Принципы и методы дозиметрии и радиометрии

 

Принципы и методы дозиметрии

· Сцинтилляционный метод дозиметрии

Физическая основа сцинтилляционного метода — возбуждение и ионизация атомов и молекул вещества при прохождении через него заряженных частиц. Через короткое время они переходят в основное состояние, испуская световое излучение, спектр которого зависит от структуры энергетических уровней атомов и молекул вещества. Вспышка света может появиться также и при прохождении через сцинтиллятор незаряженных частиц за счет высвобождения ими вторичных заряженных частиц. При небольших энергиях в случае фотонов — за счет электронов отдачи и фотоэлектронов, а в случае нейтронов — за счет ядер отдачи или заряженных частиц, которые могут появиться в результате ядерных реакций с нейтронами. При высоких энергиях вторичные заряженные частицы регистрируются сцинциллятором при их высвобождении нейтронами и фотонами как внутри сцинтиллятора, так и вне его.

Наиболее важными характеристиками сцинтилляторов являются следующие:

Коверсионная эффективность ƞ/ k —отношение энергии световых фотонов Rl к энергии заряженной частицы Е, поглощенной в сцинтилляторе:

ƞ/ k = Rl / Е

Сцинтилляторы классифицируются по ряду признаков.

Различают органические и неорганические сцинтилляторы. Органические сцинтилляторы представляют собой монокристаллы некоторых органических соединений — антрацена, стильбена, нафталина, толана. Антрацен обладает наибольшей конверсионной эффективностью (ƞ/ k  0,04) среди всех органических кристаллов, но очень чувствителен к резким изменениям температуры, которые приводят к потере свойств сцинтиллятора. Более устойчивым монокристаллом является стильбен. Он обладает очень малым временем высвечивания быстрой компоненты и относительно высокой конверсионной эффективностью. Стильбен удобен при использовании со схемами разделения при регистрации частиц различных типов. Существуют жидкие и пластические органические сцинтилляторы.

Неорганические сцинтилляторы — это монокристаллы некоторых неорганических соединений NaI, CsI, KI, LiI, ZnS и др. При выращивании кристаллов в большинство из них вводятся специальные примеси (активаторы), которые увеличивают плотность центров люминисценции. Одним из лучших сцинтилляторов является NaI(Tl). Кроме ZnS(Ag) он имеет самую высокую конверсионную эффективность; время высвечивания — 2,5

· Люминисцентные методы дозиметрии

Под люминисцентными методами будем иметь ввиду методы, основанные только на радиофотолюминисценци и радиотермолюминисценции. Сущность метода заключается в том, что образованные в люминофоре под действием ионизирующего излучения носители заряда (электроны и дырки) локализуются в центрах захвата, в результате чего происходит накопление поглощенной энергии, которая может быть затем освобождена при дополнительном возбуждении. Дополнительное возбуждение может быть вызвано либо освещением люминофора ультрафиолетовом излучением определенной длины волны (радиофотолюминисценция), либо нагревом (радиотермолюминисценция или просто — термолюминисценция). Наблюдаемые при этом оптические эффекты могут служить мерой поглощения энергии.

Радиофотолюминисценция (РФЛ). В качестве люминофоров, представляющих интерес для дозиметрии, можно указать щелочно-галогенные соединения (NaCl, LiF и т.п.), обладающие кристаллической структурой. В чистом щелочно-галогенном кристалле поглощение ионизирующего излучения сопровождается образованием центров, концентрация которых пропорциональна дозе, которая может быть определена либо путем измерения поглощения света, либо путем измерения люминисценции.

Однако по ряду причин создание дозиметрических систем на основе чистых щелочно-галогенных соединений оказывается невозможным. Эта задача может быть решена путем введения в щелочно-галогенные соединения соответствующих химических добавок. В частности, ионы серебра Ag+ существенно улучшают люминисцентные свойства кристаллов.

Более подходящими для дозиметрии оказались, однако, фосфатные стекла, активированные серебром. Диапазон измеряемых доз для них составляет 5 10-4 — 10 Гр. Для снятия РФЛ стекла прогревают при температуре до 400 0С в течении 30 мин. Зависимость чувствительности от энергии фотонов при использовании компенсирующих фильтров составляет  20 % в диапазоне энергий фотонов 0,04 — 3 МэВ.

