ОСНОВЫ ДОЗИМЕТРИИ ОСНОВЫ ДОЗИМЕТРИИ Лекция 8. МЕТОДЫ РЕГИСТРАЦИИ ИЗЛУЧЕНИЙ Носовский Анатолий Владимирович д-р. техн. наук, проф.

Основы дозиметрии. Лекция 8. Методы регистрации излучений2 Физические основы регистрации излучений В зависимости от характера взаимодействия ионизирующего излучения с веществом различают следующие методы его регистрации: ионизационные; сцинтилляционные; полупроводниковые; люминесцентные; фотоэмульсионные; химические; калориметрические и др.

Основы дозиметрии. Лекция 8. Методы регистрации излучений3 Физические основы регистрации излучений Одна из основных характеристик детектора – эффективность регистрации излучения, равная отношению энергии, поглощенной в чувствительном объеме, к энергии излучения, проходящей через этот объем. Измерительная аппаратура характеризуется чувствительностью, которая определяется минимальным уровнем регистрируемого сигнала детектора.

Основы дозиметрии. Лекция 8. Методы регистрации излучений4 Физические основы регистрации излучений Разнообразные регистрирующие устройства обязательно содержат следующие составные части: детектор для преобразования энергии ионизирующего излучения в другие формы энергии, более удобные для регистрации (электрическую, световую, тепловую и т. д.); усилитель электрических сигналов; устройство для преобразования электрических сигналов по амплитуде, форме, количеству и длительности; показывающее или регистрирующее устройство для преобразования электрического сигнала в воспринимаемую человеком форму; блок питания.

Основы дозиметрии. Лекция 8. Методы регистрации излучений5 Физические основы регистрации излучений Структурная схема установки регистрации ионизирующего излучения Детектор Предуси- литель Усилитель Преобра- зователь Регистрирующее устройство Блок питания Высоковольтный блок

Основы дозиметрии. Лекция 8. Методы регистрации излучений6 Ионизационный метод Простейшая схема ионизационного детектора

Основы дозиметрии. Лекция 8. Методы регистрации излучений7 Ионизационный метод Все ионизационные детекторы делятся на: ионизационные камеры – детекторы с низким значением напряженности электрического поля в чувствительном объеме, не достаточном для возникновения ударной ионизации; газоразрядные счетчики – детекторы с высоким значением напряженности электрического поля, использующие механизм газового усиления.

Основы дозиметрии. Лекция 8. Методы регистрации излучений8 Ионизационный метод Обобщенная вольтамперная характеристика ионизационного детектора

Основы дозиметрии. Лекция 8. Методы регистрации излучений9 Ионизационный метод Устройство и схема включения газоразрядного счетчика: 1 – стеклянный баллон (корпус); 2 – металлическая нить (анод); 3 – металлический цилиндр или металлизированное покрытие (катод).

Основы дозиметрии. Лекция 8. Методы регистрации излучений10 Сцинтилляционный метод Физическая основа сцинтилляционного метода – возбуждение и ионизация атомов и молекул вещества при прохождении через него заряженных частиц. Через определенное время они переходят в основное состояние, испуская световое излучение, спектр которого зависит от структуры энергетических уровней атомов и молекул вещества. Фотоны, возникающие в сцинтилляторе под действием ионизирующего излучения, по светопроводу, попадают на фотокатод фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) и выбивают из него фотоэлектроны, которые проходят через фокусирующую диафрагму и разгоняются электрическим полем. Проходя через систему умножающих электродов (динодов) электронный поток усиливается в среднем в 10 5 –10 6 раз и попадает на анод ФЭУ. Величина анодного тока пропорциональна количеству сцинтилляций и, следовательно, пропорциональна интенсивности излучения, попадающего на сцинтиллятор.

Основы дозиметрии. Лекция 8. Методы регистрации излучений11 Сцинтилляционный метод Сцинтилля- ционная эффектив- ность, % Гигроско- пичность Плотность, г/см 3 Постоянная спада, мкс Длина волны при максимуме испускания, нм Материал Характеристики некоторых неорганических сцинтилляторов 100да3,670,23410NaI(Tl) 85да4,510,63420CsI(Na) 45нет4,511,00565CsI(Tl) 3535да4,081,40470–485 6 LiI(Eu) 50нет3,190,94435CaF 2 (Eu)

Основы дозиметрии. Лекция 8. Методы регистрации излучений12 Сцинтилляционный метод Сцинтилля- ционная эффектив- ность, % Гигроско- пичность Плотность, г/см 3 Постоянная спада, мкс Длина волны при максимуме испускания, нм Материал Продолжение таблицы 20нет4,880,63325BaF 2 3–5да4,640,005390CsF 12нет7,130,30480Bi 4 Ge 3 O 12 26нет7,875,0480ZnWO 4 40нет7,905,0540CdWO 4

Основы дозиметрии. Лекция 8. Методы регистрации излучений13 Сцинтилляционный метод Упакованный кристалл NaI(Tl)

Основы дозиметрии. Лекция 8. Методы регистрации излучений14 Сцинтилляционный метод Принципиальная схема сцинтилляционного детектора: 1 – сцинтиллятор; 2 – фотокатод ФЭУ; 3 – фокусирующая диафрагма; 4 – диноды; 5 – анод ФЭУ; 6 – делитель напряжения; 5 – выходное сопротивление; 8 – усилитель; 9 – пересчетный прибор.

Основы дозиметрии. Лекция 8. Методы регистрации излучений15 Сцинтилляционный метод Сцинтилляторы ZnS, активированные серебром или медью, применяют в виде монокристаллического порошка с толщиной слоя 25–50 мг/см 2 для регистрации -частиц. Для исследования -излучения лучшим сцинтиллятором является NaI(Tl). Для регистрации -излучения чаще всего используют кристаллы NaI (Tl). Монокристаллы LiI, LiI(Tl) применяют для регистрации нейтронного излучения. Содержание водорода в органических сцинтилляторах позволяет использовать их для регистрации быстрых нейтронов. Особенно широко для этой цели применяется стильбен.

