Радиация: единицы измерения
При почти каждом разговоре о радиоактивности с неспециалистом оказывается, что собеседник имеет в той или иной степени смутное представление о единицах измерения. Вот и когда я опубликовал статью о радиохимической лаборатории, один из читателей пожаловался мне в личку, что у него от множества единиц, встречающихся в книгах и статьях о радиоактивности — рентгены, бэры, рэмы, рады, греи, зиверты, кюри, беккерели и даже грамм-эквиваленты радия — голова идет кругом и попросил об этом написать. Исполняю его просьбу.
Да, на КДПВ — супруги Мария Склодовская-Кюри и Пьер Кюри.
Немного истории
В 1895 году Вильгельм Конрад Рентген открыл излучение, обладавшее удивительными свойствами: действуя, подобно свету, на фотопластинки, и возбуждая свечение люминесцентных экранов, оно с легкостью проникало через непрозрачные преграды. Прошло совсем немного времени, как оказалось, что источником подобного излучения является не только работающая трубка Крукса, как в опытах Рентгена, но и вещества, содержащие уран, которые, к тому же, испускают это излучение непрерывно, неизменно и без какого-либо подвода энергии извне. За этим последовала буквально лавина открытий. Открытие радия, полония, а затем целого букета новых радиоактивных элементов, установление связи радиоактивного распада с превращением одного элемента в другой, первые осуществленные ядерные реакции… В общем, удивительно простой опыт Беккереля с урановой солью на завернутой в черную бумаге фотопластинке буквально распечатал «горшочек-не-вари» новых знаний. Разговор об этих открытиях — это тема другой статьи (и не одной), а сейчас я просто скажу, что уже тогда, в первые месяцы и годы этого «радиевого бума» нельзя было обойтись без измерений.
Первым измерительным прибором для определения интенсивности ионизирующей радиации стал обыкновенный электроскоп или электрометр, который разряжался под действием излучения, и скорость этого разряда была пропорциональна его интенсивности. А первым эталоном стала…
Ампула с миллиграммом радия, как мера радиоактивности
Эта ампула стала не только первым эталоном для градуировки электрометров и ионизационных камер — это была мера количества радиоактивности. Удивительным свойством радия оказалось исключительное постоянство его излучения: его интенсивность зависела только от количества радия. Поэтому, взяв однажды навеску в 1 мг радия и запаяв его в платиновую ампулу, стало возможным больше никогда радий не взвешивать. Сравнив интенсивность гамма-излучения от эталонной ампулы и образца, помещенного в ампулу с такой же толщиной стенки, можно было с высокой точностью определить количество радия в нем. Так что ампулы с радием заняли свое законное место в палатах мер и весов рядом с эталонами метра, килограмма и сферическими конями.
Строго говоря, источником гамма-излучения является не радий. И именно с этим связано то, что эталоном была именно запаянная ампула. Дело в том, что радий-226 не излучает гамма-лучи при распаде. Он испускает альфа-частицу, превращаясь в радон-222, который тогда называли эманацией радия. Последний, будучи также альфа-активным, затем претерпевает ряд распадов с испусканием альфа- и бета-частиц, некоторые из которых сопровождаются гамма-излучением. Из запаянной ампулы радону деваться некуда, и между радием и его радиоактивными продуктами распада устанавливается вековое равновесие: сколько радона (и каждого последующего члена радиоактивного ряда) образовалось, столько и распадается.
При сравнении радиоактивности других открытых впоследствии элементов с радием стали применять такую единицу, как миллиграмм-эквивалент радия, равный количеству радиоактивного вещества, который дает такую же интенсивность гамма-излучения, как и миллиграмм радия на том же расстоянии.
Миллиграмм-эквивалент радия, как единица радиоактивности, имеет тот очевидный недостаток, что гамма-излучение, вообще говоря, является своего рода побочным эффектом радиоактивного распада. Во-многих случаях оно либо отсутствует, либо возникает не в каждом акте распада. Поэтому от сравнения по интенсивности гамма-излучению перешли к понятию активности, как мере количества актов распада в препарате в единицу времени. Эталоном осталась все та же ампула с радием, и отсюда появилась единица кюри, определяемая, как активность радиоактивного вещества, в котором в единицу времени распадается столько же атомов (а именно, штук), сколько распадается атомов радия-226 в одном его грамме.
Единица кюри в настоящее время считается устаревшей, как и все внесистемные единицы. В системе СИ ее заменяет беккерель — это активность препарата, в котором в среднем происходит один распад в секунду. Таким образом, 1 Ки = Бк.
Электрометр и экспозиционная доза
Первым устройством для измерения интенсивности радиоактивного излучения, как я говорил, стал электрометр, который разряжался под действием лучей радия. Он стал предтечей ионизационной камеры — камеры с двумя противоположно заряженными электродами, которая позволяла определить количество ионов, образовавшихся в воздухе, заполнявшем камеру. Эти ионы в электрическом поле внутри ионизационной камеры начинают движение к электродам и, достигнув их, разряжают их. По величине уменьшения заряда электродов можно определить число пар ионов, которые образовались в воздухе под действием излучения. А измерив ток, протекающий через камеру в цепи внешнего источника напряжения, можно определить количество ионных пар, рождающихся в камере в единицу времени, пропорциональное интенсивности излучения.
Величина, которую таким образом измеряют, была названа экспозиционной дозой радиоактивного излучения. И единицей ее измерения стал рентген. При экспозиционной дозе в 1 рентген в одном кубическом сантиметре сухого воздуха образуется одна единица СГСЭ ( Кл) заряда каждого из ионов, что соответствует пар ионов. Кстати, наш эталонный 1 мг радия в платиновой ампуле на расстоянии 1 см в течение часа создает экспозиционную дозу в 8,4 рентгена (обычно в таком случае говорят о мощности экспозиционной дозы 8,4 Р/ч).
В системе СИ нет специальной единицы экспозиционной дозы и применяется единица кулон на килограмм. 1 Кл/кг = 3875.97 Р. Однако в настоящее время данная единица используется крайне редко из-за отказа от самого понятия экспозиционной дозы. Причина этого отказа в том, что эта достаточно легко измеряемая величина малопригодна для практического применения. Нас обычно интересует не то, сколько ионов образовалось в воздухе, а то действие, которое произвело облучение на вещество или живую ткань.
Поглощенная доза
Вполне очевидной является идея считать мерой воздействия радиоактивного излучения на вещество поглощенную в этом веществе энергию. Это и есть поглощенная доза, мерой которой является энергия излучения, поглощенная единицей массы вещества. Единицей измерения поглощенной дозы в СИ является грей: 1 Гр = 1 Дж/кг. Раньше применялась другая единица — рад. 1 рад = 100 эрг/г = 0,01 Гр. При экспозиционной дозе 1 Р поглощенная доза в воздухе равна 0,88 рад. В большинстве случаев эти 0,88 округляют до единицы, приравнивая рад к рентгену (хотя по сути это разные физические величины), а грей (и зиверт, о котором ниже) к 100 рентгенам.
А вот доза в различных веществах при одной и той же экспозиционной дозе будет различной в зависимости от вида и энергии излучения и свойств поглотителя. Именно по этой причине сейчас от понятия экспозиционной дозы отказались. На практике гораздо более корректным является измерение не экспозиционной дозы, а взять детектор, средний атомный номер которого равен среднему атомному номеру биологической ткани (в таком случае говорят о тканеэквивалентном детекторе) и измерять поглощенную дозу в нем. Тогда с определенной степенью точности можно полагать, что поглощенная доза в детекторе будет равна поглощенной дозе в биологической ткани.
