загрузка...

Радиационные детекторы

  Практически единственным доступным радиолюбителю датчиком ионизирующей радиации является счетчик Гейгера (Гейгера- Мюллера). Этот на удивление простой прибор, изобретенный в 1908 году для нужд зарождавшейся ядерной физики, не утерял своей актуальности и сегодня.
Счетчик Гейгера представляет собой вакуумированный баллон с двумя электродами, в который введена газовая смесь, состоящая из легкоионизируемых неона и аргона с небольшой добавкой галогена — хлора или брома. К электродам прикладывают высокое напряжение, которое само по себе не вызывает каких-либо разрядных явлений (рис. 4).
В этом состоянии счетчик будет пребывать до тех пор, пока в его газовой среде не возникнет центр ионизации — след из ионов и электронов, порождаемый пришедшей извне ионизирующей частицей. Первичные электроны, ускоряясь в электрическом поле, ионизируют «по дороге» другие молекулы газовой среды, порождая все новые и новые электроны и ионы. Развиваясь лавинообразно, этот процесс завершается образованием в межэлектродном пространстве электронно-ионного облака, резко увеличивающего его проводимость. В газовой среде счетчика возникает разряд, видимый (если баллон прозрачный) даже простым глазом.
Обратный процесс — возвращение газовой среды в ее исходное состояние — происходит под действием содержащегося в ней галогена, который способствует интенсивной рекомбинации зарядов. Ho этот процесс идет значительно медленнее. Отрезок времени, необходимый для восстановления радиационной чувствительности счетчика и фактически определяющий его быстродействие — так называемое «мертвое» время, — является важной паспортной характеристикой счетчика.
Галоген — расходуемая часть газовой среды счетчика. Ho эта часть столь велика, что в режиме фонового счета ее хватило бы на столетия (наработка по гало

гену, например, счетчика СБМ20 составляет не менее 2 • IO10 импульсов).
Счетчики такого типа называют галогеновыми самогасяшими- ся. Отличаясь самым низким напряжением питания, превосходными параметрами выходного сигнала и достаточно высоким быстродействием, они оказались особенно удобными для применения в качестве датчиков ионизирующего излучения в бытовых приборах радиационного контроля.
Счетчики Гейгера способны реагировать на самые разные виды ионизирующего излучения — а, р, у, ультрафиолетовое, рентгеновское, нейтронное. Ho реальная спектральная чувствительность счетчика зависит от его конструкции.
Чаще встречаются счетчики с цилиндрическим баллоном, выполненным из нержавеющей стали толщиной 0,05....0,06 мм. Баллон в таком счетчике является и его катодом. Спектральная чувствительность такого тонкостенного счетчика ограничена у- и жестким р-излучением.
Счетчики со стеклянным баллоном чувствительны лишь к .у-излучению (стекло толщиной в I мм для p-излучения является почти непреодолимой преградой). Катодом в таких счетчиках служит тонкий проводящий слой, нанесенный на внутреннюю поверхность стекла. Практически полностью теряет чувствительность к P-излучению и счетчик с толстостенным (более 0,2 мм) металлическим баллоном.
В счетчиках Гейгера, предназначенных для регистрации мягкого p-излучения, делают специальные окна из очень тонкой слюды.
Окно рентгеновского счетчика изготавливают из бериллия, а ультрафиолетового — из кварцевого стекла.
В счетчик нейтронов вводят бор, при взаимодействии с которым поток нейтронов преобразуется в легкорегистрируемые а-ча- стицы. Фотонное излучение — ультрафиолетовое, рентгеновское, у-излучение — счетчики Гейгера воспринимают опосредованно: через фотоэффект, комптон-эффект, эффект рождения пар; в каждом случае происходит преобразование взаимодействующего с веществом катода излучения в поток электронов.
Каждая фиксируемая счетчиком Гейгера частица возбуждает в нем короткий (доли миллисекунды) импульс тока. Число импульсов, возникающих в единицу времени — скорость счета счетчика Гейгера, — зависит от уровня ионизирующей радиации и напря-




Рис. 5. Типичная зависимость скорости счета от напряжения питания в галогеиовых самогасящихся счетчиках Гейгера (а); оиа же в счетчике СБМ20 (б)
Рис. 5. Типичная зависимость скорости счета от напряжения питания в галогеиовых самогасящихся счетчиках Гейгера (а); оиа же в счетчике СБМ20 (б)


