Спектрометр альфа излучения на основе газоразрядного детектора (стр. 4 из 7)
Таблица 3. Смертность от радонового облучения и некоторых других причин в США 80-е
годы
Один из самых высоких уровней заболеваемости раком легкого в мире наблюдается в Финляндии. В стране с населением около 5 млн. человек радон ежегодно вызывает 200–600 случаев смерти от рака легкого. По оценкам немецких ученых, 7% случаев фатального рака легкого в западной части Германии обусловлено радоновой радиацией (1600 мужчин и 400 женщин ежегодно).
Реакция организма не зависит от того, происходит ли облучение от техногенных или естественных источников, так как действие ионизирующего излучения не может зависеть от происхождения источника. Поэтому контроль радона в воздухе помещений может иметь не только самостоятельное значение, но и входить в число реабилитационных мероприятий для территорий и контингентов, подвергающихся техногенному воздействию.
2.МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ РАДОНА В ВОЗДУХЕ
2.1.Метод с использованием газоразрядных детекторов
Газоразрядные счетчики являются удобными в эксплуатации детекторами излучений. В судовой дозиметрической аппаратуре они получили широкое распространение благодаря ряду достоинств: высокой чувствительности, обусловленной использованием усиления ионизации, простоте преобразования ионизации в электрические сигналы большой мощности, относительно простой конструкции и технологии изготовления, небольшой стоимости, возможности работы от источников питания с относительно невысоким коэффициентом стабилизации напряжения, работе в большем диапазоне температур.
Режим работы газоразрядных счетчиков определяется напряжением на его электродах. Существуют три основных режима работы счетчиков: 1) режим пропорционального газового усиления; 2) режим ограниченной пропорциональности (несамостоятельный разряд); 3) режим гейгеровского разряда (самостоятельный разряд).
Счетчики, работающие в первом и втором режимах, называются пропорциональными, а в третьем - гейгеровскими, или счетчиками с самостоятельным разрядом.
В процессах, возникающих в газоразрядных счетчиках, важную роль играет значение приложенного напряжения и состав газа-наполнителя. Если на электроды счетчика подано небольшое напряжение, при котором дополнительная ионизация за счет соударения первичных ионов с нейтральными молекулами отсутствует, то он действует как ионизационная камера. Изменение потенциала нити (анода) относительно катода будет определяться соотношением:
∆U = N·q/C (1)
где N - число пар первичных ионов, образованное в рабочем объеме счетчика ионизирующей частицей: q - заряд электрона, равный 1,6 · 10-19 Кл; С-электрическая емкость анод-катод счетчика.
В случае облучения счетчика α-частицами с энергией 5 МэВ каждая α-частица создает в рабочем объеме счетчика примерно 105 пар ионов. Принимая емкость анодкатод равной 10 пФ и пренебрегая рекомбинацией ионов, можно рассчитать величину импульса напряжения на электродах счетчика:
∆U = (105·1.6·10-19)/10·10-12≈1.6·10-3 В. (2)
Электроны, образованные ионизирующей частицей вблизи нити счетчика, где градиент электрического поля особенно велик, сильно ускоряются, приобретая при этом кинетическую энергию, достаточную для ионизации нейтральных молекул газа. Возникающие новые электроны также ионизируют газ. Этот процесс нарастает лавинообразно, и вся лавина поступает на нить счетчика. Таким образом, в данном случае каждый первичный электрон образует А добавочных пар ионов. Величина импульса будет определяться как
∆U =А· N·q/C (3)
В этом выражении множитель А характеризует газовое усиление и зависит главным образом от напряжения (Uсч (напряжение на нити счетчика) а также от газанаполнителя и геометрических размеров счетчика.
Диапазон напряжений Uсч в котором сохраняется зависимость (3) при А=А(Uсч), называется пропорциональной областью. В этой области с увеличением напряжения наблюдается непрерывное возрастание коэффициента газового усиления А по экспоненциальному закону (рис. 8, участок 2).
Рис. 8. Зависимость амплитуды импульса от напряжения на счетчике (1 – область работы ионизационной камеры; 2 – пропорциональная область; 3 – область ограниченной пропорциональности; 4 – область Гейгера)
Счетчик, работающий в описанном выше режиме, называется пропорциональным.
Величина импульса, образующегося на нагрузочном сопротивлении такого счетчика, пропорциональна первичной ионизации, обусловленной прохождением через него ионизирующей частицы.
В зависимости от газа-наполнителя коэффициент газового усиления А может изменяться в значительных пределах. Например, в пропорциональных счетчиках, наполненных инертными газами, величина коэффициента А составляет около 103, а в случае наполнения аргоном с небольшой примесью многоатомных газов А может достигать 104. При определенных условиях в рабочем объеме счетчика может возникнуть так называемый коронный разряд, не нуждающийся для своего поддержания в действии внешнего ионизатора и являющийся поэтому разновидностью самостоятельного разряда.
Коронный разряд возникает при сравнительно больших давлениях газа-наполнителя, когда электрическое поле между электродами счетчика крайне неравномерно. В счетчике с коаксиальным расположением электродов эта неравномерность обусловливается малым радиусом кривизны нити анода. Корона у нити счетчика возникает в виде тонкого слоя светящегося газа. Этот слой называют коронирующим слоем. В нем идет усиленное образование электронных лавин. Остальное пространство в таком счетчике представляет внешнюю область короны, в которой нет свободных электронов, отсутствует ударная ионизация, и носителями тока являются в основном положительные ионы.
При отсутствии облучения через счетчик протекает флуктуирующий темновой ток (ток короны). При прохождении ионизирующих частиц через коронирующий разрядный промежуток в счетчике возникают импульсы тока, пропорциональные величине первичной ионизации. Импульсы, снимаемые с нагрузочного сопротивления счетчика, могут быть зарегистрированы при прохождении через счетчик сильноионизирующих частиц, например, α-частиц или протонов. Импульсы, вызываемые слабоионизирующими частицами (β-частицами), имеют малую амплитуду, сливаются с фоном флуктуации тока короны и поэтому не могут быть зарегистрированы.
При увеличении напряжения на электродах коронного счетчика он также работает вначале как ионизационная камера, а затем как пропорциональный счетчик.
По достижении напряжения зажигания Uз называемого порогом короны, в счетчике вспыхивает коронный разряд. Ток, проходящий через счетчик, резко возрастает, достигая приблизительно 10-7 А. Этот ток имеет колебательный характер. Амплитуда и частота колебаний тока короны, а также его средняя величина возрастают с увеличением перенапряжения, т. е. превышением напряжения над порогом короны.
При попадании в объем счетчика сильноионизирующей частицы, производящей значительную дополнительную ионизацию, ток в счетчике сильно возрастает, превышая амплитуду колебаний тока короны в 10-20 раз. Многие типы счетчиков могут регистрировать несколько различных видов излучений. α-частицы регистрируют торцевыми пропорциональными и коронными счетчиками, а также проточными счетчиками. Окна торцевых счетчиков изготовляют из слюдяных или алюминиевых пластинок.
2.2.Метод с использованием сцинтилляционных детекторов
Сцинтилляционный счетчик (рис. 9) состоит из сцинтилляционного детекторасцинтиллятора 1, фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) 2, между которыми имеется оптический контакт; узла включения фотоумножителя 3, содержащего схему включения с делителем напряжения, блока выходного каскада с усилителем и эммитерным повторителем 4, высоковольтного преобразователя напряжения 5 для питания фотоумножителя, узла подключения сцинтилляционного счетчика к измерительной схеме 6, кожуха 7. Принцип работы счетчика основан на использовании явления люминесценции, возникающей в некоторых твердых телах, жидкостях и газах при воздействии на них ионизирующих излучений. При этом часть энергии излучения преобразуется в фотоны света, выбивающие из фотокатода ФЭУ электроны. После умножения фотоэлектронов системой ФЭУ импульсы тока с его выхода поступают на вход измерительной схемы.
Сцинтилляционные счетчики повсеместно используются как детекторы ионизирующих излучений при регистрации загрязнений внешней среды. Широкое применение они получили и в судовой дозиметрической аппаратуре. В ряде случаев обнаружения и контроля проникновения теплоносителя в тепловыделяющие элементы (например, контроль по γ-излучению изотопов йода) используются преимущественно сцинтилляционные счетчики. К числу достоинств таких счетчиков относятся: