Transcript Методы дозиметрии ИИ Методы дозиметрии:             ионизационный (ионизационная камера, газоразрядные счетчики); фотографический; химический; сцинтилляционный; люминесцентный (радиофото-, радиотермо-); тепловой (калориметрический); полупроводниковый; электретный; трековый (дозиметрия нейтронов и радона); активационный (дозиметрия нейтронов); аспирационный (дозиметрия аэрозолей и газов); специальные.

Методы дозиметрии ИИ
Методы дозиметрии:












ионизационный (ионизационная камера, газоразрядные
счетчики);
фотографический;
химический;
сцинтилляционный;
люминесцентный (радиофото-, радиотермо-);
тепловой (калориметрический);
полупроводниковый;
электретный;
трековый (дозиметрия нейтронов и радона);
активационный (дозиметрия нейтронов);
аспирационный (дозиметрия аэрозолей и газов);
специальные методы дозиметрии.
ИОНИЗАЦИОННЫЙ МЕТОД
РЕГИСТРАЦИИ ИИ
Ионизационный метод основан на ионизирующем действии
излучений, при котором в веществе (газе) из нейтральных атомов или
молекул образуются ионы, которые под действием электрического
поля перемещаются к соответствующим электродам.
Ионизационный ток измеряют методом зарядки или разрядки
известной емкости, методом компенсации и методом постоянного
отклонения.
В зависимости от назначения ИК делят на две группы:
1.
Импульсные
2.
Интегрирующие
По конструктивному оформлению ИК делят на три класса:
1.
камеры с внутренним расположением источника;
2.
стеночные (наперстковые, цилиндрические) камеры;
3.
диафрагмовые (нормальные) камеры.
ИОНИЗАЦИОННЫЙ МЕТОД
РЕГИСТРАЦИИ ИИ
А
3
I, А
I
II
III
2
5
+
+
1
I0
4
+
0
U, В
Ток насыщения I 0  NeV
Изменение во времени концентрации ионов в результате ионизации
I
и рекомбинации dn
2
dt
 N  n 
V
В отсутствие электрического поля устанавливается равновесная
концентрация ионов n  N 
0
характерное время рекомбинации
  1 (n0 )  1 N
ИОНИЗАЦИОННЫЙ МЕТОД
РЕГИСТРАЦИИ ИИ
А
3
I, А
I
II
III
2
5
+
+
1
I0
4
+
0
U, В
эффективность собирания ионов f  I / I 0
ток насыщения ~ мощности экспозиционной дозы
заряд, собранный на электродах за время t ~ дозе за время t
ИОНИЗАЦИОННЫЙ МЕТОД
РЕГИСТРАЦИИ ИИ
Величина импульса, В
Область
Пропорциональная ограниченной
область
пропорциональности
Область ионизационной
Область
камеры
Гейгера
α-частицы
β-частицы
Напряжение на счетчике, В
Область непрерывных
разрядов
ИОНИЗАЦИОННЫЙ МЕТОД
РЕГИСТРАЦИИ ИИ
Рис. 1. Сечение цилиндрической ионизационной камеры: 1 — цилиндрический корпус
камеры, служащий отрицательным электродом; 2 — цилиндрический стержень,
служащий положительным электродом; 3 — изоляторы.
Рис. 2. Схема включения токовой ионизационной камеры: V — напряжение на
электродах камеры; G — гальванометр, измеряющий ионизационный ток.
Рис. 3. Схема включения импульсной ионизационной камеры: С — ёмкость
собирающего электрода; R — сопротивление.
Газоразрядные счетчики
Классификация счетчиков
По механизму действия различают счетчики с:
1. несамостоятельным разрядом (пропорциональные счетчики);
2. самостоятельным разрядом: счетчики Гейгера (острийные) и
Гейгера-Мюллера (нитиевые).
Счетчики с самостоятельным разрядом бывают:
1. самогасящимися и
2. несамогасящимися.
Основными характеристиками счетчика являются:
1. максимальная скорость счета или разрешающая способность;
2. эффективность;
3. счетная характеристика (плато счетчика).
Существует 2 основных метода измерений:
1. относительный (сравнение с р/а препаратом с известной активность);
2. абсолютный (используют различные поправочные коэффициенты).