Всякие разные дозы
Но оказывается, разные виды радиоактивных излучений действуют на живую ткань неодинаково. Альфа-излучение, протоны и нейтроны при одинаковой поглощенной дозе наносят ей гораздо больший вред, чем гамма-излучение и бета-частицы. В связи с этим наряду с поглощенной дозой возникает еще один вид дозы — эквивалентная доза. Она равна дозе гамма-излучения, которая вызывает такой же биологический эффект, как и доза данного излучения.
Единицей измерения эквивалентной дозы является зиверт. Старой единицей эквивалентной дозы является биологический эквивалент рентгена или бэр, по-английски REM (порой в переводной литературе и у рентгенологов можно встретить единицу «рэм» — это тот же бэр). 1 Зв = 100 бэр.
Для того, чтобы перевести поглощенную дозу в эквивалентную, нужно поглощенную дозу умножить на так называемый коэффициент качества. Этот коэффициент для фотонов, электронов и мюонов равен единице, для альфа-частиц принят равным 20, для протонов по разным данным — от 2 до 5, а для нейтронов сильно зависит от энергии, достигая 20 в интервале энергий от 100 кэВ до 2 МэВ (см. рисунок).
Помимо эквивалентной, рассматривают еще и эффективную дозу. Она учитывает не только разную степень вредности излучения, но и разную степень вредности облучения той или иной части тела или органа при облучении не всего тела, а его части. Каждой ткани и органу приписывают взвешивающие коэффициенты таким образом, чтобы сумма равнялась единице. При равномерном облучении всего тела эффективная доза равна эквивалентной. Измеряется она в тех же единицах, что эквивалентная.
На этом я и остановлюсь: не буду запутывать вас и рассказывать, что такое керма, амбиентный эквивалент дозы и еще многие штуки.
А как это все измеряют?
Чтобы измерить экспозиционную дозу, как я и говорил, нужно взять некоторый объем воздуха, собрать образовавшиеся в нем ионы и определить их количество, что с успехом решается с помощью ионизационной камеры. Именно на основе ионизационных камер сделана большая часть накопительных дозиметров «карандашного» типа.
А чтобы измерить поглощенную дозу, придется измерить количество энергии, выделившееся в веществе. И вот тут кроется главная сложность. Напрямую эту энергию измерить очень сложно, так как в большинстве случаев она очень мала. Один грей (а это серьезная доза, уже вызывающая лучевую болезнь) — это всего лишь джоуль на килограмм. Если мы попытаемся измерить эту дозу, например, калориметрически — по изменению температуры, то, например, алюминий нагреется всего лишь чуть больше, чем на тысячную градуса.
Поэтому все методы измерения поглощенной дозы или ее мощности косвенные. Они заключаются в том, что мы наблюдаем некий процесс, вызываемый облучением и требующий затраты энергии и предполагаем, что «выход» этого процесса будет линейно зависеть от энергетического вклада поглощенного излучения в него.
Первичным актом взаимодействия ионизирующего излучения с веществом почти всегда является, собственно, ионизация. Квант гамма-излучения или иная частица, испускаемая радиоактивным веществом, как правило, имеет энергию, значительно превышающую энергию, необходимую для того, чтобы вырвать электрон из атома. Поэтому одним актом ионизации дело не заканчивается. По всей траектории следования частицы в веществе порождаются свободные электроны и положительно заряженные ионы, энергии которых обычно сами превышают энергию ионизации, что приводит к развитию целого каскада процессов образования свободных электронов и ионов, до тех пор, пока их энергия не окажется сравнимой с энергией химической связи, с первыми энергиями ионизации и т.д. И уже эти электроны и ионы непосредственно осуществляют то воздействие на вещество, которое характерно для ионизирующих лучей: возбуждают люминесценцию, инициируют химические реакции, разрушают биологические структуры, становятся носителями электрического тока. И их количество и суммарная энергия пропорциональны поглощенной дозе (строго говоря — за вычетом энергии электронов, вылетевших за пределы вещества), при этом они уже «ничего не знают» о том, что их породило.
Исторически одним из первых дозиметров стала обычная фотопленка, завернутая в светонепроницаемый материал. Степень ее почернения после проявления примерно так же зависит от поглощенной дозы, как и от экспозиции обычным видимым светом: имеется область линейной зависимости, ограниченная загибом в области малых доз и насыщением (с последующей соляризацией — падением плотности) в области больших доз. Пленка является дешевым и довольно чувствительным, но не очень надежным дозиметром, так как небольшие отклонения в режимах обработки могут давать заметные погрешности определения дозы. Фотопленка является одним из первых представителей семейства химических дозиметров, в которых величина дозы определяется по количеству образованного или израсходованного в ходе реакции вещества: окрашенного, парамагнитного или обладающего другим легко измеримым свойством. Это может быть раствор в ампуле, темнеющий или окрашивающийся под действием радиации (например, из-за окисления железа (II) до железа (III) с последующим образованием ярко окрашенного в красный цвет роданида), стекло или кристалл, в которых образуются так называемые радиационные дефекты, поглощающие свет. Химические дозиметры позволяют определять дозу облучения с высокой точностью и в очень широких пределах — от тех, которые не нанесут человеку особого вреда до тех, которые убьют его в одну минуту. Но, как правило, они не позволяют измерить мощность дозы.
Люминесценция позволяет регистрировать даже акт поглощения единственной частицы или гамма-кванта, который приводит к возникновению в материале детектора короткой световой вспышки — сцинтилляции. На этом принципе основано действие сцинтилляционных детекторов, которые позволяют измерять даже очень слабые потоки радиации, в десятки и сотни раз более слабые, чем естественный радиационный фон. Сцинтилляционный датчик излучения в отличие от химических детекторов позволяет определять мощность поглощенной детектором дозы в реальном времени. Разумеется, для того, чтобы получить величину дозы, или мощности дозы, нужно не просто сосчитать число импульсов, а просуммировать, проинтегрировать испущенный сцинтиллятором свет.
Особой разновидностью таких детекторов являются так называемые термолюминесцентные детекторы. В них используется люминесцентный материал, который, вместо того, чтобы отмечать вспышкой света каждую частицу, сохраняет образованные ею свободные заряды в виде длительно существующих заряженных дефектов решетки. При нагревании эти дефекты «залечиваются», а освободившиеся электроны и дырки рекомбинируют, передавая энергию центрам люминесценции. И проинтегрировав световой импульс, возникающий при нагревании термолюминофора, мы определим накопленную им дозу.
Наконец, мы можем «поймать» не вторичные эффекты, вызванные ионизацией, а сами ионы — совсем как в ионизационной камере, только эта камера заполняется не газом, а полупроводником — германием, кремнием, теллуридом кадмия, наконец — алмазом. Средний ток через детектор будет пропорционален мощности поглощенной им дозы.
А что же всем известный счетчик Гейгера? А он не измеряет дозу. Он может только среагировать импульсом на пролет через него частицы, не разбираясь ни в том, что в него влетело, ни какую энергию оно имело. То есть он может измерить такую характеристику потока частиц, как флюенс: сколько частиц пролетело через заданную площадь. Точно так же будет работать сцинтилляционный или полупроводниковый детектор, если мы будем только фиксировать факт появления импульса, игнорируя его амплитуду.
