Методи виявлення та вимірювання іонізуючих випромінювань

Виявити і зареєструвати іонізуюче випромінювання можливо тільки непрямим шляхом, тобто, виявивши і зареєструвавши кінцевий результат взаємодії іонізуючого випромінювання з елементами середовища. Внаслідок такої взаємодії можуть виникати такі ефекти, як іонізація газу або речовини, зміна оптичних, діелектричних, електропровідних характеристик тих чи інших матеріалів, зміна структури будови різних кристалів тощо. Саме за цими ефектами можна виявити і зареєструвати іонізуюче випромінювання.

Ділянка середовища, в якому в тій чи іншій формі проявляється ефект взаємодії іонізуючого випромінювання з матеріалом середовища, та результати цієї взаємодії, які зареєстровані тим чи іншим способом, називаються детектором іонізуючого випромінювання. Іншими словами, детектор – це первинний вимірювальний перетворювач, який перетворює параметри іонізуючих випромінювань у параметри таких фізичних ефектів, які легко можна зареєструвати технічними пристроями. З цього випливає, що до складу приладів має обов’язково входити детектор іонізуючого випромінювання.

Детектори розрізняють за методом реєстрації, тобто за ефектом взаємодії іонізуючих випромінювань з речовиною. Основними методами виявлення і вимірювання іонізуючих випромінювань є: хімічний, радіолюмінесцентний, фотографічний, калориметричний та іонізаційний.

Хімічний метод ґрунтується на тому, що внаслідок впливу іонізуючих випромінювань на деяку речовину виникає хімічна реакція, яка супроводжується зміною кількісного та якісного складу речовини (концентрації продуктів хімічних реакцій, провідності розчинів, зміни рН тощо). Кількісні та якісні зміни пропорційні поглиненій дозі іонізуючих випромінювань.

Радіолюмінесцентний метод ґрунтується на використанні здатності деяких речовин (люмінофорів) випускати фотони світла після збудження їх атомів і молекул іонізуючими випромінюваннями. Інтенсивність радіолюмінесценції пропорційна поглиненій дозі, що дає можливість її реєструвати безпосереднім спостереженням або вимірювати за допомогою фотоелектронного помножувача.

Фотографічний метод ґрунтується на здатності іонізуючих випромінювань відновлювати галоїдне срібло AgCl, AgBr, внаслідок чого відбувається почорніння фотографічного матеріалу.

У цьому методі застосовуються рентгенівські плівки, які складаються з чутливої емульсії, що нанесена на целулоїдну підкладку. Після опромінення іонізуючим випромінюванням на плівках утворюються центри прихованого почорніння. Вимірюючи інтенсивність почорніння, можна визначити дозу випромінювання.

Калориметричний метод ґрунтується на реєстрації безпосереднього або непрямого теплового ефекту, який виникає під час взаємодії іонізуючих випромінювань з речовиною у всьому її об’ємі або вздовж траєкторії руху частинок.

Найбільше поширення у військовій дозиметрії одержали прилади, що використовують іонізаційний метод.

Іонізаційний метод ґрунтується на явищі іонізації атомів і молекул газового середовища під дією іонізуючих випромінювань. У замкненому ланцюзі, до складу якого входить іонізаційний детектор, виникає іонізаційний струм, вимірюючи який можна зареєструвати та виміряти параметри іонізуючих випромінювань, у тому числі дозу та її потужність.

Прилади радіаційної розвідки та контролю структурно можна зобразити так, як це подано на рис. 2.4.

Рис. 2.4. Структурна схема приладу для вимірювання іонізуючих випромінювань

До основних елементів схеми входять:

– детектор (сприймаючий пристрій) – перетворює енергію іонізуючих випромінювань в інший вид енергії, яка зручна для вимірювання і реєстрації;

– лінія передачі – у найпростішому випадку електричний кабель; може містити посилювачі та нормалізатори;

– перетворювач – для перетворення, накопичення і збереження інформації, що надходить від детектора (електропідсилювачі, формувачі, аналого-цифрові перетворювачі (АЦП), лічильники імпульсів);

– реєстратор – для подання інформації у зручному для спостереження і реєстрації вигляді (магнітоелектричні прилади, пристрої світлової і звукової сигналізації, цифрові індикатори);

– джерело живлення – у переносних приладах містить батарею сухих гальванічних елементів і перетворювач напруги. На рухомих об’єктах розвідки замість сухих батарей використовується бортова мережа.

У військовій дозиметрії найбільшого застосування набули іонізаційний, люмінесцентний, а також хімічний методи вимірювання іонізуючих випромінювань.

Детектори іонізаційного типу являють собою пристрій, що складається з двох електродів, між якими знаходиться газове середовище (повітря або певний газ). Якщо на детектор іонізаційного типу діє іонізуюче випромінювання, то у ньому виникають вільні електричні заряди і газове середовище стає провідником струму. У разі підключення детектора іонізаційного типу до джерела живлення в ньому створюється електричне поле. За відсутності іонізуючих випромінювань протікання струму у колі детектора не відбувається, оскільки у детекторі відсутні вільні електричні заряди і опір його безмежно великий.

