Методы и приборы для обнаружения и измерения характеристик ионизирующих излучений

Ионизирующие излучения (ИИ), вследствие их специфики (невидимы, неосязаемы), практически очень трудно обнаружить. С достаточной точностью для практических целей регистрируются и измеряются физико – химические изменения, происходящие в веществах под воздействием ИИ.

Некоторые вещества изменяют свою электропроводность (воздух, инертные газы, германий, кремний и др.), другие изменяют окраску, третьи – флюоресцируют (дают вспышки), фотоматериалы – засвечиваются и т. д. Эти процессы положены в основу методов обнаружения ИИ.

В дозиметрии наиболее широко применяются следующие методы:

– ионизационный;

– сцинтилляционный;

– химический;

– фотографический.

Основным методом является ионизационный. Его сущность заключается в том, что газовая среда, помещенная между электродами, к которым приложено напряжение, под воздействием ИИ ионизируется и, как следствие, изменяет свою электропроводность. В электрической цепи начинает протекать ток, который называют ионизационным.

Устройство, в котором под воздействием ИИ возникает ионизационный ток, называют детектором (воспринимающим устройством) излучений. В дозиметрических приборах в качестве детекторов ИИ используются ионизационные камеры (ИК) и газоразрядные счетчики (ГС). Они представляют собой устройства, заполненные воздухом или газом, с двумя электродами, к которым подведено напряжение.

Принципиальное отличие ИК от ГС состоит в том, что на электроды ГС подается напряжение, приблизительно в два раза большее (380 – 400 В), чем на ИК (190 – 200 В), а это приводит к усилению ионизационного тока за счет явления ударной ионизации в газе (газовым разрядам).

Под воздействием ионизирующих излучений в изолированном объеме происходит ионизация газа: электрически нейтральные атомы (молекулы) газа разделяются на положительные и отрицательные ионы, в результате чего электропроводность среды увеличивается. Если в нее поместить два электрода, к которым приложено постоянное напряжение, то между электродами возникает направленное движение ионов, т. е. так называемый ионизационный ток. Измеряя ионизационный ток, можно судить об интенсивности ионизирующих излучений. Такие устройства называются детекторами излучений. В качестве детекторов в дозиметрических приборах используются ионизационные камеры и газоразрядные счетчики различных типов.

Приборы, работающие на основе ионизационного метода, имеют принципиально одинаковое устройство и включают воспринимающее устройство (ионизационную камеру или газоразрядный счетчик) и усилитель ионизационного тока.

Ионизационная камера представляет собой заполненный воздухом замкнутый объём, внутри которого находятся два изолированных друг от друга электрода (типа конденсатора). К электродам камеры прилагается напряжение от источника постоянного тока. При отсутствии ионизирующего излучения в цепи ионизационной камеры тока не будет, поскольку воздух является изолятором. При воздействии же излучений в ионизационной камере молекулы воздуха ионизируются. В электрическом поле положительно заряженные частицы перемещаются к катоду, а отрицательные – к аноду. В цепи камеры возникает ионизационный ток, который регистрируется микроамперметром. Числовое значение ионизационного тока пропорционально мощности излучения. Следовательно, по ионизационному току можно судить о мощности дозы излучений, воздействующей на камеру.

Удельная ионизация легких частиц (электроны, позитроны) сравнительно мала, поэтому регистрация их в импульсном режиме неэффективна. Токовые камеры применяют для измерения интенсивности всех типов излучения, которые пропорциональны среднему току, проходящему через камеру. Величина ионизационного тока пропорциональна энергии излучения, поэтому ионизационные камеры измеряют ток насыщения в единицу времени, т. е. мощность дозы данного излучения. Приборы градуируют в единицах мощности дозы. Значит, ионизационные камеры используют не только для измерения дозы излучения, но и ее мощности.

Ионизационный метод положен в основу работы таких дозиметрических приборов, как ДП – 5А (Б, В), ДП – ЗБ, ДП – 22В, ИД – 1 и др.

Классификация приборов, предназначенных для обнаружения и измерения радиоактивных излучений. Приборы, предназначенные для обнаружения и измерения радиоактивных излучений, называются дозиметрическими. Они нужны для контроля:

- облучения – измерения амбиентных, поглощенных или экспозиционных доз излучения, полученных людьми и сельскохозяйственными животными;

- радиоактивного загрязнения радиоактивными веществами людей, сельскохозяйственных животных, а также техники, транспорта, оборудования, средств индивидуальной защиты, одежды, продовольствия, воды, фуража и других объектов;

- радиационной разведки – определения уровня радиации на местности;

- определения наведенной радиоактивности в облученных нейтронными потоками различных технических средствах, предметах и грунте.

Для каждого вида излучения в зависимости от его пробега в веществе подбирается свой подходящий детектор.

Классификация дозиметрических приборов. Индикаторы – простейшие измерительно – сигнальные приборы, позволяющие обнаружить факт наличия излучения и ориентировочно оценить некоторые характеристики излучений. Детекторами в них чаще всего являются газоразрядные счетчики.

Радиометры – это приборы с газоразрядными, сцинтилляционными счетчиками и другими детекторами, предназначенные:

- для измерения активности радиоактивных препаратов и источников излучения;

- для определения плотности потока или интенсивности ионизирующих частиц и квантов, поверхностей, радиоактивности предметов;

- удельной активности аэрозолей, газов и жидкостей.

