Радиометрия и спектрометрия ионизирующих излучений. (Лекция 9) презентация

РАДИОМЕТРИЯ И СПЕКТРОМЕТРИЯ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

ВВЕДЕНИЕ Дозиметрия - получение информации об экспозиционной дозе и мощности экспозиционной дозы и (или) об энергии, переносимой ионизирующим излучением или переданной объекту, находящемуся; в поле его действия. Радиометрия - получение информации об активности нуклидов, плотности потока и (или) о потоке ионизирующих частиц или фотонов, излучением, т.е. о числе частиц данного типа, испускаемых источником излучения. Спектрометрия - получение измерительной информации о спектре распределения ионизирующего излучения по одному или более параметрам характеризующим источники и поля ионизирующего излучения.

Радиометри́я Радиометри́я (Радио- + греч. metreo измерять) 1) совокупность методов измерения активности радиоактивных веществ; 2) совокупность методов измерения энергии любого излучения. Радиометрия - измерение общей активности источника ионизирующих излучений, либо некоторой доли частиц или квантов, испускаемых им в пространстве. Может быть абсолютной и относительной. Абсолютная радиометрия — непосредственное определение активности источника ионизирующих излучений в беккерелях с помощью прямых методов без использования какого-либо радиоактивного стандарта. Для любого прямого метода Р. необходима определенная информация об источнике, например схема распада радионуклида, или введение целого ряда поправок к результатам измерений. Относительная радиометрия реализуется непрямыми методами, основанными на измерении активности источника в условиях, полностью идентичных предварительно проведенным измерениям первичного стандарта с известной активностью. Это означает, что при радиометрии источника и стандарта должны быть полностью воспроизведены геометрия и режимы измерений с использованием одной и той же радиометрической аппаратуры.

Прямые методы β —γ-совпадений, пригодный только для радиометрии радионуклидов с одновременным испусканием β-частиц и γ-квантов. Наиболее известна его разновидность — 4πβ —γ-совпадения, когда пропорциональный газонаполненный счетчик с 4π-геометрией регистрации β-частиц помещают между двумя сцинтилляционными детекторами γ-излучения с кристаллами NaI (Tl).

Методы абсолютной радиометриии Калориметрический метод абсолютной радиометриии требует информации о величине средней энергии излучения на 1 распад и обеспечивает наибольшую точность среди других прямых методов радиометрии, позволяя стандартизовать источники радия и других радионуклидов с погрешностью всего 0,1—0,2%.

Методы относительной радиометриии Основной метод относительной радиометриии— спектрометрический анализ излучения источника, позволяющий по энергии и интенсивности γ-линий спектра идентифицировать все радионуклиды источника, в т.ч. и его радиоактивные примеси, а также определять их активность при калибровке спектрометра по стандартным источникам тех же радионуклидов. Наиболее часто для относительной радиометриии по γ-излучению используют спектрометры с полупроводниковыми детекторами из сверхчистого Ge или Ge (Li) и со сцинтилляционными кристаллами из NaI (Tl).

Методы относительной радиометриии основанный на применении жидкостных сцинтилляторов, предназначен для измерения концентрации низкоэнергетических β-излучателей 3Н и 14С в различных растворах. Для относительной радиометрии используют также специальные ионизационные камеры, при калибровке которых с пересчетом показаний к нормальным условиям погрешность может быть снижена до 0,02%.

Методы относительной радиометриии Методы относительной радиометрии широко применяют для решения медико-биологических задач, основными из которых являются: 1) радиационная гигиена и контроль радиационной безопасности, в т.ч. определение уровней радиоактивного загрязнения различных поверхностей оборудования, помещений, одежды и обуви, оценка содержания искусственных и естественных радиоактивных аэрозолей в воздухе помещений, определение концентрации радионуклидов в пробах почвы, воды, биологических тканей, пищевых продуктов и т.д., 2) радионуклидная диагностика, включая радиоиммунологический анализ, определение объема циркулирующей крови, плазмы и эритроцитов, объема операционных кровопотерь, радиометрия фасовок радиофармпрепаратов диагностического и лечебного применения.

