Методи і засоби радіаційного контролю

Система радіаційного контролю передбачає використання наступних етапів: вимірювання рівня радіації на місцевості (польова радіометрія, дозиметрія), вибір проб і підготовку їх до дослідження, визначення радіоактивності експресними методами, радіохімічний розподіл радіонуклідів, радіометрію виділених радіонуклідів, розрахунок активності. Методи радіаційного контролю поділяються на радіометричні, радіохімічні, спектрометричні. Найбільш поширенні перші дві групи методів.

Відомі наступні радіометричні методи: польова радіометрія і дозиметрія, експресне визначення радіоактивності, радіометрія золи, радіохімічних препаратів.[40]

Польова радіометрія і дозиметрія є першим етапом радіаційного контролю, який дає змогу отримати данні про радіоактивний фон та рівень радіоактивності середовища (сумарну інтенсивність саморозпаду радіоактивних елементів у середовищі, зумовлену природним фоном радіоактивності та радіоактивним забрудненням). Польова радіометрія та дозиметрія є основними методами контролювання радіоактивного забруднення продукції сільського господарства. При невеликих площах обстежень вимірювання проводять дозиметристи без допоміжного транспорту. При обстеженні великих територій використовують спеціальні автомобілі, у яких змонтовані необхідні прилади (автозйомка).

Експресні методи радіаційного контролю дають змогу отримати оперативну інформацію про ступінь радіоактивного забруднення об’єктів народного господарства.

Експрес-метод визначення питомої і об’ємної активності гамма-випромінюючих нуклідів у воді, продуктах харчування, продукції рослинництва та тваринництва базується на вимірюванні приладом СПР-68-01 потужності дози випромінювання від чисто вимитих і подрібнених проб масою 0,7 кг, які розміщенні в літровій банці або посудині Марінеллі, і перерахунку її в одиниці активності за формулою:

, (7.1)

де g - питома активність проби, Бк/кг; - потужність дози опромінення проби без фону (мкР/год); К – коефіцієнт перерахунку.

Методику можна застосувати при рівні радіоактивного забруднення 2,10³ – 4,10⁴ Бк/л (кг).

В основі експрес метода визначення питомої і об’ємної активності бета-випромінюючих радіонуклідів лежить вимірюванні швидкості зчитування частинок з „товстошарових” препаратів з наступним розрахунком активності за формулою:

, (7.2)

де g – питома активність проби, Бк/кг; - швидкість зчитування частинок проби з фоном, імп/с; - швидкість зчитування частинок фону, імп/с; Р – чутливість радіометра.

Для проведення вимірювань використовують радіометри КРК-1, РУБ-01П, „Бета”. Подрібненою пробою заповнюють кювету і вимірюють швидкість зчитування за період не більший 1000с. Методика застосовується при вмісті радіоактивних речовин в пробах не менше 37 Бк/кг.

За малої концентрації радіонуклідів в пробах сумарну бета-активність проби визначають по зольному залишку. Щоб збільшити концентрацію радіонуклідів в пробах, їх спалюють та озолюють. Золу розтирають в дрібний порошок, наносять на стандартну підніжку 200 – 300 мг золи, рівномірно розподіляють і вимірюють швидкість відліку стаціонарним радіометром.

Питому активність розраховують за формулою:

, (7.3)

де А – питома активність досліджувальної проби, Кі/кг (л), Бк/кг(л); - швидкість зчитування проби без фону, імп/хв; - коефіцієнт перерахунку імпульсів за хвилину в активність, - коефіцієнт озолення, який дорівнює масі золи в грамах, одержаної при озоленні 1 кг проби; m – маса золи, взятої для радіометрії, г.

Для визначення коефіцієнта зв’язку готують 4-5 препаратів масою 200-300 мг із висушеного КСІ (еквівалентної маси препарату), вимірюють швидкість зчитування за тих же умов, в яких проводили вимірювання препарату. Коефіцієнт зв’язку розраховують за формулою:

, (7.4)

де - активність еталона КСІ, росп/хв..(для наважки 300мг дорівнює 228 росп/хв.); - швидкість зчитування еталону без фону, імп/хв. У відсотках - коефіцієнт перерахунку розпадів, Кюрі.