Доза в разных материалах и ход с жесткостью
В параграфе про поглощенную дозу я упомянул вскользь, что в одном и том же потоке излучения доза, поглощенная разными материалами, будет разной и будет зависеть от энергии квантов и свойств вещества. В случае гамма-излучения его поглощение определяется единственной характеристикой материала — средним (или эффективным) атомным номером . Гамма-излучение передает веществам с одинаковым одну и ту же энергию при прохождении слоя с одинаковой массой на единицу площади. Так, материал, имеющий такой же валовой атомный состав, как живая ткань, будет при любых энергиях поглощать гамма-кванты так же, как живая ткань, и таким образом, поглощенная доза в детекторе, сделанном из этого материала будет равна поглощенной дозе в человеческом теле. А если мы сделаем детектор из йодида цезия (один из наиболее часто используемых сцинтилляторов), то мы сможем откалибровать его для какой-нибудь одной энергии, а при других энергиях он будет врать. Такое изменение показаний дозиметрического прибора в зависимости от энергии излучения носит название «хода с жесткостью» или энергетической зависимости дозовой чувствительности детектора.
На рисунке (из «Нового справочника химика и технолога», т. 11, стр. 111) приведены энергетические зависимости дозовой чувствительности детекторов, изготовленных на основе разных сцинтилляторов. Слева сравниваются антрацен (более «легкий» по среднему атомному весу, чем живая ткань) и йодистый натрий (значительно более «тяжелый», чем последняя). Видно, что в определенном диапазоне энергий детектор на основе йодида натрия завышает величину дозы в 10 раз! А на правом графике показано то, что взяв смесь органических сцинтилляторов — более «легкого» и более «тяжелого», чем живая ткань, можно практически полностью устранить «ход с жесткостью».
Другим способом устранения «хода с жесткостью» является подбор фильтров, поглощающих излучение в области, где чувствительность детектора избыточна.
Заключение
В заключение приведу небольшую табличку, где сведены основные рассмотренные в статье величины.
А для более полного ознакомления с темой рекомендую лекции профессора Игоря Николаевича Бекмана, МГУ
Счетчик Гейгера-Мюллера: история создания, принципы работы и назначение.
Хотим мы или нет, но радиация прочно вошла в нашу жизнь и уходить не собирается. Нам нужно научиться жить с этим, одновременно полезным и опасным, явлением. Радиация проявляет себя невидимыми и неощутимыми излучениями, и без специальных приборов обнаружить их невозможно.
Немного из истории радиации
В 1895 году были открыты рентгеновские лучи. Год спустя была открыта радиоактивность урана, тоже в связи с рентгеновскими лучами. Ученые поняли, что они столкнулись с совершенно новыми, невиданными до сих пор явлениями природы. Интересно, что феномен радиации замечался несколькими годами раньше, но ему не придали значение, хотя ожоги от рентгеновских лучей получал еще Никола Тесла и другие работники эдисоновской лаборатории. Вред здоровью приписывали чему угодно, но не лучам, с которыми живое никогда не сталкивалось в таких дозах. В самом начале XX века стали появляться статьи о вредном действии радиации на животных. Этому тоже не придавали значения до нашумевшей истории с «радиевыми девушками» – работницами фабрики, выпускавшей светящиеся часы. Они всего лишь смачивали кисточки кончиком языка. Ужасная участь некоторых из них даже не публиковалась, по этическим соображениям, и осталась испытанием только для крепких нервов врачей.
В 1939 году физик Лиза Мейтнер, которая вместе с Отто Ганом и Фрицем Штрассманом относится людям, впервые в мире поделившим ядро урана, неосторожно сболтнула о возможности цепной реакции, и с этого момента началась цепная реакция идей о создании бомбы, именно бомбы, а вовсе не «мирного атома», на который кровожадные политики XX века, понятно, не дали бы ни гроша. Те, кто был «в теме», уже знали, к чему это приведет и началась гонка атомных вооружений.
Как появился счетчик Гейгера — Мюллера
Немецкий физик Ганс Гейгер, работавший в лаборатории Эрнста Резерфорда, в 1908 году предложил принцип работы счетчика «заряженных частиц» как дальнейшее развитие уже известной ионизационной камеры, которая представляла собой электрический конденсатор, наполненный газом при небольшом давлении. Она применялась еще Пьером Кюри с 1895 года для изучения электрических свойств газов. У Гейгера возникла идея использовать ее для обнаружения ионизирующих излучений как раз потому, что эти излучения оказывали прямое воздействие на степень ионизации газа.
В 1928 году Вальтер Мюллер, под началом Гейгера, создает несколько типов счетчиков радиации, предназначенных для регистрации различных ионизирующих частиц. Создание счетчиков было очень острой необходимостью, без которой невозможно было продолжать исследование радиоактивных материалов, поскольку физика, как экспериментальная наука, немыслима без измерительных приборов. Гейгер и Мюллер целенаправленно работали над созданием счетчиков, чувствительных к каждому из открытых к тому видов излучений: α, β и γ (нейтроны открыли только в 1932 году).
Счетчик Гейгера-Мюллера оказался простым, надежным, дешевым и практичным датчиком радиации. Хотя он не является самым точным инструментом для исследования отдельных видов частиц или излучений, однако на редкость подходит в качестве прибора для общего измерения интенсивности ионизирующих излучений. А в сочетании с другими детекторами используется физиками и для точнейших измерений при экспериментах.
Ионизирующие излучения
Чтобы лучше понять работу счетчика Гейгера-Мюллера, полезно иметь представление об ионизирующих излучениях вообще. По определению, к ним относится то, что может вызвать ионизацию вещества, находящегося в нормальном состоянии. Для этого необходима определенная энергия. Например, радиоволны или даже ультрафиолетовый свет не относятся к ионизирующим излучениям. Граница начинается с «жесткого ультрафиолета», он же «мягкий рентген». Этот вид является фотонным видом излучения. Фотоны большой энергии принято называть гамма-квантами.
Впервые разделил ионизирующие излучения на три вида Эрнст Резерфорд. Это было сделано на экспериментальной установке при помощи магнитного поля в вакууме. Впоследствии выяснилось, что это:
α – ядра атомов гелия
β – электроны с высокой энергией
γ – гамма-кванты (фотоны)
Позже были открыты нейтроны. Альфа-частицы легко задерживаются даже обычной бумагой, бета-частицы имеют немного большую проникающую способность, а гамма-лучи – самую высокую. Наиболее опасны нейтроны (на расстоянии до многих десятков метров в воздухе!). Из-за их электрической нейтральности они не взаимодействуют с электронными оболочками молекул вещества. Но попав в атомное ядро, вероятность чего достаточно высока, приводят к его нестабильности и распаду, с образованием, как правило, радиоактивных изотопов. А уже те, в свою очередь, распадаясь, сами образуют весь «букет» ионизирующих излучений. Хуже всего то, что облученный предмет или живой организм сам становится источником радиации на протяжении многих часов и суток.
Устройство счетчика Гейгера-Мюллера и принцип его работы
Газоразрядный счетчик Гейгера-Мюллера, как правило, выполняется в виде герметичной трубки, стеклянной или металлической, из которой откачан воздух, а вместо него добавлен инертный газ (неон или аргон или их смесь) под небольшим давлением, с примесью галогенов или спирта. По оси трубки натянута тонкая проволока, а коаксиально с ней расположен металлический цилиндр. И трубка и проволока являются электродами: трубка – катод, а проволока – анод. К катоду подключают минус от источника постоянного напряжения, а к аноду – через большое постоянное сопротивление – плюс от источника постоянного напряжения. Электрически получается делитель напряжения, в средней точке которого (место соединения сопротивления и анода счетчика) напряжение практически равно напряжению на источнике. Обычно это несколько сотен вольт.
