Лекция 9 Регистрация ионизирующих излучений Основа регистрации

Лекция 9 Регистрация ионизирующих излучений

Основа регистрации любого вида излученияего взаимодействие с веществом детектора. Детектор при этом рассматривается как устройство на вход которого поступают ионизирующие частицы, а на выходе появляются сигналы. В зависимости от типа детекторов сигналом могут быть вспышки света (сцинтилляционный детектор) импульсы тока (ионизационный детектор) и т. д. Неотъемлемая часть любого детекторачувствительный объем, в котором энергия ионизирующего излучения в процессе взаимодействия с веществом преобразуется в определенный сигнал. Вещество чувствительного объема может быть газом, жидкостью, твердым телом, соответственно детекторы- газовые, жидкостные, твердотельные.

Физико-химические эффекты, положенные в основу регистрации ИИ Рабочее тело Эффект Измеряемый параметр Газ Ионизация Ионизационный ток Газ, жидкость Химические превращения Изменение концентрации Жидкость, твердое тело Нагревание Изменение температуры Твердое тело Активация Активность Засвечивание фотоэмульсии Почернение пленки Термолюминесценция Свечение термолюминесценции Радиофото-люминесценция Свечение радиофотолюминесценции Экзоэлектронная эмиссия Ток экзоэлектронов Деградация люминесценции Интенсивность люминесценции Окрашивание Пропускание света Образование трека Число треков Сцинтилляция Световой поток, число сцинтилляций Изменение сопротивления полупроводников Ток, напряжение

Основные характеристики детекторов Эффективность регистрации- это отношение энергии , поглощенной в чувствительном объеме к энергии проникающей в этот объем. Электронное равновесие-это состояние при котором поглощенная энергия в заданном объеме среды равна суммарной кинетической энергии электронов, освобожденных фотонами в этом же объеме. Эффективный атомный номер сложного вещества детектора это эффективный атомный номер условного простого вещества, для которого коэффициент передачи энергии такой же как и для сложного вещества. Энергетическая зависимость (Ход с жесткостью)-это зависимость показаний детектора от энергии возбуждения. Разрешение (временное, т. е быстродействие), энергетическое (I~ионизирующей способности частицы) характеристика-полуширина линий.

Сечение взаимодействия- вероятность взаимодействия ИИ с атомами, электронами, ядрами, находящимися в данном объеме (площадь поперечного сечения воображаемой сферы, проходя через которую частица участвует в реакции). Полное сечение взаимодействия- сумма всех сечений для разных реакции и процессов. Сечение взаимодействия i = ni/(ФN). Если в расчете на один атом и т. д. , то микроскопическое, если на все макроскопическое. Макроскопическое сечение взаимодействия Σ= эл* Z* (Na/N), - плотность вещества, Z-атомный номер, Na- число Авогадро (~6*1023). Появляются плотность, атомный номер и число Авогадро. Для фотонов макроскопическое сечение обозначают и называют коэффициентом ослабления. Может быть линейным и массовым m = / , - плотность вещества. Прохождение гамма излучения через поглощающий слой в геометрии узкого пучка I=I 0 exp(- d), - линейный коэффициентам ослабления, d-толщина. Если пучок широкий, то появляется фактор накопления В. I=ВI 0 exp(- d).

Методы. Сцинтилляционный метод дозиметрии Сцинтилляционный метод основан на регистрации коротких импульсов света (люминесценции), возникающей под действием излучения. Регистрация света производится при помощи фотоэлектронных умножителей (ФЭУ). Анодный ток ФЭУ (токовый режим) и скорость счета (счетный режим) пропорциональны мощности воздушной кермы. Могут быть использованы для определения энергии частицы. Конверсионная эффективность – отношение энергии световых фотонов к энергии заряженной частицы. к= Eф /Eп. Эта величина изменяется в пределах 0, 01 -0, 3. Число фотонов, испущенных сцинтиллятором равно Nф=Eп* к /E, где E-средняя энергия фотона. Световой выход –отношение числа фотонов (интенсивности) световой вспышки к энергии, поглощенной заряженной частицы. Время высвечивания- среднее время жизни возбужденного состояния атомов. Для разных сцинтилляторов колеблется в пределах 10 -9 – 10 -5 с.