Для експресних вимірювань питомої активності цезію-137 використовують двоканальні радіометри РУБ-01П6, РКГ-05, РУГ-91, спектрометр „Прогрес-спектр”.

Радіохімічні методи виконують в наступній послідовності: відбір і підготовка проб досліджуваних об’єктів; внесення носіїв та мінералізація проб; очистка виділених радіонуклідів від сторонніх нуклідів і супутніх мікроелементів; ідентифікація і перевірка радіохімічної чистоти; радіометрія виділених радіонуклідів; розрахунок активності і висновки.

Відібрані радіологічними відділами зразки повинні бути типовими для досліджуваного об’єкта, а маса – достатньою для проведення радіохімічного аналізу (після озолення – 20-40г).

При відборі проб в контрольованих пунктах вимірюють гамма-фон приладом СРП-68-01 на відстані 0,7-1 м від ґрунту і 1-1,5см від об’єкта. Дані про гамма-фон записують у супроводжувальному документі.

Вимірювання іонізуючих випромінювань. Основні методи вимірювання іонізуючих випромінювань грунтуються на: збиранні і реєстрації електронів та іонів, що вивільнюються в процесі іонізації; обстеженні флуоресценції речовини, що поглинає іонізуюче випромінювання; використанні та аналізі хімічних реакцій, що викликаються іонізуючим випромінюванням; вимірюванні тепла, яке ут­ворюється за поглинання іонізуючого випромінювання. Се­ред параметрів іонізуючого випромінювання, що реєстру­ються, слід виділити тип випромінювання, енергію квантів або частинок, величину потоку або швидкості зміни потоку квантів або частинок, часовий або просторовий розподіл іонізуючого випромінювання. Розглянемо основні методи вимірювання іонізуючих випромінювань.

У зв’язку з аварією на Чорнобильській АЕС і розвитком атомної енергетики в Україні гостро стоїть проблема наявності досконалих приладів радіаційного контролю. Розглянемо основні прилади, які застосовуються в радіомоніторингу і методи вимірювання іонізуючих випромінювань. [82]

Заповнені газом детектори. Робота детекторів цього типу ґрунтується на прикладанні напруги до просторово розділених електродів, розташованих у камері, яка заповнена слабко іонізованим газом. Позитивні іони та електрони, що утворюються в камері, збираються на електродах і спри­чиняють появу електричного струму або імпульсів. Кількість пар «іон—електрон» прямо пропорційна енергії випромінювання. Серед основних типів заповнених газом детекторів відомі іонізаційна камера, пропорційні лічильники та лічильник Гейгера-Мюллера.

Іонізаційна камера — детектор, дія якого ґрунтується на здатності заряджених частинок викликати іонізацію газу. Принциповою перевагою детектора цього типу є мож­ливість отримання безпосередньої інформації щодо екс­позиційної або поглинутої дози. Оскільки рент­ген є одиницею експозиційної дози і відповідає кількості зарядів, що утворюється іонізуючим випромінюванням в 1 см³ повітря за нормальних умов, саме іонізаційна каме­ра дає змогу оцінювати іонізуюче випромінювання в цих одиницях. Зовнішній вигляд камери наведено на рис. 7.2. Утворення кожної іонної пари супроводжується втратою енергії близько 34 еВ (1 еВ = 1,6 • 10^-19 Кл). Якщо припустити, що іонізуючі ча­стинки проходять че­рез камеру зі швид­кістю N (с^-1) і кожна з них втрачає енергію Е (МеВ), то величину за­ряду, що збирається на електродах за одиницю часу, можна визначити за виразом:

(7.5)

Рис. 7.2 Іонізаційна камера

Прикладання напруги величиною кілька сот вольт дає мож­ливість збирати на електродах всі електрони й позитивні іони.

