Детекторы ионизирующих излучений: Газоразрядные детекторы ионизирующих излучений – ООО «Радэк»

3.6.Детекторы ионизирующих излучений

Детекторами ионизирующих излучений называют устройства, предназначенные для обнаружения излучений и частиц, определе­ния состава излучения и измерения его энергетического спектра. Детекторы являются датчиками сигнала по отношению к измерительной аппаратуре.

Для реализации детекторов используют разнообразные эффек­ты, возникающие при взаимодействии излучения с веществом.

Следовыедетекторыпозволяют определять траекторию частицы и длину ее пробега в веществе. Так, вкамере Вильсона, заполненной перегретым паром, движущаяся частица оставляет след в виде мелких капелек жидкости на центрах конденсации, например, на ионах, образующихся на пути движения заряженной частицы. Капельки достигают видимых размеров и могут быть сфотографированы. Природу и свойства исследуемых частиц устанавливают по величине пробега и искривлению следов частицы под действием магнитного поля.

Впузырьковой камере след частицы образуется за счет вскипания перегретой жидкости вдоль траектории частицы. Этот след отмечается цепочкой пузырьков пара и может быть сфотографирован.

Действие широко распространенных ионизационныхдетекторовосновано на измерении числа и параметров электрических импуль­сов, возникающих из-за движения ионов, образовавшихся в газе или полупроводниковых материалах под действием излучений.

Например, детектор, используемый всчетчикечастицГейгера(см. рис.3.2) представляет собой цилиндрическую трубку, наполненную газом при давлении 100-200 мм. рт. ст. По оси трубки укрепляется на изоляторах анод в виде тонкой нити. Вторым электродом (катодом) служит корпус счетчика. Зачастую это устройство заключается в оболочку из стекла.

Между катодом и анодом газоразрядной трубки, создается раз­ность потенциалов.

При попадании частицы в детектор в газе образуется некоторое количество ионов. Под действием разности потенциалов между катодом и анодом возникает импульс тока, протекающего по сопротивлениюR. Амплитуда этого импульса пропорциональна числу ионов, участвующих в его образовании, и за­висит от напряжения.

Не производя детального анализа работы этого детектора отметим, что по амплитуде электрического сигнала можно судить об энергии ионизирующих частиц, а по числу импульсов – об их количестве.

Детектирование фотонного излучения и частиц ионизационными детекторами производится по степени ионизации в определенном объеме вещества. Рентгеновские и гамма-кванты, имеющие большую длину пробега в газе, в небольшом его объеме редко производят ионизацию. Они, преимущественно, выбивают электроны из атомов вещества стенок трубки, которые, попадая в газ, его ионизируют.

Сцинтилляционные детекторы(см. рис.3.3) основаны на регистрации вспышек света, возникающих при попадании на вещество (сцинтиллятор) ионизирующих излучений. При взаимодействии со сцинтиллятором ионизирующие излучения порождают его видимую люминесценцию. С помощью чувствительных фотоэлектрических устройств (фотоумножителей) световые сигналы пропорционально преобразуются в электрические и обрабатываются с помощью электроизмерительной техники. В детекторах небольших размеров сцинтилляторы наносятся непосредственно на катод фотоумножителя. В ряде случаев между сцинтиллятором и фотокатодом помещают световод. Амплитуда электрического сигнала фотоумножителя пропорциональна интенсивности световой вспышки, которая, в свою очередь, пропорциональна энергии частицы. Поэтому, выбрав для каждого вида излучений соответствующие сцинтилляторы, можно определять энергетические спектры излучений.

В люминесцентныхдетекторах используются особые вещества (люминофоры), которые способны накапливать поглощенную энергию ионизирующих излучений, а затем выделять ее в виде света под действием дополнительного возбуждения. Это возбуждение осуществляется нагревом люминофора или ультрафиолетовым облучением. Особенностью люминесцентных детекторов является их способность сохранять информацию о дозе. В нужный момент она может быть получена путем дополнительного облучения.

Фотографические детекторы основаны на том, что степень почернения дозиметрической фотопленки в некотором диапазоне почернений пропорциональна экспозиционной дозе.

В химических детекторахрегистрация частиц производится по тем химическим превращениям, которые происходят под действием ионизирующего излучения. Причем, измеряемая концентрация продуктов химической реакции пропорциональна интенсивности излучения. Достоинством химических детекторов является возможность реализовать их свойства поглощать энергию ионизирующих излучений совпадающими с поглощающими свойствами биологической ткани, т.е. создавать тканевоэквивалентные детекторы.

Рассмотрим теперь особенности детектирования различных ионизирующих частиц (см. рис.3.4).

Наиболее сложна регистрацияальфа-частиц. Это связано с малой длиной их пробега в веществе – порядка нескольких микрометров. Поэтому стенки детектора должны быть крайне тонким, чтобы альфа-частицы могли попасть в рабочее вещество, вызвать его ионизацию и обусловить последующее формирование электрического импульса. Естественно, что при исследовании радиоактивности различных объектов, альфа-излучение может быть зарегистрировано лишь с их тонкого поверхностного слоя. Поэтому необходима специальная подготовка образцов для исследования (изготовление тонких срезов, растворение, нанесение на подложку и др.).