Радиотермолюминисценцией (РТЛ) называется такой процесс, при котором накопленная в кристалле энергия ионизирующего излучения преобразуется в энергию флюоресценции под действием теплового возбуждения.

 

Кратко механизм РТЛ состоит в следующем. Ионизирующее излучение воздействует на кристалл, активированный серебром, и освобождает электрон, который захватывается ловушкой с образованием F - центра (рис. 2.13). Образовавшаяся дырка оказывается связанной с ионами серебра Ag+.

Последующий нагрев кристалла освобождает электрон из ловушки и переводит его в зону проводимости (переход 1). Далее электрон рекомбинирует с дыркой (переход 2), что приводит к возбуждению активатора Ag+. Возбужденный ион Ag+* переходит в основное состояние с испусканием характеристической люминесценции (переход 3).

Измерение дозы термолюминесцентным дозиметром (ТЛД) состоит в том, что облученный дозиметр нагревается и в процессе нагрева измеряется энергия люминесценции или ее мощность.

Важной характеристикой ТЛД является кривая термовысвечивания, представляющая собой зависимость мощности энергии люминесценции от времени нагрева люминофора или его температуры (рис. 2.14). Кривая может иметь один или несколько пиков, которые соответствуют ловушкам с различной глубиной расположения по отношению к зоне проводимости.

Мерой количества излучения, например поглощенной дозы, служит выделившаяся в процессе нагрева полная светосумма, пропорциональная площади под кривой термовысвечивания (интегральный метод), или амплитуда, Al, выбраного рабочего термопика (пиковый метод). В практической дозиметрии наибольшее распространение получили термолюминофоры: фтористый литий, фтористый кальций и термолюминесцентные стекла. Пределы измерения этими детекторами поглощенной дозы составляют 10-4 — 106 Гр. Наименьшей зависимостью чувствительности по поглощенной дозе от энергии фотонов обладает фтористый литий. Потеря накопленной информации от времени хранения ее — незначительна.

Фотографический метод дозиметрии фотонов

Фотографический метод измерения дозы фотонов основан на их воздействии на чувствительный слой рентгеновской пленки. В этом слое желатины равномерно распределены мелкие (0,1 — 1 мкм) кристаллы галоидного серебра (AgBr или ArCl). Под воздействием электронов, высвобожденых фотонами из окружающего чувствительный слой вещества, а также (в меньшей степени из самого слоя), в кристаллах образуются центры проявления, состоящие из групп атомов металлического серебра. Совокупность этих центров создает скрытое изображение. В процессе проявления пленки происходит восстановление металлического серебра в тех кристаллах, в которых образовались центры скрытого изображения, что приводит к почернению пленки. Последующее закрепление (фиксирование) выводит из чувствительного слоя пленки остатки невосстановленного серебра и она становиться нечувствительной к излучению.

Степень почернения пленки характеризуется оптической плотностью почернения, Sl,

 

· Химический метод

дозиметрии заключается в выявлении необратимых химических изменений, происходящих под действием излучений в веществе, чаще всего в водных растворах. В этих целях широко используется реакция превращения двухвалентного железа в трехвалентное (в ферро-сульфатном дозиметре). Регистрацию необратимых химических изменений осуществляют различными физическими или химическими методами.

 

Принципы и методы радиометрии.

Методы и средства радиометрии используются при исследованиях с применением радиоактивных веществ, а также в промышленности, сельском хозяйстве, при разведке полезных ископаемых, для определения возраста Земли, археологических находок и т. д. Для определения малых количеств стабильных элементов и их соединений в пробах используют радиометрический анализ, применяя метод радиоактивных индикаторов или переводя исследуемые вещества в радиоактивные.

Наиболее широко методы радиометрии используют в медицине, биологии и ветеринарии для изучения динамики обмена радиоактивных веществ в окружающей среде. Радиометрические методы и приборы используют для измерения гамма-излучения источников, применяемых с лечебными целями для внешних локальных воздействий и радиоактивных источников, вводимых внутрь для локального облучения отдельных органов и тканей, а также с диагностической целью.

 Методы радиометрии также применяют при изготовлении эталонов и образцовых источников излучений, градуировке радиометрической и дозиметрической аппаратуры.

Все растущее применение радиоактивных веществ и радиоактивных источников ионизирующих излучений в различных отраслях народного хозяйства при одновременном расширении номенклатуры этих веществ и источников настоятельно требует обеспечения единообразия и правильности измерений основной количественной характеристики любого радиоактивного образца – активности нуклида в образце, а также массы радия для радиевых образцов. Эту задачу и должна решать радиометрия.

 

Радиометрический контроль включает в себя

1. Определение индивидуальных доз облучения персонала

2. Контроль за мощностью дозы облучения на рабочих местах

3. Применение приборов, сигнализирующих о превышении допустимой дозы облучения.

Учитывая это и приборы доя радиометрического контроля делятся на 3 группы:

1) Дозиметры индивидуального контроля - для измерения дозы внешне­ го облучения, получаемой работающим с источниками радиации. Ин­ дивидуальные дозиметры могут быть:

· ионизационные С-КИД-2, ДК-02)

· фотохимические (ИФК-2,3)

· термолюминесцентные (ИЛК)

2) Стационарные или переносные приборы, предназначенные для изме­ рения мощностей доз излучения. К этой группе относятся радиомет­ ры и интенсиметры - «Аргунь», РУП-1, «Луч-А» и др

3) Стационарные установки для регистрации мощности излучения в от­дельных помещениях. Они подают световые или звуковые сигналы при превышении допустимой дозы. К данной группе относятся установки УСИТ-1, УСИТ-2, УСИД-12 и др.

Охрана окружающей среды от радиоактивного за­грязнения.

Загрязнение окружающей среды радиоактивными веществами (радиоактивное загрязнение) происходит в результате работы с открытыми источниками в нормальных условиях. Кроме того его причиной могут быть и закрытые источники в результате аварий с выбросом радиоактивных ве­ществ.

Основные источники загрязнения окружающей среды:

1. Мероприятия ядерно-топливного цикла.

2. Ядерные взрывы.

Меры по охране окружающей среды:

1) Законодательные (нормы радиационной безопасности).

2. Технологические (изменение технологии для.уменьшения исполь­зования радиоактивных веществ и их попадания в окружающую среду).

3. Санитарно-технические (адекватная вентиляция, канализация)

4. Планировочные (создание санитарно защищенных зон и зон на­блюдения).

Основной проблемой в области охраны окружающей среды от радиоак­тивного загрязнения является проблема радиоактивных отходов.

Радиоактивные отходы - это материалы или объекты, не подлежащие использованию, но имеющие уровень радиоактивности выше нормативного. По агрегатному состоянию они делятся на газообразные, жидкие и твердые.

Обезвреживание радиоактивных отходов осуществляется с помощью их дезактивации, в результате которой - как это видно из названия метода -они теряют свою активность или она снижается до допустимого уровня.

Методы дезактивации.

1) Оптимальным методом дезактивации является _:метод физической дезактивации путем выдерживания отходов в течение некоторого време­ни, основанный на законе радиоактивного распада. За счет распада ра­диоактивные изотопы распадаются с образованием изотопов, не обладаю­щих радиоактивностью. Метод применим только для короткоживущих изотопов (с периодом полураспада не больше 15 суток).

- 2) Разбавление. Заключается в смешивании загрязненных. продуктов с чистыми. Для жидких отходов применяется только при активности, пре­вышающей ПДК не более чем в 10 раз при возможности 10-кратного раз­бавления.

3) Рассеивание (для газообразных отходов). Производится через вы­сокие трубы. При этом используют фильтрацию (только для аэрозолей), адсорбцию и абсорбцию (для газов). Последние не применимы для инерт­ных газов, которые просто рассеивают.

Для жидких отходов используются методы уменьшения объема, которые включают в себя выпаривание, фильтрацию, коагуляцию, в результате чего отходы могут переводиться в твердую фазу, а затем прессоваться, переплав­ляться и захораниваться в могильниках.

 

 

Хроматографические методы

Хроматографические методы количественного анализа основаны на избирательном поглощении (адсорбции) отдельных компонентов анализируемой смеси различными адсорбентами. Они широко применяются для разделения близких по составу  и свойствам неорганических и органических веществ. Хроматографию применяют, в частности, для разделения редкоземельных, а также радиоактивных элементов.