Сцинтиллятор - поглощение ионизирующего излучения; - передача части поглощенной энергии центрам люминесценции с их возбуждением в излучающее состояние; - излучательной возврат с некоторой эффективностью центра люминесценции в основное состояние. Неорганические сцинтилляторы (например Na. I-Tl, Zn. S (Ag), Cs. I-Na) и органические (антрацен, стильбен, нафталин). Z неорг> Z возд, а органических меньше. Есть жидкие и газовые (в основном благородные газы гелий, аргон, ксенон, криптон)-для регистрации сильно ионизирующих короткопробежных частиц.

От частиц, испущенных пробой и попавших в сцинтиллятор 1, возникает вспышка света, под действием которой с фотокатода 2 эмитируются электроны. 3 - возникает ускоряющаяся электронная лавина. На собирающем аноде 4 появляется импульс тока, который далее поступает на вход усилителя 5 и регистрируется счетным устройством 6. Лампа, в которой световой сигнал преобразуется в электрический с последующим его усилением, называется фотоэлектронный усилитель - ФЭУ.

Гамма спектрометрия На аноде ФЭУ формируется импульс напряжения, амплитуда которого пропорциональна интенсивности световой вспышки, попавшей на фотокатод, а значит и энергии, потерянной в кристалле фотоном. Так как амплитуда выходного импульса на аноде ФЭУ, регистрирующего световую вспышку от сцинтиллятора пропорциональна энергии гамма -излучения, то сцинтилляционные детекторы можно использовать для гамма-спектроскопии. Импульсы сортируются по амплитуде многоканальным амплитудным анализатором импульсов. Калибровка энергетической шкалы производится по измерениям спектров известных источников. Энергетическое разрешение -ширина пика на полувысоте (ΔΕ деленная на энергию E и умноженная на 100%) Na. I обычно равно 7 — 9% при энергии гамма-излучения 662 Kэ. B(137 Cs). Это важный параметр гаммаспектрометра, так как он определяет насколько близко по энергии две гамма-линии могут быть отчетливо зарегистрированы как два раздельных пика вместо одного широкого пика. Для ППД лучше.

137 Cs. Сцинтилляционный спектрометр. 1) Eпогл=E 0 2) Eпогл=E 0 -E 1 1) Полное поглощение Энергии в детекторе. (фотоэффект и многократное компт. рассеяние) 2) Частичное поглощение энергии. 2) (комптоновское рассеяние)

Ксеноновая ионизационная камера. Сцинтилляционный спектрометр

152 Eu и 137 Cs. Полупроводниковый детектор

Жидкие сцинтилляторы Перспективной разновидностью сцинтилляторов являются жидкие смеси на основе толуола или диоксана с различными сцинтиллирующими добавками типа РОРОР. Жидкие сцинтилляторы (ЖС) применяются в основном для регистрации альфа - излучателей, а также бета-частиц низких энергий (например 3 Н, 14 C ), измерение которых практически невозможно другими типами детекторов. К сожалению, отечественные радиометры на основе ЖС серийно не выпускаются, а зарубежные очень дорогие, хотя и имеют превосходные характеристики.

Ионизационный метод регистрации и дозиметрии Ионизационные камеры, пропорциональные счетчики и счетчики Гейгера-Мюллера представляют собой три типа наиболее старых, но до сих пор широко применяемых типов детекторов ядерного излучения. При прохождении любого ионизирующего излучения в газах в результате ионизации образуются электроны и положительные ионы. Если ионизация происходит в слое газа между двумя электродами, имеющими различные потенциалы, то электроны и ионы будут двигаться к соответствующим электродам и в цепи возникнет ток. Газовые ионизационные детекторы представляют собой конденсаторы, заполненные каким-либо газом, и называются ионизационными камерами. Ионизационные камеры подразделяются по следующим основным признакам: принцип действия (токовые, импульсные); конструктивное оформление (плоские, цилиндрические, сферические); назначение (регистрация -, -излучения) и др.