Детектирование бета–частиц, обладающих большей длиной пробега, несколько проще. Однако, надо иметь в виду, что длина пробега бета-частиц зависит от их энергии. Поэтому обнаружить бета-частицы, возникающие при распаде , проще чем при распаде , поскольку максимальная энергия последних намного меньше, и эти бета-частицы практически полностью поглощаются миллиметровыми слоями вещества.

Наиболее просто детектируются гамма–излучение, возникающие при радиоактивном распаде, т.

к. гамма-кванты обладают большой длиной пробега. Они могут быть зарегистрированы даже в том случае, когда излучающие их радионуклиды расположены глубоко внутри исследуемого образца.

Так, при распаде возникает за единицу времени большое число гамма-квантов высокой энергии (активность высока из-за малого периода полураспада). Поэтому детектирование гамма-излучения этого радионуклида, находящегося в окружающей среде и внутри организма, не представляет технических сложностей. Регистрация гамма-квантов, образующихся при распаде , также не вызывает особых проблем.

Для оценки степени радиационного заражения среды и организма важно знать не только общую активность, но и радионуклидный состав радиационного заражения, т.е. знать, какие конкретно радионуклиды его обуславливают и каково количественное соотношение их содержания в среде и организме. Для гамма-активных радионуклидов эта проблема решается измерением энергетического спектра гамма-излучения – зависимости его интенсивности от энергии гамма-квантов.

Каждому радиоактивному превращению таких радионуклидов соответствует свой набор гамма-квантов вполне определнных энергий – свой энергетический спектр. В качестве примера на рис.3.5. приведен спектр гамма излучения, возникающего при превращении в за счет отрицательного бета-распада.

Детекторы ионизирующего излучения | это… Что такое Детекторы ионизирующего излучения?

Детектор CMS, один из примеров большого детектора элементарных частиц.

Детектор элементарных частиц, детектор ионизирующего излучения в экспериментальной физике элементарных частиц — устройство, предназначенное для обнаружения и измерения параметров элементарных частиц высокой энергии, таких как космические лучи или частиц, рождающихся при ядерных распадах или в ускорителях.

Содержание 1 Основные типы 2 Детекторы для экспериментов на встречных пучках 2.1 Трековая система 2.2 Система идентификации 2. 3 Калориметр 2.4 Мюонная система 3 Прикладное применение 4 Литература

Основные типы

Устаревшие

• Пузырьковая камера
• Камера Вильсона

Детекторы для радиационной защиты

Детекторы для ядерной физики и физики элементарных частиц

• Калориметр
• Время-пролетный счетчик
• Детектор черенковского излучения
  • RICH
• Детектор переходного излучения
• Сцинтилляционный счетчик
• Полупроводниковый детектор
• Газовый ионизационный детектор
  • Ионизационная камера
  • Пропорциональная камера
  • Счетчик Гейгера-Мюллера
  • Стримерная камера
  • Времяпроекционная камера
  • Микростриповая камера

В физике элементарных частиц понятие «детектор» относится не только к различного типа датчикам для регистрации частиц, но и к большим установкам, созданным на их основе и включающим в себя также инфраструктуру для поддержания их работоспособности (криогенные системы, системы кондиционирования, электропитания), электронику для считывания и первичной обработки данных, вспомогательные системы (напр. сверхпроводящие соленоиды для создания внутри установки магнитного поля). Как правило, такие установки сейчас создаются большими международными группами.

Поскольку постройка большой установки требует значительных финансовых затрат и человеческих усилий, в большинстве случаев она применяется не для одной определенной задачи, а для целого спектра различных измерений. Основными требованиями, предъявляемыми к современному детектору для экспрериментов на ускорителе являются:

• Высокая эффективность (малый процент потерянных частиц или частиц с плохо определенными параметрами)
• Способность к разделению различных типов частиц, образующихся в распаде (пионов, каонов, протонов и т. д.)
• Способность точного измерения импульса заряженных частиц для восстановления инвариантной массы нестабильных состяний.
• Способность точного измерения энергии фотонов.

Для специфических задач могут потребоваться дополнительные требования, например, для экспериментов, измеряющих CP-нарушение в системе B-мезонов важную роль играет координатное разрешение в области взаимодействия пучков.

Условное изображение многослойного универсального детектора для ускорителя на встречных пучках.

Необходимость выполнения этих условий приводит к типичной на сегодняшний день схеме универсального многослойного детектора. В англоязычной литературе такую схему принято сравнивать с луковицей (onion-like structure). В направлении от центра (области взаимодействия пучков) к периферии типичный детектор для ускорителя на встречных пучках состит из следующих систем:

Трековая система

Трековая система предназначена для регистрации траектории прохождения заряженной частицы: координат области взаимодействия, углов вылета. В большинстве детекторов трековая система помещена в магнитное поле, что приводит к искривлению траекторий движения заряженных частиц и позволяет определить их импульс и знак заряда.

Трековая система обычно выполняется на основе газовых ионизационных детекторов или полупроводниковых кремниевых детекторов.

Система идентификации

Система идентификации позволяет отделить друг от друга различные типы заряженных частиц. Принцип работы систем идентификации чаще всего заключается в измерении скорости пролета частицы одним из трех способов:

• по углу излучения черенковского света в специальном радиаторе (а также по самому факту наличия или отсутствия черенковского излучения),
• по времени пролета до точки регистрации,
• по плотности удельной ионизации вещества.