Когда сквозь трубку пролетает ионизирующая частица, атомы инертного газа, и так находящиеся в электрическом поле большой напряженности, испытывают столкновения с этой частицей. Энергии, отданной частицей при столкновении, хватает для отрыва электронов от атомов газа. Образующиеся вторичные электроны сами способны образовать новые столкновения и, таким образом, получается целая лавина электронов и ионов. Под действием электрического поля, электроны ускоряются в направлении анода, а положительно заряженные ионы газа – к катоду трубки. Таким образом, возникает электрический ток. Но так как энергия частицы уже израсходована на столкновения, полностью или частично (частица пролетела сквозь трубку), то кончается и запас ионизированных атомов газа, что является желательным и обеспечивается кое-какими дополнительными мерами, о которых мы поговорим при разборе параметров счетчиков.
При попадании в счетчик Гейгера-Мюллера заряженной частицы, за счет возникающего тока падает сопротивление трубки, а вместе с ним и напряжение в средней точке делителя напряжения, о которой шла речь выше. Затем сопротивление трубки вследствие возрастания ее сопротивления восстанавливается, и напряжение опять становится прежним. Таким образом, мы получаем отрицательный импульс напряжения. Считая импульсы, мы можем оценить число пролетевших частиц. Особенно велика напряженность электрического поля вблизи анода из-за его малых размеров, что делает счетчик более чувствительным.
Конструкции счетчиков Гейгера-Мюллера
Современные счетчики Гейгера-Мюллера выпускаются в двух основных вариантах: «классическом» и плоском. Классический счетчик выполняют из тонкостенной металлической трубки с гофрированием. Гофрированная поверхность счетчика делает трубку жесткой, устойчивой к внешнему атмосферному давлению и не дает ей сминаться под его действием. На торцах трубки расположены герметизирующие изоляторы из стекла или термореактивной пластмассы. В них же находятся выводы-колпачки для подключения к схеме приборов. Трубка снабжена маркировкой и покрыта прочным изолирующим лаком, не считая, конечно, ее выводов. Полярность выводов также обозначена. Это универсальный счетчик для любых видов ионизирующих излучений, особенно для бета и гамма.
Счетчики, чувствительные к мягкому β-излучению, делаются иначе. Из-за малого пробега β-частиц, их приходится делать плоскими, со слюдяным окошком, которое слабо задерживает бета-излучение, одним из вариантов такого счетчика, является датчик радиации БЕТА-2. Все остальные свойства счетчиков определяются материалами, из которых их изготавливают.
Счетчики, предназначенные для регистрации гамма-излучения, содержат катод, изготовленный из металлов с большим зарядовым числом, или покрывают такими металлами. Газ крайне плохо ионизируется гамма-фотонами. Но зато гамма-фотоны способны выбить много вторичных электронов из катода, если его выбрать подходящим образом. Счетчики Гейгера-Мюллера для бета-частиц делают с тонкими окнами для лучшей проницаемости частиц, поскольку они являются обычными электронами, всего лишь получившими большую энергию. С веществом они взаимодействуют весьма хорошо и быстро эту энергию теряют.
В случае альфа-частиц дело обстоит еще хуже. Так, несмотря на весьма приличную энергию, порядка нескольких МэВ, альфа-частицы очень сильно взаимодействуют с молекулами, находящимися на пути, и быстро теряют энергию. Если вещество сравнить с лесом, а электрон с пулей, то тогда альфа-частицы придется сравнивать с танком, ломящимся через лес. Впрочем, обычный счетчик хорошо реагирует на α-излучение, но только на расстоянии до нескольких сантиметров.
Для объективной оценки уровня ионизирующих излучений дозиметры на счетчиках общего применения часто снабжают двумя параллельно работающими счетчиками. Один более чувствителен к α и β излучениям, а второй к γ-лучам. Такая схема применения двух счетчиков реализована в дозиметре RADEX RD1008 и в дозиметре-радиометре РАДЭКС МКС-1009, в котором установлены счетчик БЕТА-2 и БЕТА-2М. Иногда между счетчиками помещают брусок или пластину из сплава, в котором есть примесь кадмия. При попадании нейтронов в такой брусок возникает γ-излучение, которое и регистрируется. Это делается для получения возможности определять нейтронное излучение, к которому простые счетчики Гейгера практически нечувствительны. Еще один способ – покрытие корпуса (катода) примесями, способными придавать чувствительность к нейтронам.
Галогены (хлор, бром) к газу подмешивают для быстрого самогашения разряда. Той же цели служат и пары спирта, хотя спирт в таком случае недолговечен (это вообще особенность спирта) и «протрезвевший» счетчик постоянно начинает «звенеть», то есть, не может работать в предусмотренном режиме. Это происходит где-то после регистрации 1e9 импульсов (миллиарда) что не так уж и много. Счетчики с галогенами намного долговечнее.
Параметры и режимы работы счетчиков Гейгера
Чувствительность счетчиков Гейгера.
Чувствительность счетчика оценивается отношением числа микрорентген от образцового источника к числу вызываемых этим излучением импульсов. Поскольку счетчики Гейгера не предназначены для измерения энергии частиц, точная оценка затруднительна. Счетчики калибруют по образцовым изотопным источникам. Необходимо отметить, что данный параметр у разных типов счетчиков может сильно отличаться, ниже приведены параметры самых распространённых счетчиков Гейгера-Мюллера:
— счетчик Гейгера-Мюллера Бета-2 — 160 ÷ 240 имп / мкР
— счетчик Гейгера-Мюллера Бета-1 — 96 ÷ 144 имп / мкР
— счетчик Гейгера-Мюллера СБМ-20 — 60 ÷ 75 имп / мкР
— счетчик Гейгера-Мюллера СБМ-21 — 6,5 ÷ 9,5 имп / мкР
— счетчик Гейгера-Мюллера СБМ-10 — 9,6 ÷ 10,8 имп / мкР
Площадь входного окна или рабочая зона
Площадь датчика радиации, через которую пролетают радиоактивные частицы. Данная характеристика напрямо связана с габаритами датчика. Чем больше площадь, тем больше частиц уловит счетчик Гейгера-Мюллера. Обычно данный параметр указывается в квадратных сантиметрах.
— счетчик Гейгера-Мюллера Бета-2 — 13,8 см 2
— счетчик Гейгера-Мюллера Бета-1 — 7 см 2
Рекомендуемое рабочее напряжение счетчика.
Это напряжение соответствует приблизительно середине рабочей характеристики. Рабочая характеристика составляет плоскую часть зависимости числа регистрируемых импульсов от напряжения, поэтому ее еще называют «плато». В этой точке достигается наибольшая скорость работы (верхний предел измерений). Типичное значение 400 В.
Ширина рабочей характеристики счетчика.
Это разность между напряжением искрового пробоя и напряжением выхода на плоскую часть характеристики. Типичное значение 100 В.
Наклон рабочей характеристики счетчика.
Наклон измеряется в процентах от числа импульсов на вольт. Он характеризует статистическую погрешность измерений (подсчета числа импульсов). Типичное значение 0.15%.
Допустимая температура эксплуатации счетчика.
Для счетчиков общего применения -50 … +70 градусов Цельсия. Это весьма важный параметр, если счетчик работает в камерах, каналах, и других местах сложного оборудования: ускорителей, реакторов и т.п.
Рабочий ресурс счетчика.
