Основные принципы и приборы регистрации ионизирующего излучения

Все ионизирующие излучения прямо или косвенно взаимодей­ствуют с той средой, в которую они проникают, изменяют ее физиче­ские и (или) химические свойства. Эти изменения и берутся за основу при разработке методов регистрации ионизирующих излучений.

В зависимости от характера взаимодействия ионизирующего излучения со средой различают следующие основные методы его ре­гистрации: ионизационные, люминесцентные, полупроводниковые, фотоэмульсионные, химические и калориметрические.

Ионизационные методы основаны на способности ионизирую­щего излучения вызывать ионизацию молекул и атомов газа, твердых и жидких веществ. Наибольшее развитие и практическое применение получил метод, основанный на использовании изменения электриче­ской проводимости газов. К основным ионизационным детекторам относятся ионизационные камеры, газоразрядные счетчики (пропор­циональные, счетчики Гейгера—Мюллера, искровые и др.). Для реги­страции следов движения (треков) отдельных заряженных частиц применяется камера Вильсона.

Люминесцентные методы основаны на способности ионизи­рующего излучения возбуждать молекулы и атомы среды. Переход молекул и атомов из возбужденного состояния в основное происходит с испусканием света (видимого или ультрафиолетового). Световые вспышки с помощью электронных устройств преобразуются в элек­трический сигнал, который можно зарегистрировать.

Полупроводниковые детекторы основаны на использовании спо­собности ионизирующего излучения изменять проводимость полупро­водников. Полупроводники приобретают под действием излучения некоторую дополнительную проводимость.

Фотоэмульсионные методы основаны на способности ионизи­рующего излучения вызывать потемнение фотоэмульсии или оставлять треки в фотоматериалах. Этот метод широко используется в дозимет­рии для определения индивидуальных доз от р-, у- и нейтронного из­лучения. Степень почернения фотоматериала после его проявления находится в определенной зависимости от вида, энергии и интенсив­ности ионизирующего излучения.

Химические методы основаны на необратимых химических из­менениях в некоторых веществах под действием ионизирующих из­лучений. В результате изменений облучаемая среда может изменить оптическую плотность, цвет, выход химических реакций.

Калориметрические методы основаны на том, что ионизирую­щее излучение несет энергию, которая поглощается веществом и пре­вращается в тепло.

По назначению и конструкции регистрирующие устройства мо­гут быть самыми разнообразными, но неотъемлемыми частями их яв­ляются следующие.

1. Детектор для преобразования энергии ионизирующего излуче­ния при его взаимодействии с веществом в другие формы энергии, более удобные для регистрации (электрическую, световую, тепловую и т.д.).

2. Усилитель входных импульсов для усиления электрических сигналов,

3. Преобразующее устройство для преобразования электрических сигналов по амплитуде, форме, количеству и длительности.

4. Показывающее или регистрирующее устройство для преобра­зования электрического сигнала в воспринимаемую человеком форму. Регистрирующим устройством может быть стрелочный прибор, самописец, электромеханический счетчик, сигнальные лампы и т.п.

5. Блок питания для питания отдельных блоков прибора стаби­лизированным напряжением. Для этой цели используют аккумуля­торы, батареи, высоковольтные стабилизаторы напряжения и другие средства, обеспечивающие стабильность работы приборов (установок).

Приборы для регистрации ионизирующего излучения предна­значены для измерения величин, характеризующих источники и по­ля ионизирующих излучений, взаимодействие ионизирующих излу­чений с веществом.

Приборы и установки, используемые для регистрации ионизи­рующих излучений, подразделяются на следующие основные группы:

Дозиметры — приборы для измерения дозы ионизирующего из­лучения (экспозиционной, поглощенной, эквивалентной), а также ко­эффициента качества.

Дозиметры применяются для дозиметрического контроля пер­сонала, измерения дозы облучения при контроле различных радио­химических процессов, при воздействии ионизирующих излучений на растительность, живые объекты, различные вещества и материалы, измерения дозы в биологических тканях человека и животных с уче­том биологической эффективности ионизирующих излучений и раз­личного состава объекта облучения (ткань, кости и др.).

