Токсины. Полупроводниковые и сцинтилляционные счетчики
 Скачать 24.72 Kb.
|
|
Полупроводниковые и сцинтилляционные счетчики. Проникающее излучение – γ-кванты, разменивая свою энергию с образованием электронов, в газе редко производят ионизацию. Обычно при этом ионов так мало, что зарегистрировать это излучение ионизационным прибором трудно. В этом случае применяют большие и очень плотные детекторы – специальные полупроводниковые или сцинтилляционные. В сцинтилляторах прохождение гамма-квантов вызывает световые вспышки, которые усиливаются и преобразуются в электрические импульсы фотоэлектронным умножителем. Сцинтилляционные счетчики обладают более высокой эффективностью счета (до 100%) и разрешающей способностью по сравнению с газоразрядными счетчиками. Разрешающая способность сцинтилляционных счетчиков достигает 10-5 с при регистрации альфа-частиц и 10-8 с при регистрации бета-частиц и гамма-квантов. По составы сцинтилляторы делятся на неорганические и органические, а по агрегатному состоянию – на твердые, пластические, жидкие и газовые. Полупроводниковые детекторы представляют собой твердотельную ионизационную камеру, в которой роль носителей электрического заряда выполняют электроны и так называемые дырки. Действие детекторов основано на свойствах полупроводников проводить электрический импульс под действием ионизирующих излучений. Из всех полупроводников наиболее пригодны для детекторов монокристаллы германия и кремния. Преимущество полупроводниковых детекторов состоит в том, что можно изготовлять такие детекторы очень малых размеров, поскольку толщина рабочего слоя измеряется десятками или сотнями мирометров, а полезная площадь может составлять около 1 см2. Вместе с тем они имеют и недостатки. Электропроводность таких детекторов изменяется при нагревании, поэтому во время регистрации излучений полупроводник надо охлаждать жидким азотом. Сейчас выращивают кристаллы особо чистого германия, которые могут храниться и работать при комнатной температуре без ухудшения характеристик. Для каждого вида излучений подбирается наиболее подходящий детектор. Из-за малых пробегов частиц стенки детекторов тоже должны быть очень тонкими, чтобы излучение могло попасть в детектирующее вещество и вызвать появление электрического импульса. Активность определяют по излучению, которое сопровождает радиоактивный распад: α-, β-частицы и (или) γ-кванты. Из радионуклидов чернобыльского выброса, которые в настоящее время представляют наибольшую радиобиологическую опасность, γ-кванты испускают при распаде только изотопы цезия. Их легче регистрировать, и именно цезий контролируется в образцах почвы, воды продуктах питания, для которых установлены нормы содержания радиоактивности (ВДУ). 2. Приборы для измерения ионизирующих излучений. Приборы для измерения ионизирующих излучений можно условно разделить на три группы: радиометры, дозиметры и спектрометры. Радиометрами называются приборы, с помощью которых проводится проверка на радиоактивность в Бк/кг или Бк/л измеряемого вещества по сопутствующему излучению. Радиометры предназначены для измерения активности радиоактивных веществ, плотности потока ионизирующих излучений, удельной и объемной активности газов, жидкостей, аэрозолей, различных объектов внешней среды, продуктов растительного и животного происхождения, а также удельной поверхностной активности. Выпускают радиометры различных систем и конструкций. Среди них можно выделить две основные группы: стационарные и переносные. Стационарные (лабораторные) радиометры. Такие радиометры различаются электрическими и эксплуатационными параметрами, а также конструктивными особенностями. Однако все они имеют сходную блок-схему устройства и состоят из детектора, импульсного усилителя, пересчетного прибора, регистрирующего устройства для визуального определения результатов измерения и источника высокого напряжения для питания детектора. Питание приборов обеспечивается от сети переменного тока. Переносные, лабораторные и полевые радиометры. Они имеют малые размеры и автономное (батарейное) или сетевое питание. Приборы этого типа применяют для обнаружения радиоактивных веществ, а также для определения их количества и качества (гамма- или бета-излучение). Вместо пересчетного прибора применено более простое электронное устройство, позволяющее считывать показания по шкале стрелочного показывающего прибора. Некоторые радиометры имеют цифровую, световую и звуковую индикацию излучения, а также пороговую звуковую или световую сигнализацию превышения заданной мощности дозы или пороговой скорости счета импульсов. В качестве детекторов излучения используют газоразрядные и сцинтилляционные счетчики (Белов). При измерении содержания цезия используют полупроводниковый или сцинтилляционный детекторы. Стронций-90 и плутониевые радиоизотопы измеряют после предварительной радиохимической обработки образца радиометрами, в которых применяются безокошечные детекторы, т.