Общее число импульсов, которое счетчик регистрирует до того момента, когда его показания начнут становиться неверными. Для приборов с органическими добавками самогашения, как правило, составляет число 1e9 (десять в девятой степени, или один миллиард). Ресурс считается только в том случае, если к счетчику приложено рабочее напряжение. Если счетчик просто хранится, этот ресурс не расходуется.
Мертвое время счетчика.
Это время (время восстановления), в течение которого счетчик проводит ток после срабатывания от пролетевшей частицы. Существование такого времени означает, что для частоты импульсов есть верхний предел, и это ограничивает диапазон измерений. Типичное значение 1e-4 с, то есть десять микросекунд.
Нужно отметить, что благодаря мертвому времени, датчик может оказаться «зашкаленным» и молчать в самый опасный момент (например, самопроизвольной цепной реакции на производстве). Такие случаи бывали, и для борьбы с ними применяют свинцовые экраны, закрывающие часть датчиков аварийных систем сигнализации.
Собственный фон счетчика.
Измеряется в свинцовых камерах с толстыми стенками для оценки качества счетчиков. Типичное значение 1 … 2 импульса в минуту.
Практическое применение счетчиков Гейгера
Советская и теперь российская промышленность выпускает много типов счетчиков Гейгера-Мюллера. Вот несколько распространенных марок: СТС-6, СБМ-20, СИ-1Г, СИ21Г, СИ22Г, СИ34Г, счетчики серии «Гамма», торцевые счетчики серии «Бета» и есть еще множество других. Все они применяются для контроля и измерений радиации: на объектах ядерной промышленности, в научных и учебных учреждениях, в гражданской обороне, медицине, и даже быту. После чернобыльской аварии, бытовые дозиметры, ранее неизвестные населению даже по названию, стали очень популярными. Появилось много марок бытовых дозиметров. Все они используют именно счетчик Гейгера-Мюллера в качестве датчика радиации. В бытовых дозиметрах устанавливают от одного до двух трубок или торцевых счетчиков.
ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ РАДИАЦИОННЫХ ВЕЛИЧИН
Долгое время была распространена единица измерения Р (рентген). Однако, при переходе к системе СИ появляются другие единицы. Рентген – это единица экспозиционной дозы, «количество радиации», которое выражается числом образовавшихся ионов в сухом воздухе. При дозе в 1 Р в 1 см3 воздуха образуется 2.082e9 пар ионов (что соответствует 1 единице заряда СГСЭ). В системе СИ экспозиционную дозу выражают в кулонах на килограмм, а с рентгеном это связано уравнением:
Поглощенная доза излучения измеряется в джоулях на килограмм и называется Грей. Это взамен устаревшей единицы рад. Мощность поглощенной дозы измеряется в греях в секунду. Мощность экспозиционной дозы (МЭД) раньше измерявшаяся в рентгенах в секунду, теперь измеряется в амперах на килограмм. Эквивалентная доза излучения, при которой поглощенная доза составляет 1 Гр (грей) и коэффициент качества излучения 1, называется Зиверт. Бэр (биологический эквивалент рентгена) – это сотая часть зиверта, в настоящее время уже считается устаревшей. Тем не менее, и сегодня очень активно применяются все устаревшие единицы.
Главными понятиями в радиационных измерениях считаются доза и мощность. Доза – это число элементарных зарядов в процессе ионизации вещества, а мощность – это скорость образования дозы за единицу времени. А уж в каких единицах это выражается, это дело вкуса и удобства.
Даже минимальная доза опасна в смысле отдаленных последствий для организма. Расчет опасности достаточно прост. Например, ваш дозиметр показывает 300 миллирентген в час. Если вы останетесь в этом месте на сутки, вы получите дозу 24*0.3 = 7.2 рентген. Это опасно и нужно как можно скорее уходить отсюда. Вообще, обнаружив даже слабую радиацию надо уходить от нее и проверять ее даже на расстоянии. Если она «идет за вами», вас можно «поздравить», вы попали под нейтроны. А не каждый дозиметр может на них отреагировать.
Для источников радиации используют величину, характеризующую число распадов за единицу времени, ее называют активностью и измеряют также множеством различных единиц: кюри, беккерель, резерфорд и некоторыми другими. Величина активности, замеренная дважды с достаточным разносом по времени, если она убывает, позволяет рассчитать время, по закону радиоактивного распада, когда источник станет достаточно безопасным.
Счетчик Гейгера-Мюллера
Устройство и принцип работы счетчиков Гейгера. Типы счетчиков и их сравнение между собой.
- описаны устройство и принцип работы счетчика Гейгера;
- приведены пояснения к основным его параметрам;
- представлены сведения о видах радиоактивных излучений;
- представлена информация о модификациях счетчика Гейгера;
- в понятной форме описаны различия модификаций счетчика с точки зрения их возможностей (и невозможностей) по регистрации различных видов излучений;
- описана история создания и совершенствования счетчиков Гейгера.
Специально для тех, кому некогда или нет желания читать технический текст, мы подготовили информацию этой статьи в сжатом обобщенном табличном виде – с привязкой к ассортименту нашего интернет-магазина.
| типы счетчика Гейгера | |||
| цилиндрический датчик | |||
Учитывая важность контроля присутствия (или появления) в атмосфере и в быту
опасных* радионуклидов, излучающих альфа- и/или бета-частицы
(скрытые и явные выбросы этих веществ в атмосферу, а также газ радон), то
СТАНДАРТОМ полноценного бытового дозиметра
на сегодняшний день мы видим
модели на базе
мульти-чувствительных слюдяных датчиков
* — в повседневной жизни гораздо важнее контролировать присутствие и мощность именно α- и β- излучений, как намного более опасных для здоровья человека по сравнению с фоновым гамма-излучением. Именно α- и β- излучения (и, в частности, радон — их основной источник) являются одной из основных причин онкологических заболеваний человечества ( ВОЗ про опасность газа радон ).
Итак, теперь переходим непосредственно к статье.
Во всех бытовых и во многих профессиональных приборах дозиметрического контроля в качестве датчика радиоактивного излучения используется счетчик Гейгера. Этот компонент стал важной частью дозиметра по причине простоты, надежности и эффективности применения.
Счетчик Гейгера был изобретен в 1908 году немецким физиком-экспериментатором Хансом Вильгельмом Гейгером. В 1928 году, совместно с Вальтером Мюллером, счетчик был усовершенствован. Поэтому изобретение часто называют счетчиком Гейгера-Мюллера.
В период зарождения ядерной физики, атомной энергетики и создания ядерного оружия нужны были простые приборы для регистрации и измерения интенсивности процессов распада радиоактивных материалов. Одним из первых счетчиков Гейгера в СССР стал применяться СТС-5, который устанавливался в армейских дозиметрических приборах ДП-5А. Массовое производство таких счетчиков радиации освоил Московский электроламповый завод.
Рис.1. Газоразрядный счетчик СТС-5.
Более совершенный измеритель мощности дозы ДП-5В использовался не только в вооруженных силах и на атомных электростанциях, но и в группах дозиметрического контроля формирований гражданской обороны. Он включал в свой состав счетчик Гейгера типа СБМ-20, производство которого началось в 70-х годах прошлого столетия на одном из предприятий города Саранска.
Рис.2. Газоразрядный счетчик СБМ-20.
Конструкция и характеристики счетчиков СТС-5 и СБМ-20 практически идентичны, а последний вариант до сих пор широко применяется в современных средствах контроля радиоактивного излучения. Данный тип счетчиков используется в дозиметрах Соэкс, SMG, Радэкс.
