FSI VUT v Brně, Energetický ústav Odbor termomechaniky a techniky prostředí prof. Ing. Milan Pavelek, CSc. EXPERIMENTÁLNÍ METODY I 12. Měření ionizujícího záření OSNOVA 12. KAPITOLY Úvod do měření ionizujícího záření Dozimetrické veličiny Přístroje pro měření ionizujícího záření Hirošima 6. 8. 1945 - stavby po výbuchu atomové bomby
ÚVOD DO MĚŘENÍ IONIZUJÍCÍHO ZÁŘENÍ IONIZUJÍCÍ ZÁŘENÍ je elektromagnetické záření s vlnovým a korpuskulárním charakterem a s krátkými vlnovými délkami. Jedná se o záření: a, b, g protonové záření neutronové záření rentgenové záření ultrafialové záření Ionizující záření je: užitečné (např. v medicíně) nebezpečné nepostižitelné lidskými smysly Mechanismus ionizace: Přímý Nepřímý Rentgenové záření v medicíně 2
DOZIMETRICKÉ VELIČINY - 1 AKTIVITA ZDROJE A [Bq] becquerel = s -1 1 Bq značí, že ve zdroji dochází k jedné radioaktivní přeměně za 1 s. Starší jednotka curie [Ci] 1 Ci = 3,7.10 10 Bq Měrná aktivita zdroje a = A / m [Bq.kg -1 ] Objemová aktivita zdroje a V = A / V [Bq.m -3 ] Plošná aktivita zdroje a S = A / S [Bq.m -2 ] DÁVKA D [Gy] gray = J.kg -1 představuje energii E [J] dodanou zářením do 1 kg látky. Starší jednotka [rad] D de dm 1 rad = 10-2 Gy [Gy] DÁVKOVÝ PŘÍKON D* [Gy.s -1 ] je zářivý výkon dodávaný jednotkové hmotnosti ozářené látky dd D* [Gy.s -1 ] d D* BÝVÁ NA STUPNICÍCH DOZIMETRŮ 3
DOZIMETRICKÉ VELIČINY - 2 KERMA K [J.kg -1 ] vyjadřuje energetické ztráty E K [J] primárních částic při nepřímém působení ionizujícího záření 1 kg látky. K de K dm [J.kg -1 ] KERMOVÝ PŘÍKON K* [W.kg -1 ] je obdobou dávkového příkonu D* dk K* [W.kg -1 ] d EXPOZICE X [C.kg -1 ] Coulomb / kg je množství náboje Q [C] vytvořeného ionizací ve vzduchu o hmotnosti 1 kg. X je starší veličina - dříve se rentgenovo a radioaktivní záření měřilo jen pomocí ionizačních komůrek se vzduchovou náplní. X dq dm [C.kg -1 ] Starší jednotka je rentgen 1 R = 2,58.10-4 C.kg -1 Pozn.: Vytvoření dvojice iontů ve vzduchu vyžaduje 34 ev, proto lze kermu K vypočíst ze vztahu K = 34 X 4
DOZIMETRICKÉ VELIČINY - 3 EXPOZIČNÍ RYCHLOST X* [C.kg -1.s -1 ], [A.kg -1 ] je obdoba D*, K*. dx X* [C.kg -1.s -1 ] d DÁVKOVÝ EKVIVALENT H [Sv] sievert = [J.kg -1 ]. Výstižněji vyjadřuje vliv záření na živé organizmy v oblasti radiační hygieny. H D Q N D [Gy] dávka ve tkáni Q [-] jakostní faktor závislý na druhu záření - má hodnotu 1 až 25 N [-] součin dalších modifikujících faktorů Starší jednotka dávkového ekvivalentu je [rem] 1 Sv = 100 rem [Sv] Hirošima 6. 8. 1945 - lidé po výbuchu atomové bomby 5
IONIZUJÍCÍHO ZÁŘENÍ - 1 ROZLIŠENÍ PŘÍSTROJŮ Přístroje určovací (ionizační komora, Geigerův - Müllerův počítač, scintilační detektor...) umožní zjistit přítomnost a množství záření. Přístroje zobrazovací (mlžná komora expanzní nebo difúzní, jiskrová komora, nukleární emulze apod.) zviditelňují stopy částic záření. ROZLIŠENÍ METOD MĚŘENÍ Metody diferenciální (kontinuální) měří okamžité stavy záření, např. pomocí ionizačních komor, nukleárních čítačů apod. Metody integrální měří úhrnné hodnoty záření (filmové osobní dozimetry, detektory termo-, radiofoto-, lyo-luminiscenční). Přístroje pro měření ionizujícího záření se nazývají DOZIMETRY. Skládají se z detektoru a modulu pro vyhodnocení žádané veličiny. Detektory dělíme na PLYNOVÉ, SCINTILAČNÍ A POLOVODIČOVÉ. Jednoduché osobními dozimetry pracují na různých principech. 6
IONIZUJÍCÍHO ZÁŘENÍ - 2 PLYNOVÉ DETEKTORY - deskové nebo válcové kondenzátory vyplněné plynem. Podél dráhy částice se vyvolá primární, nebo také sekundární ionizace. Měří se změna napětí na deskách kondenzátoru. IONIZAČNÍ KOMORY nejjednodušší detektory pro měření záření a. Napětí na elektrodách bývá 100 1000 V. Plyn v komoře má tlak p b či vyšší pro pronikavější záření. Okamžité hodnoty záření dostaneme měřením proudu I za konstantního napětí. Integrální hodnoty získáme měřením napětí po odpojení nabité komory od zdroje. IONIZAČNÍ KOMORA - K komora O okénko o malé absorpci 7
IONIZUJÍCÍHO ZÁŘENÍ - 3 GEIGERŮV - MÜLLERŮV POČÍTAČ Pro záření a, b, g a rentgenovo záření (různé přístroje). Válcová trubice je vyplněna zředěným plynem (argonem). Dělení počítačů: Pomalé, rychlé samozhášecí, nízkonapěťové. Princip: Po vniknutí částice do trubice dojde k primární ionizaci a za přítomnosti vysokého napětí následuje lavinová ionizace a el. výboj. GEIGERŮV - MÜLLERŮV POČÍTAČ VN zdroj vysokého napětí Č čítač pulsů, K katoda, A anoda, O okénko detekční trubice Výboj je nutné uhasit (pro možnost registrace další částice), a to elektrickým odporem, elektronickým zařízením, použitím vhodného plynu v trubici (viz samozhášecí počítače). 8
IONIZUJÍCÍHO ZÁŘENÍ - 4 SCINTILAČNÍ DETEKTORY - Scintilátory Luminiscenční látky způsobující při průchodu nabitých částic světelné záblesky (kratší trvání větší rozlišovací schopnost). Pevné krystalové scintilátory: Anorganické krystaly jodidů aktivované příměsí thalia či cesia, organické krystaly antracénu, stilbenu nebo naftalenu. Vhodné pro záření g. Plastické scintilátory: Vznikají polymerizací ztuhlých organických roztoků (vrstvy či fólie) s rozptýlenými aktivátory. Vhodné pro méně pronikavá záření (b či rentgenovo záření). Symbol označující ionizující záření Scintilační detektor firmy RadEye Kapalné scintilátory: Roztoky organických látek s obzvláště krátkou dobu záblesku. Plynné scintilátory: Neon, xenon aj. 9
IONIZUJÍCÍHO ZÁŘENÍ - 5 POLOVODIČOVÉ DETEKTORY Křemíkové diody měnící rozložení potenciálu v okolí polovodičového přechodu při průchodu nabité částice. Vzniklé napěťové pulsy jsou registrované čítačem. OSOBNÍ DOZIMETRY: Mobilní, malé přístroje pracující na různých principech. Jde o osobní ochranné pomůcky v jaderných elektrárnách, na rentgenových pracovištích provozujících defektoskopii, Osobní dozimetry Polimaster v medicíně apod. FILMOVÝ DOZIMETR - destička v pouzdru pokrytá foto-emulzí citlivou na záření b nebo g. Nosí se na oděvu nebo se vkládá na exponovaná místa např. do pracovních rukavic. Zčernání destičky je úměrné dávce záření, kterou byl pracovník zasažen. Po předepsané době se exponované destičky dozimetrů fotometricky vyhodnotí. Použití: Pro dávkové ekvivalenty od 0,1 msv do 8 Sv sievert 10
IONIZUJÍCÍHO ZÁŘENÍ - 6 TUŽKOVÝ DOZIMETR Pracuje na principu ionizační komory, jako integrální detektor záření. Dozimetr je třeba před použitím nabít a po odpojení od nabíjecího zdroje se vlivem ionizujícího záření snižuje napětí na deskách kondenzátoru tvořícího ionizační komoru. Tužkový dozimetr je vyráběn pro různé rozsahy měření, má tvar plnicího pera a je vybaven i elektrometrem pro možnost přímého odečtu dávky záření. Princip ionizační komory Tužkové dozimetry 11