Измерение радиационной дозы с помощью ИК
5. 4.1. Гамма – излучение
Одно из наиболее важных применения ИК измерение гамма-излучения. Наполненная воздухом ИК отлично подходит для такого рода измерений, так как экспозиционное излучение зависит от количества ионных зарядов, образованных в воздухе*. В ИК для исследования гамма-излучений ионизация обусловлена вторичными электронами, выбитыми из атомов газа или стенок детектора. Чем больше объём камеры , тем больше ионов образуют вторичные электроны. Поэтому для измерения гамма-излучении малой интенсивности применяют ИК большого объёма (несколько литров и более). В определенных условиях измерение ионизационного заряда в заполненной воздухом камере позволяет определить точную экспозиционную дозу излучения, а при измерении ионизационного тока, можно определить интенсивность излучения.
Задача определения дозы облучения значительно сложнее, чем может показаться на первый взгляд, так как оно обусловлено вторичными электронами, образованных в том месте, где нужно измерить величину излучения. Фактически, необходимо проследить пробег каждого из электронов, а затем измерять ионизацию, созданную им на всем его пути. В связи с тем, что пробег вторичных электронов, выбитых гамма-излучением и потому обладающих большими энергиями, в воздухе может составлять десятки метров, непрактично было бы использовать средства, позволяющие напрямую измерить это, поэтому используют принцип компенсации.
Если испытательный объем воздуха окружить бесконечным слоем похожего воздуха, который также подвергается тому же облучению на протяжении измерения, то возникнет полная компенсация. Все ионизационные заряды, образованные за пределами испытательного объёма, от вторичных электронов, выбитых излучением внутри камеры, будут сбалансированы зарядами, образованными внутри детектора от вторичных электронов, выбитых излучением за пределам детектора. Подробная иллюстрация - на картинке 5-8.
Одна из распространенных видов ИК основанных на методе компенсации, изображена на рисунке 5-9 . Каждый конец камеры нечувстви
телен», за счет заземления электродов, показанных на схеме. Плоскопараллельная конфигурация создает электрическое силовое поле, перпендикулярное электродам в пространстве между ними, но только
Рисунок 5-8. Принцип компенсациипри измерениях гамма-излучения: Если плотность гамма-излучения одинаковая, то в испытательном объеме будет зарегистрировано количество ионизаций, равное количеству ионизаций, во время передвижения вторичных электронов, созданных внутри испытательного объема (такие пути как (1) и (2) ) Ионизация, сформированная электронами вне испытательного объёма, компенсируется ионизацией внутри объёма (которая формируется на путях (3), (4) )
___________________________
*Основная единица экспозиционной дозы облучения (рентген. Или гамма - излучение)в системе СИ, которая определяет вторичное излучение, это 1 Кл/Кг сухого воздуха STP (смотри главу 2)
объем, определяемый центральным электродом, накапливает ионизационный ток, регистрируемый внешним контуром.
Падающий гамма-луч, сколлимирован таким образом, что он занимает положение вдали от камерных электродов и вторичные электроны, созданные в чувствительном объеме, не могут достичь электродов. Компенсация не обязательна при вертикальном измерении, но происходит в горизонтальном. Интенсивность падающего излучения не существенно уменьшается при прохождении его через камеру. ИК наполненная атмосферным воздухом, часто используется для детектирования гамма-излучений до 100 кэВ.
При высоких энергиях, большое количество образованных вторичных электронов создает некоторые трудности. Чтобы предотвратить ионизационные потери от вторичных электронов, достигающих электродов, размеры камеры должны быть довольно большими, однако, измерение гамма-излучения обычно осуществляют с помощью каверных ИК в которых маленький объём воздуха окружен сплошным материалом (подобранным так, чтобы его свойства были похожи на свойства воздуха.)
Для того, чтобы увидеть, как происходит компенсация в подобных случаях, прежде всего, взгляните на изображение на схеме 5-10 , где небольшие объёмы воздуха определяются идеальными электродами, одинаково «прозрачными» и для гамма-излучения и для электронов.
Рисунок 5-9. Ионизационная воздушная камера. Из-за вторичных электронов, созданных в чувствительном объеме, которые не могут достичь электродов до остановки, компенсация нужна лишь при измерении величины, параллельной падающему излучению.
Если испытательный объём воздуха находится в «центре тяжести» объёма воздуха, который подвергается облучению, то происходит компенсация. Энергия гамма-лучей больше чем сотни кэВ, однако, растянутый диапазон вторичных электронов увеличивает окружающий объем воздуха, подвергаемый облучению. На практике, равномерные условия для облучения для таких больших объёмов сложно создать.
Ситуацию можно исправить, сжав объём воздуха вокруг испытательного в оболочку, толщина которой 1-2 см. Так как общие число молекул воздуха при сжатии не изменится, никакие свойства компенсации не изменятся и с помощью испытательного объёма можно будет точно измерить экспозиционную дозу гамма-излучения. Таким образом, требования однородности будут сведены лишь к требованию условия однородности облучения в небольших объёмах, окруженных оболочкой сжатого воздуха. В таких условиях, ионизационные потери внутри детектора будут скомпенсированы ионизацией вторичных электронов, созданной внутри оболочки со сжатым воздухом.
Рисунок 5-10 Компенсация в идеальной ИК изображена слева с совершенно «прозрачными» электродами. она может быть завершена вторичными электронами, созданными за пределами камеры. Однако одинаковые условия облучения довольно сложно создать в необходимых объёмах воздуха. Справа ИК снабжена «воздухоэквивалентными» стенками, которые тоньше, чем максимальный диапазон вторичных электронов, так компенсация может происходить, благодаря вторичным электронам, сформированным внутри минимального объёма.
Следующим шагом будет замена оболочки со сжатым воздухом на стенку из более твёрдого материала. 5-10 Стенка должна быть неким эквивалентом воздушной оболочки в плане компенсации. Это условие выполняется за счет поля вторичных электронов; доля энергии электронов, потерянной на каждой единице массы стенки, такая же как потери на соответствующей единице массы воздуха. В основном, оба этих явления зависят от атомного порядкового номера, т.е. получается, что любой материал, с атомным числом близким к воздуху, может считаться «воздушным эквивалентом». Если стенки достаточно толстые, по сравнению с диапазоном образования вторичных электронов, то там где поток вторичных электронов, вылетевший из внутренней поверхности, перестает зависеть от толщины стенок, то устанавливается состояние электрического равновесия. Ослабление падающего на стенку гамма-луча и величина измеренного ионизационного тока останутся неизменными, независимо от толщины стенок. В схеме 5-2 предоставлена минимальная «воздушно-эквивалентная» толщина стенки, необходимая для электрического равновесия. Для обычных энергий гамма-излучения, эта толщина составляет примерно 1см или менее. Для «воздушно – эквивалентной» ИК экспозиционная доза облучения определяется отношением насыщенного ионизационного тока I (в амперах ) к массе (в кг ), содержащейся в активном объёме.
R = Is/M (5-8)
Масса воздуха вычисляется в зависимости от величины объёма камеры и плотности:
M = 1.293 kg/m3 * V * P/P0 *T/T0 (5-9)
где: V – объём камеры
P – давление внутри камеры
Т – температура воздуха внутри камеры
Р0 – атмосферное давление (760 мм ртутного столба)
Т0 – стандартная температура (273,15 градусов К)
Таблица 5-2 Толщина стенок И.К. необходимая для создания электростатического равновесия*.
Дневная экспозиционная доза при обычном дозиметрическом контроле составляет примерно 10-3 рентген/час. Для ИК, объёмом 1000см2, насыщенный ионный токпри стандартной температуре и давлении, рассчитывается по этой формуле:
9,27 * 10-14А. Так как данный сигнал очень невелик, чувствительные электроды и правильные геометрические размеры камеры подбираются так, чтобы минимизировать ток утечки.