Количественные и качественные характеристики радиоактивного излучения, основанные на тех или иных методах регистрации, измеряются радиометрами, дозиметрами, спектрометрами и спектрометрическими комплексами.
Радиометр - прибор для измерения числа актов радиоактивного распада в единицу времени (активности). Определяет плотность потока ионизирующих излучений и т.д. При измерении мощности экспозиционной дозы фотонного излучения функции радиометра и дозиметра совпадают.
Дозиметр - устройство для измерения доз радиоактивного излучения или величин, связанных с дозами (мощность экспозиционной дозы, мощность поглощенной дозы и т.д.). Могут служить для измерения доз одного (гамма-дозиметр, нейтронный дозиметр и т.д.), либо смешанного излучения (гамма-бета дозиметр и т.д.)
Спектрометр - устройство, которое позволяет измерять распределение радиоактивного излучения по энергии (гамма-альфа-спектрометры и т.д.), массе и заряду (масс-спектрометры и т.д.).
Гамма-спектрометр, например, позволяет выявить в смеси гамма-излучающих радионуклидов по характерной энергии присутствие конкретных радиоизотопов. Так, торий определяется по энергии гамма-квантов дочернего изотопа Т1208 с энергией 2,165 Мэв, калий-40 -1,46 Мэв, а цезий-137 - по энергии 0,662 Мэв и т.д. [3 ]
Существует большое количество типов и моделей радиометрического, дозиметрического и спектрометрического оборудования.
Данная аппаратура может быть переносной (габариты и масса позволяют носить одному человеку), передвижной (автомобильные, вертолетные и спутниковые варианты), стационарной.
Она может быть подразделена и по функциональному назначению: измерение радиоактивности газов и аэрозолей; измерение радиоактивности жидких и сыпучих материалов; измерение радиоактивного загрязнения поверхностей; индивидуальные средства измерения, постоянно носимые человеком.
II Приборы для регистрации радиоактивного излучения и
Частиц
Приборы, применяемые для регистрации радиоактивного излучения и частиц, делятся на две группы:
· Для регистрации частиц, проходящих через определенную область пространства; в некоторых случаях они способны определять характеристики частиц, например, их энергию; к таким приборам относятся сцинтилляционный счетчик, черенковский счетчик, импульсная ионизационная камера, газоразрядный счетчик, полупроводниковый счетчик;
· Позволяющие наблюдать либо фотографировать следы (треки) частиц в веществе (камера Вильсона, диффузионная камера, пузырьковая камера, ядерные фотоэмульсии).
1.2 Сцинтиляционный счетчик - детектор ядерных частиц, основными элементами которого являются сцинтиллятор (кристаллофосфор) и фотоэлектронный умножитель, позволяющий преобразовывать слабые световые вспышки в электронные импульсы, регистрируемые электронной аппаратурой. Сцинтилляционные счетчики обладают высоким разрешением по времени (10-10 – 10-5 сек), определяемым родом регистрируемых частиц, сцинтиллятором с разрешающим временем используемой электронной аппаратуры. Для данных счетчиков эффективность регистрации - отношение числа зарегистрированных частиц к их полному числу - примерно 100% для заряженных частиц и 30% для гамма-квантов. Для многих сцинтилляторов интенсивность световой вспышки пропорциональна энергии первичной частицы, и счетчики на этих сцинтилляторах могут применяться для определения энергии регистрируемых частиц. [6 ]
2.2 Черенковский счетчик регистрирует частицу практически мгновенно (при движении заряженной частицы в среде со скоростью, превышающей фазовую скорость света в данной среде, возникает вспышка, преобразуемая с помощью фотоумножителя в импульс тока). Он позволяет отделить элементарные частицы друг от друга при энергиях порядка 10 ГэВ. Время разрешения счетчиков достигает 10-9 сек.
Черенковские счетчики устанавливаются на космических кораблях для исследования космического излучения.