Счетчики Гейгера-Мюллера широко используются для счета -частиц, регистрации -излучения и рентгеновских лучей. Различают цилиндрические и торцевые счетчики Г-М. У торцевых счетчиков входное окно изготавливается из слюды и они регистрируют бетаизлучение. Большие времена восстановления чувствительности ограничивают их применение для излучений большой интенсивности. Счетчик с «мертвым временем» 10 -2 с способен за секунду среагировать примерно на 100 частиц. В самогасящихся счетчиках гашение газового разряда достигается за счет подбора состава газовой смеси. Их «мертвое время» 10 -4 с и они способны за секунду среагировать примерно на 105 частиц. Число импульсов на выходе детектора равно произведению числа частиц, попавших в детектор, умноженное на эффективность регистрации детектора. Эффективность регистрации рентгеновского и гамма излучения счетчиками Гейгера-Мюллера 1 -2 %. Амплитуда импульсов счетчика Гейгера-Мюллера не зависит от начальной ионизации, поэтому счетчик нельзя использовать для измерения энергии частиц. Кроме того, нельзя разделить импульсы от разных частиц. Поэтому они измеряют лишь поток или плотность потока ионизирующего излучения.

Вспомнить ¡ Поток ионизирующих частиц отношение числа ионизирующих частиц d. N, проходящих через данную поверхность за интервал времени, к этому интервалу F = d. N/dt. ¡ Плотность потока d. F/ds Единица плотности потока частиц в СИ — с-1·м-2. На практике внесистемная единица — с1·см-2. Путем соответствующего подбора материалов, геометрии, состава газа, введением фильтров и соответствующей градуировке показания счетчика в ограниченном интервале энергий можно сделать ~керме или экспозиционной дозы излучения.

Регистрация ионизирующих излучений полупроводниковыми детекторами Полупроводниковый детектор является аналогом ионизационной камеры с твердотельным чувствительным объемом. Плотность вещества чувствительного объема в полупроводнике примерно на три порядка выше плотности газа в ионизационной камере, а энергия образования пары носителей на порядок ниже, что дает увеличение поглощенной энергии в единице объема полупроводника в 104 раз. Высокая чувствительность при небольших размерах - основное преимущество полупроводниковых детекторов. При комнатной температуре электропроводность полупроводника занимает промежуточное положение между диэлектриком и проводником. Для эффективной работы ППД необходимо охлаждение. Применяют Si, Ge.

Отличия сцинтилляционного детектора от полупроводникового. Полупроводниковый детектор обладает более высоким разрешением; ППД имеют меньший температурный и временной дрейф; Сцинтилляционный детектор, как правило, обладает большей чувствительностью; Сцинтилляционный детектор дешевле и более прост в эксплуатации.

Химические методы дозиметрии основаны на измерении числа молекул или ионов, образующихся или претерпевающих изменения при поглощении излучения. Число образующихся молекул или ионов, т. е. радиационнохимический выход , пропорционально поглощенной дозе излучения. Наиболее распространенной химической системой применяемой при дозиметрии ионизирующих излучений является раствор соли Fe. SO 4 в разбавленной серной кислоте. В растворе присутствуют ионы двухвалентного железа. Под действием излучения происходит радиолиз воды (ионизация) с образованием свободных радикалов H, ОН, и окислителей, которые окисляют двухвалентное железо до трехвалентного. Появление Fe 3 изменяет оптическую плотность раствора. Изменение оптической плотности зависит от числа образовавшихся в результате облучения и завершения всех реакций ионов трехвалентного железа и служит мерой поглощенной энергии.

Фотографический метод дозиметрии Воздействие ионизирующего излучения на фотоэмульсию приводит к эффекту, аналогичному воздействию видимого света. Фотоэмульсия представляет собой тонкий слой желатина, нанесенного на подложку из целлулоида, стекла или другого материала, в котором равномерно распределены мелкие (0, 1 -1 мкм) кристаллы галоидного серебра, обычно Аg. Вr и Аg. Сl). Под действием ионизирующих частиц в кристаллах образуются центры проявления, состоящие из групп атомов металлического серебра. Совокупность этих центров создает скрытое изображение. В процессе проявления происходит восстановление металлического серебра, в тех кристаллах. в которых образовались центры скрытого изображения, что приводит к почернению фотоэмульсии. Последующее закрепление (фиксирование) выводит из эмульсии остатки невосстановленного серебра и она становится нечувствительным к излучению.