Аренда дозиметра Радиаскан 701А от 350 рублей в день
Принцип работы счетчиков Гейгера основан на эффекте ударной ионизации газовой среды под действием радиоактивных частиц или квантов электромагнитных колебаний в межэлектродном пространстве при высоком ускоряющем напряжении.
Устройство состоит из герметичного металлического или стеклянного баллона, наполненного инертным газом (неон, аргон) или газовой смесью. Внутри баллона имеются электроды – катод и анод. Для облегчения возникновения электрического разряда в газовом баллоне создается пониженное давление. Электроды подключаются к источнику высокого напряжения постоянного тока через нагрузочный резистор, на котором формируются электрические импульсы при регистрации радиоактивных частиц.
Рис.3. Устройство и схема включения счетчика Гейгера.
В исходном состоянии газовый промежуток между электродами имеет высокое сопротивление и тока в цепи нет. Когда заряженная частица, имеющая высокую энергию, сталкивается с элементами конструкции датчика (корпус, баллон, катод), она выбивает некоторое количество электронов, которые оказываются в промежутке между электродами. Под действием ускоряющего напряжения в несколько сотен вольт электроны, находящиеся в инертном газе, начинают устремляться к аноду. На этом пути они легко ионизируют молекулы газа, выбивая вторичные электроны. Процесс многократно повторяется и количество электронов лавинообразно увеличивается, что приводит к возникновению разряда между катодом и анодом. В состоянии разряда газовый промежуток в межэлектродном пространстве становится токопроводящим, что обуславливает скачок тока в нагрузочном резисторе.
В несамогасящихся счетчиках прекращение разряда достигается отключением источника питания, что приводит счетчик Гейгера в исходное состояние. В самогасящихся галогенных счетчиках, широко применяемых в настоящее время, это достигается за счет введения в газовую среду специальных добавок (хлор, бром, йод, спирт), которые способствуют быстрому прекращению разряда. Также в качестве нагрузочного резистора используют высокоомное сопротивление – несколько единиц или десятков мегаом. Это позволяет за счет падения напряжения на резисторе (во время разряда) резко уменьшить разность потенциалов на электродах счетчика. Как правило, напряжение менее 300 вольт делает невозможным поддержание разряда, и он автоматически прекращается.
Газоразрядные счетчики предназначены только для регистрации частиц или квантов и не могут определить ни энергетические их характеристики, ни тип радиоактивного излучения, если это не предусмотрено специальной методикой измерения. Однако, сравнивая между собой различные счетчики Гейгера-Мюллера, важно понимать и правильно трактовать возможности этих устройств.
Согласно современным представлениям о физике микромира радиационное излучение можно разделить на два вида: электромагнитное (в виде поля) и корпускулярное (в виде частиц). К первому виду относятся рентгеновские и гамма-лучи. Они обладают такими же свойствами, как и радиоволны, способны распространяться на большие расстояния и легко проникать сквозь многие материалы. По своей природе они имеют импульсный характер, поэтому физики говорят, что это фотоны или кванты, то есть короткие вспышки электромагнитного излучения. Частота колебаний фотонов рентгеновского диапазона очень высокая, а частота гамма-квантов в тысячи раз большая. Принято говорить, что гамма-радиация более жесткая (по частоте), чем рентгеновские лучи, потому что оказывает на человека более разрушительное действие.
Рис.4. Кванты рентгеновского и гамма-излучения.
Ко второму виду следует отнести альфа-частицы и бета-частицы. Они образуются в результате реакций ядерного превращения одних радиоактивных изотопов в другие. Если бета-частицы представляют собой в основном поток электронов (отрицательно заряженных элементарных частиц), то альфа-частица это гораздо более крупное и устойчивое образование, состоящее из двух протонов и двух нейтронов, связанных между собой ядерными силами. Именно такой состав имеет ядро химического элемента гелия. Иными словами, альфа-частицы есть обособленные ядра гелия.
Гамма-кванты обладают высокой проникающей способностью, бета-частицы – средней, а альфа-частицы – самой низкой. Энергетические характеристики этих видов излучения имеют обратную зависимость. Альфа-частицы несут в себе самую большую разрушительную силу, так как их масса более чем в 7 тысяч раз больше, чем у бета-частиц. Но в воздухе альфа-частица не может пролететь даже нескольких сантиметров и, сталкиваясь с препятствиями, теряет свою скорость. Бета-частицы несут среднюю энергию и благодаря небольшой массе могут пролететь в воздухе несколько метров. Гамма-излучение распространяется на значительные расстояния, но затухает по мере продвижения, подчиняясь законам природы для любых электромагнитных волн.
Рис.5. Радиоактивные частицы альфа и бета типа.
Считается, что самым опасным для человека является альфа-излучение. Однако его обнаружить труднее всего, так как даже простой лист писчей бумаги для него есть непреодолимая преграда, не говоря о более плотном стеклянном или металлическом баллоне счетчика. Бета-радиоактивность выявить проще, особенно поток частиц высоких энергий, который также называют жестким (по энергии). Мягкое бета-излучение будет соответствовать потоку радиоактивных частиц малых энергий. Не все счетчики Гейгера способны обнаружить мягкое бета-излучение, так как энергии частиц явно не хватает, чтобы пробиться в датчик. Кванты гамма-излучения всегда проникают в газовый объем счетчика, но большинство из них вылетают наружу, так и не запустив ионизационный процесс. Чтобы увеличить вероятность регистрации гамма-квантов, на их пути часто ставят преграду из плотного материала – стальной или свинцовый экран определенной толщины.
Остановимся на наиболее важных характеристиках газоразрядных счетчиков Гейгера, по которым можно сравнивать и выявлять лучшие образцы из них.
Конструкция и назначение. Основные виды счетчиков – цилиндрические и торцевые. Первые похожи на продолговатую трубку-баллон в виде цилиндра. Ионизационная камера вторых образована круглой или прямоугольной формой тела небольшой высоты и значительной рабочей торцевой поверхностью. Реже встречаются торцевые счетчики в виде удлиненного цилиндра и малого входного окна со стороны торца. Устройства могут регистрировать как отдельный вид радиоактивного излучения (альфа, бета, гамма), так и их комбинацию (например, гамма+бета или альфа+бета+гамма). Это достигается особенностями конструкции корпуса, электродов, а также выбором материала для их изготовления.
Площадь входного окна или рабочей зоны. Это площадь пространства, через которое пролетают детектируемые частицы или кванты. Она напрямую связана с размерами счетчика. Чем больше эта площадь, тем больше частиц сможет уловить счетчик Гейгера в единицу времени и тем больше будет его чувствительность к радиации. Указывается в квадратных сантиметрах.
Собственный фон. Это излучение деталей самого счетчика или иные причины самопроизвольного срабатывания при максимальном изолировании изделия от радиационного воздействия внешней среды (например, в свинцовой камере). Минимальный фон позволяет увеличить чувствительность счетчика при малых значениях радиоактивного излучения. Если собственный фон детектора будет значительным, то часть полезной информации закроется шумом. Приводится в импульсах в секунду (имп/с).
Радиационная чувствительность. Показывает скорость счета при определенном уровне облучения, измеряется в импульсах в секунду (имп/с) либо в импульсах на микрорентген (имп/мкР) в пересчете на уровень 1 мкР/с. Этот параметр сильно зависит от типа стандартного источника ионизирующего излучения, по которому производят измерение. Как правило, для этой цели используют источники, включающие радионуклиды кобальт-60, цезий-137, радий-226, углерод-14 и другие. Если счетчики Гейгера, которые необходимо сравнить, тестировались от разных источников, то сделать это будет затруднительно.
