lekciya_5_principy_i_metody_registracii_ii

Лекция № 5
Принципы и методы регистрации ИИ
Основные принципы регистрации ИИ. Цели и задачи дозиметрии. Методы
регистрации ИИ. Общая схема устройства прибора для регистрации ИИ.
Поглощенная, экспозиционная, эквивалентная дозы. Понятия гамма-эквивалента и
гамма-постоянной. Особенности регистрации нейтронного излучения.
Наша биосфера всю свою историю находилась и находится во взаимодействии с
ионизирующими излучениями.
Длины волн электромагнитного излучения простираются в широком диапазоне.
Ионизирующие излучения невидимы, не имеют ни цвета, ни запаха или других
признаков, которые указали бы человеку на их наличие или отсутствие. Поэтому
их обнаружение и измерение производят косвенным путем на основании какоголибо свойства. Как правило, для определения уровней радиации, степени
радиоактивности или дозы излучения используют один из методов: физический,
химический, фотографический, биологический или математический (расчетный).
В основе работы дозиметрических и радиометрических приборов используются
следующие методы индикации:
ионизационный, основанный на свойстве, способности этих излучений
ионизировать любую среду, через которую они проходят, в том числе и
детекторное (улавливающее) устройство прибора. Измеряя ионизационный ток,
получают представление об интенсивности радиоактивных излучений;
сцинтилляционный, регистрирующий вспышки света, возникающие в
сцинтилляторе (детекторе) под действием ионизирующих излучений, которые
фотоэлектронным умножителем (ФЭУ) преобразуются в электрический ток.
Измеряемый анодный ток ФЭУ (токовый режим) и скорость счета (счетчиковый
режим) пропорциональны уровням радиации;
люминесцентный, базирующийся на эффектах радиофотолюминесценции
(ФЛД) и радиотермолюминесценции (ТЛД). В первом случае под действием
ионизирующих излучений в люминофоре создаются центры фотолюминисценции,
содержащие атомы и ионы серебра, которые при освещении ультрафиолетовым
светом вызывают видимую люминесценцию, пропорциональную уровням
радиации. Дозиметры ТЛД под действием теплового воздействия (нагрева)
преобразуют поглощенную энергию ионизирующих излучений в люминесцентную,
1
интенсивность которой пропорциональна дозе ионизирующих излучений;
фотографический – один из первых методов регистрации ионизирующих
излучений, позволивший французскому ученому Э. Беккерелю открыть в 1896 г.
явление радиоактивности. Этот метод дозиметрии основан на свойстве
ионизирующих излучений воздействовать на чувствительный слой фотоматериалов
аналогично видимому свету. По степени почернения (плотности) можно судить об
интенсивности воздействующего на пленку ионизирующего излучения с учетом
времени этого воздействия;
химический, основанный на измерении выхода радиационно-химических
реакций, протекающих под действием ионизирующих излучений. Известно
значительное количество различных веществ, изменяющих свою окраску (степень
окраски) или цвет в результате окислительных или восстановительных реакций,
что можно соизмерять со степенью или плотностью ионизации. Данный метод
используют при регистрации значительных уровней радиации;
калориметрический, базирующийся на измерении количества теплоты,
выделяемой в детекторе при поглощении энергии ионизирующих излучений,
поглощаемая веществом, в конечном итоге преобразуются в теплоту при условии,
что поглощающее вещество является химически инертным к излучению и это
пропорционально интенсивности излучений;
нейтронно-активационный, связанны с измерением наведенной активности, и
в некоторых случаях являющийся единственно возможным методом регистрации,
особенно слабых нейтронных потоков, так как наведенная ими активность
оказывается слишком малой для надежных измерений обычными методами. Кроме
того, этот метод удобен при оценке доз в аварийных ситуациях, когда наблюдается
кратковременное облучение большими потоками нейтронов.
В биологических методах дозиметрии использована способность излучений
изменять биологические объекты. Величину дозы оценивают по уровню
летальности животных, степени лейкопении, количеству хромосомных аберраций,
изменению окраски и гиперемии кожи, выпадению волос, появлению в моче
дезоксицитидина и др. Биологические методы не очень точны и менее
чувствительны по сравнению с физическими.
