PODSTAWY DETEKCJI
PROMIENIOWANIA
dr nauk biol. Jolanta Pawlus
dr nauk biol. Jolanta Pawlus
PODSTAWY DETEKCJI
PROMIENIOWANIA
dr nauk biol. Jolanta Pawlus
dr nauk biol. Jolanta Pawlus
Sposoby pomiaru promieniowania
Sposoby pomiaru promieniowania
jonizuj
jonizuj
ą
ą
cego
cego
Podstawowym elementem detekcji promieniowania
jonizującego jest czujnik czyli detektor.
Detektorem może być urządzenie zawierające gaz, ciało
stałe krystaliczne lub bezpostaciowe, półprzewodnik.
Takie urządzenia nazywamy detektorami promieniowania
jonizującego.
Promieniowanie jonizujące możemy podzielić na
Promieniowanie jonizujące możemy podzielić na
:
:
•
promieniowanie bezpośrednio jonizujące
– do grupy tej należą
cząstki obdarzone ładunkiem elektrycznym a więc np. elektrony,
cząstki alfa, protony itp. oraz promieniowanie nie-wprost jonizujące
do którego zaliczamy promieniowanie gamma i X oraz neutrony;
• promieniowanie pośrednio jonizujące
, w pierwszym etapie
przekazuje swoją energię – poprzez oddziaływanie comptonowskie,
zjawisko fotoelektryczne i ew. tworzenie par elektron-pozyton, a te z
kolei oddziałują z materią jonizując ją, wzbudzając, emitując
promieniowanie hamowania. Podobnie neutrony, które nie
posiadając ładunku nie mogą bezpośrednio jonizować materii i
oddziałują z materią przekazując jej swoją energię kinetyczną np.
poprzez zderzenia z protonami, wzbudzając jądra, a te z kolei mogą
wysyłać promieniowanie jonizujące.
Podstawą do zapewnienia właściwej ochrony
radiologicznej jest kontrola narażenia.
Podstawą kontroli są pomiary promieniowania.
Dozymetria promieniowania jonizującego
W pomiarach dozymetrycznych wykorzystywane są różnego
rodzaju urządzenia nazywane ogólnie dozymetrami.
Urządzenia te działają na różnych zasadach i służą do pomiarów
różnych wielkości dozymetrycznych.
Z tego powodu nazwa szczegółowa zawiera zwykle dodatkowe
określenie, np.:
- miernik dawki pochłoniętej
- miernik mocy dawki
- miernik strumienia
- miernik ekspozycji (mocy ekspozycji itd.)
W dozymetrii mierniki klasyfikujemy ogólnie jako:
absolutne
i
względne
.
Określenie
absolutny
oznacza miernik, który może być skonstruowany
i używany do pomiarów promieniowania bez potrzeby jakiejkolwiek
kalibracji (np. w znanym polu promieniowania).
Obecnie używanymi miernikami absolutnymi są:
- komory jonizacyjne (ekspozycja)
-kalorymetry (dawka).
Inne mierniki promieniowania, np.:
- liczniki G-M, liczniki proporcjonalne, scyntylacyjne
- dozymetry termoluminescencyjne, fotoluminescencyjne
- błony fotograficzne itd.
wymagają kalibracji
W dozymetrii mierniki klasyfikujemy ogólnie jako
absolutne
i
względne
.
Określenia
absolutne
i
względne
nie mają nic wspólnego z precyzją lub dokładnością
miernika. Są to pojęcia nie mające ze sobą żadnego związku poza tym, że miernika,
który nie jest ani dokładny ani precyzyjny nikt nie będzie używał bez względu na jego
absolutność.
Przez precyzję miernika rozumiemy, że w wielokrotnie powtarzanych w tych samych
warunkach pomiarach daje zbliżone wyniki. Im mniejszy rozrzut (mierzony np.
odchyleniem średniokwadratowym), tym większa precyzja miernika.
Naturalnym ograniczeniem precyzji mierników promieniowania jest stochastyczny
charakter procesów oddziaływania promieniowania z materią (a zatem i z miernikiem).
Zwiększenie liczby pomiarów pozwala zwykle zmniejszyć rozrzut wartości średniej, a
zatem i precyzję wyniku.
Przez dokładność miernika rozumiemy możliwość uzyskania wyniku, którego wartość
nie odbiega od (prawdziwej) wartości mierzonej wielkości.
Im mniejsza różnica, tym bardziej dokładny miernik.
Jeżeli występuje tylko
narażenie od źródeł zewnętrznych
kontroluje się rozkład mocy dawek w otoczeniu źródła i w
miarę potrzeby mierzy się dawki indywidualne osób
narażonych.
Jeśli istnieje możliwość
występowania skażeń
w zależności
od potrzeby mierzy się skażenie zewnętrzne i wewnętrzne
pracowników, skażenia atmosfery, wody, gleby, roślin
i artykułów żywnościowych.
Pomiary : dawki, mocy dawki, skażeń
Pomiary : dawki, mocy dawki, skażeń
Gazowe detektory jonizacyjne
Gazowe detektory jonizacyjne
Najczęściej w dozymetrii używa się
następujące detektory gazowe:
komory jonizacyjne
liczniki proporcjonalne
liczniki Geigera – Müllera
Ogólna zasada działania wymienionych detektorów polega na
generowaniu w ich objętości czynnej (tj. gazie) sygnałów
elektrycznych
w
postaci
krótkich
impulsów
prądowych
(przekształcanych zwykle w impulsy napięcia).
Cząstka jonizująca wpadając do wnętrza detektora wytwarza w nim
średnio liczbę N
0
par nośników ładunku elektrycznego. Liczba ta
zależy od energii traconej przez cząstkę jonizującą (jonizacja
pierwotna):
(V.1)
[J]
- część energii cząstki jonizującej deponowana w objętości
czynnej detektora
W [J]- średnia wartość energii potrzebnej do wytworzenia jednej
pary jonów w gazie
W
E
N
∆
=
0
E
∆
Detektory promieniowania jonizującego
Detektory promieniowania jonizującego
oparte na ciele stałym
oparte na ciele stałym
Liczniki scyntylacyjne
Liczniki półprzewodnikowe
Podstawowe detektory w przyrządach
dozymetrycznych
Składa się z dwóch metalowych elektrod umieszczonych na bardzo
dobrych izolatorach w zamkniętej przestrzeni. Do elektrod
przyłożone jest napięcie, które wytwarza pole elektryczne
powodujące przepływ prądu w wyniku zbierania jonów
wytworzonych w ośrodku gazowym przy przejściu przez ten
ośrodek promieniowania jonizującego.
Natężenie tego prądu zależy od:
• natężenia promieniowania,
• napięcia na elektrodach i
• ciśnienia gazu w komorze.
Komora jonizacyjna
W obecnie produkowanych komorach stosuje się odpowiedni
materiał na ścianki, o efektywnej liczbie atomowej równej powietrzu.
Jest to masa plastyczna z domieszką grafitu, magnezu lub aluminium.
Ścianki te zapewniają poprawną pracę komory jonizacyjnej
niezależnie od energii promieniowania. Wnętrze komory wypełnione
jest powietrzem lub innym gazem.
Napięcie między elektrodami dobierane jest w zakresie 300-800V.
Komory jonizacyjne charakteryzują się dobrą charakterystyką kątową
oraz szerokim zakresem energetycznym mierzonego promieniowania
od około 40 do powyżej 1000keV.
Komory jonizacyjne wykorzystuje się do pomiarów mocy dawek
promieniowania X oraz gamma.
Komora jonizacyjna
Licznik proporcjonalny zbudowany jest podobnie do komory
jonizacyjnej. Różnica polega na większym napięciu międzyelektrodowym.
Zwiększenie napięcia powoduje zwiększenie energii jonów i elektronów w polu
elektrycznym. Przy niesprężystych zderzeniach tych cząstek z cząsteczkami
gazu wytwarzają one dodatkowe jony i elektrony. Następuje tzw. jonizacja
wtórna. Ze wzrostem napięcia na liczniku objętość czynna licznika, w której
następuje jonizacja zwiększa się i na jeden jon pierwotny przypada coraz
więcej jonów wtórnych.
Liczba jonów wtórnych jest proporcjonalna
do liczby jonów pierwotnych. Ten zakres
pracy licznika nazywa się proporcjonalnym
(licznik proporcjonalny).
