Основные методы обнаружения и измерения ионизирующих излучений. Классификация приборов радиационного контроля

Для того чтобы обнаружить и измерить ионизирующие излучения, их количественно и качественно охарактеризовать, используются специальные приборы радиационной разведки, контроля полученных доз облучения и степени загрязнения окружающей среды, продуктов питания, различных поверхностей и т.д.

Несмотря на различное назначение, все приборы, предназначенные для данных целей, устроены, в основном, одинаково. В каждом приборе первичный измерительный акт обусловлен взаимодействием ионизирующих излучений с веществом детектора измерительного прибора. Детектирование радиоактивных излучений основано на регистрации эффектов, которые они вызывают при прохождении через вещество, на способности этих излучений ионизировать среду, в которой они распространяются.

В зависимости от природы регистрируемого явления, происходящего в среде под влиянием ионизирующих излучений различают следующие методы обнаружения и измерения параметров ионизирующих излучений.

Ионизационный метод. Под действием излучения в газах и воздухе в результате ионизации образуются электроны и ионы. Если ионизация газа происходит в слое газа между двумя электродами, которые имеют разные потенциалы, то ионы и электроны будут двигаться к соответствующим электродам и в цепи возникнет электрический ток. По величине этого тока можно судить об интенсивности ионизационного эффекта (ионизационные камеры, пропорциональные счетчики, счетчики Гейгера-Мюллера). Счетчики Гейгера-Мюллера применяются для регистрации всех видов излучений, но чаще для регистрации электронов. Гамма-кванты по причине их малой ионизирующей способности обычно не регистрируются (регистрируется один из 100).

Сцинтилляционный метод. Некоторые вещества под действием излучений могут излучать свет в видимом диапазоне (светиться) вследствие перехода атомов или молекул из возбужденного состояния в основное. Эта энергия в виде вспышек света получила название сцинтилляций, которые могут быть зарегистрированы различными способами. Например, наблюдением или с помощью фотоэлектронных умножителей энергия этих световых вспышек через процессы фотоэффекта превращается в импульсы электрического тока. По их количеству судят об интенсивности ионизирующих излучений.

В основе сцинтилляционного метода лежит явление люминесценции (холодного свечения вещества), которое вызвано ионизацией и возбуждением атомов, когда электроны переходят на более высокие энергетические уровни и через некоторое время возвращаются в основное состояние.

Химический метод. Поглощение энергии веществом может вызывать различные химические реакции, при которых происходят определенные изменения в самих веществах. Возбужденные атомы и молекулы диссоциируют, образуя, свободные радикалы. Образованные ионы и свободные радикалы вступают в реакции между собой или с другими атомами и молекулами, образуя новые химические вещества, которые могут давать цветную реакцию с красителем. По величине интенсивности, например, окраски судят о количестве поглощенной энергии излучения.

С помощью этого метода измеряется доза гамма - и нейтронного излучения. Дозы измеряются в пределах 10-100 Р и выше.

Фотографический метод. Фотографические детекторы основаны на свойстве ионизирующих излучений воздействовать на чувствительный слой фотоматериалов аналогично видимому свету. Для данных целей применяют рентгеновские пленки, представляющие собой чувствительную эмульсию, нанесенную с одной или двух сторон на целлулоидную подложку. В состав эмульсии входит бромистое или хлористое серебро, равномерно распределенное в слое желатина.

Под действием ионизирующих излучений бромид серебра распадается на бром и серебро. Образовавшиеся кристаллы серебра при проявлении фотопластинки вызывают ее почернение. Интенсивность почернения пропорциональна поглощенной энергии излучения (поглощенной дозе). Сравнивая плотность почернения с эталоном, определяют дозу излучения (экспозиционную или поглощенную).

Установлено, что детектирование g-излучений является наиболее простым. Измерение и контроль b - и α – излучений имеет определенные сложности, которые заключаются в том, что радиоактивность указанные источников можно определить только с поверхностного слоя образца. Точное измерение активности b - и a-излучений требует радиохимического выделения радиоактивных элементов.

Основной задачей дозиметрии является обнаружение и оценка степени опасности ионизирующих излучений для населения в различных условиях радиационной обстановки.

С помощью приборов радиационного контроля можно: обнаружить и измерить мощность экспозиционной и поглощенной дозы излучения; измерить активность радиоактивных веществ, плотность потока излучений, измерить удельную, объемную, поверхностную активность различных объектов; провести лабораторное измерение степени загрязнения радиоактивными веществами продуктов питания, воды и т.д.

Классификация проборов радиационного контроля осуществляется по их назначению, типу датчиков, измерению вида излучения, характеру электрических сигналов, преобразуемых схемой прибора. Почти все современные дозиметрические приборы работают на основе ионизационного метода. Основными составляющими приборов являются детекторы излучений, служащие для обнаружения излучений; электрическая схема преобразования импульсов; измерительные или регистрирующие устройства; источники тока.

По функциональному назначению приборы подразделяются на индикаторы, радиометры, рентгенометры, дозиметры, спектрометры. Датчиками являются газоразрядный и сцинтилляционный счетчики. Измеряют a - и b - излучения и небольшие уровни g - излучений. Для более точных измерений имеются стационарные радиометры.

Индикаторы - простейшие приборы, при помощи которых обнаруживается ионизирующее излучение и производится ориентировочная оценка мощности дозы, главным образом, b - и g – излучений. Датчиком у них служат газоразрядные счетчики. Приборы имеют, как правило, световую или звуковую индикации. С их помощью можно установить возрастание или уменьшение мощности дозы излучения.

Дозиметры – предназначены для определения суммарной дозы облучения и мощности экспозиционной дозы. В качестве детекторов используются ионизационные камеры, газоразрядные счетчики, сцинтилляционные счетчики и др. (например, ДКС-АТ5350, рис. 91.; ДКС – АТ3509, рис.2.). Промышленность выпускает так называемые бытовые (карманные) дозиметры, предназначенные для измерения экспозиционной дозы в воздухе. В основном их используют в загрязненных районах для контроля уровня g - фона.

Рис.91. Универсальный высокоточный широкодиапазонный дозиметр рентгеновского и гамма-излучения

Представленный на рисунке прибор используется в области лучевой терапии, клинической дозиметрии, радиационной защиты, метрологии ионизирующих излучений, а также для физических исследований.

Рис.92. Индивидуальный дозиметр

Данный прибор применяется в рентгенологии, радиотерапии, ядерной медицине, ядерных исследованиях. С его помощью можно проводить одновременное измерение дозовых нагрузок на внутренние органы, кожные покровы и слизистые оболочки.

Рентгенометры – приборы, предназначенные для измерения мощности дозы рентгеновского или g - излучений. Детекторами в них являются ионизационные камеры или газоразрядные счетчики. Диапазон измерений – от сотых долей рентгена до нескольких сот рентген в час (Р/ч).

Радиометры – используются для измерения активности (удельной, поверхностной, объемной, радиоактивных источников. Детекторами в них служат газоразрядные или сцинтилляционные счетчики.

Спектрометры – предназначены для регистрации и анализа энергетического спектра излучения, определения типа радионуклида, контроля дозовых нагрузок при внутреннем облучении инкорпорированными радионуклидами (СКГ-АТ1316, рис.93.;СКГ – АТ1316А, рис.94.; МКС-АТ1315, рис.95.). Имеются α - спектрометры, b - спектрометры и g - спектрометры.

Рис. 93. Спектрометр излучения человека

Представленный спектрометр используется для обследования населения и персонала в период и после радиационный аварий, контроля дозовых нагрузок при внутреннем облучении инкорпорированными радионуклидами, контроля персонала, работающего в атомной промышленности или с открытыми источниками ионизирующих излучений.

Рис. 94. Спектрометр излучения человека

Сцинтилляционный спектрометр излучения человека предназначен для оснащения лабораторий, осуществляющих контроль внутреннего облучения персонала атомных станций, предприятий, учреждений и населения, подвергающихся риску ингаляционного поступления радионуклидов при эксплуатации оборудования, обращении с радиоактивными веществами, радиационных авариях.

Рис.95. Гамма-бета спектрометр

С помощью данного прибора осуществляется спектрометрический и радиометрический контроль содержания радионуклидов в воде, продуктах питания, сельскохозяйственном сырье, промышленных, строительных и лесоматериалах, объектах окружающей среды (почва, растительность и др.), продукции металлургической промышленности.

Существуют приборы комбинированного типа, выполняющие функции двух и более приборов и предназначенные для поиска и обнаружения g - источников, измерения мощности эквивалентной дозы g - излучения, плотности потока α – и b - частиц с загрязненных поверхностей, а также для оперативной оценки удельной активности цезия-137 в пробах окружающей среды (например, дозиметр - радиометр МКС-АТ6130, рис. 96.). Подобного типа приборы имеют широкие исследовательские возможности и применяются в чрезвычайных ситуациях, пожарными и таможенными службами, гражданской обороной, аварийными подразделениями, используются в радиоэкологии, выявлении радиоактивного загрязнения денежных купюр, а также дозиметрического контроля на промышленных предприятиях, в медицинских и других учреждениях.

Рис. 96. Малогабаритный дозиметр-радиометр (диапазон измерений 0,1 мк Зв/ч- 1Зв/ч)