Цели радиометрии человека 1) идентификация и определение активности инкорпорированных радионуклидов, попадающих в организм при хроническом поступлении и (или) при радиационных авариях, с дальнейшей оценкой доз внутреннего облучения отдельных органов и всего тела; 2) определение содержания калия в организме по уровню естественного радиоактивного 40К при различных заболеваниях сердечно-сосудистой системы, желудочно-кишечного тракта и др.; 3) клиническая диагностика, основанная на радиометрия всего тела и отдельных органов после введения в организм соответствующего радиофармпрепарата и позволяющая выявлять и оценивать тяжесть заболеваний органов желудочно-кишечного тракта, нарушений белкового и водного обмена, диагностировать новообразования кожи полостных органов (по β-излучению 32Р) и др.

РАДИОМЕТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ исследования материалов и конструкций Основаны на использовании источников ядерных (гамма-, бета-, нейтронного и др.) излучений и радиоактивных изотопов. Гамма-метод позволяет весьма точно определять объемный вес строительных материалов в процессе изготовления элементов конструкций и в готовых сооружениях без отбора образцов и взвешивания. Гамма-дефектоскопия основана на изменении плотности просвечиваемого объекта за счет раковин, каверн и пр. дефектов в материале.

Сцинтилляционные детекторы Рис. 1. Сцинтиллятор и ФЭУ Рис. 2. Устройство ФЭУ Световой выход - доля энергии регистрируемой частицы конвертируемая в энергию световой вспышки. Световой выход антрацена ~0.05 или 1 фотон на 50 эВ для частиц высокой энергии. У NaI световой выход  ~0.1 или 1 фотон на 25 эВ. Принято световой выход данного сцинтиллятора сравнивать со световым выходом антрацена, который используется как стандарт. Типичные световые выходы пластиковых сцинтилляторов 50-60%.

Детекторы ионизационного типа Газонаполненные детекторы В области I происходят два конкурирующих процесса: собирание зарядов на электродах и рекомбинация ионов в газовом объеме. При увеличении поля скорость ионов увеличивается, что уменьшает вероятность рекомбинации, растет количество собранных зарядов и, соответственно, амплитуда сигналов. Эта область называется областью рекомбинации и для детектирования не используется. При увеличении напряжения амплитуда сигнала достигает насыщения и перестает расти с ростом приложенного напряжения. 

Ионизационная камера Схема ионизационной камеры Временнoе разрешение ионизационной камеры определяется временем сбора зарядов.    10-6 с.

Камера деления Схема камеры деления. Размеры камер деления могут быть в несколько раз меньше, чем на рисунке

Пропорциональный счётчик Рис. 1. Схема пропорционального счётчика в продольном (а) и поперечном (б) разрезах (аналогично устроен счетчик Гейгера и цилиндрическая ионизационная камера): 1 - нить-анод, 2 - цилиндрический катод, 3 - изолятор, 4 - траектория заряженной частицы, 5 - электронная лавина. Электроны и ионы, созданные частицей в результате первичной ионизации атомов инертного газа, показаны соответственно темными и белыми кружочками.

Полупроводниковые детекторы Энергетическое разрешение германиевых детекторов при регистрации γ-квантов достигает 0.1%, что в десятки раз выше, чем у сцинтилляционных детекторов. Временнoе разрешение лучших полупроводниковых детекторов 10-8-10-9 с.

СПЕКТРОМЕТРИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ Эффективность регистрации излучения Вероятность регистрации ионизирующей частицы (излучения) при прохождении через рабочую среду детектора определяется вероятностью передачи частицей своей энергии, частично или полностью, рабочей среде. Эта вероятность зависит от вида излучения, его энергии, плотности рабочей среды детектора, его размеров и геометрии измерений. Она определяется выражением: p = 1-exp(-mrl), где m - массовый коэффициент поглощения излучения данного вида и энергии в рабочей среде (см2/г), r - плотность среды, l - средняя длина пробега частиц в среде.

Энергетическое разрешение детекторов R = r/Eo, где Eo - энергия центра распределения. При аппроксимации фотопика функцией Гаусса имеет место: r = 2.36 σ, где σ - среднее квадратическое отклонение энергии зарегистрированных сигналов от среднего значения Eo.