Газоразрядные счетчики
Схема пропорционального счетчика : а — область дрейфа
электронов; б — область газового усиления
Пропорциональный счётчик способен выполнять функции спектрометра,
как и ионизационная камера.
Газоразрядные счетчики
Схема пропорционального счётчика в продольном (а) и поперечном (б)
разрезах: 1 - нить-анод, 2 - цилиндрический катод, 3 - изолятор, 4 траектория заряженной частицы, 5 - электронная лавина.
Энергетическое разрешение пропорциональных счетчиков лучше, чем у
сцинтилляционных, но хуже, чем у полупроводниковых.
Конструктивно пропорциональный счётчик обычно изготавливают в форме
цилиндрического конденсатора с анодом в виде тонкой металлической нити
по оси цилиндра (рис.1), что обеспечивает вблизи анода напряженность
электрического поля значительно бoльшую, чем в остальной области
детектора. При разности потенциалов между анодом и катодом 1000 вольт
напряжённость поля вблизи нити-анода может достигать 40 000 вольт/см., в
то время как у катода она равна сотням в/см.
Газоразрядные счетчики
Временнoе разрешение пропорционального счетчика может достигать10-7с.
Пропорциональные счетчики используются для регистрации альфа-, бетачастиц, протонов, гамма-квантов и нейтронов. Пропорциональные счетчики чаще
всего заполняют гелием или аргоном. При регистрации заряженных частиц и
гамма-квантов для того, чтобы избежать потерь энергии частицами до
регистрации используют тонкие входные окна. Иногда источник помещают в
объём счетчика. Эффективность регистрации для мягких гамма-квантов с
энергией < 20 кэВ > 80%. Для повышения эффективности регистрации более
энергетичных гамма-квантов используют ксенон.
При регистрации нейтронов пропорциональные счетчики заполняются газами
3He или 10BF . Используются реакции
3
n + 3He →3H + 1H + 0.764 МэВ
n + 10B → 7Li* + 4He7Li + 4He + γ(0.48 МэВ) +2.3 МэВ (93%)
n + 10B → 7Li + 4He + 2.8 МэВ ( 7%).
Нейтроны регистрируются с помощью заряженных частиц, возникающих в
результате этих реакций и вызывающих ионизацию в счетчике.
Газоразрядные счетчики
Счётчик Гейгера СИ-8Б (СССР) со слюдяным окошком для измерения
мягкого бета-излучения. Окно прозрачно, под ним можно разглядеть
спиральный проволочный электрод, другим электродом является корпус
прибора.
Счетчик Гейгера-Мюллера, типа СТС-6, применяемый в данной работе,
считает и частицы и относится к самогасящимся счетчикам. Он представляет
собой цилиндр из нержавеющей стали с толщиной стенок с ребрами
жесткости для прочности. Счетчик заполнен смесью паров неона и брома.
Бром гасит разряд.
Газоразрядные счетчики
Фотографический метод
Метод основан на свойстве ионизирующего излучения
воздействовать на чувствительный слой фотоматериалов.
В дозиметрии используют рентгеновские пленки, представляющие
собой светочувствительную эмульсию, нанесенную с одной или двух
сторон на целлулоидную подложку. В состав эмульсии входит
бромистое серебро AgBr или хлористое серебро AgCl, находящееся
внутри слоя желатина.
Облученная, проявленная и закрепленная пленка имеет
определенную оптическую плотность
I0
s  lg
I
Оптическая плотность ~ поглощенной дозе ИИ.
Фотографический метод
Оптическая плотность ↔ поглощенная доза ИИ.
 tr ,m1
sA
D
 tr ,m 2
tr ,m 2 - массовые коэффициенты передачи
где tr ,m1 и
энергии в веществе эмульсии и воздухе;
А – коэффициент пропорциональности.
Химические методы дозиметрии
основаны на определении химических изменений,
происходящих в некоторых системах при их облучении ИИ.
А. Дозиметр Фрикке: Из числа дозиметрических систем
наибольшее распространение в радиационной химии получила
ферросульфатная система. Ферросульфатный дозиметр (часто
называют дозиметром Фрикке) представляет собой насыщенный
воздухом водный раствор сернокислого закисного железа FeSO4 с
добавлением серной кислоты Н2SO4. Под действием ионизирующего
излучения происходит радиолиз воды с образованием свободных
радикалов H, OH и окислителей, которые окисляют двухвалентное
железо Fe2+ в трехвалентное Fe3+.