жения на его электродах. Типичный график зависимости скорости счета от напряжения питания Un„T показан на рис. 5, а. Здесь Uhc — напряжение начала счета; Umin и Umax — нижняя и верхняя границы рабочего участка, так называемого плато, на котором скорость счета почти не зависит от напряжения питания счетчика. Рабочее напряжение Up обычно выбирают в середине этого участка. Ему соответствует N(Up) — скорость счета в этом режиме. На рис. 5, б приведена зависимость N(Ui1ht) для счетчика СБМ20, находящегося в поле ионизирующей радиации, примерно в 1000 раз превышающей уровень естественного радиационного фона.
Зависимость скорости счета от уровня радиационного облучения счетчика — важнейшая его характеристика. График этой зависимости имеет почти линейный характер, и поэтому нередко радиационную чувствительность счетчика выражают через

alt="" />
имп/мкР (импульсов на микрорентген; эта размерность следует из отношения скорости счета — имп/с — к уровню радиации — мкР/с). На рис. 6 приведен график этой зависимости для счетчика СБМ20.
В тех случаях, когда она не указана (нередких, к сожалению), судить о радиационной чувствительности счетчика приходится по другому его, тоже очень важному параметру — собственному фону[X]. Так называют скорость счета, причиной которой являются две составляющие: внешняя — естественный радиационный фон, и внутренняя — излучение радионуклидов, оказавшихся в самой конструкции счетчика, а также спонтанная электронная эмиссия его катода.
Еще одной важной характеристикой счетчика Гейгера является зависимость его радиационной чувствительности от энергии (жесткости) ионизирующих частиц. На профессиональном жаргоне график этой зависимости называют «ходом с жесткостью». В какой мере эта зависимость важна, показывает график на рис. 7. «Ход с жесткостью» будет влиять, очевидно, на точность проводимых измерений.
He обсуждая вопрос о том, нужна ли высокая точность измерений бытовому радиометру, заметим, что подобные приборы про-

Рис. 8. Включение трехэлектродного счетчика Гейгера (а); зависимость его радиационной чувствительности от напряжения на управляющем электроде

Рис. 8. Включение трехэлектродного счетчика Гейгера (а); зависимость его радиационной чувствительности от напряжения на управляющем электроде (6)
мышленного изготовления отличаются от любительских лишь коррекцией счетчика Гейгера по жесткости. Для этого на него надевают «рубашку» — пассивный фильтр. Этот фильтр должен, во- первых, «отрезать» посторонние излучения (прежде всего, р-излу- чение), и, во-вторых, своей приблизительно обратной по отношению к счетчику жесткостной характеристикой скомпенсировать «ход с жесткостью» самого счетчика. Некоторые из промышленных дозиметров учитывают также и спонтанную активность счетчика Гейгера.
То, что счетчик Гейгера является лавинным прибором, имеет и свои минусы — по реакции такого прибора нельзя судить о первопричине его возбуждения. Выходные импульсы, генерируемые счетчиком Гейгера под действием а-частиц, электронов, у-квантов (в счетчике на все эти виды излучения реагирующем), ничем не различаются. Сами частицы, их энергии совершенно исчезают в порождаемых ими лавинах-близнецах.
В принципе регулировать радиационную чувствительность счетчика Гейгера можно изменением напряжения питания в пределах от напряжения начала счета до выхода на плато: UmiTe[UnC, Umin]. Ho этот режим весьма неустойчив, и в сколько-нибудь серьезных случаях полагаться на него нельзя.
Стабильная регулировка чувствительности возможна лишь в трехэлектродном счетчике Гейгера, в котором от напряжения на управляющем электроде зависят конфигурация и объем пространства, в котором возможны лавинные вспышки. На рис. 8, а показана схема включения такого счетчика, а на рис. 8, б — зависимость его радиационной чувствительности от напряжения на управляющем электроде.

