Радиоактивные элементы

F-световой поток, проходящий  через фотослой.

Между почернением рентгеновской  пленки и дозой излучения, в определенных пределах, существует прямая зависимость (при S от 0,4 до 1,2). Именно это свойство фотослоя используется при применении фотодозиметров. Но это же свойство накладывает ограничение на применение фотодозиметров для нужд индивидуальной дозиметрии.

Характеристику любого фотоматериала  можно получить следующим образом. На разных расстояниях от источника  облучения (Со⁶⁰) помещают несколько кусочков фотопленки. После некоторой экспозиции пленку проявляют и определяют степень почернения каждого кусочка пленки. Зная соответствующую дозу, строят характеристику. В результате таких определений находим чувствительность (S/D) фотоматериалов к излучению. S/D обычно выражается в «обратных рентгенах», т.е. задается определенная доза D в рентгенах, необходимая для определенного почернения S₀.

Еще одно свойство фотослоя - это «ход с жесткостью», т.е. при  разных энергиях гамма-квантов и при одинаковой дозе почернение будет разным и чем меньше энергия гамма-квантов, тем сильнее будет почернение.

Для того, чтобы избавиться от этого свойства фотослоя, в фотодозиметрах имеются фильтры, выравнивающие такую зависимость.

Широкое распространение  получили фотодозиметры ИФК-2,3 и ИФКУ. В настоящее время практически используются кассеты ИФКУ. Кассета ИФКУ изготавливается из пластмассы. Она состоит из корпуса, внутри которого запрессованы фильтры, крышки  . Для защиты от влаги кассета помещается в полиэтиленовый чехол.

Сцинтилляционный  метод.     Имеются вещества, которые отвечают вспышками света на пролет в них быстрых заряженных частиц. Такие вещества называются сцинтилляторами. Они могут быть жидкостями, кристаллами и пластиками.

      Экраны  из сульфита цинка, использованные  Резерфордом и другими исследователями  в начале 20 века  при изучении a-частиц, были сцинтилляторами.

 Таблица 8.1  Типы  сцинтилляторов

Таблица. Типы сцинтилляторов

	Плот-ность г/см2	Эффек-тивный  атомный   номер	Время  высвечи-вания      10 -9 с	Длина волны в  максимум  спектра, А	конверсионная  эф-сть  c  (для эл-нов) %	a/b, %	h  для b частиц %
Кристаллы
Органические сцинтилляторы
Нафталин         С10Н8	1,15	5,8	80	3450	1	-	1
Антрацен    С14Н10	1,25	5,8	30	4450	4	9	6
Толан  ( дифенилацетилен )	1,18		4	3900	3
Стильбен            С14Н12	1,16	5,7	6	4100	3	9	2,5
Терфенил в полистероле  С18Н14	1,23	5,8	4,5	4000	2	-	4,5
Неорганические сцинтилляторы
NаI (TL)	3,67	50	250	4100	6	44	-
Са.S ( Ag)	4,8		200	7600	10
Zn.S ( Ag)	4,09	27	11	4500	10	-	1
CsI  (TL)	4,5		700	5600	2
LiI (Eu)	4,96	52	1000	4600	4	95	-
Жидкости
Раствор  p-терфинила  в ксилоле ( 5 г/л )  с доб. бензола (0.1г/л)	0,86		2	3500	2
Раствор  p-терфинила в толуоле ( 4 г/л )  с доб.  бензола (0.1г/л)	0,86		2,7	4300	2,5
Пластики
Полистирол с  доб. p-терфинила ( 0.9% )  и a-NPO (0/05 вес.)	1,06		2,2	4000	1,6
Поливинилтолуол с доб. p- терф ( 3.4 %)  и бензола 0.1  вес. %	1,1		3	4300	2
Газы  (  740  мм  рт  ст  для    a- частиц  с энергией  4.7 Мэв )
Ксенон			10	3250	14
Криптон			10	3180	8,7
Аргон			10	2500	3
Азот			3	3900	2

Примечание:  Эффективный  атомный № вычислен по фотоэффекту.

 

Все сцинтилляторы характеризуются  тем, что обладают атомными или молекулярными   «оптическими»  уровнями, которые  возбуждаются кулоновским полем  пролетающей заряженной частицы. Оптический уровень в веществе сцинтиллятора  обычно создают добавкой небольших  количеств примесей специального типа в остальной чрезвычайно чистый материал.

        В  качестве неорганических сцинтилляторов  часто используют кристаллы йодистого  натрия с добавками таллия. Вследствие  большой атомной массы йода  эти кристаллы очень чувствительны  к гамма квантам (фотоэффект); гамма кванты из атомов йода  выбивают быстрые фотоэлектроны.  Электроны, которым  передаётся  энергия g - квантов, имеют ничтожный пробег  и всю свою  энергию оставляют в кристалле, которая преобразуется в световые  фотоны.

       Кристаллический  нафталин и антрацен - представители  используемых в сцинтилляционных  счетчиках органических кристаллов. Хорошо очищенный толуол (трифинилбензол) и минеральные масла - растворы, которые тоже используются в сцинтилляционных счетчиках. Их активируют, добавляя оксазоль, нафталин или антрацен.

       Счетчики  больших размеров можно изготовить, используя большие сосуды, заполненные  сцинтиллятором; можно получить  мишени больших площадей для  детектирования очень слабых  сигналов.

       Количество  света, испущенного сцинтиллятором, когда через него  пролетает   частица,  очень  мало  и   обычно  намного  меньше, чем  то, которое может увидеть человеческий  глаз или запечатлеть фотографическая  пластинка. По этой причине  свет собирают, отражая его от  внутренних поверхностей сосуда ( покрывая его слоем светоотражающего  вещества MgO₂, TiO₂ ) , заполненного сцинтиллятором, и направляют на очень чувствительные фотоэлементы так называемого фотоумножителя. В нем слабый световой импульс падает на очень чувствительный сурьмяно-цезиевый фотокатод ( квантовый выход = отношению числа вылетевших  электронов с фотокатода к числу падающих  на  него  квантов = 10 - 15 % ), в результате чего фотокатод испускает несколько электронов внутрь вакуумной трубки. Эти электроны ускоряются сильным электрическим полем и падают на второй электрод из которого они выбивают еще больше электронов. Эта группа электронов в свою очередь снова ускоряется и падает на третий электрод и выбивает еще большее число электронов и т. д. такой каскад доводят до 12 - 14 ступеней, с тем чтобы начальный электрический заряд, порожденный светом счетчика усилился в 10⁹ раз и более. Чувствительность  фотокатода  сильно  зависит от  частоты волны падающего света и определяется  его спектральной  характеристикой.

Высокий коэффициент усиления ФЭУ наряду с малым уровнем  собственных шумов делает возможной  регистрацию отдельных электронов, выбитых с фотокатода. Результирующий ток от фотоумножителя дает импульс напряжения, который легко измерить и который можно сделать пропорциональным количеству собранного света, то есть энергии, выделенной заряженной частицей в сцинтилляторе.

      Эффективная   работа  С. с.  возможна  только  в  том  случае , если  спектр  испускания  сцинтиллятора  надёжно   перекрывается  со  спектральной  характеристикой  ФЭУ. 

      Длительность  импульса может быть сделана  примерно равной времени собирания  света в сцинтилляторе ( 10^-9 сек. ), так что удается измерять интервалы времени примерно с такой же степенью точности. Доля энергии регистрируемой частицы, которая превращается в световую энергию называется   конверсионной  эффективностью. 

      Помимо  полезных  импульсов на  аноде   возникают и  фоновые  импульсы. Основной  причиной  фона  является  термоэлектронная  эмиссия  с   фотокатода  и  первого  динода, а также  процесс  холодного   вырывания  электронов  с   поверхности  электродов.

    Ещё  один  вид  фоновых  импульсов  - так  называемые  ложные  импульсы. Причиной  их  возникновения  чаще  всего  бывают  световые  кванты, которые  излучаются  молекулами  остаточного  газа, ионизуемого  электронными  лавинами. Число  ложных  импульсов  и  импульсов  фона  растёт  с  увеличением  напряжения  и  может  достигнуть  величины, при  которой  ФЭУ  выходит  из  строя.

    Для исследования  частиц малых энергий ( ҖŁ 0,1 МэВ ) и осколков деления ядер в качестве сцинтилляторов применяются некоторые газы. Газы обладают линейной зависимостью величины сигнала от энергии частицы в широком диапазоне энергий, быстродействие и возможность изменять тормозную способность изменением давления. Кроме того, источник может быть введен в объем газового сцинтиллятора. В случае газовых сцинтилляторов необходимо применять ФЭУ с кварцевыми окнами, так как значительная часть излучаемого света лежит в ультрафиолетовой области.

      Сц. метод регистрации нейтронов получил распространение в связи с тем, что для измерения допустимой  плотности потока  нейтронов требуется достаточно  высокая чувствительность. Вспышки люминесценции   от  быстрых нейтронов возникают в результате  торможения   образующихся  в сцинтилляторе протонов  и ядер  отдачи; от  промежуточных нейтронов - после их  замедления  до  тепловой  скорости  и захвата в сцинтилляторе и последующего  вылета  сильно  ионизирующих  частиц; под действием тепловых  нейтронов - непосредственно в результате  захвата.

       Для   практических  измерений  очень   удобно  использование  приборов,  в  которых  одним  детектором  регистрируются  нейтроны  всех  энергий от  тепловых  до  быстрых   в  единицах  эквивалентной   дозы.

       Детектор  такого  типа  представляет  собой   водородсодержащий  замедлитель  (плексиглас) оптимальных  размеров, в  центре  которого  расположен  детектор  тепловых  нейтронов  (сернистый  цинк  с  добавкой  солей  бора  или  лития)  и на  поверхности - люминесцентный  детектор  быстрых  нейтронов.

       Существующие  сц. имеют эффективный атомный номер либо меньше , чем у воздуха ( органические ), либо значительно больше ( неорганические ), поэтому они обладают значительным ходом с жесткостью,  начиная с энергии 150 - 250 кэВ.  Зависимость сц. эффективности (h) от вида частиц выражается отношением a/b  в %, где a-частицы имеют энергию 5,3 МэВ, а   b-частицы более 1 МэВ. Как следует из таблицы у органических сц. Z_эф  < Z_{воздуха}( по фотоэффекту ), для неорганических Z_эф  > Z_{воздуха}. Кроме того, у органических сц. конверсионная эффективность уменьшается с падением энергии. Поэтому в целом чувствительность органических сц. к воздушной керме фотонного излучения резко уменьшается в области низких энергий ( на 30 % ниже ,чем при 200 кэВ ). У неорганических  сц.  конверсионная эффективность постоянна во  всём  диапазоне, поэтому с ростом  энергии чувствительность  к воздушной керме быстро  падает.

  Ход  с жёсткостью  сц.  дозиметров  удаётся понизить  применением комбинированных сц.

Важными преимуществами сцинтилляторов являются высокая плотность, обеспечивающая более высокую чувствительность к проникающим излучениям, и возможность  создания тканеэквивалентных детекторов.   

        Термолюминесцентный    метод. Некоторые  вещества могут накапливать часть энергии поглощенного ИИ и отдавать её в виде светового свечения после дополнительного воздействия ультрафиолетовым, видимым светом или нагревом. Последующий отжиг при высокой температуре ( 400 ⁰С ) приводит к полному высвечиванию и позволяет многократно использовать один и тот же люминофор. Такие люминофоры удобны как индивидуальные дозиметры для рентгеновского, нейтронного и гамма-излучения. Люминесцентные методы дозиметрии основаны на эффектах радиофотолюминесценции ( ФЛД ) или радиотермолюминесценции ( ТЛД ).

         В первом случае под действием  излучения в люминофоре ( щелочно-галлоидные соединения типа натрий- йод, литий- фтор, фосфатные стекла, активированные серебром ) создаются центры фотолюминесценции, содержащие атомы и ионы серебра. Последующие освещения ФЛД у.ф. светом вызывает видимую люминесценцию, интенсивность которой в начале ( 10^-2 - 10 Гр ) пропорциональна дозе, ( от 10 - 10² Гр ) достигает максимума и при дальнейшем увеличении дозы падает, т.е. линейность сохраняется до 10 Гр. Образованные центры люминесценции не разрушаются в процессе освещения ФЛД у.ф. светом, поэтому измерение дозы могут производится неоднократно. Некоторые типы ФЛД сохраняют информацию о дозе в пределах 10 % в течении нескольких лет, начиная с 2 часов после облучения. Метафосфатные ФЛД, содержащие серебро, алюминий, фосфор, кислород и другие примеси, имеют высокий эффективный номер

( 12,6 - 17,9 ) и поэтому большой  ход с жесткостью ( 4 - 11 раз соответственно ) в диапазоне 50 кэВ-1 МэВ. Фоновая  доза в следствие собственной  люминесценции составляет 10^-3 - 10^-1 Гр.

         В диапазоне от 10 до 10⁴ Гр можно использовать вместо люминесценции эффект потемнения стекол ФЛД, т.к. они при этих дозах окрашиваются.

          Радиотермолюминесцентные  дозиметры ТЛД преобразуют поглощенную энергию ионизирующего излучения в люминесценцию под действием теплового возбуждения ( нагрева ). В ТЛД происходит разрушение центров люминесценции, созданных и.и., когда их нагревают, чтобы вызвать их люминесценцию. Интенсивность последней пропорциональна дозе излучения. Кривая высвечивания ТЛД зависит от температуры дозиметра, т.е. от времени нагрева, и обычно имеет несколько максимумов, соответствующих различным энергетическим уровням ловушек электронов - центров люминесценции.

       Дозу  измеряют по площади пиков  или по высоте пика главного  максимума. Для повторного использования  ТЛД отжигают при температуре  400 ⁰С, чтобы полностью снять прежние центры люминесценции. Преимущество ТЛД над ФЛД состоит в более широком линейном диапазоне измерения дозы. Для ТЛД дозиметров используют СаF₂, LiF, алюмофосфатные стекла, активированные серебром или оксидом марганца.   Серийные дозиметры на основе LiF дают возможность измерять дозу от 1 мГр до 10 Гр при потери информации до 5 % в год и ходе с жесткостью не более 30 % в диапазоне от 60 кэВ до 1,25 МэВ.

      Недостатками  ТЛД  дозиметров  являются  уменьшение  их  чувствительности  после  отжига  в  результате  укрупнения  зёрен  и  ограниченная  многократность  использования   каждого  дозиметра.

 

 

 

 

 

Дозиметрические приборы, правила их использования.

Общие требования к дозиметрическим приборам, начала метрологии, классы приборов.

Поверка, проверка работоспособности.

В соответствии с ГОСТ 29074-91 «Аппаратура  контроля радиационной обстановки. Общие требования» технические средства, входящие в состав аппаратуры контроля радиационной обстановки, классифицируются по ряду признаков, в том числе по функциональному назначению, контролируемому радиационному параметру, виду ионизирующего излучения, назначению при эксплуатации и т.д. По назначению технические средства подразделяются на: эталонные, рабочие средства измерений и индикаторы. Для разных по функциональному назначению типов технических средств предусмотрен свой порядок метрологического обеспечения.

Следует указать на принципиальные различия, существующие между тремя  типами технических средств: собственно средствами измерений; техническими средствами с нормируемыми характеристиками и индикаторами.