В расчетных методах дозу излучения определяют путем математических
вычислений. Это единственно возможный метод определения дозы от
инкорпорированных радионуклидов, т. е. попавших внутрь организма.
Таким образом, принцип работы детектора в значительной степени
определяется характером эффекта, вызванного взаимодействием излучения с
веществом детектора, а детектирование ионизирующих излучений связано с
обнаружением и измерением этого эффекта.
Так как действие ионизирующих излучений на организм человек не ощущает, и
у него отсутствуют органы чувств, которые их бы воспринимали, то
дозиметрические приборы как бы восполняют этот «пробел природы» и позволяют
человеку, обнаруживать и оценивать эти излучения.
Устройство дозиметрического прибора.
Принципиальная схема любого дозиметрического и радиометрического прибора
одинакова.
Она включает три обязательных блока: детекторное устройство (детектор),
регистрирующий прибор (индикатор) и блок питания (аккумуляторы, батарейки,
элементы, электросеть и пр.).
2
Без любого из них дозиметра или радиометра просто не может быть. Хотя
современный прибор имеет множество дополнительных, вспомогательных блоков,
устройств, систем (усилители, преобразователи, формирователи импульсов,
стабилизаторы, накопители информации и др.). Например, индикатором
ионизирующих излучений может быть и обычный миллиамперметр, и сложное
счетное цифропечатающее устройство, и миниЭВМ.
Конструктивное отличие радиометра от дозиметрического прибора может
заключаться в том, что часто источник ионизирующих излучений (пробу земли,
воды, продуктов) и счетчик (детектор) помещают в свинцовый домик, который
защищает элементы от внешнего радиоактивного фона, что позволяет уловить
незначительные излучения от измеряемых объектов и зафиксировать величину
удельной активности даже очень низкоактивных проб. Вследствие этого
повышается чувствительность и диапазон (пределы) измерений прибора. В
упрощенном варианте радиометра свинцового домика может и не быть.
Вот для примера дозиметры, которые наиболее часто используются в
профессиональной деятельности:
1. СРП-88Н (сцинтилляционный радиометр поиска) – профессиональный
радиометр предназначен для поиска и обнаружения источников фотонного
излучения. Имеет цифровой и стрелочный индикаторы, возможность установки
порога срабатывания звукового сигнализатора, что значительно облегчает работу
при обследовании территорий, проверки металлолома др. Блок детектирования
выносной. В качестве детектора используется сцинтилляционный кристалл NaI.
Автономный источник питания 4 элемента Ф-343.
2. Дозиметр ДБГ-06Т – предназначен для измерения мощности
экспозиционной дозы (МЭД) фотонного излучения. Источник питания
гальванический элемент типа «Корунд».
3. Дозиметр ДРГ-01Т1 – предназначен для измерения мощности
экспозиционной дозы (МЭД) фотонного излучения
4. Дозиметр ДБГ-01Н – предназначен для обнаружения радиоактивного
загрязнения и оценки с помощью звукового сигнализатора уровня мощности
эквивалентной дозы фотонного излучения. Источник питания гальванический
элемент типа «Корунд».
5. Радиометр бета-гамма излучения РКС-20.03 «Припять» - предназначен
для контроля радиационной обстановки в местах проживания, пребывания и
работы. Радиометр позволяет измерять:
- величину внешнего гамма-фона;
- уровни загрязнения радиоактивными веществами жилых и общественных
помещений, территории, различных поверхностей;
- суммарное содержание радиоактивных веществ (без определения изотопного
состава) в продуктах питания и других объектах внешней среды (жидких и
сыпучих).
- уровни загрязнения радиоактивными веществами жилых и общественных
помещений, территории, различных поверхностей;
- суммарное содержание радиоактивных веществ (без определения изотопного
состава) в продуктах питания и других объектах внешней среды (жидких и
сыпучих).
6. Дозиметр ДРГ-11Т "Рудник" – выполнен во взрыво-безопасном
исполнении и предназначен для измерения мощности экспозиционной дозы
3
(МЭД) гамма-излучения.
Мерой воздействия ионизирующего излучения является экспозиционная доза и
измеряется она в Рентгенах (Р) и его производных (млР, мкР), а количественную
сторону его характеризует мощность экспозиционной дозы, которая измеряется в
Рентгенах/сек (Р/сек.) и его производных (млР/час, мкР/час, мкР/сек).