Трековые дозиметры Тяжелые заряженные частицы вызывают повреждения в твердых телах-изоляторах вдоль всей траектории движения. Такими веществами может быть стекло, слюда, нитроцеллюлоза и т. д. Вдоль траектории повреждения наблюдается повышенная растворимость вещества и после соответствующей химической обработки траектории движения частицы становятся видимыми под микроскопом. На основе расчетов и градуировок по измерению числа и конфигурации треков можно определить эквивалентную дозу.

Радиометрия аэрозолей Высокая радиационная опасность радиоактивных аэрозолей объясняется их проникновением внутрь организма через органы дыхания и высокой эффективностью внутреннего облучения. Методы регистрации аэрозолей основаны на предварительном извлечении их из воздуха и последующем измерении активности фильтров на которых были концентрированы аэрозольные продукты.

Люминесцентные методы дозиметрии Под люминесцентными методами понимают методы, основанные на явлениях фотолюминесценции и термолюминесценции. Сущность люминесцентного метода заключается в том, что образованные в люминофоре под действием ионизирующего излучения носители заряда (электроны и дырки) локализуются в центрах захвата, в результате чего происходит накопление поглощенной энергии, которая может быть затем освобождена при дополнительном возбуждении. Дополнительное возбуждение может быть вызвано либо освещением люминофора УФ -излучением определенной длины волны (фотолюминесцентный), либо нагревом (термолюминесцентный). Радиофотолюминесценция (РФЛ). В качестве люминофоров, представляющих интерес для дозиметрии, можно указать активированные щелочно-галогенидные соединения (Nа. С 1, Li. F и т. п. ). Радиотермолюминесценцией (РТЛ) (термолюминесценцией) называется такой процесс, при котором накопленная в кристалле энергия ионизирующего излучения преобразуется в энергию флюоресценции под действием теплового возбуждения. Регистрируется зависимость интенсивности свечения от температуры.

Зонная модель Для объяснения протекающих под облучением в кристаллических материалах процессов -модель энергетических уровней электронов в кристалле. Электроны в изолированных атомах могут иметь дискретные значения энергии. В результате существования химических связей между атомами в кристалле, каждый энергетический уровень электрона расщепляется в непрерывный набор разрешенных уровней, называемый зоной. Совокупность разрешенных энергетических уровней для свободных электронов называется зоной проводимости. Электроны, которые участвуют в образовании валентных связей между атомами кристалла — валентная зона. Под воздействием ионизирующего излучения происходит переход электрона из валентной зоны в зону проводимости. Дырка, или вакансия, образуется при этом в валентной зоне. Ширина запрещенной зоны?

Теория метода ТСЛ При облучении твердого тела ионизирующим излучением создаются свободные электроны и дырки. Часть из них рекомбинирует во время облучения (сцинтиллятор). Однако, не все электроннодырочные пары, создаваемые при облучении, рекомбинируют. Часть электронов и дырок может быть захвачена на дефектах порознь, т. е. на одном типе дефектов локализуются электроны, а на другом - дырки. Для освобождения электрона (дырки) с ловушки необходима дополнительная энергия подводимая обычно в виде тепла. Электронно-кинетическая модель термолюминесценции: а) возбуждение; б) рекомбинация по бимолекулярной модели; в) рекомбинация по мономолекулярной модели. 1 – возбуждение; 2 – валентная зона; 3 – зона проводимости. α, β, γ, α 1, β 1, γ 1 – электронные переходы. A – активаторный центр, H-центр захвата

Энергетическая зависимость чувствительности Органические – падает при низких энергиях. У неорганических –наоборот. Комбинируют - для выравнивания энергетической зависимости. Например ДРГЗ -05 М ~25 % от 30 кэ. В до 3 Мэ. В. Чувствительны к нейтронам. Путем различных изощрений возможно сделать чувствительными к нейтронам и быстрым и промежуточным и тепловым.