Коли під впливом іонізуючого випромінювання у газовому середовищі детектора виникають вільні позитивні іони та електрони, його опір зменшується і навіть за невеликої напруги на електродах іони набувають спрямованого руху. Позитивні іони притягуються до негативного електрода, електрони – до позитивного електрода детектора. У результаті цього виникає упорядкований рух іонів між електродами. У такому випадку у колі детектора виникає струм, який називають іонізаційним.

У разі незначної напруги на електродах детектора, сили, що впливають на іони, незначні, швидкості їх руху малі і, щоб досягнути електродів, їм необхідний значний час. За цей час велика кількість різнойменно заряджених іонів, притягаючись один до одного, встигають рекомбінувати. На електроди детектора потрапляє лише незначна частина іонів, яка утворилась під час іонізації, і струм у колі детектора буде невеликим. Зі збільшенням напруги зростає напруженість електричного поля та сила притягання іонів до електродів, збільшуючи тим самим швидкість руху іонів і зменшуючи час їх знаходження у детекторі. Рекомбінація стає менш ймовірною, відповідно, більша частина іонів бере участь в утворенні іонізаційного струму, що викликає його зростання.

По мірі подальшого зростання напруги на детекторі швидкість руху іонів настільки зростає, що практично жодна пара не встигає рекомбінуватися, і всі вони потрапляють на електроди, тим самим беручи участь в утворенні іонізаційного струму. Напруга, за якої припиняється рекомбінація іонів, називається напругою насичення (U_нас), а струм – струмом насичення (І_нас).

Подальше зростання напруги не викликає зміни у силі струму, тому що нема тої додаткової кількості іонів, яка б змогла викликати зростання струму у колі детектора. Однак при дуже великій напрузі на детекторі, яка становить (U_уд) та більше, первинні електрони, які утворилися іонізаційним випромінюванням, набувають швидкість та енергію, якої достатньо для того, щоб під час зіткнення з атомами і молекулами газу, утворити додаткові вторинні іони за рахунок ударної іонізації. Загальна кількість іонів у детекторі іонізаційного типу стає більшою кількості іонів, яка була створена безпосередньо завдяки впливу іонізуючих випромінювань. Відповідно збільшується і кількість іонів, які потрапляють на електроди детектора, і відповідно зростає іонізаційний струм. З подальшим зростанням напруги кількість вторинних іонів та іонізаційний струм продовжують зростати.

У військових приладах застосовуються переважно два види іонізаційних детекторів – іонізаційні камери і газорозрядні лічильники.

Іонізаційна камера – пристрій (детектор), призначений для перетворення енергії іонізуючих випромінювань в електричну енергію. Робочою областю вольт-амперної характеристики іонізаційної камери є область насичення. Значення робочих напруг знаходяться в межах області насичення вольт-амперної характеристики. У разі збільшення потужності дози значення напруги збільшується а при зменшенні знижується.

Газорозрядні лічильники – це газові іонізаційні детектори, що працюють у режимі ударної іонізації, при якому окремі акти іонізації викликають появу на виході з детектора електричних імпульсів.

Для посилення іонізаційного струму в газорозрядних лічильниках використовується газовий розряд, тобто величина струму залежить не тільки від кількості пар іонів, що утворилися під дією іонізуючого випромінювання, але й від тих, які утворилися в процесі ударної іонізації, що носить лавиноподібний характер.

Розглянутий імпульсний режим роботи лічильника застосовується під час вимірювання малих потужностей доз. Газорозрядні лічильники можуть працювати й у режимі вимірювання середнього значення струму, який протікає в ланцюзі лічильника, що однозначно пов’язано з вимірюваною потужністю дози (при великих потужностях доз).

Радіофотолюмінесцентні детектори використовуються для вимірювання доз різних видів випромінювання. Як радіофотолюмінесцентні детектори найбільше застосування отримало алюмофосфатне скло, що активоване сріблом.

Іонізаційне випромінювання, взаємодіючи з радіофотолюмінесцентним детектором, продукує у ньому центри люмінесценції, які створюють смуги поглинання у ближній частині спектра. Збудження центрів люмінесценції ультрафіолетовим світлом в межах цих смуг викликає видиму оранжеву люмінесценцію, інтенсивність якої пропорційна поглиненій дозі випромінювання. При цьому центри люмінесценції практично не руйнуються і це дозволяє здійснювати вимірювання багато разів. Інтенсивність люмінесценції (доза випромінювання) вимірюється спеціальним пристроєм.

Перевагою радіофотолюмінесцентних детекторів порівнянно з іншими є мініатюрність, широкий діапазон вимірювань (до декількох тисяч рад), чутливість до різних видів випромінювань, тривалість зберігання інформації.

Хімічні детектори використовуються для вимірювання різних доз випромінювання. Вони являють собою скляні ампули, що заповнені розчинами (або гелями) різних речовин, які внаслідок окисно-відновних реакцій змінюють свій колір.

В основу використання хімічних детекторів для вимірювання доз випромінювання покладено пропорційну залежність між дозою випромінювання та кількісним виходом продуктів реакції.

Оскільки утворені продукти надають розчину певного забарвлення, а його інтенсивність характеризує кількісний їх вихід, то за інтенсивністю кольору є можливість судити про дозу випромінювання.

Дата добавления: 2015-05-23