Рентген – это доза рентгеновского или гамма-излучения в воздухе, при которой
на 0,001293 г воздуха образуются ионы с суммарным зарядом в одну
электростатическую единицу количества электричества каждого знака.
Поглощенная доза – количество энергии ионизирующего излучения которое
поглощено в элементарном объеме, отнесенной к массе вещества в этом объеме.
Единица поглощенной дозы – рад и его дольные значения, 1 рад = 0,01 Дж/кг.
Единица поглощенной дозы в системе СИ – грей, Гр, 1Гр=100рад=1Дж/кг-1
Эквивалентная доза – она равна произведению поглощенной дозы на средний
коэффициент качества ионизирующего излучения (Например: коэффициент
качества гамма-излучения составляет 1, а альфа-излучения – 20).
Единица измерения эквивалентной дозы – бэр (биологический эквивалент
рентгена) и его дольные единицы: миллибэр (мбэр), микробэр ( мкбэр) и т.д., 1 бэр
= 0,01 Дж/кг-1. Единица измерения эквивалентной дозы в системе СИ – зиверт, Зв,
1Зв=1Дж/кг-1= 100 бэр.
1 мбэр = 1*10-3 бэр; 1 мкбэр = 1*10-6 бэр;
Доза – это сокращенное название эквивалентной дозы – мощности
экспозиционной дозы умноженной на время экспозиции, единица измерения бэр.
Мощность дозы – сокращенное название мощности эквивалентной дозы.
Мощность эквивалентной дозы – это отношение приращения эквивалентной
дозы за интервал времени к этому интервалу времени, единица измерения бэр/час,
Зв/час.
Гамма-излучение возникает при ядерных реакциях и радиоактивных распадах, а
также при взаимодействии быстрых заряженных частиц с веществом и
присутствует в космическом излучении. Гамма-излучение, как и рентгеновское
излучение, распространяется со скоростью света в воздухе. Ионизирующая
способность гамма-излучения значительно меньше, чем альфа- или бета-частиц, но
обладает большей проникающей способностью, изменяющейся в широких
пределах. Механизм взаимодействия излучения с веществом зависит как от свойств
среды, так и от энергии излучения. Энергия гамма-квантов (фотонов) в свою
очередь определяется частотой и соответственно длинной волны излучения. С
увеличением энергии излучения и уменьшением длины волны меняется и
механизм взаимодействия.
Мощность экспозиционной дозы (в рентгенах в час), которая создается гаммаизлучением точечного источника активностью 1 мккюри на расстоянии 1 см от
него характеризуется гамма-постоянной (Г). При дозировке гамма-излучения в
терапии используется величина гамма-эквивалент радия (М) – количество радия
(мг), которое при идентичных условиях измерения создает такую же мощность
экспозиционной дозы гамма-излучения, как и данный радионуклид. Гаммаэквивалент выражается в миллиграм-эквивалентах радия.
Нейтроны непосредственно не создают в детекторе ионных пар. Однако,
взаимодействуя с веществом детектора, они вызывают разнообразные ядерные
реакции с образованием заряженных частиц и γ-квантов.
4
Это вторичное излучение можно зарегистрировать обычными детекторами,
такими, как ионизационная камера, сцинтилляционный счетчик и др.
Следовательно, детектор нейтронов представляет собой обычный детектор
заряженного или γ-излучения, в который помещено вещество, интенсивно
взаимодействующее с нейтронами. К главным критериям, по которым выбирается
вещество для детектора нейтронов, относятся: тип реакции, сечение реакции и
энергия вторичного излучения. Для детекторов нейтронов пригодны вещества с
высоким сечением реакции. Разнообразие ядерных реакций, вызываемых
нейтронами, и различная зависимость сечений реакций от энергии нейтронов
обусловили появление большого количества детекторов нейтронов. Как правило,
ядерная реакция на нейтронах, характеризующаяся высоким сечением для
медленных нейтронов, имеет малое сечение для быстрых нейтронов, и наоборот.
Поэтому потребовалось разработать детекторы для регистрации нейтронов в
определенных областях энергий. В них используют такие вещества, которые
избирательно реагируют с нейтронами именно в этих областях энергии нейтронов.
5