Приборы, используемые в дозиметрии

• фединг (спад показаний во времени);
• диапазон энергий излучения;
• вид регистрируемого излучения;
• тип первичного преобразователя;
• мощность дозы;
• энергетическая зависимость.

Фотографический метод. С помощью фотографического метода были получены первые сведения об ионизирующих излучениях радиоактивных веществ. Этот метода основан на степени почернения фотоэмульсии. В состав светочувствительной эмульсии входит бромистое серебро (или иная соль серебра), находящаяся внутри слоя желатина. При облучении светочувствительного слоя фотонами (или иными видами излучения), воздействие будут оказывать электроны, образованные в пространстве, окружающем фотоэмульсию. Электроны взаимодействуют с AgBr, нейтрализуя положительный ион серебра и образуя тем самым на поверхности зёрен центры проявления – атомы металлического серебра. В дальнейшем под действием проявителя эти центры способствуют восстановлению металлического серебра из зёрен AgBr вокруг себя. При фиксировании происходят растворение и удаление из эмульсии кристаллов AgBr, не содержащих центров проявления.

Фотоэмульсии  различной чувствительности используются для дозиметрии в широком диапазоне доз. Фотоплёнки помещают в специальные кассеты вместе с фильтром, предназначенным для улучшения энергетической характеристики и для дискриминации отдельных видов излучения.

Химически обработанная плёнка имеет прозрачные и почерневшие места, которые  соответствуют незасвеченным и  засвеченным участкам фотоэмульсии. Используя этот эффект для дозиметрии, можно устанавливать связь между  степенью почернения плёнки и поглощённой дозой, которую определяют по оптическому пропусканию с помощью денситометра.

Недостатком метода является невысокая чувствительность к малым дозам излучения и  зависимость результатов измерений  от условий обработки плёнки.

Химический  метод основан на регистрации необратимых химических изменений, производимых излучением в веществе. Продукты химических реакций определяются либо непосредственно (по изменению цвета и т.п.), либо косвенно с помощью способов химического анализа (титрование, спектрофотометрия и др.). Одним из таких химических методов является ферросульфатный метод дозиметрии. Анализируемый раствор содержит сульфат железа в разбавленной серной кислоте, насыщенной кислородом. Под действием излучения среди различных продуктов разложения молекул воды возникают и радикалы . Ионы двухвалентного железа, имеющиеся в растворе, взаимодействуют с ( ), вызывая образование ионов трёхвалентного железа. Количество ионов , образованных в анализируемом растворе под действием радиации, пропорционально экспозиционной дозе (мощности экспозиционной дозы). Концентрацию ионов определяют сравнением оптической плотности (ОП) облучённого и необлучённого растворов с помощью спектрофотометра:

 

n×,

(2.12)

 

где =2174 л/(моль×см) при 23,7°С - молярный коэффициент, характеризующий ослабление света в результате поглощения и рассеяния;

d - толщина слоя исследуемого раствора, см;

n= 15,3 мкмоль - выход реакции ионов на 1 л 0,8 н. раствора на 1000 р;

t - время облучения, ч.

 

На выход  ионов  влияют концентрация кислорода, присутствие органических примесей (уменьшается n  при уменьшении концентрации кислорода и наличии органики).

В состав химических дозиметров тепловых нейтронов  добавляют небольшое количество солей бора или лития. Основным компонентом дозиметра данного метода является вода, и по поглощению фотонного излучения эффективный атомный номер раствора близок к эффективному атомному номеру воды, а, следовательно, и живой ткани. Поэтому дозиметр практически не имеет хода с жесткостью в диапазоне энергий 100 кэВ¸2 МэВ. Погрешность измерения составляет не более 1 %.

Недостатком метода является самопроизвольное изменение  параметров раствора и без облучения  при хранении, вследствие чего он должен быть приготовлен непосредственно перед измерением.

Биологический метод дозиметрии занимает особое место  в клинической дозиметрии, поскольку  использует в качестве меры дозиметрической  величины количественные радиобиологические эффекты, например хромосомные аберрации, изменение морфологического состава крови и другие показатели, однозначно связанные с дозиметрией ионизационных излучений. В биологическом методе вид преобразований в облученном веществе зависит от типа ионизирующего излучения. Поток заряженных частиц, проходя через вещество, взаимодействует, в основном, с электронами атомов и передает им свою энергия, которая расходуется на ионизацию и возбуждение атома.

