Сборник учебных программ по повышению квалификации персонала

Программа курса
Введение в радиометрию

Голубцов И. В.
(до 50 учебных часов)

Предмет радиометрии. Аппаратурная и методическая составляющие. Общие сведения. Непосредственно и косвенно ионизирующие излучения, их основные параметры. Эффекты взаимодействия излучений с веществом, используемые в радиометрии. Понятие детектора ионизирующего излучения. Классификация детекторов. Радиометрический прибор, установка. Общая блок-схема радиометрического прибора. Классификация радиометрических приборов, их назначение и основные характеристики: чувствительность, разрешающее время и др. Радиометры, спектрометры, радиоизотопные приборы для контроля технологических процессов, специальные приборы целевого назначения. Дозиметрическая аппаратура, ее специфика.

Общая характеристика электрических сигналов, поступающих на вход радиометрического прибора от детекторов излучений. Электрический импульс и его параметры. Интегральный и дифференциальный принципы измерений. Принципы построения электрических схем радиометрических приборов в зависимости от их назначения. Основные функциональные блоки радиометрических приборов и требования, предъявляемые к ним.

Общие сведения из электротехники по воздействию различных сигналов на элементы схем радиометрических приборов. Емкостные, индуктивные и активные сопротивления как элементы схем радиометрических приборов. Понятие постоянной времени электрических цепей и значение этого параметра в радиометрии. Интегрирование и дифференцирование электрических импульсов. Усилители электрических сигналов: усилители электрических импульсов, усилители постоянного тока. Принципы измерения слабых токов. Специфические особенности схем усилителей электрических сигналов детекторов и требования к ним. Другие электронные схемы преобразования электрических сигналов от детекторов ионизирующих излучений.

Электронная лампа и полупроводниковый прибор, как элементы схем. Сравнительные характеристики электронных ламп и полупроводниковых приборов. Примеры электронных схем функциональных блоков радиометрических приборов. Печатные схемы как функциональные элементы радиометрических приборов. Примеры функциональных печатных схем, их основные преимущества. Блоки "пересчета" электрических сигналов. Регистрация электрических сигналов на "выходе" радиометрического прибора (стрелочные приборы, самописцы, механические счетчики, декатроны, трохотроны и др.). Анализаторы электрических сигналов в спектрометрах, особенности построения их схем и требования к ним. Сопряжение радиометрического прибора с ЭВМ, сопряжение с исполнительными механизмами в приборах технологического контроля. Пути дальнейшего развития схемной электроники для радиометрии. Источники электропитания и основные требования к радиометрической аппаратуре. Принципы согласования входных параметров электронных схем с выходными характеристиками детекторов.

Основные параметры детекторов ионизирующего излучений и требования, предъявляемые к детекторам. Счетная (рабочая) характеристика детектора, вольтамперная характеристика, чувствительность, разрешающее и "мертвое" время детектора, эффективность регистрации. Зависимость эффективности от свойств регистрируемого излучения, условий эксплуатации и конструкции детектора. Наведенный и собственный "фон" детектора, причины и способы его уменьшения. Радиационная стойкость и срок службы детектора. Возможное влияние температуры и внешних электромагнитных полей на работу детектора. Вольтамперная характеристика электрического разряда в газе.
Газонаполненные детекторы излучения.
Ионизационная камера. Устройство ионизационных камер, принцип действия, электрическая схема включения. Газовое наполнение камер, требование к газу-наполнителю. Образование электронно-ионных пар под действием заряженных частиц в "электроположительных и "электроотрицательных" газах. Процессы, происходящие в газонаполненном объеме ионизационной камеры под действием ионизирующего излучения и электрического поля. Энергия ионообразования для различных газов. Ионы и метастабильные атомы в газе. Подвижность, диффузия, рекомбинация ионов и электронов в газе.

Импульсная (дифференциальная) ионизационная камера. Назначение и особенности конструкции. Параметры импульсных камер. Вольтамперная характеристика. Оценка амплитуды и длительность импульса ионизационной камеры. Влияние постоянной времени "RC" на параметры электрического сигнала на выходе камеры. Импульсная камера с сеткой, ее возможные преимущества. Использование импульсных камер для регистрации и спектрометрии тяжелых заряженных частиц. Камеры для регистрации нейтронов.

Токовая (интегральная) ионизационная камера. Назначение, основные параметры, схема включения. Разновидности и требования к конструкции камер, конденсаторные камеры. Роль постоянной времени "RC" токовых камер. Оценка возможной величины интегрированного токового сигнала на выходе камеры.

Возможности ионизационных камер при регистрации различных видов излучения, эффективность регистрации. Требование к источникам электропитания камер. Особенности электронных схем измерений для токовых и импульсных камер.