В практической деятельности для измерения доз наибольшее распространение получили индивидуальные дозиметры.

Радиометры — приборы, предназначенные для измерения плотности потока ионизирующих излучений, пересчитываемой на ве­личину, характеризующую источники излучений. В зависимости от измеряемых физических величин и регистрируемых излучений ра­диометры бывают: потока ионизирующих частиц, плотности потока ионизирующих частиц и квантов, комбинированные и радиометры-дозиметры универсальные.

Радиометры регистрируют а-, р-, рентгеновское и у-излучение; нейтронное излучение, тяжелые заряженные частицы (два и более излучения).

Универсальные приборы — устройства, совмещающие функции дозиметра и радиометра, радиометра и спектрометра и пр. Эти при­боры широко применяются службами дозиметрии и радиационной безопасности, так как они могут совмещать функции нескольких при­боров, измеряющих различные виды ионизирующего излучения.

Например, переносной универсальный радиометр типа РУП-1 предназначен для измерения степени загрязненности поверхности а-, Р-активными веществами, для определения экспозиционной мощности дозы у-излучения и плотности потоков быстрых и тепловых нейтронов.

Спектрометры ионизирующих излучений — приборы, изме­ряющие распределение (спектр) величин, характеризующих поле ионизирующих излучений.

Спектрометры ионизирующих излучений используются в дози­метрии и радиометрии как приборы, дающие информацию об энерге­тическом спектре источников излучений.

В зависимости от вида ионизирующего излучения спектрометры подразделяются на α-, β-, γ- и нейтронные, а от применяемого блока детектирования — на полупроводниковые, ионизационные, сцинтилляционные, магнитные.

Сцинтилляционный метод регистрации излучений основан на измерении интенсивности световых вспышек, возникающих в люминесцирующих веществах при прохождении через них ионизирующих излучений. Для регистрации световых вспышек используют фото­электронный умножитель (ФЭУ) с регистрирующей электронной схе­мой. Вещества, испускающие свет под воздействием ионизирующего излучения, называются сцинтилляторами (фосфорами, флуорами, люминофорами).

ФЭУ позволяет преобразовывать слабые вспышки от сцинтил-лятора в достаточно большие электрические импульсы, которые мож­но зарегистрировать обычной несложной электронной аппаратурой.

Сцинтилляционные счетчики можно применять для измерения числа заряженных частиц, гамма-квантов, быстрых и медленных ней­тронов; для измерения мощности дозы от бета-, гамма- и нейтронного излучения; для исследования спектров гамма- и нейтронного излучений.

Сцинтилляционный метод имеет ряд преимуществ перед други­ми методами. Прежде всего — это высокая эффективность измерения проникающих излучений, малое время высвечивания сцинтилляторов, что позволяет производить измерения с короткоживущими изотопами.

Описанные выше методы регистрации излучений весьма чувствительны и не пригодны для измерения больших доз.

Для измерения достаточно больших мощностей дозы используют калориметрические методы, в основе которых лежит измерение коли­чества теплоты, выделенной в поглощающем веществе. Эти методы также применяют для определения совместного и раздельного гамма-и нейтронного излучений в ядерных реакторах, ускорителях, где мощность поглощенной дозы составляет несколько десятков рад в час.

Большое распространение получили полупроводниковые, а так­же фото- и термолюминесцентные детекторы ионизирующих излучений.

В соответствии с проверочной схемой по методологическому на­значению приборы и установки для регистрации ионизирующих из­лучений подразделяются на образцовые и рабочие.

Образцовые приборы и установки предназначены для поверки по ним других средств измерений, как рабочих, так и образцовых, ме­нее высокой точности. Заметим, что образцовые приборы запрещается использовать в качестве рабочих.

Рабочие приборы и установки — средства для регистрации и ис­следования ионизирующих излучений в экспериментальной и приклад­ной ядерной физике и многих других областях народного хозяйства.

По оформлению приборы для регистрации ионизирующего из­лучения подразделяют на стационарные, переносные и носимые, а также на приборы с автономным питанием.