Однако трехэлектродные счетчики Гейгера широкого распространения не получили. Причина в генераторе Uynp. Электроника, учитывающая реальную радиационную чувствительность двухэлектродного счетчика Гейгера, оказалась проще, нежели этот высоковольтный источник.
В бытовых дозиметрических приборах быстродействие счетчика Гейгера не является сколько-нибудь лимитирующим фактором(человек должен обнаружить источник радиации до того, как это быстродействие ему потребуется). Поэтому нет необходимости включать многоанодный счетчик Гейгера так, как это обычно рекомендуют справочники (рис. 9). Постоянная времени при прямом объединении даже всех десяти анодов счетчика СБТ10, самого многосекционного из отечественных, остается еще достаточно малой (R • п • Ca = 15 • IO6 • IO • 5 • IO'12 = 0,75 мс), чтобы практически никак не влиять на результат измерений даже в полях, тысячекратно превышающих уровень естественного радиационного фона.
Есть ли счетчики Гейгера, способные реагировать на а-излуче- ние — одного из самых опасных для человека?
Оценим способность счетчиков, имеющих слюдяные окна (другие можно и не рассматривать), реагировать на а-излучение того же плутония-239 (Ец = 5,16 МэВ). Пробег в воздухе его а-час- тиц около 3,5 см. Слюда плотностью 2,8 г/см3 (она плотнее воздуха примерно в 2200 раз) и толщиной 10 мкм (IO'3 см) эквивалентна воздушной «подушке» толщиной 2200 • IO'3 = 2,2 см. То есть, счетчик со слюдяным окном 10-микронной толщины сможет обнаружить излучение плутония-239, если сблизится с ним практически вплотную. Во всяком случае, «зазор» между излучателем и счетчиком должен быть меньше 3,5 — 2,2 = 1,3 см.
Из счетчиков отечественного производства слюду примерно такой толщины имеют СБТ7 и СБТ11. Еще тоньше слюда в счетчике СБТ9 (4...5 мкм), но из-за маленького окна (0,2 см2) его а-чув-

ствительиость очень невелика. Ho — и это важно! — не равна нулю, как у многих других.
Практически непригодны для обнаружения a-излучения счетчики СБТ10 (воздушный эквивалент его слюды — 2,6...3,7 см).
СИ8Б (3,1...3,7 см), СИ13Б и СИ14Б (2,9...3,1 см) и тем более металлические счетчики Гейгера (более 40 см).
В приложении 2 приведены основные параметры самогася- щихся галогеновых счетчиков Гейгера отечественного производства. О реальном существовании и доступности приведенных здесь a-чувствительных счетчиков СИ9А-М, «Бета-1» и Бета-2», судить пока трудно: в «железе» их мало кто видел...
Счетчик Гейгера — ключевой элемент в приборе радиационного контроля. Ho это понимали и в Средмаше...
ИЗ ОБРАЩЕНИЯ АВТОРА К ДЕЛЕГАТАМ СЪЕЗДА НАРОДНЫХ ДЕПУТАТОВ
(06 июня 1989 г.)
...Мы говорим об общедоступных приборах радиационного контроля уже более трех лет. И без видимых результатов. Нетрудно, конечно, догадаться об истинных причинах такого положения дел — об интересах ведомств, не желающих здесь для себя никаких перемен. Ho нам, поудивлявшись и повозмущавшись, следовало бы познакомиться и с техникой их противодействия.
Как известно, любой прибор радиационного контроля должен содержать датчик ионизирующей радиации. Самый простой из них — так называемый счетчик Гейгера — представляет собой баллон с двумя электродами, наполненный газом. Так вот, этот простейший датчик ионизирующей радиации никогда не был у нас в свободной продаже. По нынешний день включительно. Более того, вскоре после чернобыльской катастрофы магазин-монополист «Изотопы» прекратил продажу счетчиков Гейгера и предприятиям. Вот и вся техника противодействия: ведомства сохранили за собой абсолютный контроль над производством и распределением этого ключевого элемента.
Ho это препятствие, после снятия разного рода секретностей, — последнее. Общедоступность датчиков ионизирующей радиации поставит атомно-изотопные ведомства под общественный контроль немедленно. Даже если наша электронная промышленность ничего более не сделает, тысячи и тысячи приборов радиационного контроля будут изготовлены буквально в считанные часы: благо у нас миллионы людей обладают достаточной для того квалификацией. И пусть это будут не дозиметры, а лишь простые приборы, способные только обнаружить радиационную «грязь». Оставим дозиметрию дозиметристам, если они того и на самом деле хотят...
Товарищи! Пригласите на «ковер» съезда атомных, электронных и медицинских министров. Пригласите и потребуйте объяснений. И задайте им простой вопрос: «Почему у них (здесь можете назвать любую цивилизованную страну мира) можно, а у нас — нельзя?» А от тех, кто их заменит, потребуйте немедленного расширения производства этой буквально копеечной по себестоимости продукции. И свободной ее продажи с завтрашнего дня, начав с уже имеющихся запасов.
Еще раз обращаю ваше внимание на то, что общедоступность датчиков ионизирующей радиации — это ключ к разрешению множества проблем, связанных с радиационным загрязнением среды, здоровьем ныне живущих и будущего поколения. Ho ключ этот по сей день находится в чужих руках...
ФРАГМЕНТЫ СОВЕЩАНИЯ В СОВЕТЕ МИНИСТРОВ СССР (1990 г.)
...Автор: Я могу назвать не менее 25 предприятий, начиная с Зеленограда и кончая Фрунзе, готовых немедленно начать выпуск приборов радиационного контроля для населения. Проблема одна — счетчики Гейгера, они не .\югgt;т купить их нигде...
Представитель Средмаша: Просто их не хватает...
А.: Странно... Один только Саранск производит несколько сот тысяч в год... He говоря уж о выпущенных за последние 10—20 лет... Ho, может быть, тогда не следует продавать счетчики Гейгера за границу (демонстрируется СБТ9 в экспортном исполнении)?..
Представитель Средмаша: Ну, это ничего не значит...
А.: Один из последних зарубежных покупателей, узнав о наших трудностях, готов вернуть свою партию (после публикации в АиФ [11] автор получил множество писем от людей, имевших прямое отношение к производству и распределению счетчиков Гейгера, и был явно информированней многих своих собеседников). Что мешает это сделать?..
Представитель Средмаша: ..?
10. А. Израэль, председатель Госкомитета по гидрометеорологии: Ваши индикаторы — это плохие приборы...
А.: Юрий Антониевич, это не плохие, а совсем другие приборы. Органолептические и измерительные приборы вообще нельзя сравнивать, у них разное назначение. Заметьте, что человек как вид сформировался, пользуясь только (!) органолептической оценкой окружающего. Согласитесь, в этом что-то есть... Постоянный радиационный контроль и минимизация облучения — это плохо? Ваша уверенность в том, что дозиметры лучше радиационных индикаторов, имеет очевидные последствия: население не имеет ни тех, ни других. Бытовых дозиметров нет потому, что они сложны и дороги,
а радиационных индикаторов потому, что они «плохие». Сориентировав таким образом нашу промышленность, вы внесли свой вклад в нынешнее положение дел: не было у населения приборов дозиметрического контроля до Чернобыля, нет их и сегодня...
...Сегодня счетчики Гейгера уже доступны радиолюбителям. Хотя эйфория на этот счет, пожалуй, преждевременна: практически единственное место в Москве, где можно их приобрести, — это Митинский радиорынок (обретший наконец статус законного — преследуемый милицией, он многие годы кочевал по Рижской железной дороге от Покровского-Стрешнева до Малиновки). Здесь счетчики Гейгера появились сразу после публикации в журнале «Радио» описания самодельного дозиметра [15] и не исчезают вот уже более 10 лет. Правда, есть и еще один продавец — все тот же магазин «Изотопы». Ho, назначив за те же счетчики непомерно высокую цену, магазин явно незаинтересован в их реализации. Похоже, что прежний административный запрет на продажу счетчиков Гейгера населению лишь модифицировался —¦ он стал экономическим...
Однако профессионалы чаще используют другой тип радиационного детектора — сцинтиллятор. Его основой служат некоторые вещества — их называют фосфорами, — реагирующие на проникающую в их толщу ионизирующую частицу короткой вспышкой света. Вот некоторые из таких веществ: NaJ - Tl (йодистый натрий, модифицированный таллием), KJ • Tl, CaJ • Tl, CsJ, LiJ • Tl, CdWO4, CaWO4, ZnS • Ag, CdS • Ag.
Вспышка фосфора преобразуется в электрический импульс приближенным к нему фоточувствительным прибором. Как правило, в этом качестве используют фотоумножители (ФЭУ)'.
Сцинтилляционный детектор, не являющийся лавинным прибором, имеет перед счетчиками Гейгера ряд важных преимуществ. Во-первых, по амплитуде и длительности вспышки можно судить о типе и энергии породившей ее частицы (очень легко, например, отличить вспышку, порожденную а-частицей, от вспышки, вызванной электроном). Во-вторых, он способен различать импульсы, разделенные очень малыми временными интервалами, то есть имеет, как говорят, высокую разрешающую способность. В-третьих, фосфоры являются, как правило, значительно более эффективными регистраторами ионизирующих частиц, нежели счетчики Гейгера того же объема.
Ho сцинтиллятор не просто фосфор. Для того чтобы фотоприемник мог зарегистрировать возможно большее число вспышек фосфора, его помещают в светонепроницаемый металлический баллон, внутренняя поверхность которого имеет хорошо отражающее свет покрытие (обычно это магнезия). Баллон должен иметь очень тонкое «дно», возможно меньше ослабляющее проникающее в фосфор ионизирующее излучение, и прозрачное выходное окно, защищающее его от неблагоприятных воздействий внешней среды. Оптические потери, набегающие на внутрибалонных отражениях и на переходе фосфор-ФЭУ, всемерно минимизируют. Иными словами, снинтилляционный детектор уже сам по себе является оптико-электронным прибором.
Сцинтилляторы с различными фосфорами, большие и малые по объему, с «окнами» диаметром от 10...15 мм до 100 мм и более выпускались нашей промышленностью многие годы. Ho если счетчики Гейгера стали в конце концов нам доступны (хотя их выпуск в открытую продажу тормозился еще несколько лет и после Чернобыля), то со сцинтилляторами этого так и не случилось...
Для радиолюбителя могут представлять интерес сцинтилляци- онные детекторы с жидкими фосфорами, которые нетрудно изготовить самому. В табл. I приведен перечень веществ, которые, будучи растворенными в ксилоле (концентрация — несколько граммов на литр), становятся такими фосфорами.
Таблица I
Относительная эффективность преобразования фосфоров, растворенных в ксилоле (за единицу принята эффективность преобразования кристалла
антрацена) [13, с. 354]

Вещество

Эффективность преобразования

Антрацен

0,060

Антраиловая кислота

0,15
/>Дифенилбутадиен
0,12

Дифенилгексатриен

0,14

Дюрен

0,048

Флуорантен

0,075

Метил р-амитнобензоат

0,062


Окончание табл. I

Вещество

Эффективность преобразования !

Фенил а-нафтиламин

0,23

р-терфенил

0,48
I

т-терфенил

0,20 I

Карбазол

0,12 j

Флуорен

0,15 j

Нафталин

0,032

а-нафтиламин

0,17

(3-нафтиламин

0,13

Пирен

0,086 ;

Стильбен

0,038


Ho сцинтилляционный детектор с жидким фосфором замечателен не только своей простотой. Если в этот раствор поместить, например, подозрительное на a-загрязнение зерно, то в соприкасающемся с ним тончайшем слое фосфора возникнут световые вспышки, которые легко зарегистрирует фотоумножитель (а-излу- чение с поверхности объекта сложной конфигурации счетчиком Гейгера, скорее всего, вообще не удастся обнаружить).
Электронная часть дозиметрического прибора со сцинтилляци- онным детектором не представляет для радиолюбителя каких-то особых трудностей (с. 141—143, рис. 79—81).


<< | >>
Источник: Виноградов Ю. А.. Ионизирующая радиация: обнаружение, контроль, защита. 2002

Еще по теме Радиационные детекторы:

  1. Сцинтилляционный детектор в продуктовом дозиметре
  2. Радиационные индикаторы
  3. О радиационных авариях
  4. § 6. Государственный надзор за ядерной и радиационной безопасностью
  5. Простой радиационный индикатор
  6. Малогабаритные радиационные индикаторы
  7. Приборы радиационного контроля
  8. Приложение 4. Нормативы на радиационное   загрязнение продуктов питания цезием-137 и стронцием-90
  9. Индикатор с тревожной сигнализацией
  10. Высокочувствительный дозиметр-автомат