Таблица В1. Удельная энергия преобразования и энергетическое разрешение детекторов по энергетической линии излучения 662 кэВ.

Сцинтилляционные детекторы электромагнитного излучения • Конверсионная (сцинтилляционная) эффективность – отношение энергии световой вспышки к энергии, выделившейся при регистрации кванта. От этой характеристики зависит в основном энергетическое разрешение. Конверсионная эффективность наиболее распространенного сцинтилляционного кристалла NaI(Tl) составляет 8-13% и условно принята за «1». Время высвечивания – временной интервал, в течение которого интенсивность вспышки затухает в e раз. Эта характеристика сцинтиллятора определяет предельно достижимую скорость счета.

Параметры некоторых распространенных неорганических сцинтилляторов.

Энергетическое разрешение - R - определяется как отношение ширины распределения на половине высоты к положению максимума. Рис.1 Амплитудное распределение, полученное на выходе сцинтилляционного блока детектирования с кристаллом NaI(Tl) при регистрации излучения 55Fe.

Сцинтилляционные детекторы с полупроводниковыми фотоприемниками Рис.3. Амплитудное распределение, полученное от источника Am-241.

Рис.4. Амплитудное распределение, полученное от источника Со-60. Кристалл объемом 20 см3, p-i-n фотодиод площадью 10х10 мм2

Пропорциональный счетчик Рис.6. Эффективность регистрации в зависимости от энергии квантов для различных газов, заполняющих счетчик. Толщина слоя газа 2 см. Давление атмосферное.

Пропорциональный счётчик Рис. 1. Схема пропорционального счётчика в продольном (а) и поперечном (б) разрезах (аналогично устроен счетчик Гейгера и цилиндрическая ионизационная камера): 1 - нить-анод, 2 - цилиндрический катод, 3 - изолятор, 4 - траектория заряженной частицы, 5 - электронная лавина. Электроны и ионы, созданные частицей в результате первичной ионизации атомов инертного газа, показаны соответственно темными и белыми кружочками.

Пропорциональный счётчик Рис.8. Амплитудное распределение , полученное при регистрации излучения Fe-55 пропорциональным счетчиком с ксеноновым наполнением.

Рис.3. Амплитудное распределение, полученное от источника Am-241.

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДЕТЕКТОРЫ Рис. 3.13 Схема включения полупроводникового детектора

Преимущества полупроводниковых детекторов перед газонаполненными: 1 В чувствительном объеме этих камер содержится гораздо большая масса вещества, чем в газовом промежутке. Следовательно, в твердотельной камере полностью укладываются пробеги ионизирующих частиц с гораздо большей энергией, чем в газонаполненной. При регистрации –квантов эффективность твердотельных камер также существенно выше. 2 Твердотельные камеры имеют существенно лучшее энергетическое и временное разрешение, что связано с иными, чем в газонаполненной камере, процессами образования и движения носителей зарядов (и это еще более важно). 3 Полупроводниковые детекторы характеризуются малым значением средней энергии, расходуемой заряженной частицей для создания одной пары носителей заряда, следовательно, чем меньше значение средней энергии, тем больше носителей возникает в чувствительном объеме, тем больше сигнал, снимаемый с камеры, и тем меньше относительная флуктуация этого сигнала, которая определяет предел энергетического разрешения камеры.

Преимущества полупроводниковых детекторов перед газонаполненными: 4 Отсутствие рекомбинации и захвата носителей. 5 Большой и близкой по величине подвижностью носителей обоих знаков. 6 Большим удельным электрическим сопротивлением. Основные недостатки полупроводниковых детекторов: 1 Сложность изготовления. Создание таких детекторов стало возможным в результате развития высокотехнологичных процессов получения особо чистых веществ. 2 Многие детекторы, в частности германиевые, должны работать и храниться при низкой температуре, обычно при температуре жидкого азота. 3 Большая чувствительность к радиационным повреждениям

Идентификация заряженных частиц низких и средних энергий на основе измерений удельных потерь энергии и полной энергии (ΔE-E-метод) AZ2эфф = EΔE на основе измерений энергии и времени пролета (E-t-метод) 2E/A = (d/tf) с помощью магнитного анализа (A/q2) = E/(BR)2