е. такие, в которых детектирующее вещество не имеет поглощающих стенок. В гамма-радиометре детектор вместе с измеряемым объектом помещают в «домик» из свинца, стали или комбинации металлов для защиты от космического излучения и излучений природных изотопов (детектор регистрирует любые кванты, не «разбираясь», откуда они пришли). Важно, чтобы это постороннее излучение – радиоактивный фон – было малым, по сравнению с регистрируемым, иначе падает чувствительность прибора. Таким образом, радиометр – довольно сложный и тяжелый прибор. Чем меньшую активность нужно измерить, тем выше требования к чувствительности радиометра, качеству его детектора и защиты. Существуют также большие радиометры для измерения радиоактивности, накопившейся в человеческом теле. Они называются счетчиками излучения человека (СИЧ) и имеют много детекторов, «просматривающих» тело со всех сторон. С помощью СИЧ можно измерить содержание гамма-излучающих радионуклидов. Это хороший прибор для определения накопленного цезия, но они совершенно не годятся для измерения бета- или альфа-излучающих изотопов. Правда, за рубежом известны несколько специальных установок, позволяющих оценить прижизненное содержание стронция-90 и даже плутония в органах человека по вторичным проникающим излучениям. Дозиметры – приборы, тоже измеряющие ионизирующее излучение. В отличие от радиометров ими измеряют не активность, а поглощенную энергию ионизирубщего излучения, т.е. дозу и прежде всего экспозиционную. Дозиметры предназначены для измерения экспозиционной дозы рентгеновского и гамма-излучений, поглощенной дозы излучений, мощности экспозиционной дозы рентгеновского и гамма-излучений, мощности поглощенной дозы и интенсивности ионизирующих излучений. Дозиметры состоят из трех основных частей: детектора, радиотехнической схемы, усиливающей ионизационный ток, и регистрирующего (измерительного) устройства. Детекторами излучения в дозиметрах могут быть ионизационные камеры, газоразрядные и сцинтилляционные счетчики и др. Поскольку экспозиционная доза определена для воздуха, в качестве детектора такого дозиметра (рентгенометра) можно, например, использовать воздушную ионизационную камеру, в которой собирается заряд от ионизации γ-квантами за некоторый промежуток времени. Если применить другие детекторы (ионизационный счетчик, термолюминесцентный или фотолюминесцентный дозиметр, фотографическую пленку), дозиметр необходимо предварительно прокалибровать, причем для каждого вида излучения получаются свои поправочные коэффициенты. Все дозиметры делят на стационарные, переносные, носимые (полевые) и индивидуальные. Принятая классификация дозиметрических приборов на группы не является строгой. Она отражает лишь основное назначение каждого прибора, но не исключает возможности использования его для решения дополнительных задач. Стационарные дозиметры. Их используют для контроля величины дозы и мощности дозы излучения в определенных (технологически и тактически обоснованных) точках радиологических лабораторий, технологических установок, участков или объектов местности. Дозиметры подобного типа незаменимы для контроля дозы и мощности дозы излучения, получаемой объектом, подвергающимся специальному облучению, при использовании специальной технологии в сельском хозяйстве, контроле уровня радиации в хранилищах, очистных сооружениях, при лучевой терапии, для контроля радиационной обстановки в помещениях атомных электростанций, в радиохимическом производстве, в лабораториях, санпропускниках и др. Переносные дозиметры. Их применяют для измерения дозы и мощности дозы излучения в производственных и лабораторных помещениях, где по условиям работы не требуется проводить постоянный дозиметрический контроль, а осуществляют лишь периодический контроль. К этому типу приборов можно отнести дозиметры ДРГЗ-02, ДРГЗ-03 (см. рис. 17, в), предназначенные для измерения мощности экспозиционной дозы рентгеновского и гамма-излучений от 0,01 до 100 и от 0,1 до 1000мкР/с, ДРГЗ-04 — от 0,1 до 3000 мкР/с. Они имеют сетевое и автономное питание. Дозиметр-радиометр бытовой ИРД-02Б применяют для индивидуального контроля радиационной обстановки на местности, в жилых и рабочих помещениях по уровню гамма-излучения, а также для оценки плотности потока бета-излучения от загрязненных поверхностей и измерения удельной активности проб воды, почвы, продуктов питания и т.д. Дозиметры полезно иметь в загрязненной зоне для того, чтобы контролировать уровень гамма-фона и избегать сильно загрязненных цезием участков. Полевые дозиметры представляют собой большую группу приборов, которые широко применяют для обнаружения радиоактивных веществ, а также для определения их количества и качества по уровню гамма-излучения. Они характеризуются малыми габаритами и имеют автономное питание. Показания (в мР/ч или мкР/ч) считывают по шкале стрелочного прибора; некоторые приборы имеют световую и звуковую индикацию излучений, а также пороговую звуковую или световую сигнализацию превышения заданной мощности дозы. В качестве детекторов излучения используют газоразрядные и сцинтилляционные счетчики. Спектрометры предназначены для измерения распределения излучений по энергии, заряду и массам, а также пространственно-временных распределений излучений. Спектрометры (гамма-спектрометрические установки) состоят из следующих элементов: детектора, который служит для преобразования энергии гамма-квантов в электрический импульс; предусилителя, усиливающего сигнал; блока питания детектора и предусилителя; спектрометрического усилителя, формирующего сигнал нужной формы и защищающего последующие устройства от шумов малой амплитуды, отсекая их специальным дискриминатором; аналого-цифрового преобразователя (АЦП), измеряющего амплитуду каждого импульса и накапливающего информацию о них в памяти; монитора (осциллограф или экран компьютера), который служит для визуализации гистограмм поступивших импульсов. 3. Основные методы измерения радиоактивности. Радиоактивность препаратов можно определить абсолютным, расчетным и относительным (сравнительным) методами. Наиболее широко практически применяют последний. Для анализа проб объектов ветеринарного надзора, имеющих сложный радионуклидный состав, используют спектрометрические методы измерения радиоактивности. Абсолютный метод. Метод основан на использовании прямого счета полного числа частиц распадающихся ядер в условиях 4π-геометрии (полного телесного угла). В этом случае радиоактивность препаратов выражается не в импульсах в минуту, а в единицах активности (Ки, мКи, мкКи). Для этих целей используют 4π-счетчики, конструкция которых позволяет поместить образец препарата внутрь счетчика (газопроточный счетчик типа СА-4БФЛ, сцинтилляционный счетчик с растворением пробы в жидком сцинтилляторе или помещением пробы внутрь него и др.). Расчетный метод. Это метод определения абсолютной активности альфа- и бета-излучающих изотопов, который заключается в том, что измерение осуществляют при помощи обычных газоразрядных или сцинтилляционных счетчиков. Чтобы сопоставить скорость счета, выраженную в импульсах в минуту, с активностью в единицах кюри, вводят в результаты измерения ряд поправочных коэффициентов, учитывающих потери излучения при радиометрии. Относительный (сравнительный) метод. Этот метод основан на сравнении активности исследуемого препарата с активностью стандартного препарата (эталона), содержащего известное количество изотопа. Преимущество относительных измерений в их простоте, оперативности и удовлетворительной достоверности. Благодаря этому относительный метод широко применяют в практической радиометрии и в научных исследованиях с использованием радиоактивных изотопов. Для правильного проведения измерений относительной активности исследуемых препаратов необходимо, чтобы схема распада, вид и энергия излучения эталона существенно не отличались от исследуемого радионуклида. Идеальным эталоном был бы радиоизотоп, одноименный с изотопом, содержащимся в измеряемом препарате. Желательно иметь в качестве эталона долгоживущий радиоактивный изотоп, так как его можно использовать длительное время без внесения поправок на распад. При определении суммарной бета-активности в объектах ветнадзора в качестве эталона применяют 40К, 90Sr,90Y и др. Эталон и исследуемые препараты должны иметь одинаковую форму, площадь и толщину активного слоя; их одинаково располагают относительно счетчика. Подложки, на которые нанесены измеряемые препараты и эталон, должны быть выполнены из одинакового материала и иметь одинаковую толщину. Все измерения надо проводить на одной установке с одним и тем же счетчиком. Следует стремиться к тому, чтобы измерения активности всех препаратов были выполнены с одинаковой статистической точностью. Измерив скорость счета частиц Nэ, от эталона и препарата Nпр, рассчитывают активность препарата Апр в беккерелях или в кюри по формуле: Апр =АэNпр/ Nэ Спектрометрические методы. Их применяют для анализа проб без предварительного выделения радионуклидов. Измеряя энергию и интенсивность ионизирующего излучения, можно идентифицировать радионуклиды в анализируемых препаратах и достаточно точно определить их абсолютную активность. Для решения этих задач применяют спектрометры. Спектрометр состоит из детектора и регистрирующей аппаратуры, которая выполняет функции измерения энергии и числа частиц, или квантов. В качестве детектора излучения в спектрометрах используют ионизационные камеры, сцинтилляционные и полупроводниковые счетчики. Различают альфа-, бета- и гамма-спектрометрические методы. Альфа-спектрометрический метод используют для изучения изотопного состава естественных радиоактивных элементов, и в первую очередь U, Th, Ra. Он основан на регистрации спектра альфа-частиц после приготовления тонкослойных препаратов. В альфа-спектрометрах широко применяют кремниевые полупроводниковые детекторы. Бета-спектрометрические методы можно использовать при изучении обмена веществ в организме животных для анализа проб, содержащих два радионуклида (или более), различающихся по энергии бета-излучения минимум в четыре раза. При анализе проб объектов ветеринарного надзора бета-спектрометрические методы не используют из-за сложности такого анализа. Гамма-спектрометрические методы наиболее широко распространены в ветеринарной практике. В качестве детекторов излучения в гамма-спектрометрах используют сцинтилляционные и полупроводниковые счетчики [Белов А.Д., 1999]. 4. Радиационно-экологическое районирование комплексом геофизических методов. Для оценки интенсивности влияния природных, техногенных и аварийных радиационных факторов на среду обитания и деятельности человека проводится радиационно-экологическое районирование природных и природно-техногенных комплексов на различных уровнях. Задачами районирования являются выделение площадей и объектов с неблагоприятной и весьма неблагоприятной радиационно-экологической обстановкой, выяснение тенденции ее изменчивости во времени, определение объектов радиационного мониторинга, а также разработка предупредительных или защитных мер от негативных радиационных факторов. Комплекс геофизических методов на различных уровнях решает свои конкретные задачи. При региональном районировании предпочтение отдается дистанционным аэрогамма-спектрометрическим съемкам с определением в поверхностном слое почво-грунтов или горных пород концентрации (удельной активности) урана (по радию), тория, калия-40 и искусственного изотопа цезия-137. На площадях с повышенными концентрациями перечисленных радиоэлементов проводится их увязка с типом почв, грунтов или подстилающих горных пород методами пешеходной гамма-спектрометрии, шпуровой и эманационной съемок. Одновременно ведется анализ радиационного воздействия на природные комплексы преобладающих в регионе техногенных систем и объектов. На этом же уровне намечаются площади и крупные техногенные объекты с неблагоприятной обстановкой для последующего радиационно-экологического мониторинга. При территориальном районировании дополнительно в комплекс вовлекаются лабораторные радиометрические, гамма-спектрометрические и другие физические методы по количественному определению тех или иных радионуклидов в пробах почв, грунтов, горных пород, поверхностных и подземных вод, продукции и отходов техногенных систем и объектов, связанных с добычей и переработкой полезных ископаемых, включая радиоактивные руды, строительные материалы, энергетическое сырье, промышленные, питьевые, минеральные и термальные воды, и т.д. На территориальном уровне предпочтение отдается исследованиям площадей и объектов, выделенных на региональном уровне с неблагоприятной и весьма неблагоприятной радиационно-экологической обстановкой. При районировании городов и районов проводится комплекс площадных радиометрических и дозиметрических методов с определением природного и техногенного гамма-фона, концентрации радона в почвенном воздухе, увязкой их между собой и с уровнями эквивалентной равновесной объемной активности радона в атмосфере жилых и производственных помещений. В первую очередь изучаются площади и объекты с негативной радиационной обстановкой, выделенные на региональном и территориальном уровнях. |