Liczniki proporcjonalne
Stosunek ładunku zebranego na elektrodach doładunku
powstałego w wyniku działania promieniowania, nazywa się
współczynnikiem wzmocnienia gazowego. Współczynnik
wzmocnienia rośnie do pewnej granicy ze wzrostem napięcia
na liczniku. Powyżej tej granicy zakres pracy licznika nazywa
się zakresem ograniczonej proporcjonalności.
Liczniki proporcjonalne stosuje się do pomiarów różnych
rodzajów promieniowania jonizującego (bezpośrednio
i pośrednio). Liczba jonów pierwotnych powstających w
liczniku zależy od rodzaju i energii cząstki przebiegającej przez
licznik co pozwala również na określenie energii
rejestrowanych cząstek.
Liczniki proporcjonalne
Wykorzystują zjawisko jonizacji wtórnej. Przechodząc
przez licznik promieniowanie jonizujące wybija
elektrony ze ścianek jego obudowy oraz powoduje
jonizację znajdującego się wewnątrz licznika gazu.
Uwolniony
pola
zostaje
przyspieszony w kierunku anody. Przyspieszając,
elektron taki powoduje uwolnienie innych elektronów z
cząsteczek gazu, które wybijają inne. W wyniku tego
powstaje lawina elektronów i jonów dających w
efekcie impuls elektryczny.
Liczniki Geigera-Müllera można podzielić na liczniki o
budowie okienkowej i cylindrycznej.
Liczniki okienkowe stosuje się do pomiarów promieniowania
o małej przenikliwości (alfa, beta). Okienka wykonywane są
w zależności od przeznaczenia detektora z miki,
odpowiedniej grubości folii aluminiowej lub szkła.
Liczniki cylindryczne zbudowane są z rurki szklanej lub
metalowej, z wewnętrzną cylindryczną anodą.
Liczniki Geigera-Müllera stosuje się do pomiaru
promieniowania rentgenowskiego, gamma, alfa i beta.
Liczniki Geigera-Müllera
Detektory scyntylacyjne zamieniają energię promieniowania jonizującego na
energię błysków świetlnych (scyntylacje). Materiał taki (np. powszechnie
stosowany NaI - kryształ jodku sodu) najczęściej współpracuje z
fotoelektrycznym powielaczem, który zamienia energię błysków na sygnał
elektryczny. Amplituda błysku świetlnego i amplituda wywołanego impulsu
elektrycznego zależą od rodzaju i energii rejestrowanej cząstki lub fotonu.
Dlatego detektory te mogą być wykorzystywane w spektrometrii (określenie
widma energetycznego promieniowania i identyfikacja radionuklidów).
Liczniki scyntylacyjne
Licznik scyntylacyjny jest uniwersalnym detektorem. Przy
zastosowaniu odpowiednich scyntylatorów praktycznie
biorąc może służyć do detekcji wszystkich rodzajów
promieniowania jonizującego. Na rys. obok
licznik scyntylacyjny GR-110G
.
Liczniki scyntylacyjne
Liczniki scyntylacyjne z kryształem NaI(Tl)
Liczniki scyntylacyjne z kryształem NaI(Tl)
Do detekcji fotonów gamma i X używa się najczęściej scyntylatorów
w postaci kryształu jodku sodu (NaI) z domieszką talu (Tl). Licznik
scyntylacyjny składa się z dwu zasadniczych elementów:
scyntylatora i fotopowielacza, które zblokowane są bezpośrednio lub
poprzez światłowód. . Mechanizm scyntylacji można wyjaśnić na
bazie teorii pasmowej ciała stałego. Cząstka jonizująca lub foton
gamma wpadając do kryształu może wybijać elektrony z pasma
walencyjnego, dzięki czemu elektrony z tego pasma są przerzucane
do pasma przewodnictwa.
Liczniki scyntylacyjne z kryształem NaI(Tl)
Liczniki scyntylacyjne z kryształem NaI(Tl)
P
roces ten jest wieloetapowy i można tu wyróżnić następujące fazy:
a) oddziaływanie promieniowania gamma lub X z materią (kryształem) – w
wyniku tego oddziaływania prawie cała energia kwantów zostaje przekazana
elektronom,
b) elektrony wędrując przez kryształ przenoszą elektrony z pasm walencyjnych
do pasma przewodnictwa. Liczba elektronów quasi-swobodnych w paśmie przewodnictwa
i dziur tworzących się w paśmie walencyjnym w krysztale jest proporcjonalna do energii
rejestrowanych fotonów gamma lub X. Elektrony quasi-swobodne migrują w krysztale,
napotykając dziury w paśmie walencyjnym. Następuje wtedy rekombinacja z emisją
światła niebieskiego (proces dwustopniowy dzięki wprowadzeniu domieszki Tl
powodującej powstanie dodatkowych poziomów energetycznych „talowych” w
krysztale), które pada na fotokatodę fotopowielacza. W fotopowielaczu następuje
zwielokrotnienie strumienia elektronów, które docierają do anody zbiorczej, dając w
obwodzie impuls prądowy.
Liczniki półprzewodnikowe
Liczniki półprzewodnikowe
Zasada działania liczników półprzewodnikowych polega na
przenoszeniu elektronów z niższych pasm energii do pasma
przewodnictwa kosztem energii rejestrowanych cząstek lub
fotonów. Powstające w tych pasmach „dziury” po wyrzuconych
elektronach są zapełniane przez elektrony z pasm wyższych, co
ostatecznie prowadzi do pojawienia się takich dziur w paśmie
walencyjnym. W zewnętrznym polu elektrycznym dziury te
zachowują się jak nośniki ładunku dodatniego.
Liczniki półprzewodnikowe
Liczniki półprzewodnikowe
Absorbowane w krysztale fotony gamma lub X powodują
pojawianie się nośników ładunku w postaci elektronów quasi-
swobodnych w paśmie przewodnictwa oraz dziur w paśmie
walencyjnym. Uporządkowany ruch tych nośników w polu
elektrycznym tworzy prąd elektryczny dający spadek potencjału
na oporze w obwodzie licznika.
Liczniki półprzewodnikowe
Liczniki półprzewodnikowe
Liczniki półprzewodnikowe mają zastosowanie głównie w układach
spektrometrycznych w pomiarach
energii promieniowania gamma
lub X,
gdyż ważnym ich parametrem jest wysoka rozdzielczość
energetyczna (definiowana jako szerokość w połowie wysokości
piku na widmie energetycznym) tych detektorów. Z uwagi na
stosunkowo małą wydajność i konieczność chłodzenia ciekłym
azotem, detektorów półprzewodnikowych z reguły nie stosuje się w
przyrządach dozymetrycznych.
Dawkomierze indywidualne
Dawkomierze indywidualne
Pracownicy, którzy mogą być narażeni na dawkę
przekraczającą w ciągu roku 30% dawki granicznej
określonej w przepisach muszą być objęci kontrolą dawek
indywidualnych.
Dozymetryczna kontrola
indywidualna
Pomiary indywidualne polegają na wyposażeniu każdego
pracownika w odpowiednie urządzenie do pomiaru dawki
i zobowiązanie pracownika do noszenia go w czasie pracy.
Dawkomierze umieszcza się najczęściej na piersi i okresowo
odczytuje dawkę, którą otrzymał pracownik. Jeżeli używa on
fartucha ochronnego dawkomierz powinien znajdować się pod
fartuchem.
Oceny narażenia osób pracujących w warunkach
narażenia na promieniowanie jonizujące dokonuje się co 3
miesiące!
Pomiarów dokonują ośrodki posiadające akredytację.
Indywidualna kontrola
nara
ż
enia zewn
ę
trznego
Obecnie w Polsce najszerzej stosowaną metodą pomiaru dawki, jest
metoda
fotometryczna
polegająca na zaczernieniu kliszy pod wpływem
promieniowania
.
Dawkomierz fotometryczny składa się z kasety, z umieszczoną w
światłoszczelnym opakowaniu błoną fotograficzną. Kaseta wyposażona jest w
odpowiednie filtry przesłaniające częściowo powierzchnię błony i pochłaniające
różne rodzaje promieniowania. Miarą otrzymanej dawki jest stopień
zaczernienia błony fotograficznej. Dzięki wbudowanym w kasecie filtrom z
różnych materiałów o różnej grubości, istnieje możliwość określenia nie tylko
dawki ale także rodzaju i energii promieniowania.
Za pomocą dawkomierzy fotometrycznych mierzy się dawki promieniowania
rentgenowskiego, gamma i beta.
Indywidualna kontrola
nara
ż
enia zewn
ę
trznego
Zastosowanie filtra kadmowego pozwala na ocenę dawki
od neutronów termicznych, a tzw. emulsje jądrowe dają
możliwość oceny dawki od neutronów prędkich.