Fe2+ + OH
Fe3+ + OH- ,
H + O2
HO2,
Fe2+ + H+ + HO2
Fe3+ + H2O2,
Fe2+ + H2O2
Fe3+ + OH + OH2.
Появление Fe3+ меняет оптическую плотность раствора Sобл ,
которую измеряют спектрофотометрическим методом
Sобл - S0 ~ D.
Химические методы дозиметрии
Б. Цериевая дозиметрическая система
представляет собой водный раствор Се4+ с добавлением серной
кислоты Н2SO4, насыщенный воздухом. Под действием ионизирующих
излучений Се4+ в сернокислом водном растворе восстанавливается
до Се3+.
Использование этой реакции в дозиметрических целях было
предложено Т. Хардвиком и Дж. Вейсом в 1952 г. К настоящему
времени установлено, что с помощью данной системы можно
измерять дозы фотонного и электронного излучений до 108 рад.
Сцинтилляционный метод
один из наиболее старых методов.
Первый сцинтилляционный детектор, названный спинтарископом,
представлял собой экран, покрытый слоем ZnS. Вспышки, возникавшие
при попадании в него заряженных частиц, фиксировались с помощью
микроскопа. Именно с таким детектором Гейгер и Марсден в 1909 г.
провели опыт по рассеянию альфа-частиц атомами золота, приведший
к открытию атомного ядра.
В 1919 году в опытах по рассеиванию заряженных частиц на ядрах
Резерфорд с сотрудниками регистрировали -частицы визуально по
вспышкам света ZnS(Ag).
Развитие этого высокоэффективного способа стало принципиально
возможным лишь после изобретения фотоэлектронных умножителей
– приборов, обладающих способностью регистрировать слабые
вспышки света. Один из первых фотоэлектронных умножителей был
построен Л.А.Кубецким в начале 40х гг. С 1947 года началось
интенсивное развитие сцинтилляционного метода регистраций.
Сцинтилляционный метод
Сцинтилляционный метод дозиметрии основан на измерении
интенсивности вспышек света в люминесцирующих веществах при
прохождении через них ионизирующих излучений.
Сцинтилляторы могут быть:
1. неорганические (кристаллы или стекла): ZnS, NaI(Tl), CsI, Bi4Ge3O12
(BGO) и др.
2. органические:
• кристаллы:антрацен (C14H10), стильбен (C14H12), нафталин (C10H8).
• пластики или жидкости: растворы органических флуоресцирующих
веществ в прозрачном растворителе.
3. газообразные: инертные газы (Xe, Kr, Ar, He) и N.
Световой выход - доля энергии регистрируемой частицы
конвертируемая в энергию световой вспышки. Световой выход антрацена
~0.05 или 1 фотон на 50 эВ для частиц высокой энергии. У NaI световой
выход ~0.1 или 1 фотона на 25 эВ. Принято световой выход данного
сцинтиллятора сравнивать со световым выходом антрацена, который
используется как стандарт. Типичные световые выходы пластиковых
сцинтилляторов 50-60%.
Сцинтилляционный метод
Схема сцинтилляционного счётчика: кванты света (фотоны) «выбивают»
электроны с фотокатода; двигаясь от динода к диноду, электронная лавина
размножается.
Сцинтилляционный метод
Фотоны, возникшие в сцинтилляторе под действием заряженной частицы,
по светопроводу достигают ФЭУ и через его стеклянную стенку попадают на
фотокатод. ФЭУ представляет собой баллон, внутри которого в вакууме
располагается фотокатод и система последовательных динодов,
находящихся под положительным увеличивающемся от динода к диноду
электрическим потенциалом. В результате фотоэффекта из фотокатода
вылетают электроны, которые затем, ускоряясь в электрическом полем,
направляются на систему динодов, где за счет вторичной (ударной)
электронной эмиссии образуют нарастающую от динода к диноду
электронную лавину, поступающую на анод. Обычно коэффициент усиления
ФЭУ (число электронов, достигших анода при выбивании из фотокатода
одного электрона) составляет 105-106, но может достигать и 109, что
позволяет получить на выходе ФЭУ легко регистрируемый электрический
импульс. Временнoе разрешение ФЭУ составляет 10-8-10-9 с.
