Приборы, используемые в дозиметрии

Калориметрический метод дозиметрии (диапазон поглощенных доз от 1 до 10⁶ Гр) основан на измерении приращения температуры dТ, вызванного поглощением веществом порции dE энергии излучения в калориметре. При отсутствии необратимых химических реакций:

 

dТ =,

(2.13)

 

 где Т - масса поглотителя;

       с - его теплоемкость.

 

Используют  главным образом адиабатические, изотермические, проточные калориметры; поглотители - металлы, графит и др. Недостатки метода -низкая чувствительность и сложность аппаратурного оформления. Метод применяют в основном для определения коэффициента пропорциональности, связывающих радиационные эффекты с поглощенной дозой в относительных методах дозиметрии, и для калибровки дозиметрических детекторов.

Нейтронная  дозиметрия. Для регистрации нейтронов используют различные виды вторичных излучений, возникающих в результате ядерных реакций или рассеяния электронов на ядрах атомов вещества, используемого для дозиметрии. При этом энергия электронов в поглощающей среде преобразуется в энергию протонов и ядер отдачи, α-частиц, γ-квантов и продуктов деления.

Для дозиметрии тепловых нейтронов используют реакцию  захвата (n, γ), для регистрации быстрых нейтронов – упругое и неупругое рассеяние, а для определения потоков нейтронов с промежуточной энергией рекомендуется уменьшить их энергию до тепловой, пропустив через слой парафина или другого замедлителя. Конструктивно счётчик нейтронов с промежуточной энергией выполняется в виде полой сферы из парафина со стенкой, толщиной порядка 15 см, в центре которой помещается счётчик тепловых нейтронов. Предполагается, что нейтроны промежуточных энергий, падающие на поверхность сферы, будут создавать в её центре поток тепловых нейтронов, который будет пропорционален биологической дозе.

Дозиметрия  по существу сводится к определению  потоков нейтронов с помощью  пропорциональных счётчиков, ионизационных  камер, радиационно-химических реакций, фотопластинок. Дозу быстрых нейтронов  для поглощающей среды с известными параметрами можно рассчитать по формуле:

 

D=E,

(2.14)

 

где Е  – энергия нейтронов;

     - поперечное сечение взаимодействия нейтронов с атомами i-того типа;

     -с редняя доля энергии, теряемая при соударении нейтрона с i-тым атомом;

     c_i – число атомов i-того элемента в 1 г поглотителя.

 

В таблице 4 приведен результат анализа достоинств и недостатков наиболее часто применяемых методов дозиметрии.

Таблица 4 - Сравнительный анализ методов дозиметрии

Метод	Достоинства	Недостатки
Фотографический	- низкая стоимость детектора и аппаратуры; - документирование; - возможность получения информации o качестве излучения, об умышленном облучении	- большая энергетическая зависимость; - относительная сложность и трудоемкость обработки детектора, требующей стандартных условий; -применение расходных материалов
Ионизационный	- низкая стоимость, простота, доступность детектора и аппаратуры; - оперативность получения информации, прямой отсчет дозы в некоторых моделях	- значительная энергетическая зависимость большинства моделей; - зависимость показаний от мощности дозы
Радиофотолюминесцентный (РФЛ)	Возможность повторного измерения дозы	- значительная энергетическая зависимость; -большая чувствительность к загрязнениям поверхности детектора
Термолюминесцентный (ТЛД)	- отсутствие зависимости показаний от мощности дозы; - сравнительно небольшая энергетическая зависимость; - возможность полной автоматизации процесса измерения, записи показаний и передачи их в ЭВМ	- изменение чувствительности детекторов к излучению; - сложность аппаратуры; - высокая начальная стоимость; - потеря информации после считывания

 

Целью применения методов дозиметрии в является:

• контроль облучения;
• контроль радиоактивного заражения радиоактивными веществами людей;
• радиометрический контроль загрязненности кожных покровов и средств индивидуальной защиты;
• контроль характера, динамики и уровня поступления радиоактивных веществ в организм с использованием методов прямой и косвенной радиометрии;
• определение поглощенных доз облучения в отдельных органах, тканях, частях тела и во всем теле пострадавшего для оценки тяжести радиационного поражения, планирования лечения и оценки исхода аварийного облучения пострадавшего.

 

 

2.3 Приборы, используемые  в дозиметрии 

 

Важнейшая задача дозиметрии - определение дозы излучения в различных средах и особенно в тканях живого организма. Целью дозиметрии является измерение, исследование и теоретические расчеты дозиметрических величин для предсказания или оценки радиационного эффекта, в частности  радиобиологического эффекта. Для этой цели используют различные расчетные и экспериментальные методы.

Количественное  определение дозы излучения, действующей  на живой организм, необходимо, прежде всего, для выявления, оценки и предупреждения возможной радиационной опасности для человека.

Наряду  с экспериментальными методами в  дозиметрии широко используют расчетные методы определения дозиметрических величин, основанные на законах взаимодействия излучений с веществом.

В соответствии с функциональным назначением аппаратура для проведения дозиметрии и радиометрии представлена двумя классами приборов:

1) Дозиметры - приборы для измерения экспозиционной и поглощенной доз излучения или соответствующих мощностей доз рентгеновского и гамма-излучений; в дозиметрии градуировка приборов осуществляется в единицах дозы или мощности дозы.

2) Радиометры - приборы для определения радиоактивности и ее удельной величины.

По  конструктивным особенностям приборы  подразделяются на:

• карманные (для индивидуального дозиметрического и радиометрического контроля);
• переносные (для группового дозиметрического и радиационно-технологического контроля, определения радиоактивности и ее удельной величины в объектах окружающей среды - гамма-картирование поверхности почв, определение радиоактивного загрязнения зданий и сооружений, сельскохозяйственных машин и т.п.);
• стационарные установки (для непрерывного дозиметрического и радиационно-технологического контроля в радиационно-опасных местах, определения удельной массовой или объемной радиоактивности проб почвы, растительности, кормов, продуктов питания, воды и т.д.).

Радиометрические  и дозиметрические приборы состоят  из детектора с источником электрического питания, устройства для преобразования информации от детектора и регистрирующего устройства (блока регистрации). Приборы характеризуются определенными техническими параметрами:

-   чувствительность прибора - величина нижнего предела излучений, которые могут устойчиво регистрироваться прибором. Чувствительность зависит от минимальных заряда, вспышки, длины трека, для которых функция отклика (выходной сигнал) выше фона. В основном чувствительность зависит от энергии частицы;

- разрешающее время - наименьшее время, за которое два импульса, следующие друг за другом, регистрируются отдельно;

-   энергетическое разрешение - характеризует минимальное различие в энергиях двух групп частиц, при котором их регистрируют как частицы с разными энергиями;

-   избирательная способность - свойство детектора регистрировать частицы только определенного вида. Универсальным является детектор, который идентифицирует частицы, т.е. определяет тип зарегистрированной частицы и сортирует информацию;

-   функция отклика - определяет связь между свойствами регистрируемой частицы и характеристиками сигнала. Зная ее, можно по характеристике сигнала определить параметры излучения;

-   температурная  устойчивость - свидетельствует об устойчивых показаниях прибора при разных температурах;

- механическая устойчивость - характеризует способность прибора противостоять различным механическим воздействиям без изменения точности показаний.

По принципу регистрации  частиц приборы делятся  на следующие группы:

• трековые детекторы;
• газонаполненные ионизационные детекторы;
• сцинтилляционные детекторы;
• полупроводниковые детекторы.

Одним из первых трековых детекторов является камера Вильсона. Действие камеры основано на конденсации пересыщенного пара (образовании мелких капелек жидкости) на ионах, возникающих вдоль следа (трека) заряженной частицы. Каждой парогазовой смеси соответствует определенная предельная концентрация пара. Если в условиях насыщенного пара резко понизить температуру, то пар окажется перенасыщенным. Такое состояние парогазовой системы неустойчиво и избыток пара будет конденсироваться. Частица, которая попадает в камеру в течение времени чувствительности, создает центры конденсации, и вдоль трека частицы возникают капли конденсата. Трек фотографируется.

Ионизационные детекторы радиоактивности. Методы основаны на использовании прохождения электрического тока через газы или твердые полупроводники. Реализацию ионизационных методов осуществляют разными приборами: электроскопом, ионизационной камерой, счетчиком Гейгера-Мюллера, полупроводниковыми детекторами.   Наибольшее распространение получили счетчики Гейгер-Мюллера, а в настоящее время полупроводниковые детекторы. В газонаполненных ионизационных детекторах рабочим телом является газ (например инертный, аргон). Заряженная частица, попадая в него, вызывает ионизацию газа, т.е. образование пар: электронов и положительно заряженных частиц.  Если в газе создать электрическое поле, то под его действием заряды начнут упорядочено двигаться, в результате сформируется «лавина электронов», устремляющихся к положительно заряженному аноду, собираются на нем и вызывают падение напряжения, которое фиксируется регистрирующим устройством в виде импульса. Это явление используют для регистрации частиц. Дозиметр такого типа (например, ДК-02) обычно имеет вид авторучки с окошком у торца. Визуальный просмотр прибора в проходящем свете позволяет увидеть нить, которая перемещается по шкале доз. В других случаях дозиметр может быть «слепым», а накопленную дозу можно определить с помощью отдельного устройства в виде разности потенциалов на электродах камеры.

 Полупроводниковый детектор можно рассматривать как аналог  газоразрядного счетчика, в котором рабочим телом является не газ, а полупроводник. Основными полупроводниковыми материалами, используемыми для детекторов данного вида, являются германий и кремний. Отличие дозиметров, в которых используются газоразрядные, сцинтилляционные и полупроводниковые детекторы, от радиометров заключается в градуировке в единицах дозы, а не в единицах скорости счета.

Наблюдение  сцинтилляций является одним из первых методов регистрации ядерных излучений. Метод основан на том, что при взаимодействии быстрой частицы с некоторыми веществами в последних возникают световые микровспышки (сцинтилляции), которые затем регистрируются. Оптический сигнал (вспышка света) превращается в электрический сигнал  при помощи электровакуумного прибора – фотоэлектронного фотоумножителя (ФЭУ), получающий ускорение в электрическом поле, образовавшаяся «лавина электронов» создает импульс напряжения, фиксируемый регистрирующим устройством. Сцинтилляционные детекторы применяются для регистрации любых видов излучений.

В зависимости  от способа вывода информации дозиметры  бывают:

• индицирующие мощность дозы (прямопоказывающие);
• индицирующие дозу (накапливающие);
• универсальные.

В зависимости  от области применения (диапазона  мощности доз) дозиметры подразделяются на  бытовые и профессиональные.

Бытовые дозиметры, например ИРД-02 и МС-04Б, выпускаются в основном для населения и используются для измерения малых (на уровне фона) доз. Дозиметр ИРД-02 - прямопоказывающий дозиметр — это прибор, которые непрерывно измеряют мощность дозы в текущее время.  Такие приборы удобно использовать в условиях меняющихся дозовых нагрузок, так как они позволяют осуществлять оперативный контроль.

Профессиональные  дозиметры использует, как правило, персонал ядерных  объектов. Такие дозиметры, например ДКС-04, не позволяют измерять значения уровня естественного радиационного фона. На рисунке 3 изображены схемы дозиметров ИРД-02 и ДКС-04.

 

 

Рисунок 2.3 - Схема дозиметра ИРД-02 и дозиметра ДКС-04

 

Дозиметр  ИРД-02: 1- жидкокристаллический дисплей, 2 – источник звукового сигнала, 3 – переключатель режима работы, 4- выключатель, 5 – краткое описание для пользователя;

Дозиметр  ДКС-04: 1 – кнопка «Контроль питания/доза», 2 – жидкокристаллический дисплей, 3 – переключатель режима работы, 4 – выключатель, 5 – блок питания, 6 – контакты для модификации питания, 7 – счетчик Гейгера-Мюллера.