Пропорційний лічильник утворює сигнал, амплітуда якого пропорційна енергії, що виділяється в його об'ємі частин­кою, що реєструється. Конструкція детектора (рис. 7.3) передбачає наявність центрального електрода, до якого прямують електрони, що вивільняються завдяки іонізації.

Напруженість поля Е, що утворюється на відстані r від електрода, дорівнює:

(7.6)

де U — прикладена напруга (В), d₁ —діаметр лічильника, d₂ — діаметр центрального електрода.

Рис. 7.3 Пропорційний лічильник

Поблизу електрода напруженість електрич­ного поля настільки велика, що первинні електрони набу­вають енергії, достатньої для вторинної іонізації. Внаслідок цього на центральний електрод надходить лавина елект­ронів. Відношення повної кількості зібраних на електроді електронів до їх первинної кількості називають коефіцієн­том газового підсилення; величина його може сягати 10²-10⁴.

Лічильник Гейгера-Мюллера — газорозрядний детектор, що працює при проходженні через нього заряджених частинок. (рис.7.4).

Рис 7.4 Лічильник Гейгера –Мюллера

До електродів прикладають напругу величиною кілька сот вольт. За проходження іонізуючої частинки в газі утворюються вільні електрони, що рухаються до центрального електрода. По­близу електрода напруженість електричного поля збіль­шується, електрони прискорюються настільки, що почина­ють в свою чергу іонізувати газ. Виникає коронний розряд, що поширюється вздовж електрода. В зовнішньому ланцюзі утворюються електричні імпульси, що відповідають спала­хам розряду. Кількість цих імпульсів за одиницю часу дорівнює кількості іонізуючих частинок.

Сцинтиляційний лічильник — детектор, основними еле­ментами якого є речовина, що люмінесціює під впливом за­ряджених частинок, та фотоелектронний помножувач (рис.7.5). За­ряджена частинка проходить крізь речовину, що викликає не лише іонізацію атомів і молекул, а й їх збудження. Перехід атомів і молекул із збудженого стану в основний супровод­жується випромінюванням кванта видимого або ультрафіо­летового діапазону. Кожний такий світловий спалах, що називають сцинтиляцією, реєст­рується фотоелектронним по­множувачем, електричні імпульси з виходу якого по­даються на систему реєстрації. Типовими матеріалами для сцинтиляційних лічильників є кристали ZnSAg), NaI(Tl),CsI(Tl) (у дужках указано ак­тиватор, що викликає сцин­тиляції в кристалі), кадмієві та кальцієві солі вольфрамової кислоти, галіди літію, а також органічні сцинтилятори — антрацен С₁₄Н_І0, стильбен С_І4Н_І2, розчини толуену, ксілену, фенілциклогексану.

Рис. 7.5 Сцинтиляційний лічильник

Перевага лічильника - у високій чутливості (через високу густину робочої речовини), особливо до γ-випромінювання, швидкодія та здатність визначати енергію частинки або кванта випромінювання.

В основі напівпровідникового лічильника лежить іоніза­ція атомів твердого тіла, за якої утворюються вільні елект­рони в зоні провідності і дірки у валентній зоні. Частинка, що проникає в кристал, генерує в ньому додаткові електронно-діркові пари. Носії заряду (електрони і дірки) під впливом прикладеного електричного поля переміщуються до електродів, завдяки чому в електричному ланцюзі утво­рюється електричний імпульс, який підсилюється і реєст­рується. Ширина забороненої зони — 2 3 еВ (1еВ= 1,6 · 10^-19Дж); отже і енергія, необхідна для утворення пари електрон—дірка, є величиною такого ж порядку. В газових іонізаційних камерах для утворення пари іонів потрібна енергія 34 еВ (для повітря). Таким чином, напівпровідникові лічильники на порядок чутливіші, ніж газові. Типовими матеріалами напівпровідникових лічильників є германій, кремній, CdTe, HgI.