Энергетическое разрешение сцинтилляционных детекторов Е/Е обычно
не лучше нескольких процентов. Временнoе разрешение определяется
главным образом длительностью световой вспышки (временем высвечивания
люминофора) и меняется в пределах 10-6-10-9 с.
Большие объёмы сцинтилляторов позволяют создавать детекторы очень
высокой эффективности, для регистрации частиц с малым сечением
взаимодействия с веществом.
Сцинтилляционный метод
Плотность
г/см3
Время
высвечивания
,
10-9 сек.
Длина
волны в
максимуме
спектра, Å
Конверсионная
эффективность
h, % (для
электронов)
Антрацен C14 H10
1,25
30
4450
4
Стильбен C14H12
1,16
6
4100
3
NaI (Tl)
3,67
250
4100
6
ZnS (Ag)
4,09
11
4500
10
Csl (Tl)
4,5
700
5600
2
Раствор р-терфенила в ксилоле (5
г/л) с добавлением РОРОР1 (0,1 г/л)
0,86
2
3500
2
Раствор р-терфенила в толуоле (4
г/л) с добавлением РОРОР (0,1г/л)
0,86
2,7
4300
2,5
Полистирол с добавками
1,06
2,2
4000
1,6
Поливинилтолуол с добавками
1,1
3
4300
2
Вещество
Кристаллы
Жидкости
Пластики
Сцинтилляционный метод
ФЭУ, предназначенные для С. с., должны обладать высокой
эффективностью фотокатода (до 2,5%), высоким коэффициентом усиления
(108—108), малым временем собирания электронов (~ 10–8 сек) при высокой
стабильности этого времени. Последнее позволяет достичь разрешающей
способности по времени С. с. £10–9 сек. Высокий коэффициент усиления
ФЭУ наряду с малым уровнем собственных шумов делает возможной
регистрацию отдельных электронов, выбитых с фотокатода. Сигнал на аноде
ФЭУ может достигать 100 в.
Достоинства С. с.: высокая эффективность регистрации различных
частиц (практически 100%); быстродействие; возможность изготовления
сцинтилляторов разных размеров и конфигураций; высокая надёжность и
относительно невысокая стоимость. Благодаря этим качествам С. с.
широко применяется в ядерной физике, физике элементарных частиц и
космических лучей, в промышленности (радиационный контроль),
дозиметрии, радиометрии, геологии, медицине и т. д. Недостатки С. с.:
малая чувствительность к частицам низких энергий (£ 1 кэв), невысокая
разрешающая способность по энергии (см. Сцинтилляционный
спектрометр).
Сцинтилляционный метод
Для исследования заряженных частиц малых энергий (< 0,1 Мэв) и осколков
деления ядер в качестве сцинтилляторов применяются газы (табл. 2). Газы
обладают линейной зависимостью величины сигнала от энергии частицы в
широком диапазоне энергий, быстродействием и возможностью менять
тормозную способность изменением давления. Кроме того, источник может быть
введён в объём газового сцинтиллятора. Однако газовые сцинтилляторы
требуют высокой чистоты газа и специального ФЭУ с кварцевыми окнами
(значительная часть излучаемого света лежит в ультрафиолетовой области).
Табл. 2. — Характеристики некоторых газов, применяемых в качестве
сцинтилляторов в сцинтилляционных счётчиках (при давлении 740 мм
рт. ст., для a-частиц с энергией 4,7 Мэв)
Время
высвечивания
, сек
Длина волны в
максимуме
спектра, Å
Конверсионная
эффективность n,
%
Ксенон
10–8
3250
14
Криптон
10–8
3180
8,7
Аргон
10–8
2500
3
3×10–9
3900
2
Газ
Азот
Трековый метод измерения ОА
222Rn
После подсчета числа треков на детекторе объемная активность
радона в воздухе рассчитывается по формуле:
n / S  nf
A
d
t
n- количество треков;
S- площадь электрода
счетчика -1.23 см-2;
nf - среднее число
фоновых импульсов
(треков);
t- время экспозиции в
сутках;
d- коэффициент
чувствительности к
радону