или интегрирующими камерами. Камеры, которые служат

(1015Ом и 108 Ом соответственно) и следовательно больше постоянная времени — время, за которое заряд, накопленный на собирающем электроде, разрядится до первоначального значения (104сек и 10-3сек соответственно).

Токовая ионизационная камера, ионизация в чувствительном объеме которой создается электронами, возникающими в результате взаимодействия γ-квантов с воздухом, называется бесстеночной камерой.

Токовая ионизационная камера, ионизация в чувствительном объеме которой создается вторичными электронами, возникающими в результате взаимодействия γ-квантов со стенками, называется стеночной камерой.

Материал и толщина стенок влияют на зависимость чувствительности камеры от энергии излучения. Этот нежелательный эффект можно устранить изготовлением стенок из воздухоэквивалентных веществ, таких как плексиглас, полистирол и т. п. Однако, поскольку изготовление и практическое использование камер с такими стенками затруднено, часто используют камеры со стенками из алюминия. У таких камер ход с жесткостью отсутствует при энергии излучения выше 200 кэВ.

Энергетическая зависимость чувствительности камер с воздухоэквивалентными и алюминиевыми стенками приведена на рисунке 7.5.

Рис. 7.5. Энергетическая зависимость чувствительности для ионизационного детектора с воздухоэквивалентными и алюминиевыми стенками.

Одной из широко применяемых разновидностей ионизационных камер является так называемая конденсаторная камера. Конденсаторная камера заряжается до определенной начальной разности потенциалов. Под действием излучения ионы, образовавшиеся в газовом объеме камеры, разряжают ее. Соответствующее изменение разности потенциалов пропорционально дозе излучения. Преимуществом конденсаторных камер является их более высокая чувствительность.

Еще большей чувствительностью к ионизирующему излучению обладают газоразрядные счетчики. По принципу устройства газоразрядные счетчики не отличаются от ионизационных камер. Отличие состоит лишь в величине напряженности электрического поля между электродами, которое приводит к возникновению в чувствительном объеме детектора газового усиления.

Главной характеристикой этого процесса является коэффициент газового усиления численно равный отношению количества ионов, пришедших на собирающий электрод, к общему числу первоначально образованных ионов. В зависимости от конструкции счетчика и приложенного напряжения коэффициент газового усиления может достигать 107. Различают несколько типов газоразрядных счетчиков. Для понимания их различий рассмотрим вольтамперную характеристику. В целях большей наглядности будем рассматривать вольтамперные характеристики для α и β - частиц.