Metoda fotometryczna ze względu na swoje zalety
- łatwość prowadzenia wiarygodnej dokumentacji, niska
cena materiałów, jest ciągle jeszcze powszechnie
stosowana.
Wadą tej metody jest brak możliwości natychmiastowego
określenia otrzymanej dawki i stosunkowo mała czułość
i dokładność.
Indywidualna kontrola
nara
ż
enia zewn
ę
trznego
Do pomiarów dawek indywidualnych coraz częściej stosuje się dawkomierze
termoluminescencyjne (TLD). W detektorach tych dawkomierzy wykorzystuje się
zjawisko termoluminescencji, polegające na
emisji światła w wyniku
podgrzewania napromienionego poprzednio detektora
. Jako detektory stosuje
się pastylki z odpowiednio aktywowanym chemicznie fluorkiem litu lub fluorkiem
wapnia domieszkowanym magnezem.
Widok pastylek:
Indywidualna kontrola
nara
ż
enia zewn
ę
trznego
Detektory tego typu odczytuje się w specjalnych urządzeniach
zwanych czytnikami TL otrzymując tzw. krzywe świecenia, które
służą do wyznaczenia dawki promieniowania.
Podstawowymi
zaletami tych dawkomierzy są: szeroki zakres dawek, szybkość
odczytu, duża dokładność, możliwość wielokrotnego użycia.
Indywidualna kontrola
nara
ż
enia zewn
ę
trznego
Narażenie człowieka od skażeń wewnętrznych można
ocenić na podstawie pomiaru promieniotwórczości
wydalin lub metody bardziej dokładnej poprzez pomiar
promieniowania całego ciała. Pierwsza z tych metod
wykorzystuje analizy radiochemiczne najczęściej
odpowiednio spreparowanych próbek moczu.
Indywidualna kontrola narażenia
wewnętrznego
Do pomiaru promieniowania całego ciała służą tzw. liczniki całego ciała. jest to
duże urządzenie pomiarowe, którego głowicy detekcyjna mieści się całego
człowieka. Ze względu na bardzo dużą czułość (pomiar bardzo małych
aktywności), urządzenie musi znajdować się w specjalnie osłoniętym
pomieszczeniu.
Indywidualna kontrola narażenia
wewnętrznego
Dok
Dok
ł
ł
adno
adno
ś
ś
ci metod
ci metod
dozymetrycznych
dozymetrycznych
W zależności od klasy przyrządu dokładność wskazań
przyrządów dozymetrycznych waha się od 10 do 30 %.
Przy pomiarach skażeń alfa i beta dokładność jest mniejsza.
Dozymetr 471 Victoreen
: dozymetr z komorą jonizacyjną
Błąd pomiaru
≤
10%
Dozymetr VAJ
– dozymetr z komorą jonizacyjną
Błąd pomiaru
≤
10%
PM-1203M
- Dawkomierz osobisty
Podstawowy względny błąd pomiaru 30 do 20%
RKP-2
-Radiometr przeznaczony do pomiaru skażeń powierzchni
substancjami beta-promieniotwórczymi; (przy użyciu zewnętrznej
sondy SSA-1P); pomiaru mocy przestrzennego równoważnika
dawki promieniowania X i gamma.
Podstawowy względny błąd
pomiaru
ok. 20%
RK-100
– radiometr do pomiaru skażeń powierzchniowych subst.
alfa, beta i gamma, pomiaru mocy przestrzennego równoważnika
dawki promieniowania X i gamma.
Podstawowy względny błąd
pomiaru ok. 20%
EKO-C
Radiometr do pomiaru
skażeń i mocy dawki;
podstawowy błąd pomiaru
promieniowania X i
gamma:
nie większy niż ± 15%
(w odniesieniu do Cs-137)
Przy pomiarach skażeń
alfa i beta < ±50%
Dozymetry
- mierzą dawkę promieniowania emitowaną podczas
badania przez aparat RTG.
Systemy VacuDAP
dostępne są w wielu opcjach :
• z pojedynczą lub podwójną komorą jonizacyjną
• z wyświetlaczem do wbudowania w aparat lub do
zawieszenia na ścianie
• do aparatów typu ramię C
• do aparatów typu:
przewoźne i stacjonarne Rtg.