Пропорциональные счетчики. Назначение, основные параметры, схемы включения. Несамостоятельный разряд в газе, механизм несамостоятельного разряда и работа пропорционального счетчика. Токовый и импульсный режимы работы. Особенность конструкции в зависимости от назначения и режима работы. Влияние постоянной времени "RC" на параметры электрического сигнала на выходе в различных режимах работы. Оценка амплитуды и длительности электрического сигнала от счетчика. Процессы, происходящие в счетчике во время работы, коэффициент газового усиления и его зависимость от напряжения питания и других факторов. Вольтамперная характеристика счетчика, область ограниченной пропорциональности. Требование к источнику электропитания. Эффективность пропорционального счетчика при измерении параметров различных излучений. Использование для спектрометрии заряженных частиц и характеристического рентгеновского излучения.

Счетчики Гейгера-Мюллера. Назначение, основные параметры, схема включения. Требования к газу-наполнителю. Особенности самостоятельного разряда в газе. Процессы, происходящие в несамогасящем-ся счетчике Гейгера-Мюллера. Развитие разряда в газе-наполнителе цилиндрического счетчика при попадании ионизирующей частицы. Влияние параметров "RC" на развитие разряда. Самогасящийся счетчик со спиртовыми добавками. Механизм гашения разряда. Формирование электрического сигнала на выходе счетчиков и его параметры. Ресурс работы и радиационная стойкость самогасящегося счетчика Гейгера-Мюллера с многоатомными гасящими добавками. Галогенные счетчики. Развитие разряда в газе в галогенных счетчиках, роль галогена и метастабильных атомов основного газа-наполнителя. "Мертвое" время и время восстановления счетчика Гейгера-Мюллера. Разрешающее время. Основные рабочие характеристики газонаполненных счетчиков и их сравнение. Ложные импульсы в счетчиках и причины их возникновения. Конструкции и возможности счетчиков в зависимости от их назначения. Счетчики с внутренним введением препарата. Требования к электронным схемам, принимающим сигналы от счетчиков Гейгера-Мюллера и к блокам электропитания счетчиков. Эффективность счетчиков Гейгера-Мюллера к регистрации различных видов излучения.

Сцинтилляционные детекторы. Принцип действия, назначение и возможности. Сцинтилляционный счетчик. Принцип работы. Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ), устройство, его функции. Электрическая схема сцинтилляционного счетчика. Механизм люминесценции сцинтилляторов. Неорганические, органические твердые кристаллические сцинтилляторы, их конструктивное выполнение для счетчиков, сравнительные параметры. Эффективность неорганических и органических сцинтилляторов к различным излучениям. Сцинтиллирующие газы и жидкости, пластмассовые сцинтилляторы. Спектральные характеристики сцинтилляторов и ФЭУ. Активаторы и спектросдвигающие добавки к сцинтилляторам. Время высвечивания, разрешающее время. Энергетический и световой выход, энергия образования фотонов, прозрачность сцинтиллятора к собственному спектру люминесценции. Радиационная стойкость сцинтилляторов. Требования к сочленению сцинтилляционного детектора с ФЭУ, применение световодов. Выбор сцинтиллятора для регистрации альфа, бета, гамма, нейтронного излучений, осколков деления различных энергий. Требования к параметрам сцинтиллятора и ФЭУ, временные параметры, чувствительность. Спектральные параметры фотокатода и их согласование со спектром люминесцентции сцинтиллятора. Требования к источнику питания и выбору режима электропитания сцинтилляционного счетчика. Шумы ФЭУ, послеимпульсы. Способы снижения фона сцинтилляционного счетчика. Счетная и вольтамперная характеристики счетчика. Особенности конструкции и режимов счетчика для регистрации интенсивности излучений и спектрометрии. Жидкостной сцинтилляционный счет, его особенности и применение для регистрации малоэнергетичных ионизирующих частиц (общие положения).
Термолюминесцентные детекторы. Принцип действия, возможности, использование в радиометрии и дозиметрии.
Полупроводниковые детекторы. (ППД) Детекторы с р -n , р- i-n — переходами. Принцип действия, схемы включения. Параметры выходного электрического импульсного сигнала. Влияние параметров "RC", напряжения электропитания на амплитуду и длительность электрического сигнала. Требования к чистоте полупроводниковых материалов. Конструкция полупроводниковых детекторов, требования к температурному режиму работы. Полупроводниковый детектор как аналог ионизационной камеры с твердым диэлектриком. Классификация полупроводниковых детекторов. Поверхностно-барьерные, диффузионные и диффузионно-дрейфовые детекторы. Основные характеристики и параметры ППД. Образование "зоны" проводимости в области границы между "п" и "р" полупроводниками. Влияние ширины "зоны" проводимости на параметры детектора, расширение "зоны" путем введения скомпенсированного "i" — слоя. Шумы ППД, токи утечки, способы их уменьшения. Требования к источникам электропитания ППД, усилителям и другим электронным блокам в приборах с ППД. Эффективность ППД к различным видам излучений. Применение в спектрометрии.