Термолюмінесцентні детектори ґрунтуються на процесі люмінесценції при нагріванні речовини, що попередньо збуджується випромінюванням. Під час нагрівання речо­вини електрони, що захоплюються уловлювачами, вивіль­нюються і переходять на рівні з меншою енергією, поси­лаючи квант світла. Складаються термолюмінесцентні де­тектори з камери, зв'язаної з системою нагрівання, фотоелектронним помножувачем, підсилювачем та термо­парою для вимірювання температури.

Трекові детектори — в основі роботи лежить іонізація атомів або молекул речовини; іони, що утворюються, реє­струють завдяки конденсації пересиченої пари (камера Вільсона), пароутворенню перегрітої рідини (бульбашкова камера), утворенню розрядів у газах (іскрова камера).

У фотографічному детектуванні використовуються плівки, в яких шар емульсії (бромисте срібло на желатиновій основі) має в десятки разів більшу товщину, ніж у звичайних фотоплівках, що підвищує ефективність взаємодії іонізуючого випромінювання з речовиною. Механізм цієї взаємодії по­лягає в поглинанні іонізуючого випромінювання речовиною за фотоелектричного процесу, завдяки якому енергія випромінювання пере­дається електрону. Цей електрон іонізації утворює інші вільні електрони, що взаємодіють з позитивними іонами срібла і змінюють їх розподіл на плівці. Рівень потемніння плівки оцінюється за до­помогою денситометра (рис. 7.6) за виразом:

(7.7)

де D — густина срібла на плівці, І₀— інтенсивність випро­мінювання, що падає на плівку, I — інтенсивність випро­мінювання, що пройшло через плівку. Величина D = 2 відповідає затемненій плівці, через плівку з D = 1 можна читати текст.

Рис. 7.6 Оцінка почорніння плівки за допомогою денситометра

Широко відомі наступні прилади радіаційного контролю: альфа-, бета-, гама-, нейтронний радіометр-дозиметр ДКС-96, портативні спектрометри "Прогресс-Спектр"; пристрої малого фону УМФ-2000 тощо. [13]

Альфа-, бета-, гама-, нейтронний радіометр-дозиметр ДСК-96 призначений для вимірювання дози і потужності еквівалентної дози рентгенівського і гама-випромінювання γ_екв; вимірювання дози і потужності еквівалентної дози нейтронного випромінювання n; вимірювання щільності потоку альфа-випромінювання α; вимірювання щільності потоку бета-випромінювання β тощо. Діапазони вимірювання: потужності еквівалентної дози гамма-випромінювання - 0,1-1×10⁶ мкЗв/год; еквівалентної дози гама-випромінювання - 1-1×10⁶ мкЗв/год: щільності потоку альфа-частинок - 1-1×10⁴ (розмірність - 1 хв.см²)тощо.

Характерною властивістю портативних спектрометрів "Прогресс-Спектр" є: використання мікропроце­сорної техніки для управління апаратурою і обробки спектра; автоматизація процесів вимірювання і обробки спектра; автоматичний контроль за достовірністю результатів: можливість використання як в лабораторних, так і в польових умовах; можливість підключення до комп’ютера.

Головне призначення гама-спектрометра сцинциляційного "Спектр-гама" - це визначення вмісту гама-випромінюючих радіонуклідів у продуктах харчування, зразках ґрунту, будівельних матеріалах, лісоматеріалах та в інших об'єктах довкілля. Бета-спектрометр сцинциляційний "Спектр-бета" призначений для вимірювання вмісту стронцію-90 у продуктах харчування та інших пробах органічного походження. Альфа-радіометр сцинциляційний "Спектр-альфа" використовується для визначення сумарної альфа-активності у пробах ґрунту, води тощо шляхом вимірювання певних зразків, що готуються випарюванням, спалюванням, концентруванням.

Пристрій малого фону УМФ-2000 дає змогу вимірювати сумарну альфа-бета-активність природної та питної води, а також - сумарну активність бета-випромінюючих і сумарної активності альфа-випромінюючих нуклідів у пробах, отриманих після радіохімічної екстракції або концентрування.

Поиск по сайту: