Методы обнаружения и измерения радиоактивного излучения радия и тория (стр. 3 из 6)

В рассматриваемом методе анализа используются следующие типы сцинтилляторов:

- неорганические кристаллы и газы;

- сцинтилляторы на основе органических соединений.

К числу преимуществ относятся:

- универсальность с точки зрения возможность регистрации ионизирующих излучений практически любых видов;

- возможность измерения энергии исследуемых частиц или квантов;

- высокая разрешающая способность;

- высокая эффективность регистрации излучения.

Из всех вышеперечисленных методов анализа следует, что ионизирующий и сцинтилляционный методы являются наиболее доступными и экспрессными, и могут применяться нами для обнаружения исследуемых нами изотопов.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВЫБРАННОГО МЕТОДА

Прохождение ионизирующих излучений через вещество сопровождается потерей их энергии в различных процессах взаимодействия с электронами и ядрами атомов. Детекторы преобразуют энергию в электрический сигнал. Действие детекторов основано на обнаружении эффекта от ионизации или возбуждения атомов или молекул вещества ионизирующим излучением. К детекторам, основанным на обнаружении эффекта от ионизации в газе, относятся ионизационные камеры и газоразрядные счетчики.

2.1 Физико-химические основы метода

a-частицы, b-частицы, g-лучи и рентгеновские лучи измеряются, используя энергию частиц, которая производит усиленный импульс электрического тока в датчике. Эти импульсы считаются, давая скорость разложения. Обычно сталкиваются с тремя типами датчиков: газо-ионизационные датчики, сцинтилляционные счетчики

2.1.1. Газо-ионизационные датчики

Большинство газо-ионизационных датчиков состоит из заполненной инертным газом, таким как Ar, камеры с таким приложенным напряжением, что центральный провод становится анодом, а стенка камеры – катодом (Рис. 1). Когда радиоактивные частицы входят в трубку, они ионизируют инертный газ, производя большое число Ar⁺/e^- ионных пар. Движение электронов к аноду, а Ar⁺ к катоду производит измеряемый электрический ток. В зависимости от напряжения, приложенного к камере, датчики можно разделить на ионизационные камеры, пропорциональный счетчики и счетчики Гейгера-Мюллера (ГМ).

Рисунок 1. Изображение газо-ионизационного датчика.

Из-за универсальности и надежности счетчик Гейгера-Мюллера наиболее широко используется как портативный исследовательский прибор. Он особенно чувствителен к b-частицам средней и высокой энергии (например, как от ³²P) давая эффективность счета 20 процентов. Счетчик ГМ также полезен в определении уровней излучения вблизи сравнительно больших (например, по крайней мере, порядка мкКи) источников g- или рентгеновских лучей средней и высокой энергии.

Датчик ГМ, однако, не особенно чувствителен к низкоэнергетическим b-частицам (например, от ³⁵S и ¹⁴C), давая эффективность не более 5 процентов, и при этом не очень чувствителен к низкоэнергетическим g- и рентгеновским лучам (например, от Th₂₃₂). Кроме того, ни ГМ, ни любой другой портативный дозиметр не способен обнаружить низкоэнергетические b-частицы от ³H.

2.1.2. Сцинтилляционные счетчики

Действие сцинтилляционных счетчиков основано на том, что заряженная частица, пролетающая через вещество, вызывает не только ионизацию, но и возбуждение атомов. Возвращаясь в нормальное состояние, атомы испускают видимый свет. Вещества, в которых заряженные частицы возбуждают заметную световую вспышку (сцинтиллицию), называют фосфóрами. Сцинтилляционный счетчик состоит из фосфора, от которого свет подается по специальному светопроводу к фотоумножителю (Рис. 2). Импульсы, получающиеся на выходе фотоумножителя, подвергаются счету.

Рисунок 2. Изображение сцинтилляционного счетчика

Твердые сцинтилляционные датчики особенно полезны в качественном и количественном определении радионуклидов, испускающих g- и рентгеновские лучи. Обычный g-счетчик использует большой (например, “2x2”) кристалл йодида натрия (NaI) в пределах хорошо защищенного свинца. Пузырек с образцом опускается непосредственно в пустую камеру в пределах кристалла для счета. Такие системы чрезвычайно чувствительны, но не имеют разрешающей способности большей, чем у недавно разработанных полупроводниковых счетчиков. Портативные твердые сцинтилляционные датчики также широко используются для проведения различных типов исследований излучения. В частности исследователи, работающие с радиойодом, используют тонкокристаллический (NaI) датчик, который способен определять эмиссии от ¹²⁵I с эффективностью, близкой к 20 процентам (ГМ датчик менее одного процента эффективности для ¹²⁵I).

Наиболее обычное средство количественного определения присутствия b-частиц, испускаемых радионуклидами, через использование жидкого сцинтилляционного счетчика. В этих системах образец и фосфор объединяются в растворителе в пределах считающей камеры. Затем камера опускается в отверстие между двумя фотоумножающими трубками для счета. Жидкий сцинтилляционный счетчик стал существенным инструментом исследований, включающих такие радионуклиды, как ³H и ¹⁴C.

Аппаратурное оснащение для осуществления метода.

Для проведения измерений используем многофункциональный переносной гамма-бета спектрометр “Прогресс-БГ(П)”

Рис.3

Назначение

* полевые или лабораторные измерения активности гамма-, бета-излучающих радионуклидов, бета-загрязненности

* сертификация продукции по радиационному признаку

* определение содержания гамма-, бета-излучающих радионуклидов в продуктах питания, образцах почвы, лесоматериалах и др. объектах внешней среды

* измерение прижизненного содержания гамма-излучающих радионуклидов в теле человека или животных

* поиск источников гамма-излучения

Свойства

- полевые спектрометрические измерения активности гамма-излучающих радионуклидов в различных объектах без проведения пробоотбора (геометрия 4π)

- полевые измерения плотности потока бета-частиц с поверхности

- определение удельной активности гамма- и бета-излучающих радионуклидов в лабораторных условиях

- встроенный дозиметр

- многофакторный контроль за работоспособностью измерительного тракта и стабильностью его метрологических характеристик

- возможность обработки спектра генераторным методом, позволяющим определить активность различных радионуклидов (до 12 шт.) в пробах с нестандартным радионуклидным составом

- возможность размещения результатов измерений в базу данных

- автоматический учет погрешности измерений

Базовый комплект

- сцинтилляционный блок детектирования с кристаллом CsI или NaI Ø45×50

- блок детектирования бета-излучения с пластиковым детектором Ø70×10

- газо-ионизационные датчик

- портативная ПЭВМ типа "Notebook"

- электронное устройство накопления и обработки аппаратурных спектров "Спутник", включающее в себя:

- аккумуляторный блок питания

- линейный усилитель

- процессор

- постоянное запоминающее устройство (на 79 спектров)

- оперативное запоминающее устройство

- амплитудно-цифровой преобразователь

- блок индикации 64×128 точек с постоянной подсветкой

- встроенный дозиметр

- кабель связи "Спутник" – Notebook

- чемодан (дипломат) для переноски спектрометра

- программное и методическое обеспечение «Прогресс»

- свинцовая защита (гамма, бета) для измерений в стационарных условиях

Технические характеристики

Таблица 4

Значение минимальной измеряемой активности (МИА) при измерении удельной объемной активности радионуклидов без отбора проб в однородных объектах за 30 мин. (геометрия «4 π»): • по Cs-137 • по К-40 • по Ra-226 • по Th-232	2 Бк/кг30 Бк/кг4 Бк/кг3 Бк/кг
Значение минимальной измеряемой активности (МИА) при измерении удельной объемной активности радионуклидов (геометрия Маринелли 0,5 л, защита 20 мм): • по Cs-137 • по К-40 • по Ra-226 • по Th-232 • по Sr-90 (кювета, защита 50 мм, Бк/кг): − с применением р/х методик (от массы пробы) − с применением физических методов концентрирования − для сырой пробы	10 Бк/кг100 Бк/кг18 Бк/кг16 Бк/кг0,1 − 1 Бк/к 10 Бк/кг100 Бк/кг
Значение МИА при измерении содержания Cs-137 в теле человека за 10 мин	1000 Бк/кг
Время непрерывной работы от автономного источника питания, не менее	8 час
Масса спектрометра в сборе (без коллиматора и защиты)	3 кг

2.3 Особенности изучаемого метода анализа

Скорость распада, или активность, для радиоактивного изотопа соответствует кинетике первого порядка

(1)

где А – активность, N – число радиоактивных атомов, присутствующих в образце во время t, и λ – константа распада радиоизотопа. Активность выражается количеством распадов в единицу времени, которая эквивалентна количеству атомов, подвергшихся радиоактивному распаду в единицу времени. В международной системе единиц (СИ) единицей активности является беккерель (Бк), равный одному распаду в секунду. Допускается применение внесистемных единиц расп./мин и кюри (Ки). 1 Ки = 3,7 × 10¹⁰ Бк.