Методи і засоби виявлення і реєстрації іонізуючих випромінювань.

Всі методи виявлення іонізуючих випромінювань підрозділяються на дві великі групи: ФІЗИЧНІ І ХІМІЧНІ. До групи фізичних методів варто віднести:

1. іонізаційне детектування випромінювань;

2. сцинтиляційний (люмінесцентний) метод;

3. метод напівпровідникового детектування;

4. фотографічний метод;

5. калориметричний метод

До групи хімічних методів - методи, основані на тих або інших хімічних змінах, що виникають під дією випромінювання:

1. зміни кольору рідин або кристалів;

2. виділення газів

3. осадження деяких колоїдів

Існує й інша система групування методів детектування: по первинних і вторинних ефектах. Але вона теж досить відносна. Ми будемо розглядати методи в порядку їхньої поширеності.

I. ФІЗИЧНІ МЕТОДИ.

Найбільше поширення отримали методи, засновані на ефекті безпосередньої взаємодії випромінювань із речовиною - на ефекті іонізації газового середовища. На цьому ефекті побудовані ІОНІЗАЦІЙНІ ДЕТЕКТОРИ ВИПРОМІНЮВАНЬ різноманітної конструкції і призначення. Це іонізаційні камери, пропорційні лічильники, лічильники Гейгера і т.д. Значне поширення одержали методи реєстрації, але вже ефектів взаємодії з тою або іншою речовиною попередньо отриманих іонів, тобто іонізаційних ефектів. Це такі методи, як фотографічний, люмінесцентний і т.д.

1. Що стосується іонізації газового середовища, то всі прилади побудовані на основі детектора - газової камери з електродами для створення усередині детектора електричного поля. Повітря, як газ, є гарним ізолятором. І при подачі на електроди детектора певної напруги струм між ними текти не буде, тому що немає в газовому середовищі іонів - носіїв електричного струму. І от у цю камеру потрапляють альфа і бета частинки, а також гама-кванти. Що ж відбувається? При відсутності напруги на електродах усі ці утворені з атомів і молекул газу пари іонів рухаються хаотично і зрештою рекомбінують, тобто перетворяться знову в нормальні нейтральні молекули й атоми. Якщо ж на електроди камери детектора подана певна напруга, то позитивні іони вирушать до негативного електрода детектора, а негативні - до позитивного електрода, і в детекторі виникне іонізаційний струм, що і реєструється приладом. Гамма-кванти по своїй природі хвилясті, а не корпускулярні випромінювання. Тому вони взаємодіють із стінками камери з утворенням фотоелектронів і комптоелектронів, а вже останні викликають іонізацію в газовому середовищі детектора.І далі процес іде так, як і при дії корпускулярних часточок опромінення.

ГРАФІК ВОЛЬТАМПЕРНОЇ ХАРАКТЕРИСТИКИ

При поступовому збільшенні напруги усе більша частина іонів у детекторі не встигає рекомбінувати і, природно, сила струму в детекторі збільшується при тому самому рівні випромінювання. При досягненні певної напруги насичення процесу рекомбінації вже не відбуваються і всі іони йдуть і потрапляють на електроди - детектор працює в зоні або області струму насичення, де крива вольт-амперної характеристики утворить так називане плато насичення. Сила струму детектора в межах цієї області залежить тільки від величини первинної іонізації в камері детектора, а отже, від кількості і виду радіоактивних випромінювань. альфа> бета > гама (чому?). У цій області детектор, та й самий лічильник працюють як іонізаційна камера. При наступному збільшенні напруги на електродах камери датчика стабільність сили струму області плато закінчується і сила іонізаційного струму (при сталості потужності жорсткого випромінювання) знову починає зростати. Іони, утворені діючими частками радіоактивного випромінювання (особливо електрони) одержують від електричного поля детектора таку додаткову енергію, що вже в стані самі вибивати електрони з зовнішніх орбіт нейтральних атомів газу камери датчика, тобто відбувається процес вторинної іонізації вже не частками жорсткого випромінювання, а первинними іонами. Спостерігається явище газового посилення. Ця область вольтамперної характеристики називається областю пропорційності. І детектор, що працює в цьому режимі називається вже не іонізаційною камерою, а пропорційним лічильником. Важливою особливістю його роботи є наявність ефекту газового посилення, із коефіцієнтом Кгу = 103-104 Чутливість дного режиму роботи підвищується на три-чотири порядки величини. При подальшому підвищенні напруги на електродах іонізаційного детектора ступінь газового посилення також підвищується, але сувора пропорційність між кількісттю часточок випромінення та кількістю вториних іонів порушується. Це так називана область обмеженої пропорційності вольтамперної характеристики. Вона практично мало придатна для роботи детекторів. Далі. При збільшенні напруги на детекторі сила іонізаційного струму вже не залежить від числа первинних іонів. Кгу зростає до 108 - 1010 ступеню. Поява хоча б однієї частинки іонізуючого випромінювання призводить до спалаху самостійного газового розряду, що охоплює всю камеру. Цей діапазон роботи детектора називають областю Гейгера, а самий детектор при роботі в цьому режимі - лічильником Гейгера. Якщо і далі підвищувати напругу на електродах детектора, то в його камері відбудеться безупинний, що не залежить від наявності або відсутності частинок випромінювання, коронний розряд, тобто просто звичайний пробій газового діелектрика. Тепер розглянемо докладніше, у яких випадках які типи лічильників застосовуються.

I. ІОНІЗАЦІЙНА КАМЕРА. Застосовують для виміру всіх типів ядерних випромінювань. По геометрії - пласкі, циліндри, сфери будь-яких обсягів. Чим більше обсяг датчика - тим більше його чутливість. Електроди цих датчиків можуть бути: у пласких датчиків - (дві платівки), а в циліндричних - циліндр і осьова нитка. Для їхньої роботи істотні: матеріал і товщина стінок, розмір і форма датчика, природа і стан газу, що його наповняє. У залежності від призначення і конструкції іонізаційні камери можуть працювати в двох режимах:

а) імпульсному, коли детектуються, визначаються такі окремі важкі корпускули, як альфа, протони;

б) інтегральному, тому що величина іонізаційного струму пропорційна енергії випромінювання (коливається менше енергія - коливається менше і струм). У даному випадку іонізаційна камера вимірює струм насичення в одиницю часу, тобто вимірює потужність дози даного випромінювання, і може бути одградуйована прямо в одиницях потужності дози (відразу запитати, які знають одиниці потужності дози).

II. ПРОПОРЦІЙНИЙ ЛІЧИЛЬНИК. Значно краще іонізаційної камери, тому що Кгу = 103 - 104, тобто є початкове посилення вже в камері детектора, причому це посилення суворо пропорційне. У них у порівнянні з іонізаційними камерами значно підвищується чутливість і спрощується схема посилення. Вони дозволяють визначити енергію ядерних часток і вивчати їхню природу. Конструктивно бувають в основному циліндричної форми. У більшості випадків використовуються для реєстрації альфа часток.

III. ЛІЧИЛЬНИК ГЕЙГЕРА. Конструктивно мало чим відрізняється від пропорційного лічильника. Відмінність: у датчику лічильника Гейгера знаходиться інертний газ при зниженому тиску. По конструкції розрізняють такі, що самогасяться і не самогасяться. Системи, що гасять, вкрай необхідні, адже навіть єдина частинка викликає лавинний коронний розряд, що самопідтримується у газі детектора. Системи, що самогасяться, реєструють до 104 імп/сек. Під ефективністю лічильника розуміють процентне відношення числа зареєстрованих лічильником імпульсів до загального числа часток або квантів, що потрапили за це ж час у робочий об’ємі детектора лічильника. Для визначення ефективності лічильника вимірюють кількість імпульсів від еталонної, тобто відомої активності. Лічильник Гейгера застосовується для реєстрації усіх видів випромінювань, але частіше для виміру бета і гама випромінювань. конструкція визначається завданнями і може бути найрізноманітнішою. Слід зазначити, що по конструкції лічильники Гейгера - галогенні лічильники, що самогасяться. У інертні гази добавляють Cl2, Br2, I2. І запалювання розряду значно нижче, тобто це компактні переносні польові лічильники.

2. Сцинтиляційний метод регістрації. У деяких речовинах (фосфорах, сцинтиляторах) під впливом іонізованих часток і квантів атоми переходять у збуджений стан, а повертаючись у нормальний, спокійний, надлишок енергії віддають випромінюванням у видимому спектрі - спалахом світла, що у лічильниках реєструється в електричний сигнал за допомогою оптично зв'язаного зі сцинтилятором фотоелектроного примножувача (ФЕП). ФЕП - фотоелемент + примножувач (10Е6 - 10Е9) струму. Сцинтиляційні лічильники володіють у порівнянні з газоразрядними більшою ефективністю рахунку (до 100%) і роздільною здатністю. По складу сцинтиляти (фосфори), поділяють на органічні і неорганічні, а по агрегатному стану - на тверді, пластичні, рідкі і газоподібні.

3. Напівпровідникове детектування. Цей тип детекторів або лічильників являє собою твердотільну іонізаційну камеру, де носії (електрони і дірки) створюють струм іонізації не в газі, а в кристалі напівпровідника. Основна перевага - дуже малі розміри, а недолік - велика залежність показників від температури самого кристала, що постійно дрейфує.

4. Фотографічний метод. Заснований на взаємодії іонізуючих часток і квантів із галогенідами срібла фотоплівки, при якому іонізуюче випромінювання відновлює солі до металевого срібла, і емульсія чорніє. Ступінь почорніння емульсії пропорційна дозі випромінювання, і визначається на спеціальних приладах - компараторах. Цей метод одержав широке поширення в комплексі ІФК (індивідуального фото контролю) для осіб, що працюють із бета- і гамма-випроміненням. (ПИТАННЯ чому не з альфа-?).

5. Калориметричний метод. Використовується при спеціальних дослідженнях. У основі цього методу вимір за допомогою калориметра теплової енергії, що виділяється при поглинанні іонізуючого випромінювання.

II ХІМІЧНІ МЕТОДИ.

Розвинені і поширені дуже слабко, за винятком феросульфатного методу, заснованого на переході під впливом іонізуючого випромінювання іонів Fe+2 у тривалентни.