Інтегральні методи вимірювання радіоактивності

Метою вимірів радіоактивності є: встановлення радіоактивності, оцінка її інтенсивності, спектрального складу випромінювань, встановлення природи радіоактивності і кількості радіоактивних елементів, вивчення характеру розподілу радіоактивності і її носіїв, потужностей доз випромінювання.

Існуючі радіометричні методи засновані на реєстрації ефекту взаємодії радіоактивного опромінювання з речовиною. В зв’язку з цим виділяють такі основні методи реєстрації радіоактивності:

1) іонізаційні, які включають, в залежності режиму апаратури і її конструкції, інтегральний (чи власно іонізаційний) і імпульсний (або метод рахунку) методи;

2) сцинтиляційний;

3) фотографічний;

4) люмінесцентний і кристалічних лічильників;

5) реєстрація черенковського випромінювання.

Найпоширенішими у практиці радіометрії є іонізаційні (імпульсні) і сцинтиляційні методи.

Іонізаційні методи. Принципово будь-яка установка для реєстрації випромінювання іонізаційним або сцинтиляційним методами складається з двох частин: детектора і вимірювальної апаратури. Детектор являє собою чутливий елемент, в якому відбувається взаємодія випромінювання з речовиною. Вимірювальна апаратура сприймає сигнал з детектора і виконує функції необхідні для виконання вимірів. Серед детекторів іонізаційного метода реєстрації випромінювань відрізняють іонізаційні камери, газорозрядні пропорційні лічильники і лічильники Гейгера. Найбільш розповсюдженими типами детекторів є лічильники Гейгера, в меншій мірі іонізаційні камери. Існують датчики для реєстрації , -часток, -квантів і нейтронів.

Принципово газорозрядний лічильник являє собою циліндричний конденсатор, в якому одна з обкладок це коаксіально розташований електрод. Якщо на конденсатор подати напругу, то іони, створені при попаданні всередину ядерної частинки, будуть збиратися на обкладках конденсатора і змінювати його потенціал. При цьому кількість утворених іонів (або величина заряду - ) і відповідно величина зміни потенціалу () на конденсаторі ємністю буде різною для часток з різною іонізуючою здатністю і буде дорівнювати:

.

При низьких напругах в іонізаційних камерах іони газу, які виникли під впливом радіоактивних випромінювань, самі не іонізують, а збираються на електродах конденсатора. Підключивши до такої камери вимірювальний прилад, можна зафіксувати дуже слабкі струми іонізації (). Вони можуть бути зафіксовані в межах певного часу :

,

або , де - зміна напруги на електродах за час , - ємність конденсатора , тобто величина іонізаційного струму визначається за різницею потенціалів за певний час.

Так як, у вимірювальних приладах використовуються різноманітні шкали, за допомогою яких виконується відлік показань приладів, вони можуть бути проградуйовані. В цьому випадку , де ціна поділу шкали, - число поділок шкали. В зв’язку з тим, що - для цього приладу величина постійна (), то , тобто вимірювальна величина іонізаційного струму оцінюється за кількістю поділок шкали, пройдених рухомою системою (нитка, петля, квадрант). Причому швидкість переміщення рухомої системи є мірою радіоактивності препарату (іоноутворення). На цьому принципі побудований інтегральний іонізаційний метод вимірювання загальної радіоактивності порід і мінералів.

Основним засобом оцінки радіоактивності і наявності радіоактивних елементів в інтегральному іонізаційному методі (як і в інших радіометричних методах) є відносний метод, який ґрунтується на порівнянні показників приладів від дослідженого зразка з еталонним зразком, при дотриманні ідентичності умов вимірів. Оцінка вмісту радіоактивних елементів в цьому випадку проводиться за формулою:

,

де - вміст радіоактивних елементів в еталоні - величина іонізаційного струму від зразка та еталону; - маси (або випромінюванні площі) проби та еталону (у випадку їх неідентичності).