3.2 Импульсная ионизационная камера -это детектор частиц, действие которого основано на способности заряженных частиц вызывать ионизацию газа. Ионизационная камера представляет собой электрический конденсатор, заполненный газом, к электродам которого подается постоянное напряжение. Регистрируемая частица, попадая в пространство между электродами, ионизирует газ. Ионизационные камеры бывают двух типов: интегрирующие (измеряют суммарный ионизационный ток) и импульсные, являющиеся по существу счетчиками (они регистрируют отдельную частицу и измеряют ее энергию, правда, с небольшой точностью из-за слабого выходного сигнала). [8 ]
4.2Газоразрядный счетчик обычно выполняется в виде наполненного газом металлического цилиндра (катода) с тонкой проволокой (анодом),
натянутой вдоль его оси. Хотя газоразрядные счетчики конструктивно похожи на ионизационную камеру, однако в них основную роль играет вторичная ионизация, обусловленная столкновениями первичных ионов с атомами и молекулами газа и стенок. Различают два вида счетчиков: пропорциональные (в них газовый разряд несамостоятельный, т.е. гаснет при прекращении действия ионизатора) и счетчики Гейгера-Мюллера (в них разряд самостоятельный, т.е. поддерживается после прекращения действия ионизатора). Пропорциональные счетчики не только регистрируют частицу, но и измеряют ее энергию. При этом импульсы, вызываемые отдельными частицами, усиливаются в 103 -104 раз (иногда в 106 раз). Счетчики Гейгера-Мюллера регистрируют частицу без измерения ее энергии. Коэффициент усиления их составляет около 108, а временное разрешение - 10-3 - 10-7 сек. Для газоразрядных счетчиков эффективность регистрации равна примерно 100 % для заряженных частиц и примерно
5% для гамма-квантов.
5.2Полупроводниковый счетчик - это детектор частиц, рабочим элементом которого служит полупроводниковый диод. Время разрешения их составляет примерно 10-9сек. Полупроводниковые счетчики обладают высокой надежностью и могут работать в магнитных полях. Однако малая толщина их рабочей области (порядка сотни микрометров) не позволяет применять их для регистрации высокоэнергетических частиц.
6.2 Камера Вильсона - старейший и на протяжении многих лет единственный тип трекового детектора.
Выполняется обычно в виде стеклянного цилиндра с плотно прилегающим поршнем. Цилиндр наполняется газом (гелием или аргоном), насыщенным парами воды или спирта. При резком адиабатическом расширении газа пар становится перенасыщенным и на траекториях частиц, пролетающих через камеру, образуются треки из тумана. Образовавшиеся треки для воспроизводства их пространственного расположения фотографируются стереоскопически, т.е. под разными углами. По характеру и геометрии треков можно судить о типе прошедших через камеру частиц (например, альфа- частица оставляет сплошной след, бета-частица –тонкий), об энергии частиц (по длине
пробега), о плотности ионизации (по количеству капель на единицу длины
трека), о числе участвующих в реакции частиц. [ 2]
7.2 Диффузионная камера - разновидность камеры Вильсона. Рабочим веществом в ней является перенасыщенный пар, но состояние перенасыщения создается диффузией паров спирта от нагретой (до 100 С) крышки ко дну, охлажденному (до – 600 С) твердой углекислотой. Вблизи дна возникает слой пересыщенного пара толщиной примерно 5 см, в котором пролетающие заряженные частицы создают треки.
8.2Пузырьковая камера содержит рабочее вещество в виде перегретой (находящейся под давлением) прозрачной жидкости Запускается камера так же, как и камера Вильсона -резким сбросом давления, переводящим жидкость в жидкое перегретое состояние. Пролетающая через камеру заряженная частица вызывает резкое вскипание жидкости, и траектория частицы обозначается цепочкой пузырьков пара – образуется трек, который, как и в камере Вильсона, фотографируется. Пузырьковая камера работает циклами. Размеры пузырьковых камер примерно такие же, как и камеры Вильсона (от десятков сантиметров до 2 м), но их эффективный объем на 2-3 порядка больше, так как жидкости гораздо плотнее газов. Это позволяет использовать пузырьковые камеры для исследования длинных цепей рождения и распадов частиц высоких энергий. [ 10]
9.2Ядерные фотоэмульсии - это простейший детектор заряженных частиц. Прохождение заряженной частицы в эмульсии вызывает ионизацию, приводящую к образованию центров скрытого изображения. После проявления следы заряженных частиц обнаруживаются в виде цепочки зерен металлического серебра. Фотоэмульсии применяются для изучения реакций, вызываемых частицами в ускорителях сверхвысоких энергий и в космических лучах.
10.2Искровая камера, сочетает в себе преимущества счетчиков (быстрота регистрации) и трековых детекторов (полнота информации о частицах). По своему принципу действия она представляет собой набор большого числа мелких счетчиков. Для регистрации мощности экспозиционной дозы широко применяются бытовые дозиметры. Рабочим элементом большинства модификаций бытовых дозиметров служит полупроводниковый диод. Бытовые дозиметры позволяют измерять мощность экспозиционной дозы гамма - и бета-излучений. Диапазон измеряемой мощности составляет от 10 до 1000 мкР/ч. Радиоактивное излучение регистрируется в диапазоне энергий0.1- 1.25 МэВ. Время измерений – 20-30 сек. Бытовые дозиметры снабжены цифровой индикацией. Они имеют, как правило, портативное исполнение.
Заключение
В данной работе мы рассмотрели различные методы регистрации радиоактивных излучений и частиц, границы их применимости и принципы действия приборов. Наглядно были представлены модели этих приборов – сцинтилляционного счетчика, пузырьковой камеры, камеры Вильсона и т.д.
Были так же рассмотрены методы используемые для определения доз облучения и количества радиоактивных веществ: фотографический, ионизационный, люминесцентный, оптический и т.д.
Список литературы
1. Булдаков Л.А.,Калистратова В.С., «Радиоактивное излучение и здоровье», Информ-Атом., 2003-165 с.
2. Гребенюк. А. Н. // Основы радиобиологии и радиационной медицины. Учебное пособие. Издательство. Фолиант. 2012.- 227с
3. Игнатов П. А, Верчеба А. А, «Радиогеоэкология и проблемы радиационной безопасности», "ИнФолио",2010-256 с.
4. Лысенко Н.П, Рогожина Л. В, Пак В. В.: Радиобиология. Учебник. Издательство: Лань, 2019-572 с.
5. Родионова. Т. Н. // Ветеринарная радиобиология: краткий курс лекций для студентов 4 курса по специальности 36.05.01 - «Ветеринария». Издательство ФГБОУ ВО «Саратовский ГАУ». – Саратов, 2016. – 83 с.
6. Степанов. В.Г. //Ветеринарная радиология. Издательство:Лань,2018.- 348 с.
7. Филимонов М.М Радиобиология (конспект лекций): Учеб. пособие для студентов биологических специальностей университетов. Авт. ссост.: БГУ, 2006. - 116с.
8. Храмченкова О.М. Х 898 Основы радиобиологии: Учебное пособие для студентов биологических специальностей высших учебных заведений / О.М. Храмченкова. – Гомель: УО «ГГУ им. Ф. Скорины», 2003. -458с.
9. Цыб А. Ф., Будагов Р. С. и др. Радиация и патология: Учеб. пособие. М.:Высшая школа, 2005-341 с.
10. Hall EJ, Giaccia AJ. Radiobiology for the Radiologist, 8th edn. Philadelphia: Wolters Kluwer, 2018
11.Joiner Michael C., van der Kogel Albert J. Basic Clinical Radiobiology, Fifth Edition, CRC Press, 2018