Измерение энергии альфа-, бета-, гамма-излучений и нейтронов. Общие принципы, требование к детекторам излучений и спектрометрической аппаратуре. Альфа-спектрометры с ионизационными камерами, пропорциональными счетчиками, сцинтилляционными счетчиками, ППД.

Общие требования и конкретные схемы приборов, их сравнительные возможности. Методики альфа-спектрометрии. Примеры. Бета-спектрометрия. Общие принципы. Определение характера бета-частиц по форме электрического импульса от детектора. Другие возможные методики определения энергии бета-частиц. Примеры. Гамма-спектрометры. Спектрометры с использованием сцинтилляционных и полупроводниковых счетчиков. Параметры спектрометрической аппаратуры, основные требования к приборам и их сравнительная оценка. Разрешающая способность прибора. Методы нейтронной спектрометрии. Выбор детекторов, требование к электронике. Методики гамма-спектрометрии. Методики расшифровки спектров. Примеры.

Отдельные сведения по радиометрии в зависимости от характера излучения. Организация радиометрического эксперимента. Условия оптимального подбора детектора, измерительной аппаратуры в зависимости от цели эксперимента и характеристик радиоактивного препарата. Требования к приготовлению радиоактивного препарата для радиометрии. Учет самоослабления в материале препарата, влияние рассеянного излучения. Выбор детектора излучения и метода регистрации в зависимости от параметров радионуклидного препарата. Абсолютные и относительные измерения радиоактивности. Геометрический коэффициент. Измерение радиоактивности методом сравнения с образцовым источником. Измерения с использованием "4"-счетчика. Измерение активности радионуклидов по регистрируемой радиоактивности и известному значению коэффициента регистрации. Радиометрия смешанных нейтронных потоков и гамма-излучения. Радиометрия тяжелых заряженных частиц в потоке гамма-квантов. Радиометрия смешанных потоков бета-частиц и гамма-квантов. Особенности измерения активности нетрадиционных жидких, твердых и газообразных объектов. Радиометрия больших потоков ионизирующих излучений. Примеры.

Измерение низких активностей. Особенности измерения низкого содержания радионуклидов в природных и промышленных объектах. Общие радиометрические и спектрометрические методики и их обеспечение. Выбор детектора. Методы низкофоновой радиометрии, аппаратурные и методические решения. Электронные схемы совпадений и антисовпадений. Экранировка детектора, его температурный режим, выбор экранирующих материалов. Влияние на результат: "внешнего фона", космического излучения, шумов электронной аппаратуры и др. Понятие пассивной и активной защиты. Предел обнаружения. Метод ускорительной масс-спектрометрии. Требования к приготовлению препаратов для радиометрии низких уровней активности. Общая масса препарата, его оформление. Пути выделения и концентрирования определяемого радионуклида, возможность и целесообразность. Примеры. Природные и техногенные радионуклиды в окружающей среде. Измерения низкофоновых альфа-, бета- и гамма- препаратов в лабораторных и "полевых" условиях. Методика низкофоновых измерений активности в водах и биологических объектах мирового океана. Особенности регистрации радиоактивности в конструкционных строительных материалах, минералах, почвах. Примеры. Регистрация радиоактивных газов и аэрозолей в воздухе. Аппаратура и методики (краткая характеристика, примеры). Допустимые уровни содержания радионуклидов в воздушной, водной среде, в строительных материалах, пищевых продуктах и других объектах окружающей среды. Обеспечение и пути контроля.

Методики оценки погрешностей радиометрических измерений (общий обзор). Примеры.

Литература:

1. Руководство к практическим занятиям по физическим основам радиохимии. Под ред. Ан. Н. Несмеянова. М.: Химия, 1971.
2. В. Е. Левин, Л. П. Хамьянов. Регистрация ионизирующих излучений, М.: Атомиздат, 1973.
3. А. И. Абрамов, Ю. А. Казанский, Е. С. Матусевич. Основы экспериментальных методов ядерной физики. М.: Атомиздат, 1977.
4. В. Б. Лукьянов, Е. Ф. Симонов. Измерение и идентификация бета-активных препаратов. М.: Энергоиздат, 1982.
5. К. Б. Заборенко. Применение метода радиоактивных индикаторов в народном хозяйстве. М.: Энергоиздат, 1988.