2.2. Методы обнаружения и измерения ионизирующих излучений

И индикации ахов

Взаимодействие ионизирующего излучения (ИИ) с веществом (со средой) сопровождается рядом эффектов: образованием ионов, испусканием фотонов (кванта) света. Эти эффекты используются для обнаружения излучения, измерения интенсивности и спектра излучения.

Прибор для обнаружения любого вида ИИ состоит из детектора и измерительного блока, индикатора и блока питания.

• А налоговая Детектор форма;

• С

  Индикатор

  Измерительный блок

  ветовые вспышки;

• Ц

  Блок

  питания

  ифровая форма;

• З вуковая индикация;

Детекторы в приборе выполняют функцию преобразователя энергии ИИ в другие виды, удобные для измерения (например электрическую). В зависимости от вида преобразования энергии детекторы делятся: ионизационные, химические, сцинтилляцонные, люминесцентные, фотографические.

1. Ионизационный метод дозиметрии основан на измерении ионизации газовой среды, заполняющей детектор, под действием излучения. Ионизация газа вызывается электронами, освобождающимися в среде. Основными ионизационными детекторами, используемыми в дозиметрических приборах, являются ионизационная камера (ИК) и газоразрядный счетчик (ГС).

Простейшая схема с ИК имеет следующий вид.

И К

Ф_γ

С_К R U

Собствен. емкость камеры

ИК представляет собой устройство в виде замкнутого объема, в котором расположены два электрода (анод и катод). Пространство между электродами заполнено газом (обычно воздухом). В нормальных условиях сухой воздух является хорошим диэлектриком и поэтому при отсутствии измеряемого излучения тока в цепи практически нет. При воздействии ИИ в газовом объеме образуются свободные электроны и ионы, которые в электрическом поле перемещаются к соответствующим электродам. Во внешней цепи ИК возникает электрический ток, называемый ионизационным током (≈ 10^-13 … 10^-15 А).

Например, если U_пит =200В, R=10¹³ Ом,

В

i_н

Ф = var

дозиметрических приборах, измеряющих дозу, мощность дозы, ИК работает в режиме '' тока насыщения''. Величина ''тока насыщения'' i_н определяется выражением:

i _н=e∙N∙V , А,

г

v

де:

е=1,6∙10^-19 Кл;

N – скорость образования пар ионов в 1 см³ объема ИК, (ион ∕см³ ∙ с);

V – объем ИК, см³.

Мощность экспозиционной дозы гамма-излучения связана со скоростью образования ионов зависимостью:

, ,

где:

b – число пар ионов, образующихся в 1 см³ воздуха при дозе в 1 Р:

b=2,08∙10⁹, ион ∕см³ ∙ Р;

N – скорость образования ионов, ион ∕см³ ∙ с;

Так как , тогда I_н= e∙b∙V∙ = a∙ , A , где a = Const= e∙b∙V.

Справка: 1Кл =1А∙1с

Следовательно, ''ток насыщения'' ИК прямо пропорционален мощности дозы излучения.

ИК обладают высокой надежностью, но имеют очень маленькое значение выходного сигнала (I_a=10^-11…10^-15А). ИК которые служат для определения суммарного ионизационного эффекта называют измерителями дозы или дозиметрами.

Наиболее распространенными детекторами для обнаружения и измерения ИИ являются газоразрядные счетчики (ГС). По принципу устройства ГС не отличается от ИК. Принципиальное отличие между ними состоит в том, что в ГС используется усиление первичной ионизации за счет дополнительной ударной ионизации атомов газа, заполняющего ГС (аргон, неон). ГС, работающие в области самостоятельного разряда (область Гейгера), называются счетчиками Гейгера-Мюллера. ГС газонаполненные приборы (неон, аргон при Р=50…760 мм.рт.ст.). В эту газовую смесь производят добавки – хлор, бром и спирты – для гашения газового разряда. Для ГС τ_м = τ_восст =10^-4с. Время разрешения τ_р = 5·10^-5с, а разрешающая способность имп./с.

Корпус ГС может быть изготовлен из стекла с напылением не боковые стенки тяжелых металлов (например, вольфрама) или металлической фольги (стальная, медная).

ИИ

Катод

С

Анод V

R_н

При воздействии излучения электроны, образованные при первичной ионизации двигаясь к аноду ускоряются полем настолько, что сами приобретают способность ионизировать атомы газа. Вновь образовавшиеся при этом вторичные электроны снова производят ударную ионизацию и, таким образом, процесс приобретает лавинообразный характер. Мерой увеличения ионизационного тока в ГС является коэффициент газового усиления – К_ГУ , определяемый как отношение полного числа ионов, образованного при первичной и ударной ионизации – N_П +N_У , к числу первичных ионов - N_П :

.

_ГУ достигает 10¹⁰. ударная ионизация в ГС происходит только вблизи анода, где велика напряженность электрического поля, а, следовательно, и кинетическая энергия электронов.

Сил.эл.линии

А нод ГС катод ГС

О бласть ударной

Ионизации

U_A

0. r_ун r_гс r

С выхода ГС снимают последовательность импульсов с амплитудой – 10^-4…10^-2 В – до нескольких единиц – десятков вольт.

К основным преимуществам ГС относятся:

• возможность измерения малых мощностей доз (8…10 мкР/ч);

• простота конструкции;

• низкая стоимость.

ГС применяются в качестве детекторов в измерителях мощности дозы, радиометрах и сигнализаторах.

2.Сцинтилляционный и люминесцентный методы

Сцинтилляционный метод дозиметрии ИИ основан на регистрации вспышек света , возникающих в сцинтиляторе под действием излучения. Регистрация вспышек обычно производится фотоэлектронным умножителем (ФЭУ), на выходе которого снимается импульс напряжения амплитудой в единицы – десятки вольт.

Наиболее широкое применение в дозиметрии нашли сцинтиляторы-фосфоры: из неорганических – сернистый цинк ZnS (Ag), йодистые соединения натрия, калия, цезия, лития, а из неорганических – антрацен C₁₄H₁₀, стильбен C₁₄H₁₂, нафталин C₁₀H₈, терфенил в полистироле C₁₈H₁₄, (все они обладают Z_эфф ≈5,7) и некоторые пластмассы. Время высвечивания составляет 10^-5…10^-9 с.

-1

от 8 до 15 электронов

падающих фотонов света - 2

-3 Сурьмяно-цезиевый катод

4 Коэффициент усиления ФЭУ К=10^-5…10^-7.

4

К=б^т,

4 m – число динодов

б – число вторичных

электронов

4

С К измерительной схеме

6- R

от динодов

U_пит=1500 – 2000В.

Схема сцинтилляционного детектора:

1 – источник ИИ; 2 – фосфор; 3 – фотокатод; 4 – диноды; 5 – анод; 6 – фотоэлектронный умножитель.

При воздействии ИИ на фосфор часть световой вспышки попадает из фосфора на катод ФЭУ и вырывает из него фотоэлектроны. Фотокатод изготовляют из светочувствительных материалов с высоким выходом электронов. Так, сурьмяно-цезиевый катод испускает от 8 до 15 фотоэлектронов на 100 падающих фотонов. В ФЭУ последовательно располагаются от 8 до 13 электродов, называемых динодами. Между катодом и анодом подают напряжение в 1500…2000 В, которое распределяется через делитель напряжения между динодами (по 150-200В). Фотоэлектроны, ускоренные электрическим полем, ударяются о поверхность первого динода и выбивает из него в среднем по 2 – 4 вторичных электрона (б). Последние, в свою очередь, ускоряются и выбивают из второго динода также по б электронов и т. д. Все электроны собираются на аноде ФЭУ. Коэффициент усиления ФЭУ К=б^т. он зависит от материала динодов, их числа в ФЭУ и напряжения между ними. Для современных ФЭУ К=10⁵…10⁷. На выходе ФЭУ на нагрузочном резисторе появляется последовательность импульсов, которая поступает на измерительную схему.

Сцинтилляционные детекторы применяют для измерения различных излучений. В зависимости от их назначения используют фосфоры с избирательной чувствительностью к отдельным видам излучения. Так, фосфор ZnS (Ag) характеризуется высокой чувствительностью к α-частицам, и им можно регистрировать α-частицы, падающие вместе с электронами и гамма-квантами. Кристалл NaI (Tl) – хороший фосфор для регистрации гамма-квантов. Присутствие в кристалле йода (Z_эфф=53) повышает его эффективность регистрации гамма-квантов до 60%, в то время как эффективность регистрации гамма-квантов ГС составляет всего 1-2%.

Разрешающее время сцинтилляционных детекторов изменяется от 10^-8 до 10^-5с. это значительно повышает скорость счета по сравнению со скоростью счета ГС. Интенсивность световой вспышки в ряде фосфоров, таких как NaI (Tl), антрацен и др. пропорциональна поглощенной энергии. В следствие этого сцинтилляционные детекторы применяют в спектрометрах гамма-квантов, электронов и др. частиц и излучений.

Люминесцентные детекторы. Некоторые люминесцентные вещества могут накапливать часть энергии поглощенного ИИ и отдавать ее в виде светового свечения после дополнительного воздействия ультрафиолетовым и видимым светом или нагревом. Последующий отжиг (нагрев) люминесцентного вещества при высокой температуре (~ 400⁰ С) приводит к полному высвечиванию накопленной энергии ИИ и позволяет многократно использовать один и тот же люминофор. Такие люминофоры удобны как индивидуальные дозиметры. Люминесцентные методы основаны на эффектах радиофотолюминесценции (РФЛ) и радиотермлюминесценции (РТЛ). В процессе РФЛ под действие ИИ в люминофоре (щелочногалоидные соединения типа NaI, LiF, фосфатные стекла активированные серебром) создаются центры фотолюминесценции. Последующее освещение люминофора ультрафиолетовым светом вызывает видимую люминесценцию. Образованные центры люминесценции не разрушаются в процессе освещения ультрафиолетовым излучением, поэтому измерения могут производиться неоднократно. У РФЛ – дозиметров существует эффект нарастания интенсивности люминесценции после прекращения облучения. Интенсивность видимой люминесценции в диапазоне от 0,01 до 300 Гр. пропорциональна дозе облучения.

В процессе РТЛ поглощенная энергия ИИ преобразуется в люминесценцию под действием теплового возбуждения (нагрева). В процессе РТЛ происходит разрушение центров люминесценции, когда их нагревают, чтобы вызвать люминесценцию. Интенсивность последней пропорциональна дозе облучения. Дозу измеряют по высоте пика главного максимума высвечивания. Для повторного использования РТЛ – дозиметров их отжигают при высокой температуре (~ 400⁰С), чтобы полностью снять центры люминесценции. Преимущество РТЛ – дозиметров по сравнению с РФЛ – дозиметров состоит в более широком линейном диапазоне измерения дозы. Для РТЛ – дозиметров используются люминофоры: CaF₂, LiF, CaSO₄ – Mn, CaSO₄ – Sm, борат магния, алюмофосфатные стекла, активированные серебром и MnO₂. РТЛ – дозиметры позволяют измерять дозу от 1мГр до 10⁴ мГр.