Кристаллы, применяемые в качестве термолюминесцентных детекторов ионизирующих излучений, должны удовлетворять целому ряду общих требований иметь изолированный пик термолюминесценции, не перекрывающийся с расположенными по соседству термопиками; выход термолюминесценции должен быть достаточно высоким, интенсивность дозиметрического термопика должна быть прямо пропорциональна полученной образцом дозе в широком интервале доз; спектр термолюминесцентного свечения должен соответствовать области максимальной чувствительности фотоприемника; должно быть обеспечено сохранение дозиметрической информации, исключена возможность самопроизвольного высвечивания запасенной светосуммы при комнатной температуре; желательно, чтобы при многократном использовании кристаллов не требовалось дополнительной промежуточной термообработки. Всем требованиям не удовлетворяет ни один из множества применяемых в дозиметрии люминофоров, и необходимость их выполнения превращает разработку материалов для термолюминесцентной дозиметрии в актуальную проблему.

В Кем. ГУ используется индивидуальные дозиметры: на основе дозиметрических кассет ДТГ и детекторов ТЛД-К. Кассета для индивидуального дозиметрического контроля

Термолюминесцентные детекторы ТЛД-К ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ Детектор имеет следующие показатели к применению: температура максимума основного пика термовысвечивания прилинейной скорости нагрева 4 К/с - (175 + 5) С; светосумма низкотемпературных пиков термовысвечивания отсутствует; размеры детектора, (мм) (3*3) допуск 0, 05, толщина 0, 5 допуск 0, 05. масса детектора, (мг) 11 допуск 0, 2; диапазон линейности доз 5*10 -3 - 2*10 5 с. Гр; фединг за 12 месяцев хранения при температуре не выше 30 С не превышает 20%; спектр излучения при термовысвечивании широкополосный, имеет максимум в области 400 -500 нм; детектор допускает быстрый нагрев при помещении его на нагреватель, имеющий температуру 500 С и охлаждение после этого на воздухе; предельно допустимая доза облучения при использовании для измерения малых доз - 2, 58 Кл/кг (10 Р); детектор сохраняет свои свойства при многократных циклах облучение -измерение -отжиг, не менее 10 циклов; летучесть материала при нагреве отсутствует; дневной свет оказывает крайне незначительное высвечивающее -запасающее действие на детекторы, тем не менее эксплуатацию детекторов ТЛД-К следует производить в светонепроницаемых кассетах типа ДПГ или в упаковке из светонепроницаемого полиэтилена; интегральная чувствительность детекторов (светосумма дозиметрического пика) зависит от скорости нагрева детектора при высвечивании При уменьшении скорости нагрева с 12 С/с до 0, 5 С/с интегральная чувствительность детекторов увеличивается в 3, 2 раза При вариации скорости нагрева +2% изменение чувствительности детекторов не превышает +1, 5%; эффективный атомный номер 11; отношение чувствительности ТЛД-К к чувствительности ДТГ-4 (Li. F) по гамма-излучению. Co 60 с учетом разности масс 1 : 1; отношение чувствительности детектора без системы корректирующих факторов в области рентгеновского излучения с эффективной энергией 35 кэ. В к чувствительности гамма-излучения Co 60 - 3; энергетическая зависимость чувствительности детектора аналогична энергетической зависимости для костной ткани и близка по характеристикам к природным и синтетическим материалам на основе Si. O 2 (почва, стройматериалы); разброс показаний детекторов в партии 1000 шт. <8 %; воспроизводимость за 5 циклов отжиг -облучение - измерение <5 %; высокая механическая прочность; растворимость в воде отсутствует, могут подвергаться стерилизации, при медицинских исследованиях; химически стоек к воздействию агрессивных сред;

Оценки Е ¡ где t - время жизни, S 0 предэкспоненциальный множитель, обычно 1012 - 1013 с-1, E - энергия активации (глубина ловушки), k - постоянная Больцмана, T - температура в K. где T 0 - начальная температура, э. В (2. 4) - скорость нагрева, t - время. для быстрой предварительной оценки глубины ловушки, соответствующей данному пику ТСЛ, удобно пользоваться выражением: более точная оценка может быть получена при использовании выражения: где - полуширина пика ТСЛ, т. е. ширина (в K) пика на его полувысоте.

Характеристики свечения

Пробеги

Область применения ¡ ¡ Массовый индивидуальный дозиметрический контроль персонала и населения. Радиационный мониторинг окружающей среды. Контроль в радиационных технологиях. Контроль при проведении медицинской терапии и диагностики.

НРБ Основным дозовым пределом для групп облучаемых лиц является предел дозы. Это такое наибольшее среднее значение индивидуальной эквивалентной дозы исследуемых лиц за календарный год при котором равномерное облучение за 50 лет не может вызвать в состоянии здоровья неблагоприятных изменений. Предельно допустимая доза (предел дозы) для категории Б составляет 5 m. Зв (миллизивертов), для категории А - 50 m. Зв. По медико-биологическим показателям в соответствии с ЕТ ИДК -86 выделяют три главных задачи при индивидуальном контроле внешнего облучения от источников ионизирующих излучений: ¡ 1 - контроль хронического облучения малыми дозами (повседневный и оперативный); ¡ 2 - контроль острых облучений (медицинский и оперативный); ¡ 3 - контроль протяженных во времени облучений, способных вызвать лучевую болезнь.

Ретроспективная оценка радиационной ситуации ТЛ дозиметрия в реальном масштабе времени не позволяет, к сожалению провести оценку радиационного воздействия «задним числом» . Например, в результате выброса в атмосферу прошло радиоактивное облако, а выпадения радионуклидов на почву в данном (обычно расположенном достаточно близко от источника выброса месте не было). Для решения задач такого рода необходимо наличие широкой сети радиационных постов, что может быть осуществлено в будущем. Для оценки же бывших радиационных воздействий необходима разработка методик ретроспективной оценки доз. Экспериментальные методы ретроспективной оценки радиационной ситуации, основанные на регистрации изменений свойств объектов, вызванных облучением. В первую очередь это биологические объекты, в том числе и человек. Для реконструкции доз применяют различные методы: расчетный (доза оценивается по информации об источнике излучения, о характере и продолжительности контакта пострадавшего с ним), активационный (доза определяется по активности радионуклидов, возникающих под действием нейтронов в крови, волосах и в материалах предметов, которые были при пострадавшем), биодозиметрические методы анализируют функциональные изменения в органах, тканях и клетках. . . ЭПР-дозиметрия - основан на анализе спектров электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) облученных материалов, ТЛ метод. Сегодня в мире существует несколько общепризнанных методик: восстановление доз по числу хромосомных аберраций с дицентриками и восстановление доз по числу радиационных дефектов, выявленных методами ЭПР, в эмали зубов, волосах, крови, силикатных материалов, содержащих кварц (кирпич, керамика). Применяются всегда несколько методов.

Приборы и средства измерения ионизирующих излучений Приборы, средства и установки для регистрации ИИ делятся по своему назначению на дозиметрические, радиометрические, спектрометрические, сигнализаторы и многоцелевые приборы с различными блоками и устройствами детектирования. ¡ Дозиметры служат для измерения поглощенной дозы или мощности поглощенной дозы ¡ Радиометры служат для измерения плотности потока ионизирующих излучений, активности радионуклидов. ¡ Спектрометры служат для измерения распределения ИИ по энергиям частиц или фотонов. По конструкционным особенностям и характеру контроля приборы делятся на: ¡ Приборы для индивидуального дозиметрического контроля, ¡ Носимые приборы для группового контроля, ¡ Переносные приборы группового контроля, ¡ Стационарные приборы и многоканальные установки для непрерывного дистанционного дозиметрического и радиационного контроля.

Радиометры - это приборы, с помощью которых можно измерить активность какого-либо радионуклида. Главной особенностью радиометра в классическом понимании является то, что он регистрирует лишь число взаимодействий частиц ионизирующего излучения с детектором и не различает энергии этих частиц, т. е. не позволяет определить какому радионуклиду они принадлежат

Спектрометры Все задачи сводятся фактически к идентификации радионуклидов в объекте и определению их активности или процентного содержания. Идентификация производится, как правило, путем определения энергии излучения при использовании спектрометра соответствующего типа.

Новые приборы и оборудование для радиологического контроля ¡ ¡ ¡ Универсальный спектрометрический комплекс «Гамма плюс» , Наиболее распространенные дозиметрические и радиометрические приборы: ДБГ-01 H, ДБГ 06 Т, ДБГ- 01 Т 1, СРП-88, ДКС-90 Альфа-радиометр низких уровней активности РИА-02 В Портативный сцинтилляционный гаммаспектрометр ПГС-03 А Измеритель мощность дозы с устройством определения географических координат ИМДК -01 «Сталкер» Дозиметр-радиометр ДРБП-03