Биологические эффекты, наблюдаемые под воздействием заряженных частиц, нейтронов и квантов, обусловлены не их физической природой, а количеством поглощенной энергии и ее пространственным распределением, характеризуемым линейной плотностью ионизации. Чем выше линейная плотность ионизации или, иначе, линейная передача энергии (ЛПЭ), тем больше степень биологического повреждения.

Эта степень  определяет относительную биологическую  эффективность (ОБЭ) различного рода излучений.

Биологическое действие излучения является основой  биологической дозиметрии и используется главным образом для установления ОБЭ. Биологические методы дозиметрии базируются на определении морфологических и функциональных изменений, возникающих в организме под влиянием облучения. величину дозы оценивают по уровню летальности животных, изменению окраски кожи, выпадению волос, появлению или увеличению содержания некоторых веществ в моче, изменению количества кровяных клеток, т.е. состава крови и др.

Биологические методы дают в основном качественную дозиметрическую оценку. Биологические  методы не очень точны.

Ионизационный метод. Этот метод основан на ионизирующем действии g-квантов и заряженных частиц. Для измерения во всех случаях используется ионизационная камера и регистрирующая система. Электрическое поле между двумя электродами ионизационной камеры, заполненной газом, создаётся от внешнего источника. Излучение вызывает возникновение ионов в газе камеры. Под действием электрического поля на хаотическое движение ионов накладывается движение дрейфа (собирание ионов на соответствующих электродах). В цепи возникает ток, который и регистрируется чувствительным прибором. Если разность потенциалов увеличивать при постоянной интенсивности излучения, то ток вначале увеличивается (рис. 1 (а)) пропорционально приложенной разности потенциалов, а затем его увеличение замедляется до тех пор, пока он не становится постоянным по величине. При очень больших разностях потенциалов ток снова возрастает, пока не наступит пробой (рис. 1 (в)).

 

Рисунок 2.1 - Вольт-амперная характеристика ионизационной камеры.

 

На участке  «б» скорость движения ионов возрастает (вероятность рекомбинации уменьшается до нуля и все ионы попадают на электроды). При этом ионизационный ток достигает постоянного значения (насыщения) – I_нас. Ионизационные камеры обычно работают в режиме тока насыщения, при котором каждый акт ионизации даёт составляющую тока. По току насыщения определяются интенсивность излучения и количество радиоактивного вещества.

Ионизацию разделяют на объёмную (равномерную  по всему объёму, происходящую при нормальном давлении газа под действием b- и g-излучения) и колонную (возникающую при прохождении через газ a-частиц и протонов, а также при высоких давлениях в газе от g- и b-излучений).

В зависимости  от назначения ионизационные камеры подразделяют на 2 основные группы:

1) импульсные, предназначенные для измерения  числа частиц и их энергии путём регистрации импульсов тока, возникающих в камере при прохождении через неё заряженных частиц;

2) интегрирующие,  предназначенные для измерения  ионизационного тока, возникающего при прохождении через камеру потока частиц за некоторый интервал времени.

Газовый счётчик представляет собой датчик (по конструкции аналогичный ионизационной камере), предназначенный для регистрации отдельных ядерных частиц. В отличие от ионизационных камер в газовых счётчиках для усиления ионизационного тока используется газовый разряд. Благодаря высокой чувствительности газовый счётчик реагирует на каждую частицу, возникшую внутри объёма газа, или проникшую в него из стенки счётчика. В зависимости от характера используемого газового разряда счётчики можно разделить на 2 типа:

1. пропорциональные счётчики (с несамостоятельным разрядом);
2. счётчики Гейгера (с самостоятельным разрядом).

При небольших  разностях потенциалов счётчик  работает в режиме ионизационной камеры (I), рис. 2, т.е. величина импульса в некотором интервале напряжений не зависит от U, а определяется только количеством ионов, которые образуются в газовом объёме счётчика ионизирующей частицей.

 

Рисунок 2.2 Зависимость амплитуды импульса тока в газовом счётчике от внешнего напряжения (U), приложенного к его электродам, при прохождении заряженных частиц через газовый объём счётчика.

 

Амплитуда импульса строго пропорциональна начальной  ионизации (от a-частиц величина импульса больше (ЛПЭ выше), чем от b-частиц), следовательно, пропорциональна и энергии, оставленной частицей в счётчике.