Эффективность регистрации. По разным причинам счетчики Гейгера не могут зафиксировать все без исключения пролетающие частицы или гамма-кванты. Данная величина указывает процент фактически зарегистрированных радиоактивных частиц от всего их количества, пролетающего через площадь рабочей зоны. Этот параметр проверяют стандартными источниками на основе плутония-239 (альфа-излучатель), таллия-204 (бета-излучатель) и других радиоактивных материалов. В качестве бета-излучателей также используется система радионуклидов: стронция-90 и продукта его распада иттрия-90.
Диапазон регистрируемых энергий. Это энергетический спектр улавливаемых счетчиком Гейгера фотонов, альфа или бета-частиц. Может указываться как в общем, так и раздельно для каждого вида излучения. Единицы измерения – мегаэлектронвольты (МэВ) либо килоэлектронвольты (кэВ). Радиоактивные частицы, вырывающиеся в окружающее пространство, имеют широкий диапазон энергий. Но только бета-излучение достаточной энергии сможет выбить первичные электроны для начала ионизационного процесса. Только сильные альфа-частицы смогут преодолеть воздушную прослойку и стенку входного окна между источником и камерой счетчика Гейгера.
Сегодня промышленность выпускает широкий ассортимент счетчиков Гейгера-Мюллера для нужд приборостроительной отрасли. Рассмотрим наиболее типичные из них, которые нашли применение в современных дозиметрических приборах.
Регистрация гамма-фотонов и жесткого бета-излучения. На это способны практически все классические счетчики Гейгера, выпускаемые как в прошлом столетии, так и в настоящее время. Оба вида излучения несут высокую энергию и обладают большой проникающей способностью. Такие кванты и частицы легко проникают в тонкостенный стеклянный или металлический баллон детектора и обнаруживаются электронной схемой.
Популярный цилиндрический счетчик СБМ-20 предназначен для подобных целей. Он имеет вид герметичной трубки-баллона с расположенным коаксиально внутри проволочным анодом. Причем трубка одновременно служит корпусом и катодом, изготовленным из тонкой нержавеющей стали. Площадь рабочей зоны датчика составляет примерно 8 кв. см. Радиационная чувствительность к гамма-излучению (по цезию-137 при 4 мкР/с) около 70 имп/мкР или 280 имп/с, собственный фон не более 1 имп/с. Этот счетчик способен регистрировать гамма-кванты с энергией от 0,05 МэВ до 3 МэВ. А также бета-частицы, имеющие энергию с нижним пределом 0,3 МэВ.
Рис.6. Устройство счетчика Гейгера СБМ-20.
Существующие модификации счетчика СБМ-20-1, СБМ-20У имеют такие же параметры и отличаются лишь конструкцией контактных элементов для подключения к измерительной схеме. Аналогичные счетчики Гейгера цилиндрического типа разных производителей (СБМ-10, СБМ-19, СБМ-21, СИ24БГ, СИ29БГ) имеют похожую конструкцию и характеристики, некоторые из них встречаются в бытовых дозиметрах.
Обнаружение фотонов рентгеновского и гамма-излучения. Так как фотонное излучение представляет собой дискретные порции (кванты) электромагнитной энергии, которые движутся со скоростью света, то есть 300000 км/с, то эффективность регистрации их счетчиками Гейгера довольно низкая и часто не превышает 1 процента. Повышения эффективности добиваются увеличением поверхности катода. Гамма-кванты обнаруживаются косвенно, путем регистрации выбитых ими электронов, участвующих затем в актах ионизации газовой смеси в камере. Для увеличения количества таких электронов подбирают толщину, а также материал корпуса и катода датчика. Слишком большая толщина и плотность материала может уменьшить эффективность регистрации, а слишком малая – откроет доступ для жесткого бета-излучения.
Гамма-счетчики находят применение в дозиметрии для прямого измерения гамма-фона, исключая другие виды радиоактивного воздействия, а также для оценки радиационной обстановки или радиоактивного заражения объектов по гамма-излучению. В дозиметрической аппаратуре применяются цилиндрические датчики типа СИ21Г, СИ22Г, СИ34Г, Гамма-1-1, Гамма-4, Гамма-5, Гамма-7Ц (конструктивный аналог СБМ-20), Гамма-8, Гамма-11 и многие другие. Также существуют варианты, имеющие торцевую конструкцию, во входном окне которой установлен несъемный металлический фильтр, отсекающий альфа-бета-излучение и увеличивающий площадь катода. Например, Гамма-6, Бета-1М, Бета-2М, Бета-5М (прямоугольной формы), Бета-6М и другие. Для примера рассмотрим характеристики одного из них.
Торцевой счетчик Бета-2М имеет круглую форму и значительную площадь рабочей зоны, составляющую приблизительно 14 кв. см. Радиационная чувствительность к кобальту-60 – 240 имп/мкР. Максимальный собственный фон в толстостенной свинцовой камере не превышает 1 имп/с. Датчик позволяет регистрировать ионизирующее фотонное излучение в диапазоне от 0,05 МэВ до 3 МэВ.
Рис.7. Торцевой гамма-счетчик Бета-2М.
В качестве гамма-счетчиков могут применяться гамма-бета-счетчики, предназначенные для регистрации гамма-лучей и жесткого бета-излучения (например, СБМ-20). Если поверх такого датчика установить свинцовый либо стальной экран определенной толщины, то это исключит возможность регистрации счетчиком бета-частиц. Так и поступают во многих случаях разработчики, создающие гамма-дозиметры для измерения мощности дозы фотонов рентгеновского или гамма-излучения.
Регистрация гамма и мягкого бета-излучения. Зафиксировать мягкое бета-излучение – непростая задача. Обычно здесь используются торцевые счетчики Гейгера, в которых предусматривается тонкое окно из слюды или полимерной пленки для облегчения проникновения бета-частиц небольших энергий в ионизационную камеру. Если у цилиндрического счетчика катод имеет максимальную поверхность и всегда стоит на пути движения радиоактивных частиц, то у модели торцевого типа преградой является только слюдяная пленка. Катодом может служить металлический корпус, а анод реализуют в виде системы линейных электродов, равномерно уложенных в ионизационной камере на изоляторах. В многосекционных вариантах аноды электрически развязаны. Регистрация гамма-излучения в торцевых счетчиках существует как бесплатное приложение, от которого пытаются избавиться, минимизировав поверхность катода.
Рис.8. Устройство торцевого счетчика Гейгера.
Торцевые счетчики мягкого бета-излучения созданы давно. Такие типы как СБТ10, СИ8Б, имеющие входные слюдяные окна, применялись в дозиметрах разработки конца прошлого века. Современный вариант счетчика Бета-5 имеет форму прямоугольника с площадью слюдяного окна 37 кв. см. При такой большой рабочей зоне датчик способен достичь радиационной чувствительности 500 имп/мкР (к кобальту-60). Собственный фон – не более чем 2,2 имп/с. Эффективность детектирования бета-частиц доходит до 80%. Диапазон энергий фотонного излучения 0,05–3 МэВ. Нижний порог энергий бета-излучения – около 0,1 МэВ.
Рис.9. Торцевой бета-гамма-счетчик Бета-5.
Регистрация гамма-квантов, мягкого бета-излучения и альфа-частиц. Поймать альфа-частицу, даже имеющую высокую энергию, проблема более сложная, чем зарегистрировать мягкое бета-излучение. Она решается уменьшением толщины слюдяной пленки входного окна и максимальным сближением (до 1 мм) источника радиации с датчиком. Возможность регистрации остальных видов излучения, как и в предыдущем случае, будет являться бесплатным приложением или побочным эффектом, хотя и может использоваться разработчиками дозиметрической аппаратуры в своих конструкциях. Перед производителями альфа-счетчиков всегда стояла задача уменьшения толщины слюдяного окна. Но тонкая слюда не может обеспечить механическую прочность и герметичность ионизационной камеры при достаточной площади входного окна, от которой зависит радиационная чувствительность. Например, при толщине слюды 13–17 мкм удается достичь площади окна в 30 кв. см (СБТ10, СИ8Б). А толщина слюды 4–5 мкм позволяет создать счетчик с входным окном всего лишь 0,2 кв. см (СБТ9).
Следует отметить, что расчетная толщина слюдяной пленки, при которой возможна регистрация альфа-частиц с энергией около 5 МэВ (от альфа-излучателя плутония-239) при сближении образца с поверхностью входного окна счетчика Гейгера не далее 2 мм, не должна превышать 15 мкм. При толщине слюды 10 мкм альфа-частицы можно обнаружить на удалении 13 мм, а если слюда на датчике будет иметь толщину в 5 мкм, то дальность повышается до 24 мм. Если частицы будут иметь энергию большую 5 МэВ, это расстояние увеличивается. При меньшей энергии оно сокращается вплоть до потери возможности детектирования альфа-излучения.
Вторым способом увеличения радиационной чувствительности альфа-счетчика Гейгера является снижение влияния сопутствующего гамма-излучения. Его минимизируют путем уменьшения поверхности катода. Эта мера позволяет сократить влияние мешающей гамма-радиации в тысячи раз. Помехи от бета-излучения устраняются методикой измерения. Она заключается в том, что вначале определяется сумма альфа-бета-излучения, затем устанавливается бумажный фильтр и оценивается величина составляющей радиации от бета-частиц. Значение альфа-излучения вычисляется как разность двух промежуточных результатов.
Рассмотрим характеристики современного альфа-бета-гамма-счетчика Гейгера Бета-1. Площадь его входного окна составляет 7 кв. см, толщина слюды – 12 мкм, что позволяет регистрировать альфа-частицы на расстоянии до 9 мм (по плутонию-239). Относительно кобальта-60 радиационная чувствительность достигает 144 имп/мкР. Данные эффективности детектирования производитель приводит по трем источникам: к плутонию-239 – 20%, к таллию-204 – 45%, к комплексу стронций-90 + иттрий-90 – 60%. Максимальный собственный фон – 0,6 имп/с. Счетчик Бета-1 может уверенно обнаруживать альфа частицы, начиная с энергий 5 МэВ, бета-излучение с энергией более 0,1 МэВ. Спектр энергий для гамма-излучения лежит в пределах 0,05–3 МэВ. Данный тип счетчиков используется в дозиметрах Радиаскан и МКС.
Рис.10. Торцевой альфа-бета-гамма-счетчик Бета-1.
Кроме приведенных в статье основных характеристик счетчиков Гейгера, есть и другие (радиометрические, электрические, механические, климатические), предназначенные для специалистов. Например, рабочее напряжение, мертвое время, протяженность плато, межэлектродная емкость и так далее. Однако для непрофессионального пользователя, который желает разобраться в принципах действия счетчика Гейгера, незнание этих понятий не станет препятствием. Также имеется подкласс счетчиков Гейгера для детектирования фотонов ультрафиолетового излучения и устройств для регистрации медленных нейтронов, функционирующих по принципу коронного разряда и в пропорциональном режиме, которые здесь не рассмотрены.
Какой бытовой дозиметр выбрать?
Позвоните прямо сейчас по телефонам: 8 (800) 333-09-18
и получите качественную консультацию по выбору прибора!
Дозиметр
Дозиметр (также известный как Счётчик Гейгера) — прибор для измерения экспозиционной дозы, кермы фотонного излучения, поглощенной дозы и эквивалента дозы фотонного или нейтронного излучения, а также измерение мощности перечисленных величин. Само измерение называется дозиметрией.
Содержание
Описание [ ]
Дозиметр представляет собой прибор, необходимый для измерения радиоактивного фона и некоторых других излучений. Прибор, как правило, имеет световую и (или) звуковую сигнализацию, а также дисплей для отсчёта измерений. Размер и исполнение варьирует от наручного браслета до «карманного» исполнения. Время непрерывной работы от одной батареи от нескольких часов до нескольких месяцев. Обычно дозиметры не позволяют оценить дозу, полученную при контакте с нейтронными источниками. Оценка фотонного, альфа и бета-излучения зависит от наличия дополнительных фильтров и характера используемых датчиков. Например, приборы сконструированные на датчике СБМ-20, и выполненные в сплошном пластиковом корпусе, настроены на измерение только одного вида ИИ — фотонного (жесткого γ-излучения). Диапазон измерения бытовых дозиметров зависит от характера используемых в приборе датчиков. Например, для датчика СБМ-20 предел 4*103 имп/сек, где 60 имп/мкР пределом измерения будет около 66 мкР/сек вне зависимости от градуировки на экране. При подходе к пороговым значениям возникнет срыв детекции, что обусловлено образованием тлеющего разряда в детекторе. Значения мощности дозы на экране будут резко уменьшаться. Дозиметр измеряет радиацию в микрорентгенах и рентгенах. Чем выше рентген, тем сильнее радиация и, соответственно, опаснее. Данный прибор заслуженно может считаться одной из самых полезных и необходимых вещей в инвентаре выжившего в постапокалипсисе, оттого и обладающей высокой ценностью.
Применение [ ]
Дозиметр используется для измерения радиации в атмосфере и поглощенной дозы излучения в различных объектах. Обычно измеряется в микрорентгенах и рентгенах. Максимальная доза для человека — 150 рентген. Необходим в загрязненных областях, дабы избегать самые опасные очаги. Без него вы с большой вероятностью рискуете подхватить большую дозу вредоносного излучения. Дозиметр — сложный и дорогой прибор, требуется не только умение обращения с ним, но и знания радиологии, измерительной величины радиации и пределы радиоактивного излучения. Прибор незаменим в местах, зараженных радиацией (которую как известно распознать на глаз невозможно), он станет вашим лучшим другом во время ядерной войны и после её и поэтому крайне важно его беречь. Обычно дозиметр работает на специально предназначенных батареях, имеющих довольно продолжительный срок работы, но необходимо также иметь запасные батареи. Существует множество видов дозиметров с разным устройством, дизайном и принципом работы. Выбирайте из них прежде всего самый надежный и долговечный, остальное зависит уже от ваших личных предпочтений. Помимо уровня радиации в атмосфере он способен измерять объекты и живых существ на предмет поглощенной дозы атома что ещё раз подтверждает полезность и важность столь дорогого оборудования. При его использовании рекомендуется носить противогаз или респиратор на случай непредвиденных чрезвычайных ситуаций, в частности из-за угрозы попадания вредоносных частиц в органы дыхания.
Местонахождение [ ]
Дозиметр можно обнаружить в специальных магазинах, лабораториях, опасных промышленных объектах (например на атомной станции), полевых лагерях, бункерах и убежища, также его можно заказать в интернете. Следует заранее запасаться дозиметром до какой-либо катастрофы, так как иначе его окажется намного сложнее достать и к тому моменту будет уже поздно — скорее всего вы будете на грани смерти от поглощенных доз радиации и прочих токсинов.