Для более точных измерений активности препаратов и потоков частиц применяют стационарные радиометры, которые осуществляют дискретный счет попавших в детектор частиц и квантов (дифференциальные измерения).

Гамма – радиометры: РКГ – АТ1320, РКГ – АТ1320А, РКГ – АТ1320В и др. Это высокочувствительные, широкодиапазонные избирательные сцинтилляционные радиометры спектрометрического типа для измерения объемной и удельной активности ¹³⁷Cs, определения удельной эффективной активности естественных радионуклидов ⁴⁰К, ²²⁶Ra, ²³²Тh в объектах окружающей среды. При необходимости их можно перекалибровать на измерение удельной (объемной) активности нового γ – излучающих нуклидов.

Спектрометры – приборы и установки, предназначенные для определения энергии частиц, энергетического спектра, типа радионуклида; α –, γ –, β – спектрометры и комбинированные приборы. Носимые спектрометры МКС АТ6101 различных модификаций (A, B, D) используются для проведения радиационной разведки местности и идентификации загрязняющих территорию радионуклидов.

Сцинтилляционные спектрометры излучения человека (СИЧ) предназначены для измерения содержания ⁶⁰Cо – в легких (СКГ – АТ1316А), ¹³⁷Cа – во всем организме (СКГ – АТ 1316) и ¹³¹I, ¹³³I – в щитовидной железе (СКГ – АТ1322) человека.

Дозиметры (рентгенометры) – приборы, измеряющие экспозиционную и поглощенную дозы излучения или соответствующие мощности доз. Они состоят из трех основных частей: детектора, радиотехнической схемы, усиливающей ионизационный ток, и регистрируемого (измерительного) устройства. По характеру применения дозиметры делятся на стационарные, переносные и приборы индивидуального дозиметрического контроля.

Рентгенометры – радиометры используют для определения уровня радиации на местности и загрязнённости радионуклидами различных объектов и их поверхностей. К ним относится измеритель мощности дозы ДП – 5В (А, Б) – базовая модель. На смену этому прибору пришёл ИМД – 5. Для подвижных средств созданы бортовой рентгенометр ДП – ЗБ, измерители мощности дозы ИМД – 21, ИМД – 22. Это основные приборы радиационной разведки.

Дозиметры для определения индивидуальных доз облучения. В эту группу входят дозиметр ДП – 70МП и комплект индивидуальных измерителей доз ИД – 11.

Индивидуальные дозиметры ДКГ – АТ2503, ДКС – АТ3509 – это миниатюрные микропроцессорные приборы, оптимально сочетающие точность, функциональные возможности, простоту в обращении, надежность и стоимость. Совместно с устройством считывания, подключаемым к ПЭВМ, обеспечивают создание эффективно действующей системы автоматизированного контроля дозовых нагрузок на персонал.

Профессиональные и бытовые дозиметрические приборы. Первые имеют целый ряд принципиальных преимуществ, однако весьма дороги (в десять и более раз дороже бытового дозиметра).

Дозиметр рентгеновского и γ – излучения ДКС – АТ1123, дозиметры – радиометры МКС – АТ1125, МКС – АТ1125М. Это портативные высокочувствительные дозиметры – радиометры, предназначенные для поиска и обнаружения γ – источников, измерения мощности амбиентной эквивалентной дозы гамма – излучения и оперативной оценки удельной активности ¹³⁷Cs в пробах окружающей среды.

Радиометры для измерения активности радона бывают только в профессиональном исполнении.

Бытовые приборы для населения представляют собой особый класс приборов, предназначенных для оценки населением радиационной обстановки на местности, в жилых и рабочих помещениях и других местах. Ими можно оценивать загрязнение продуктов питания и воды.

Эти приборы дают возможность специалистам и населению измерить мощность дозы в том месте, где этот дозиметр находится (в руках человека, на грунте и т. д.) и проверить тем самым на радиоактивность подозрительные предметы. Поэтому индивидуальный дозиметр поможет, прежде всего, тем, кто часто бывает в районах, загрязненных в результате аварии на ЧАЭС¸ может быть полезен при сборе ягод и грибов, при выборе места для строительства дома, для проверки привозного грунта при ландшафтном благоустройстве и др. работах.

Индивидуальные дозиметры – приборы для индивидуального дозиметрического контроля лиц, непосредственно работающих с источниками ионизирующих излучений. Среди них широко используются твердотельные дозиметры. К этому классу принадлежат фотопленочные дозиметры, дозиметры, основанные на окрашивании твердых материалов, и, наконец, твердые вещества, активируемые нейтронами.

Индивидуальными дозиметрами могут быть термолюминисцентные дозиметры (ТЛД) в виде пластинок или таблеток, фотопленочные или стеклофосфатные.

Фотопленочные дозиметры используются для контроля индивидуальных доз воздействия β – и γ – излучений. Радиационное воздействие на пленку определяется степенью ее потемнения после проявки. Пленочные дозиметры выглядят как значки и их можно прикреплять на карман или пояс.

Пленочные дозиметры и ТЛД измеряют дозу, полученную работником за длительный промежуток времени, тогда как карманные дозиметры измеряют дозу, полученную работником за один день. Используя карманные дозиметры, можно определять, получил ли работник опасную дозу облучения за данную смену.

Карманные дозиметры могут измерять γ – излучение сэнергией до 2 МэВ. Они похожи на ручки и их прикрепляют на карман рубашки или халата.