Совместно с измерением импульса частицы в трековой системе это дает информацию о массе, а, следовательно, и о типе частицы.

Калориметр

Калориметр предназначен для измерения энергии частиц путем их полного поглощения. Это единственный способ регистрации фотонов (так как они не являются заряженными и, следовательно, не оставляют следов в трековой системе). Фотоны и электроны образуют электромагнитный ливень в веществе и, таким образом, полностью поглощаются. Выделенная энергия может быть измерена либо по величине вспышки сцинтилляционного света (сцинтилляционные калориметры), либо путем подсчета частиц ливня (сэмплинг-калориметры).

Мюонная система

Мюонную систему можно отнести к системе идентификации, но технически она реализуется отдельно во внешней части детектора. Чаще всего она встраивается в железо, замыкающее магнитный поток соленоида трековой системы. Мюонная система позволяет отделить мюоны по их способности проходить большие расстояния в веществе без поглощения (это является следствеим того, что мюон не испытывает ядерного взаимодействия).

Список работающих или строящихся детекторов для ускорителей на встречных пучках:

• Детекторы на коллайдере LHC (Atlas
• CMS
• LHCb
• Alice

Детекторы на коллайдере Tevatron

• CDF
• D0

Детекторы на электрон-позитронных машинах

• SLAC)
• Belle (коллайдер KEKB, KEK)
• BES (коллайдер BEPC, Пекин)
• CLEO (коллайдер CESR)
• КЕДР (коллайдер ВЭПП-4, Институт ядерной физики СО РАН, Новосибирск)
• КМД, СНД (коллайдер ВЭПП-2, ВЭПП-2000, Институт ядерной физики СО РАН, Новосибирск)

Прикладное применение

Помимо научных экспериментов, детекторы элементарных частиц находят применение и в прикладных задачах — в медицине (рентгеновские аппараты с малой дозой облучения, томографы), материаловедении (дефектоскопия), для предполетного досмотра пассажиров и багажа в аэропортах.

Литература

• K. Групен. Детекторы элементарных частиц. Новосибирск. Сибирский хронограф, 1999.
• The Particle Detector BriefBook
• How to Build a Cloud Chamber
• Grupen, C. (June 28-July 10 1999). “Physics of Particle Detection”. AIP Conference Proceedings, Instrumentation in Elementary Particle Physics, VIII 536: 3–34, Istanbul: Dordrecht, D. Reidel Publishing Co.. DOI:10.1063/1.1361756. 

Обнаружение радиации и детекторы | Физика

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Объяснять принцип работы трубки Гейгера.
• Дайте определение и обсудите детекторы радиации.

Хорошо известно, что ионизирующее излучение воздействует на нас, но не вызывает нервных импульсов. Газеты печатают рассказы о ничего не подозревающих жертвах радиационного отравления, которые заболевают лучевой болезнью, такой как ожоги и изменения в анализе крови, но которые никогда непосредственно не чувствовали радиацию. Это делает обнаружение радиации приборами более чем важным исследовательским инструментом. Этот раздел представляет собой краткий обзор обнаружения излучения и некоторых его применений.

Применение для человека

Рис. 1. Пленочные значки содержат пленку, подобную той, что используется в этой стоматологической рентгеновской пленке, и помещены между различными поглотителями для определения проникающей способности излучения, а также его количества. (кредит: Werneuchen, Wikimedia Commons)

Первым прямым обнаружением радиации была затуманенная фотопластинка Беккереля. Фотопленка по-прежнему является наиболее распространенным детектором ионизирующего излучения, который обычно используется в медицинских и стоматологических рентгеновских снимках. Ядерное излучение также улавливается на пленке, как показано на рисунке 1. Механизм воздействия на пленку ионизирующим излучением аналогичен механизму фотонов. Квант энергии взаимодействует с эмульсией и химически изменяет ее, тем самым обнажая пленку. Квант происходит от α -частица, β -частица или фотон, при условии, что его энергия превышает несколько эВ, необходимых для того, чтобы вызвать химическое изменение (как и все ионизирующие излучения). Этот процесс не является эффективным на 100%, поскольку не все падающее излучение взаимодействует и не все взаимодействия вызывают химические изменения. Степень затемнения пленки связана с экспозицией, но потемнение также зависит от типа излучения, поэтому для получения информации об энергии, заряде и идентификации частиц необходимо использовать поглотители и другие устройства.

Другим очень распространенным детектором излучения является трубка Гейгера . Щелкающие и жужжащие звуки, которые мы слышим в инсценировках и документальных фильмах, а также в наших собственных физических лабораториях, обычно являются аудиовыходом событий, зарегистрированных счетчиком Гейгера. Эти относительно недорогие детекторы излучения основаны на простой и прочной трубке Гейгера, схематично показанной на рис. 2b. Проводящий цилиндр с проводом вдоль его оси заполнен изолирующим газом, так что напряжение, приложенное между цилиндром и проводом, почти не создает тока. Ионизирующее излучение, проходящее через трубку, создает пары свободных ионов, которые притягиваются к проволоке и цилиндру, образуя ток, который регистрируется как счет. Подсчет слов подразумевает, что в простом счетчике Гейгера нет информации об энергии, заряде или типе излучения. Они не обнаруживают каждую частицу, поскольку часть излучения может пройти без достаточной ионизации, чтобы ее можно было обнаружить. Однако счетчики Гейгера очень полезны для получения мгновенных результатов, которые показывают наличие и относительную интенсивность ионизирующего излучения.

Рис. 2. (a) Счетчики Гейгера, такие как этот, используются для оперативного контроля уровней радиации, как правило, дают только относительную интенсивность и не определяют тип или энергию излучения. (Фото: TimVickers, Wikimedia Commons) (b) Напряжение, приложенное между цилиндром и проводом в трубке Гейгера, заставляет ионы и электроны, образующиеся в результате излучения, проходящего через заполненный газом цилиндр, двигаться к ним. Результирующий ток обнаруживается и регистрируется как счетчик.

Другой метод обнаружения излучения регистрирует свет, возникающий при взаимодействии излучения с материалами. Энергии излучения достаточно, чтобы возбудить атомы в материале, который может флуоресцировать, например в люминофоре, используемом группой Резерфорда. Материалы под названием сцинтилляторы используют более сложный совместный процесс для преобразования энергии излучения в свет. Сцинтилляторы могут быть жидкими или твердыми, и они могут быть очень эффективными. Их светоотдача может предоставить информацию об энергии, заряде и типе излучения. Вспышки света сцинтиллятора очень короткие по продолжительности, что позволяет обнаруживать огромное количество частиц за короткие промежутки времени. Сцинтилляционные детекторы используются в различных исследовательских и диагностических целях. Среди них обнаружение с помощью спутниковой аппаратуры излучения далеких галактик, анализ излучения человека с указанием телесных нагрузок, обнаружение экзотических частиц в ускорительных лабораториях.

Рис. 3. Фотоумножители используют фотоэлектрический эффект на фотокатоде для преобразования светового выхода сцинтиллятора в электрический сигнал. Каждый последующий динод имеет более положительный потенциал, чем предыдущий, и притягивает выбитые электроны, давая им больше энергии. Таким образом, число электронов умножается на каждом диноде, что позволяет легко обнаружить выходной ток.

Свет от сцинтиллятора преобразуется в электрические сигналы с помощью таких устройств, как Фотоумножитель схематически показан на рисунке 3. Эти трубки основаны на фотоэлектрическом эффекте, который поэтапно умножается в каскад электронов, отсюда и название фотоумножитель. Свет, попадающий в фотоумножитель, попадает на металлическую пластину, выбрасывая электрон, который притягивается положительной разностью потенциалов к следующей пластине, давая ему достаточно энергии, чтобы выбросить два или более электрона, и так далее. Конечный выходной ток можно сделать пропорциональным энергии света, поступающего в трубку, которая, в свою очередь, пропорциональна энергии, выделенной в сцинтилляторе. С помощью сцинтилляторов можно получить очень сложную информацию, включая энергию, заряд, идентификацию частиц, направление движения и так далее.

Твердотельные детекторы излучения преобразуют ионизацию, возникающую в полупроводнике (аналогичную той, что содержится в компьютерных чипах), непосредственно в электрический сигнал. Полупроводники могут быть сконструированы так, что они не проводят ток в одном конкретном направлении. Когда напряжение подается в этом направлении, ток течет только тогда, когда ионизация производится излучением, подобно тому, что происходит в трубке Гейгера. Кроме того, величина тока в твердотельном детекторе тесно связана с выделенной энергией, и, поскольку детектор является твердотельным, он может иметь высокую эффективность (поскольку ионизирующее излучение останавливается на более коротком расстоянии в твердых телах, меньшее количество частиц ускользает от обнаружения) . Как и в случае со сцинтилляторами, с помощью твердотельных детекторов можно получить очень сложную информацию.

PhET Explorations: Radioactive Dating Game

Узнайте о различных типах радиометрического датирования, таких как радиоуглеродное датирование. Поймите, как работает распад и период полураспада, чтобы радиометрическое датирование работало. Сыграйте в игру, которая проверяет вашу способность сопоставить процент элемента датировки, который остается с возрастом объекта.

Нажмите, чтобы загрузить симуляцию. Запуск с использованием Java.

Резюме раздела

• Детекторы излучения прямо или косвенно основаны на ионизации, создаваемой радиацией, а также на воздействии радиации на живые и инертные материалы.

Концептуальные вопросы

1. Может ли свет, излучаемый сцинтиллятором, иметь слишком низкую частоту для использования в фотоумножителе? Объяснять.

Задачи и упражнения

1. Энергия 30,0 эВ необходима для ионизации молекулы газа внутри трубки Гейгера с образованием ионной пары. Предположим, что частица ионизирующего излучения выделяет в эту трубку Гейгера энергию 0,500 МэВ. Какое максимальное количество ионных пар он может создать?
2. Частица ионизирующего излучения создает 4000 пар ионов в газе внутри трубки Гейгера, проходя через нее. Какая минимальная энергия была выделена, если для создания каждой пары ионов требуется 30,0 эВ?
3. (a) Повторите вопрос 2 и переведите энергию в джоули или калории. б) Если вся эта энергия преобразуется в тепловую энергию газа, каково будет повышение его температуры, если предположить, что 50,0 см ³ идеального газа находятся под давлением 0,250 атм? (Маленький ответ согласуется с тем фактом, что энергия велика в квантово-механическом масштабе, но мала в макроскопическом масштабе.)
4. Предположим, что частица ионизирующего излучения выделяет энергию 1,0 МэВ в газ трубки Гейгера, и вся эта энергия идет на создание ионных пар. Каждая пара ионов требует 30,0 эВ энергии. (а) Приложенное напряжение выметает ионы из газа за 1,00 мкс. Какой ток? (б) Этот ток меньше фактического тока, так как приложенное напряжение в трубке Гейгера ускоряет разделенные ионы, которые затем создают другие ионные пары при последующих столкновениях. Какова сила тока, если этот последний эффект увеличивает количество ионных пар в 9 раз?00?

Глоссарий

Трубка Гейгера: очень распространенный детектор излучения, который обычно дает звуковой выход

фотоумножитель: устройство, преобразующее свет в электрические сигналы отслеживать излучение от радиоактивной реакции

сцинтилляторы:  метод обнаружения излучения, который регистрирует свет, возникающий при взаимодействии излучения с материалами

Твердофатационные детекторы излучения: полупроводники, изготовленные для непосредственного преобразования падающего излучения в электрический ток

Выбранные решения для проблем и упражнений

1. 1.67 × 10 ⁴

Устройства обнаружения излучения. : CE4RT

Ионизирующее излучение не может быть непосредственно обнаружено органами чувств человека. Поэтому мы разработали множество способов его обнаружения. Некоторые устройства лучше всего подходят для определенных типов источников и целей. Многие дозиметры в настоящее время классифицируются как самосчитывающие и/или сигнализирующие устройства. Эти инструменты позволяют пользователю выбирать раннее предупреждение и сигналы тревоги для величины получаемого облучения, а также получать предупреждения о значительно более высоких, чем ожидаемые, уровнях радиации. Они также имеют цифровые считыватели для мгновенного доступа к данным мониторинга воздействия. Эти устройства также могут быть связаны электронным способом с базой данных или программным обеспечением для ведения записей и настройки устройств.

Детектор радиации PM1904 для iPhone. Карманный дозиметр нового типа. При превышении заданных порогов излучения устройство выдает световую сигнализацию. Все измерения записываются в энергонезависимую память. Предоставлено Polimaster Inc.

1. Детекторы оптически стимулированной люминесценции (OSL)

Популярный дозиметр Luxel работает с использованием технологии оптически стимулированной люминесценции (OSL). Они широко используются радиологическими технологами, а также промышленными рабочими. Значок содержит лист радиационно-чувствительного оксида алюминия, запечатанный в легкий и влагонепроницаемый пакет. Когда атомы в листе оксида алюминия подвергаются воздействию излучения, электроны захватываются в возбужденном состоянии до тех пор, пока не будут облучены лазерным светом с определенной длиной волны. Высвобожденная энергия возбуждения, испускаемая в виде видимого света, измеряется для определения дозы облучения. Пакет также содержит ряд фильтров, предназначенных для определения энергии и типа излучения. Для определения вида и энергии излучения дозиметр необходимо носить лицевой стороной дозиметра в сторону источника излучения. Дозиметры для тела Luxel являются одними из самых чувствительных доступных дозиметров. Минимальная обнаруживаемая доза составляет 1 миллибэр для рентгеновского и гамма-излучения и 10 миллибэр для энергичного бета-излучения.

2. Термолюминесцентные дозиметры

Вместо пленочного значка часто используются ДВУ. Как и значок из пленки, его носят в течение определенного периода времени (обычно 3 месяца или меньше), а затем его необходимо обработать, чтобы определить полученную дозу, если таковая имеется. TLD содержит люминофор в твердой кристаллической структуре. Когда TLD подвергается воздействию ионизирующего излучения, излучение взаимодействует с кристаллом люминофора. Выпущенный свет подсчитывается и пропорционален радиационному облучению. Термолюминесцентные дозиметры могут измерять дозы до 1 миллибэр, но в обычных условиях их низкодозовая способность примерно такая же, как у пленочных значков. Преимущества TLD перед другими мониторами персонала заключаются в его точности и чувствительности к низким дозам. Он также многоразовый, что является преимуществом перед пленочными значками. Однако постоянная запись или возможность повторного чтения не предусмотрены, а немедленное считывание на рабочем месте невозможно. Фторид кальция и фторид лития являются двумя наиболее типичными типами TLD. Фтористый кальций используется для обнаружения гамма-облучения. С другой стороны, фторид лития используется для гамма- и нейтронного облучения. TLD подходят для использования в различных приложениях. В частности, он может быть использован при мониторинге окружающей среды и персонале в рабочих зонах, связанных с радиационным облучением. Фторид кальция и фторид лития являются двумя наиболее типичными типами TLD. Фтористый кальций используется для обнаружения гамма-облучения. С другой стороны, фторид лития используется для гамма- и нейтронного облучения. TLD подходят для использования в различных приложениях. В частности, он может быть использован при мониторинге окружающей среды и персонале в рабочих зонах, связанных с радиационным облучением.

Термолюминесцентные дозиметры (ТЛД) часто используются вместо пленочного значка. Как и значок из пленки, его носят в течение определенного периода времени (обычно 3 месяца или меньше), а затем его необходимо обработать, чтобы определить полученную дозу, если таковая имеется. TLD содержит люминофор в твердой кристаллической структуре. Когда TLD подвергается воздействию ионизирующего излучения, излучение взаимодействует с кристаллом люминофора. Выпущенный свет подсчитывается и пропорционален радиационному облучению. Термолюминесцентные дозиметры могут измерять дозы до 1 миллибэр, но в обычных условиях их низкодозовая способность примерно такая же, как у пленочных значков. Преимущества TLD перед другими мониторами персонала заключаются в его точности и чувствительности к низким дозам. Он также многоразовый, что является преимуществом перед пленочными значками. Однако постоянная запись или возможность повторного чтения не предусмотрены, а немедленное считывание на рабочем месте невозможно.

3. Плёночные бейджи

Любой, кто долгое время работал рентгенологом, использовал плёночный бейдж. Пленочные значки для дозиметрии персонала обычно используются для измерения и регистрации радиационного облучения, вызванного гамма-лучами, рентгеновскими лучами и бета-частицами. Это тип детектора общей дозы. Детектор представляет собой кусок чувствительной к излучению пленки, упакованный в светонепроницаемую оболочку. Пленка чувствительна к радиационному облучению. Пленка проявляется, и радиационное воздействие измеряется количеством воздействия на пленку.

Основными преимуществами пленочного бейджа в качестве устройства контроля персонала является то, что он недорог и обеспечивает постоянную запись. Основные недостатки заключаются в том, что он должен проявляться и считываться процессором (что требует много времени), длительное тепловое воздействие может повлиять на пленку, а экспозиция гамма-излучения менее 20 миллибэр не может быть точно измерена.
Пленочные значки необходимо носить правильно, чтобы доза, которую они получают, точно соответствовала дозе, которую получает пользователь. Нашивка-клипса чаще всего носится между воротником и поясом при проведении рентгенографии. Когда пленочный бейдж не используется, его следует хранить в защищенном от радиации месте. Кроме того, при обнаружении переоблучения проводится расследование, чтобы установить, было ли зафиксированное облучение случайным или результатом неосторожности.

Наиболее распространенными причинами передержки пленки являются следующие:

 

• • Целенаправленное разоблачение киноленты.
  • Неправильное хранение бейджа.
  • Неиспользование защитного экрана.
  • Неподходящие методы работы.
  • Недостаточная или неисправная радиационная защита.
  • Непреднамеренное ношение пленочного значка во время диагностического или терапевтического рентгена.
  • Неспособность распознать сомнительную пленку как использованную для нерегулярной регистрации радиационного облучения.

 

4. Карманные дозиметры

Карманные дозиметры используются для предоставления владельцу немедленных показаний его или ее воздействия рентгеновских и гамма-лучей. В промышленной радиографии обычно используются два типа дозиметров: карманный дозиметр прямого считывания и цифровой электронный дозиметр. Карманный ионизационный дозиметр прямого считывания позволяет мгновенно считывать радиационное облучение и может использоваться повторно.

Ограниченный радиус действия, невозможность постоянной записи и возможность потери показаний из-за падения или удара — вот лишь некоторые из основных недостатков карманного дозиметра. Цифровые электронные дозиметры записывают информацию о дозе и мощности дозы. В этих дозиметрах чаще всего используются счетчики Гейгера-Мюллера. Выходной сигнал детектора излучения собирается, и, когда достигается заданная экспозиция, собранный заряд разряжается для срабатывания электронного счетчика. Затем счетчик отображает накопленное воздействие и мощность дозы в цифровой форме. Некоторые модели также могут быть настроены на подачу непрерывного звукового сигнала при достижении предустановленной экспозиции.

5. Сцинтилляторы

Сцинтиллятор представляет собой материал, который загорается при возбуждении ионизирующим излучением. Люминесцентные материалы при ударе падающей частицы поглощают ее энергию и мерцают, т. е. переизлучают поглощенную энергию в виде света. Иногда возбужденное состояние является метастабильным, поэтому релаксация обратно из возбужденного состояния задерживается (что требует от нескольких микросекунд до часов в зависимости от материала):

Сцинтилляторы используются американским правительством в качестве детекторов радиации Национальной безопасности. Сцинтилляторы также можно использовать в экспериментах по физике нейтронов и частиц высоких энергий, в исследованиях новых энергетических ресурсов, в рентгеновской безопасности, в ядерных камерах, в компьютерной томографии и в разведке газов. Другие области применения сцинтилляторов включают компьютерные томографы и гамма-камеры в медицинской диагностике, экраны компьютерных мониторов и телевизоры. Ядерный материал можно контролировать с помощью определенных типов сцинтилляторов. Сцинтилляторы генерируют свет в люминесцентных лампах.

6. Ионизационные камеры и пропорциональные счетчики

Ионизационная камера является простейшим из всех газонаполненных детекторов излучения и широко применяется для обнаружения и измерения некоторых видов ионизирующего излучения; Рентгеновские лучи, гамма-лучи и бета-частицы. Ионные камеры имеют хороший однородный отклик на излучение в широком диапазоне энергий и являются предпочтительным средством измерения высоких уровней гамма-излучения. Они широко используются в атомной энергетике, исследовательских лабораториях, радиографии и других областях медицинского излучения, а также в мониторинге окружающей среды.

Пропорциональный счетчик использует комбинацию механизмов трубки Гейгера-Мюллера и ионизационной камеры. Пропорциональные счетчики широко используются в качестве детекторов большой площади для проверки радиоактивного загрязнения персонала, инструментов и предметов одежды. Обычно это в виде установленных приборов из-за трудностей с обеспечением портативных источников газа для ручных устройств. В этом конкретном случае они представляют собой многопроволочные детекторы с плоской камерой для обнаружения альфа- и бета-излучения. У них есть окно обнаружения большой площади, сделанное, например, из металлизированного майлара, которое составляет часть катода, и анодный провод, проложенный извилистым образом, чтобы полностью проникнуть в область газонаполнения детектора. Эти детекторы способны различать альфа- и бета-излучение.

7. Счетчики Гейгера

Также называемый счетчиком Гейгера-Мюллера, это тип детектора частиц, который измеряет ионизирующее излучение. Ионизирующее излучение невидимо и не может быть непосредственно обнаружено человеческими органами чувств, поэтому для обнаружения его присутствия обычно требуются такие инструменты, как счетчики Гейгера. Они обнаруживают излучение ядерного излучения: альфа-частицы, бета-частицы или гамма-лучи. Счетчик Гейгера обнаруживает излучение путем ионизации газа низкого давления в трубке Гейгера-Мюллера. Каждая обнаруженная частица производит импульс тока, но счетчик Гейгера не может различить энергию исходных частиц. Изобретен в 1908, счетчики Гейгера остаются популярными приборами, используемыми для измерений в здравоохранении, физике, промышленности, геологии и других областях, потому что они могут быть сделаны с помощью простых электронных схем.

На этом снимке 1963 года сотрудница Центра по контролю за заболеваниями осматривала продукты на наличие радиоактивных осадков с помощью счетчика Гейгера-Мюллера. Счетчик Гейгера-Мюллера, обычно называемый счетчиком Гейгера, представляет собой детектор частиц, который проверяет наличие ионизирующего излучения, включая испускание ядерного излучения.

 

 

8. Счетчики всего тела

Радиоактивный распад может вызвать гамма-излучение, которое не может покинуть тело из-за поглощения или другого взаимодействия, при котором оно может терять энергию; поэтому это необходимо учитывать при любом анализе измерений.
Для этого измерения человека можно расположить по-разному: сидя, лежа, стоя. Детекторы могут быть одиночными или множественными и могут быть стационарными или подвижными.
Преимущества подсчета всего тела заключаются в том, что он измеряет содержание тела напрямую, не опираясь на косвенные методы (такие как анализ мочи) и что он может измерять нерастворимые радионуклиды в легких. С другой стороны, недостатки подсчета всего тела заключаются в том, что его можно использовать только для гамма-излучателей, за исключением особых обстоятельств, и он может ошибочно интерпретировать внешнее загрязнение как внутреннее загрязнение. Сам по себе он может быть не в состоянии различить радиоизотопы с одинаковой энергией гамма-излучения. Альфа- и бета-излучение в значительной степени экранированы телом и не будут обнаружены снаружи, но может быть обнаружено совпадающее гамма-излучение от альфа-распада, а также излучение родительских или дочерних нуклидов.
Любой детектор излучения является относительным прибором, т. е. значение измерения может быть преобразовано в количество присутствующего материала только путем сравнения ответного сигнала (обычно импульсов в минуту или в секунду) с сигналом, полученным от эталона, количество которого (деятельность) хорошо известна.
Счетчик всего тела калибруется с помощью устройства, известного как «фантом», содержащего известное распределение и известную активность радиоактивного материала. Принятым отраслевым стандартом является манекен-поглотитель бутылочного манекена (BOMAB). Фантом BOMAB состоит из 10 контейнеров из полиэтилена высокой плотности и используется для калибровки систем подсчета in vivo, предназначенных для измерения радионуклидов, излучающих фотоны высокой энергии (200 кэВ < E < 3 МэВ).
Поскольку для калибровки систем подсчета in vivo использовалось множество различных типов фантомов, важность разработки стандартных спецификаций для фантомов была подчеркнута на международном совещании специалистов по подсчету in vivo в 1990 г., проведенном в Национальном институте стандартов и технологий (NIST) ( Крамер и Инн, 1991). Участники встречи пришли к единому мнению, что для фантома BOMAB необходимы стандартные спецификации. Стандартные спецификации фантома BOMAB обеспечивают основу для согласованной конструкции фантома для калибровки измерительных систем in vivo. Такие системы предназначены для измерения радионуклидов, испускающих фотоны высокой энергии и предположительно равномерно распределенных в организме.
Хорошо спроектированная система подсчета может обнаруживать уровни большинства гамма-излучателей (>200 кэВ) на уровнях намного ниже тех, которые могут вызвать неблагоприятные последствия для здоровья людей. Типичный предел обнаружения радиоактивного цезия (Cs-137) составляет около 40 Бк. Годовой предел поступления (т. е. количество, которое может дать человеку дозу, равную рабочему пределу, который составляет 20 мЗв) составляет около 2 000 000 Бк. Количество встречающегося в природе радиоактивного калия, присутствующего у всех людей и явно не вредного, как у всех нас, также легко обнаружить.
Причина такой чувствительности этих приборов заключается в том, что они часто размещаются в счетных камерах с низким фоном. Обычно это небольшая комната с очень толстыми стенами из низкофоновой стали (~20 см) и, возможно, облицованная тонким слоем свинца (~1 см). Снижение фона внутри камеры будет на несколько порядков. Некоторые счетчики используют сталь с низким фоном для защиты, например, броню военных кораблей, построенных в доядерную эпоху. В зависимости от геометрии счетной системы время счета может составлять от 1 минуты до примерно 30 минут. Чувствительность счетчика зависит от времени счета, поэтому чем дольше счет для одной и той же системы, тем выше предел обнаружения.

9. Биологическое обследование

Цитогенная биодозиметрия использует реакцию организма человека на радиацию как основу для точной оценки дозы облучения. Когда энергия, связанная с ионизирующими формами излучения, передается атомам и молекулам в клетках и тканях человека, хромосомная ДНК повреждается пропорционально типу и количеству поглощенной энергии. Хромосомные аномалии могут быть вызваны радиационным облучением. Количество аномалий определяется количественно и сравнивается с известной калибровочной кривой для получения оценки дозы. Эта стратегия оценки дозы действительна, поскольку лимфоциты проявляют повреждение независимо от того, находятся ли они в организме или вне его во время воздействия.

Когда энергия, связанная с ионизирующими формами излучения, передается атомам и молекулам в клетках и тканях человека, хромосомная ДНК повреждается пропорционально типу и количеству поглощенной энергии. В цитогенетической биодозиметрии используются лимфоциты периферической крови человека (HPBL). Хромосомные аномалии, такие как дицентрики, могут быть вызваны облучением. Количество дицентриков определяют количественно и сравнивают с известной калибровочной кривой для получения оценки дозы. Эта стратегия оценки дозы действительна, поскольку лимфоциты проявляют повреждение независимо от того, находятся ли они в организме или вне его во время воздействия. Небольшие объемы (менее 10 мл) периферической крови получают путем флеботомии у подвергшихся воздействию субъектов как можно скорее (обычно через 1 день после воздействия) и отправляют в лабораторию цитогенетической биодозиметрии для оценки дозы. Лаборатория обрабатывает образцы в соответствии с установленными протоколами. Затем эксперты оценивают цитогенетическое повреждение и оценивают дозу путем сравнения с соответствующей калибровочной кривой, принимая во внимание тип излучения, мощность дозы, облучение всего или части тела, задержку между взятием проб и специфическую цитогенетическую оценку.
Цитогенетический анализ, если он доступен, может дополнять физическую дозиметрию, подтверждая или исключая радиационное облучение. Когда физическая дозиметрия недоступна, цитогенетический анализ часто является единственным доступным методом оценки дозы. Он использовался в ответ на несколько радиационных аварий, например, в Чернобыле (Украина), Гоянии (Бразилия) и Токаймура (Япония), для оценки дозы, а также для устранения предполагаемых профессиональных переоблучений.

Исследование молочных зубов было инициировано Гражданским комитетом по ядерной информации Большого Сент-Луиса совместно с Университетом Сент-Луиса и Школой стоматологической медицины Вашингтонского университета в качестве средства определения влияния ядерных осадков на анатомию человека путем изучения уровни радиоактивного материала, поглощенного молочными зубами детей. Исследование было сосредоточено на обнаружении присутствия стронция-9.0, вызывающий рак радиоактивный изотоп, созданный в результате более чем 400 атомных испытаний, проведенных над землей, который всасывается из воды и молочных продуктов в кости и зубы, учитывая его химическое сходство с кальцием. Команда разослала формы для сбора в школы Сент-Луиса, штат Миссури, в надежде собрать 50 000 зубов каждый год. В конечном итоге в рамках проекта было собрано более 300 000 зубов детей разного возраста, прежде чем проект был завершен в 1970 году. Предварительные результаты были опубликованы командой в журнале от 24 ноября 1961, издание журнала Science показало, что уровни стронция-90 у детей неуклонно повышались у детей, родившихся в 1950-х годах, причем у детей, родившихся позже, наблюдались самые высокие уровни. Результаты более всестороннего исследования элементов, обнаруженных в собранных зубах, показали, что у детей, родившихся после 1963 года, уровень стронция-90 в молочных зубах был в 50 раз выше, чем у детей, родившихся до появления крупномасштабных атомных испытаний. . Полученные данные помогли убедить президента США Джона Ф. Кеннеди подписать Договор о частичном запрещении ядерных испытаний с Соединенным Королевством и Советским Союзом, который положил конец наземным испытаниям ядерного оружия, в результате которых в атмосферу было выброшено наибольшее количество ядерных осадков. Исследование молочных зубов вдохновило на ряд подобных инициатив в других частях мира. Например, то, что стало известно как проект «Зубная фея», было разработано в Южной Африке, чтобы определить, имеет ли место воздействие на здоровье человека, вызванное радиоактивностью и загрязнением тяжелыми металлами ниже по течению от деятельности по добыче золота, вызванное кислотными стоками шахт.

10. Kearny Fallout Meter

ИРК — это измеритель радиации, который каждый может сделать дома из дешевых материалов. Измеритель радиоактивных осадков Kearny можно построить из чертежей, используя только кофейную банку или ведро, гипсокартон, моноволоконную леску и алюминиевую фольгу. Это также научный проект, демонстрирующий действие ионизирующего излучения. Электростатический заряд помещен на два листа алюминиевой фольги. По сути, это банка, содержащая два куска фольги. По мере того, как воздух внутри банки заряжается, кусочки фольги приобретают заряд, так как они будут содержать одинаковый положительный или отрицательный заряд, они будут отталкиваться друг от друга.