Інтегральні методи вимірювання радіоактивності в теперішній час використовуються обмежено: при радіохімічному аналізі, оцінюванні радіоактивності еманацій, при вимірюванні сильно емануючих проб та проб, які мають в своєму складі калій тощо. Вони були змінені більш продуктивними та чутливими імпульсними методами. В якості датчиків в цьому методі використовуються або газорозрядні лічильники (в іонізаційному методі) або різноманітні люмінофори (в сцинтиляційному методі).

Газорозрядний лічильник є герметичним скляним ( -лічильник) або металевим ( -лічильник) циліндричним конденсатором, який заповнений сумішшю з інертних газів та галоїдних сполук. Електродами лічильника є коаксіально розташовані металева нитка та оболонка (для -датчиків) або циліндр (для -датчиків) лічильника. На електроди подається висока напруга, достатня для ударної іонізації газу в середині лічильника. Суть цього процесу полягає у прискоренні полем іонів, які утворюються в результаті взаємодії радіоактивного випромінювання з атомами і молекулами газу. В результаті такого прискорення (при певній напрузі) іони, стикаючись з нейтральними атомами і молекулами, здатні їх іонізувати. Цей процес зростає лавиноподібно і приводить до розряду, який заповнює увесь об'єм лічильника і утворює на зовнішньому навантаженні лічильника різкий перепад струму. За частотою подібних розрядів формується уявлення про величину радіоактивності. Вибір оптимальної напруги роботи датчиків здійснюється шляхом отримання так названої лічильної характеристики - графіка залежностей швидкості розрядів від прикладеної до датчика напруги, при постійному джерелі випромінювання (рис.2). Робоча напруга вибирається в межах "плато" - більш-менш горизонтальної частини характеристики.

Рис.2. Лічильна характеристика газорозрядного лічильника

Вимірювальними приладами в імпульсному методі є радіометри. Радіометр має два блоки: блок реєстрації (датчик) і блок вимірювання, які мають роз’ємне сполучення між собою. Радіометри для інтегральних вимірювань радіоактивності складаються за наступною принциповою блок-схемою (рис.3)

Оцінка радіоактивності природних об’єктів за допомогою радіометрів відносна - у порівнянні з радіоактивністю еталонів із відомим вмістом радіоактивного елементу, що утворюють певні потужності випромінювання на різних віддалях від еталону. Для цього прилади еталонують за допомогою стандартних еталонів -випромінювання, тобто для кожного радіометра будують графік залежності показів приладу від потужності доз (), які створюються еталоном на різних віддалях від датчика (рис. 4)

Згідно формули, , де - вміст радіоактивного елементу в еталоні, мг; - віддаль між датчиком і еталоном.

Рис.4. Графіки еталонування радіометрів, побудовані

( - за різностним ефектом ; - разом із фоном ; - значення радіоактивності)

За допомогою графіку еталонування покази приладу приводяться до єдиної системи - потужності дози, що дає можливість порівняння між собою результатів вимірів різних радіометрів.

Рис.3. Блок-схема інтегрального радіометру

Рис.4. Интегрирующая ячейка с последовательным (а)

и параллельным (б) включением регистрирующего прибора

Интегрирующая ячейка представляет собой контур из параллельно включенных конденсатора С и сопротивления R (рис.4). При поступлении импульсов в ячейку происходит зарядка конденсатора С. В то же время заряд с него непрерывно стекает через сопротивление R. Через некоторое время после включения прибора достигается приближенное равновесие между количеством заряда, приносимым одним импульсом, и зарядом, стекающим через сопротивление за среднее время между двумя импульсами: средний ток через сопротивление R становится равным произведению скорости счета на величину заряда одного импульса. В зависимости от внутреннего (входного) сопротивления регистрирующего прибора он включается в схему последовательно с R (рис. 4, а) или параллельно ему (рис. 4, б).Наличие интегрирующей ячейки вносит инерцию в работу радиометра. Колебания скорости счета за время, заметно меньшее, чем постоянная времени ячейки , не сказываются на входном токе интеграторов.