5.2. Краткие ответы на базовые вопросы по разделу

“Основы дозиметрии”

1. Коэффициент передачи энергии гамма – излучения μ₀ - доля энергии гамма-излучения передаваемой веществу на единице длины пути:

, (5.1)

где ΔЕ_γ - передаваемая энергия;

Е_γ - энергия гамма-излучения, падающая на защиту;

L - толщина защиты.

Кроме линейного широко используются массовый и электронный коэффициенты передачи энергии:

(5.2) , (5.3)

где n_e - число электронов в единице объема вещества.

По смыслу μ_nm - это доля энергии гамма - излучения, поглощаемая в единицу времени единицей массы вещества.

Зная смысл Р_γ мощности поглощенной дозы гамма - излучения, как энергии гамма-излучения, передаваемой единице массы вещества в единицу времени, получаем соотношение :

, (5.4)

где φ_γ - плотность потока гамма-квантов,

E_γ - энергия гамма - квантов

2. Гамма - излучение при взаимодействии с веществом передает свою энергию вторичным электронам, а те, в свою очередь передают ее веществу через ионизацию и возбуждение атомов.

Если взять некоторый выделенный объем вещества (см. рис. 5.1.), то энергия, передаваемая гамма - излучением электронам в этом объеме может быть частично поглощена в нем, а частично вынесена вылетающими электронами.

Однако убыль энергии может быть компенсирована электронами, влетающими из окружающего вещества. Состояние, при котором энергия, выносимая электронами из заданного объема равна энергии, вносимой электронами из окружающего вещества, называется состоянием электронного равновесия. В этом случае справедливо соотношение:

(5.5)

При отсутствии электронного равновесия мощность поглощенной дозы детектором будет измеряться с большой погрешностью. Условием электронного равновесия является необходимость окружение выделенного объема веществом того же состава на расстояние пробега вторичных электронов.

3. Активность - это количество радиоактивного вещества, определяемое по числу радиоактивных превращений атомных ядер в единицу времени.

Единица измерения в системе Си - 1 беккерель (Бк) = 1 распад/с.

Внесистемная единица - 1 кюри (Ku) = 3,7х10¹⁰ Бк

Если имеем точечный источник активности А, то он будет за единицу времени испускать n_{i ·} A гамма - квантов, где n_i - количество гамма - квантов, испускаемое на один акт распада. Эти гамма-кванты испускаются в угле 4π (см. рис. 5.2) и на расстоянии R будет:

, (5.6)

где 4πR² - площадь сферы радиуса R

Плотность потока энергии будет:

, (5.7)

где E_γ - энергия гамма – квантов, тогда мощность поглощенной дозы будет :,

где μ_mn - массовый коэффициент поглощения гамма - излучения и мощность экспозиционной дозы Р_γ -

, (5.8)

где w_B - средняя энергия образования пучка ионов в возбуждении

Таким образом,

(5.9)

где K_γ - гамма постоянная данного радионуклида, берется из справочников или вычисляется исходя из приведенных соотношений.

4. Поглощенная доза - это энергия излучения, поглощенная в единице массы вещества.

(5.10)

Единица измеряется в системе СИ - 1 Дж/кг = 1Гр (грей).

Внесистемная единица - 1 рад = 0,01 Дж/кг

Поскольку для гамма - излучения в различных веществах при одном и том же поле излучения поглощенная доза разная, то для объективной оценки поля введено понятие экспозиционной дозы X - это доза гамма - излучения, определяемая по ионизации воздуха и равная заряду ионов одного знака, образованного гама - излучением в единице массы воздуха.

(5.11)

Единица измерения в системе Си - 1 Кл/кг,

Внесистемная единица 1 рентген (Р) = 2,58·10^-4 Кл/кг

Таким образом, экспозиционная доза применяется для оценки поля гамма-излучения и, частично, для оценки влияния на человека.

Поглощенная доза - для оценки воздействия любого вида излучения на вещества и, частично, для оценки воздействия на человека при больших дозах.

5. Эквивалентная доза учитывает отличия воздействия на человека различных видов излучения при одной и той же поглощенной дозе.

Эквивалентная доза равна поглощенной дозе, умноженной на взвешивающий коэффициент излучения (5.12)

W_R показывает во сколько раз данный вид излучения более опасен для человека по сравнению с гамма - излучением.

Таким образом, для гамма - и бета - излучения W_R = 1,

для альфа - излучения W_R=20.

Эквивалентная доза используется для оценки воздействия излучения на отдельный орган или ткани человека. Единицы измерения эквивалентной дозы в системе Си - 1 Зиверт (Зв) = 1 Дж/(кг·W_R)

Внесистемная единица - 1 бэр = 0,01 3в.

Для оценки воздействия облучения на человека в целом может использоваться эффективная доза Е - это сумма произведений эквивалентных доз в отдельных органах и тканях на взвешивающий тканевый коэффициент W_R

(5.13)

W_R - различен для различных органов и задан в НРБУ – 97. При равномерном облучении всего тела Е = Н. Единицы измерения эффективной эквивалентной дозы те же, что и для эквивалентной дозы. Показатель Е и Н можно использовать до величины ниже порога соматических эффектов (<0,5 Зв).

6. Мощность дозы это приращение дозы за единицу времени.

(5.14)

Мощность дозы используется для оценки уровня того или иного излучения и для расчета допустимого времени работы. При постоянном уровне излучения, откуда допустимое время работы(5.15)

где Р_изм - измеренное значение мощности дозы.

Поскольку существуют различные дозовые величины - поглощенная, экспозиционная, эквивалентная и эффективная, то имеется мощность поглощенной дозы, мощность экспозиционной дозы и т.д. Единицы измерения в системе Си получают делением единицы измерения дозы в Си на единицу времени в Си - секунду. Внесистемные единицы мощности дозы получают делением единицы измерения дозы на час, минуту или секунду.

6. Ионизационная камера представляет собой два электрода, разделенных газовым (как правило, воздушным) промежутком (см. рис. 5.3.). К электродам приложено внешнее напряжение от источника питания. При облучении ионизационной камеры ионизирующим излучением в газовом объеме возникают ионы.

При достаточной напряженности электрического поля в ионизационной камере ионы движутся на электроды и в цепи камеры возникает ток, пропорциональный мощности дозы излучения :

, А (5.16)

где Р_γ - мощность дозы гамма - излучения, Р/час ,

V - объем камеры, см³.

8. Вольтамперная характеристика ионизирующей камеры это зависимость тока камеры от напряжения при постоянной мощности дозы. Снимают ее экспериментально - устанавливают источник ионизирующего излучения на постоянное место, изменяют напряжение питания и измеряют ток в цепи. Иногда снимают семейство характеристик - несколько характеристик при различных мощностях доз.

Вольтамперная характеристика имеет вид, показанный на рисунке 5.4.

Область 0 - U₁ характеристики называют областью закона Ома - здесь имеет место рекомбинация ионов, уменьшающаяся с ростом напряжения. Поэтому ток растет с ростом напряжения. При дальнейшем росте напряжения все меньше ионов рекомбинирует – область U₁ - U₂ - ограничения закона Ома и, начиная с U₂, все ионы достигают электродов, ток больше не растет. U₂ - напряжение насыщенния. Далее идет рабочая область - плато. В этой области ток насыщения пропорционален мощности дозы. После U₃ начинается область ударной ионизации, когда в результате столкновений появляются вторичные ионы и ток резко нарастает. По вольтамперной характеристике определяют рабочее напряжение. Его выбирают большим, чем напряжение насыщения U₂ на величину нестабильности источника питания камеры.

9. Рабочая характеристика ионизационной камеры - это зависимость тока камеры от мощности дозы при постоянном напряжении источника. Снимается характеристика при перемещении источника излучения и измерении тока камеры. Цель снятия характеристики - определение диапазона измерения и чувствительности камеры. Характеристика имеет вид, показанный на рисунке 5.5. Рабочей областью является прямолинейный участок. Чувствительность камеры определяется в одной из точек прямолинейного участка, как отношениеI_x/Р_x. Отклонение характеристики от прямолинейности объясняется рекомбинацией ионов при больших мощностях доз, что уменьшает силу тока. Нижняя граница диапазона измерения P_min определяется минимальной измеряемой прибором силой тока I_min. Верхняя граница определяется допустимой погрешностью δ_доп за счет отклонения от линейности.

10. Энергетическая зависимость чувствительности ионизационной камеры (ЭЗЧ) - это отношение чувствительности ионизационной камеры (I_к/Р_γ) при данной энергии Е_х к чувствительности (I_к/Р_γ)_обр при образцовой энергии E_обр. Ход зависимости показан на рисунке рис. 5.6. При Е_γ = Е_обр· ЭЗЧ=1 (по определению).

Левее чувствительность нарастает, так как здесь находится область фотоэффекта, гамма - кванты взаимодействуют с большой эффективностью с веществом стенки и выбивают много вторичных электронов в зависимости от Z материала стенки. Еще левее - чувствительность резко уменьшается, так как гамма-кванты поглощаются стенкой и не регистрируются. Правее Е_обр область комптон - эффекта, где вероятность взаимодействия не зависит от Z - ЭЗЧ близка к единице. Еще правее – область пар - эффекта, ЭЗЧ нарастает в зависимости от Z cтенки. Если стенка воздухоэквивалентная, то ЭЗЧ = 1 во всей области энергий. Здесь показана кривая для Z > Z_возд - наиболее типичный случай. Наличие ЭЗЧ приводит к погрешности в измерениях

δ = ЭЗЧ - 1. Для уменьшения ЭЗЧ используют фильтры, которые поглощают мягкое излучение и пропускают жесткое, тем самым уменьшают погрешность.

11. Газоразрядный счетчик (см. рис. 5.7.) состоит из внешнего цилиндра - катода и внутренней нити - анода.

Пространство между ними заполнено инертным газом при постоянном давлении к электродам счетчика приложено напряжение, обеспечивающее ударную при возникновении в газе счетчика электронов. При попадании в объем счетчика ионизирующей частицы возникают пары: электрон - положительный ион. Электроны движутся к аноду, вызывая ударную ионизация других молекул газа. Возникают электронные лавины и за счет них большое газовое усиление. В результате при попадании отдельной частицы в цепи счетчика возникают импульсы тока большой амплитуды. Считая число импульсов, измеряют плотность потока частиц или мощность дозы гамма - излучения.

12. Счетная характеристика газоразрядных счетчиков – это зависимость скорости счета от напряжения питания при постоянной мощности дозы. Снимается экспериментально с целью определения качества счетчика - пригодности его к использованию и рабочего напряжения. Имеет вид, показанный на рисунке (5.8.).

Качество счетчика определяется по ширине плато U_к – U_н ≥ 100 В и по наклону плато Если счетчик удовлетворяет этим требованиям, он пригоден для измерений. Рабочее напряжение выбирают в первой трети плато, а галогенных счетчиков – 390 В.

13. Рабочая характеристика газорязрядного счетчика – это зависимость скорости счета от мощности дозы при постоянном напряжении. Снимается экспериментально для определения чувствительности счетчика и диапазона измерения. Имеет вид показанный на рис. 5.9.

Рабочим участком является прямолинейный. Отклонение от линейности в начале характеристики объясняется наличием собственного фона счетчика, в конце - появлением просчетов из-за наличия мертвого времени у счетчика. Диапазон измерения определяется допустимой величиной погрешности, величиной фона, разрешающего времени и заданным временем измерения. Чувствительность определяется в одной точке как отношениеn_сч / P_γ. Нижняя граница диапазона измерения тем меньше, чем меньше уровень фона счетчика, чем выше чувствительность, чем больше время измерения и чем больше допустимая погрешность. Верхняя граница тем больше, чем меньше разрешающее время счетчика.

14. Газоразрядный счетчик (ГС) имеет более высокую чувствительность, чем ионизационная камера (ИК), поскольку регистрирует отдельные частицы. ИК более просто устроена, и потому имеет большой, практически неограниченый срок службы. ГС имеет ресурс не более 10¹⁰ импульсов из-за расхода гасящей добавки и разрушения анода электронными лавинами.

Диапазон излучения газоразрядного счетчика 3 - 4 порядка, ИК - 5-6 порядков, нижняя граница ГС ниже, чем ИК и приближается к уровню естественного фона. Отсюда область применения ИК - аварийные и военные приборы, ГС - для контроля РБ при нормальной работе АЭС.

Погрешность за счет ЭЗЧ гораздо выше у ГС, поэтому дозы облучения людей измеряют с помощью ИК.

15. Ионизационный дозиметр, работающий по схеме перераспределения зарядов (см. рисунок 5.10)

состоит из ионизационной камеры, зарядного конденсатора С_зар. и измерительного конденсатора С_изм. при этом С_зар >>. С_изм.>> С_к. На измерительном пульте прибора имеется три гнезда: "Заряд","Разряд","Измерение" Перед выдачей дозиметр вставляется в гнездо "Заряд",при этом заряжаются все емкости. Затем измерительным концом дозиметр вставляется в гнездо "Разряд". При этом полностью разряжается измерительный конденсатор. Под действием гамма - излучения в ИК возникает ток, который осуществляет перенос заряда с зарядного конденсатора на измерительный. Величина этого заряда, а следовательно, и напряжение на измерительном конденсаторе пропорционально дозе облучения. После облучения дозиметр вставляют в гнездо "Измерение". Шкала пульта отградуирована в рентгенах.

16. Сцинтилляционный счетчик (см. рисунок 5.11.) состоит из сцинтиллятора, фотоэлектронного умножителя и схемы его питания. Частица, попадая в сцинтиллятор, вызывает вспышку света, сцинтилляцию. Фотоны света собираются на фотокатод ФЭУ и выбивают из него электроны. Электроны с помощью фокусирующего электрода направляются на первый динод. Под действием ускоряющего напряжения электроны между динодами ускоряются и выбивают из них все новые электроны, происходит умножение количества электронов. В результате в цепи анода возникает импульс тока, амплитуда которого пропорциональна энергии частицы. Измеряя амплитуды импульсов, получают спектр энергий частиц (в спектрометрах), измеряя скорость счета импульсов, получают значение мощности дозы.

17. Сцинтилляционный счетчик (Сц) имеет более высокую чувствительность, чем ГС, так как сцинтиллятор можно сделать достаточно толстым. Поэтому Сц можно использовать для измерений на уровне фона и обнаруживать его колебания. Сц позволяет определять энергию частиц, поэтому его можно использовать для снятия энергетического спектра с целью идентификации радионуклидов. Газоразрядный счетчик устроен проще, дешевле, имеет очень большую амплитуду импульсов (~100 В ) и поэтому простую схему счетного прибора. Газоразрядный счетчик позволяет измерять большие уровни - до 1000 р/час гамма - излучений. ФЭУ Сц сам чувствителен к гамма - излучению, поэтому не позволяет измерять большие уровни гамма - излучений. Погрешность за счет ЭЗЧ выше у Сц, но за счет усложнения электронной схемы ее можно компенсировать. Отсюда область применения Сц - медицина, геологоразведка, спектрометрия, измерение очень малых уровней. Область применения ГС - недорогие приборы для контроля радиационной обстановки на АЭС.

18. Принцип работы радиотермолюминесцентного дозиметра объясняется на основе зонной теории твердого тела, по которой электроны в кристалле могут иметь только строго определенные энергетические уровни. Электроны занимают только верхние уровни валентной зоны (см. рис. 5.12).

Под воздействием излучения они получают энергию и переходят в зону проводимости, где могут двигаться. В валентной зоне возникают дырки. При встрече электроны и дырки рекомбинируют, однако, в этом случае фотоны, которые имеют энергию больше ширины запрещенной зоны, поглощаются сцинтиллятором и не выходят наружу. Однако двигаясь в кристалле электроны и дырки попадают на возникшие за счет атомов активаторов уровни - ловушки и находятся там длительное время. Количество таких заполненных ловушек пропорционально дозе облучения. При измерении кристалл нагревают. За счет тепла электроны из ловушек переходят в зону проводимости, движутся в ней и сталкиваются с дырками, находящимися в ловушке. Происходит рекомбинация и из кристалла вылетают фотоны света. Измеряя их количество с помощью ФЭУ, определяют дозу облучения.

19. Принципы работы РФЛД объясняются зонной теорией твердого тела, по которой электроны в кристалле могут располагаться на вполне определенном разрешенном уровне (см. рисунок 5.13)

Верхние энергетические уровни образуют валентную зону. Валентные уровни образуют зону проводимости. Между ними запрещенная зона. В запрещенной зоне за счет введения атомов - активаторов создаются локальные разрешенные уровни – ловушки. При облучении кристалла ионизирующим излучением электроны переходят в зону проводимости и движутся по кристаллу. Попадая на уровень - ловушки, они изменяют их энергетическое состояние и превращают их в центры люминесценции. Количество центров прямопропорционально дозе. При облучении кристалла ультрафиолетовым светом центры люминесценции переходят в возбужденное состояние, а затем возвращаются в основное состояние с испусканием фотонов желто - зеленого цвета. Интенсивность свечения пропорционально интенсивности ультрафиолета и дозе облучения.

20. Ионизационные дозиметры, детектором в которых являются ионизационные камеры, имеют меньшую нижнюю границу диапазона измерения дозы, но и меньшую верхнюю границу (5 мР – 500 Р). ТЛД имеют более высокие границы измерения (~ 100 мР – 5000 Р). Кроме того ИД могут проходить циклы облучения – измерение неограниченное число раз, ТЛД - из - за возможного растрескивания - ограниченное количество ~ 200 раз. ИД готовы к измерению только после их зарядки, ТЛД - постоянно. ТЛД могут накапливать дозу при аварии еще до выдачи персоналу и требуют в этом случае предварительного отжига. Поэтому ИД применяются для повседневного оперативного контроля при нормальной работе АЭС, а ТЛД - как аварийные дозиметры.