При дальнейшем увеличении U на электродах счётчика амплитуда импульса возрастает, т.к. при этом вторичные электроны в усиливающемся электрическом поле приобретают достаточную кинетическую энергию, чтобы произвести ударную ионизацию нейтральных молекул газа на пути своего свободного пробега. В свою очередь вновь образованные электроны ускоряются электрическим полем и ионизируют новые молекулы. При этом возникает лавинный разряд, который сразу прекращается, как только образованные электроны и ионы достигнут соответствующих электродов счётчика (несамостоятельный разряд).

Увеличение  ионизационного тока с использованием несамостоятельного разряда называется газовым усилением, а отношение  числа ионов, образовавшихся в результате газового усиления и достигших электродов, к первоначальному числу ионов, образованных ионизирующей частицей, называется коэффициентом газового усиления (k). Для области ионизационной камеры (I) k = 1.

Из сравнения  амплитуд импульсов в пропорциональной области (II) при прохождении β- и α-частиц видно, что они пропорциональны начальной ионизации. Коэффициент пропорциональности изменяется от 1 в начале области II до 10⁴ в конце её.

Счётчики, в которых амплитуда импульсов  пропорциональна потерянной энергии  частиц в газовом объёме, называют пропорциональными.

В области  III (область Гейгера) величина амплитуды импульса тока совершенно не зависит от начальной ионизации. Все импульсы при заданном напряжении независимо от рода ионизирующих частиц имеют одинаковую амплитуду. Каждый вторичный электрон, возникший в объёме счётчика, вызывает вспышку самостоятельного разряда. Счётчики, с самостоятельным разрядом работающие в этой области, называют гейгеровскими.

Люминесцентный  метод дозиметрии основан на том, что в некоторых веществах (люминофорах) образованные под действием ионизирующего  излучения носители заряда (электроны и дырки) локализуются в центрах захвата, благодаря чему происходит накопление поглощенной энергии, которая может затем высвобождаться при дополнительном внешнем воздействии (возбуждении).

В дальнейшем световые вспышки переводятся в  электрический сигнал. В зависимости  от внешнего воздействия на люминофор  различают методы, основанные на фото-, радиофото-, радиотермолюминесценции, термостимулированной экзоэмиссии, на эффекте радиационно-стимуллированного измерения концентрации носителей заряда в полупроводниках с p-n- переходом и т.п. Соответственно на основе различных твердотельных материалов разработаны фото- и термолюминесцентные детекторы, термоэлектронные и полупроводниковые детекторы, обладающие разнообразными эксплуатационными возможностями и технико-экономическими показателями.

Так, основанные на эффекте свечения при нагреве  облученных твердых тел (кристаллофосфоров) термолюминесцентные детекторы (ТЛД) могут использоваться при повышенных температурах (в зависимости от температурного положения характеристического максимума), обладают достаточно высокой чувствительностью к ионизирующим излучениям различного вида (в зависимости от материала).

Радиолюминесцентные методы (диапазон доз от 10^-8 до 10⁴ Гр) основаны на том, что образованные в люминофоре под действием ионизирующего излучения неравновесные носители заряда (электроны и дырки) локализуются на центрах захвата и удерживаются на них после прекращения облучения. При последующем возбуждении люминофора (ИК или УФ излучением, нагревом) наблюдается соответственно фото- или термолюминесценция, квантовый выход которой пропорционален поглощенной дозе. Радиофотолюминесцентный стеклянный детектор может состоять, например, из 3,6% (по массе) Li, 0,8% В, 33,3% Р, 4,6% Аl и 53,5% О; активатор Ag (4,2%). Радиотермолюминесцентный детектор м. б. изготовлен из LiF, активированного Мn, или из CaF₂, активированного к.-л. РЗЭ. Достоинства радиолюминесцентных детекторов - высокая чувствительность при малых габаритах (квантовый выход люминесценции до ~ 10¹³ квант/(г.Гр)), длительное хранение дозиметрической информации (до 10⁶ лет). Радиотермолюминесцентные дозиметры используют в индивидуальном дозиметрическом контроле.

К радиолюминесцентным относят  и сцинтилляционные детекторы, хотя для получения информации о поглощенной  дозе с их помощью не требуется  дополнительного термического или  др. возбуждения. Сцинтилляционными  детекторами служат, например, NaI, ZnS, активированный Ag. Они используются в приборах, измеряющих мощность дозы; их чувствительность зависит от объема: при объеме 1 см³ верхний и нижний пределы мощностей дозы, регистрируемых детекторами, составляют 10^-6 и 10^-10 Гр/с соответственно.