Основы дозиметрии. Лекция 8. Методы регистрации излучений16 Сцинтилляционный метод Наряду с традиционными детекторными сборками типа сцинтиллятор-ФЭУ для регистрации ионизирующих излучений применяются сцинтиэлектронные детекторы излучений (СЭЛДИ) нового поколения типа сцинтиллятор-фотодиод (С-ФД). Детектор С-ФД по сравнению с конструкцией С-ФЭУ имеет существенно более широкую область применения, что обусловлено следующими эксплуатационными преимуществами: широкий динамический диапазон (10 8 –10 12 ), то есть возможность регистрации мощности дозы излучений от уровней ниже фонового (1 мкбэр/ч) до 10 4 –10 6 бэр/ч; миниатюрность – (объем 0,5–2 см 3 ), простота конструкции, надежность эксплуатации; отсутствие необходимости в высоковольтном питании.

Основы дозиметрии. Лекция 8. Методы регистрации излучений17 Сцинтилляционный метод Конструкция СЭЛДИ: 1 – светозащитный слой; 2 – сцинтиллятор (ZnSe, CdS, BGO, CWO; 3 – отражающее защитное покрытие; 4 – оптический контакт; 5 – кремниевый фотодиод; 6 – вывод.

Основы дозиметрии. Лекция 8. Методы регистрации излучений18 Полупроводниковый метод Полупроводник в качестве детектора ионизирующих излучений выступает как аналог ионизационной камеры, чувствительным объемом которой является твердое тело. Под действием ионизирующего излучения в полупроводнике образуется свободные носители заряда. Если к полупроводнику, находящемуся в поле ионизирующего излучения приложить разность потенциалов, то по изменению проводимости полупроводника можно сделать вывод о наличии и интенсивности ионизирующего излучения.

Основы дозиметрии. Лекция 8. Методы регистрации излучений19 Полупроводниковый метод Схема включения поверхностно-барьерного полупроводникового детектора

Основы дозиметрии. Лекция 8. Методы регистрации излучений20 Полупроводниковый метод Строение германиевого детектора Основной недостаток германиевых детекторов – они должны использоваться при температуре жидкого азота. В детекторную сборку входит вакуумный сосуд Дьюара для хранения жидкого азота. Ge(Li) детекторы должны быть всегда охлажденными, даже при хранении, так как ионы лития уйдут и детекторы станут негодными.

Основы дозиметрии. Лекция 8. Методы регистрации излучений21 Фотографический метод Фотографический метод основан на свойстве ионизирующего излучения воздействовать на чувствительный слой фотоматериалов. Для регистрации излучений обычно используют рентгеновские пленки, представляющие собой чувствительную эмульсию, нанесенную на целлулоидную подложку. Основной составляющей эмульсии являются кристаллы бромистого или хлористого серебра (AgBr, AgCl). В результате поглощения излучения в кристаллах образуются центры проявления, состоящие из групп атомов металлического серебра. Совокупность этих центров создает скрытое изображение.

Основы дозиметрии. Лекция 8. Методы регистрации излучений22 Люминесцентный метод Сущность метода заключается в том, что в некоторых вещест- вах (люминофорах) образованные под действием ионизирую- щего излучения носители заряда (электроны и дырки) локализуются в центрах захвата, благодаря чему происходит накопление поглощенной энергии, которая может быть затем освобождена при дополнительном внешнем воздействии. Дополнительным возбуждением может быть либо освещение люминофора светом определенного спектра, либо его нагрев (фотолюминесценция и термолюминесценция). Интенсивность люминесценции пропорциональна дозе облучения люминофора. В качестве люминофоров используется NaI, LiF, NaCl, фосфатные стекла. В качестве ТЛД люминофоров используют LiF, CaSO 4, Al 2 O 3.

Основы дозиметрии. Лекция 8. Методы регистрации излучений23 Активационный метод Под действием нейтронов в нерадиоактивных веществах могут образоваться радиоактивные ядра, то есть нерадиоактивные вещества приобретают наведенную активность (активируются). Наведенная активность зависит от плотности потока нейтронов и энергии. Активационный метод удобен тем, что позволяет определить большую (аварийную) дозу и спектр нейтронов при наличии интенсивного -излучения. Активационный дозиметр должен состоять из трех детекторов, каждый из которых регистрирует нейтроны в одной из областей энергии. Например аварийный дозиметр АИДА имеет три активационных детектора 63 Сu и 31 Р в кадмиевом фильтре и 63 Сu без фильтра. Кадмий практически полностью поглощает тепловые нейтроны. Таким образом, медный детектор в кадмии регистрирует только промежуточные нейтроны, без кадмия – тепловые и промежуточные, а фосфорный – быстрые.

Основы дозиметрии. Лекция 8. Методы регистрации излучений24 Тепловой метод Тепловой метод является единственным прямым абсолютным методом дозиметрии, так как он основан на непосредственном измерении поглощенной энергии в отличие от других методов, в которых измеряется косвенный эффект. Суть теплового метода состоит в том, что при взаимодействии ионизирующих излучений с веществом вся поглощенная в веществе энергия в конечном счете преобразуется в тепло и вызовет нагрев вещества, который пропорционален дозе излучения. Доза в 5 Грей повысит температуру поглотителя всего на одну тысячную градуса. Необходимость измерять чрезвычайно малые изменения температуры ограничивают применение теплового метода. Он используется в основном в лабораторных условиях для исследовательских целей.