Promieniowanie jonizujące w środowisku (4) Detektory promieniowania jonizującego

Detektory promieniowania jonizującego Detektory wykorzystujące jonizację (zbierają i rejestrują ładunek elektryczny (elektrony) pojawiający się podczas jonizacji w gazach) Detektory scyntylacyjne (rejestrują błyski światła, które powstają w pewnych kryształach (scyntylatorach) gdy pada na nie promieniowanie jonizujące) Detektory półprzewodnikowe (zbierają ładunek elektryczny (elektrony i dziury) pojawiający się w półprzewodnikach, gdy pada na nie promieniowanie jonizujace) Inne (różne detektory specjalne)

Jak działają detektory promieniowania wykorzystujące jonizację Wzdłuż drogi cząstki naładowanej pojawiają się zjonizowane atomy i swobodne elektrony. Należy zarejestrować ten fakt. Ale jony(+) i elektrony(-) przyciągają się i dochodzi po ponownego połączenia czyli do rekombinacji. Pomysł: Rozdzielenie jonów i elektronów przy pomocy pola elektrycznego. Można to łatwo zrobić gdy tor cząstki i znajdujące się wzdłuż niego ładunki są w gazie. Elektrony (szybko) i jony(wolno) mogą się wtedy poruszać swobodnie. Pod wpływem przyłożonego pola elektrycznego elektrony i jony poruszają się w przeciwnych kierunkach i mogą być zebrane.

Jak działają detektory promieniowania wykorzystujące jonizację Należy zebrać cały ładunek elektryczny, który powstał podczas jonizacji Wielkość tego ładunku związana jest z energią cząstki jonizującej Jeśli pole elektryczne zastosowane do rozdzielenia ładunków elektrycznych jest silne to te ładunki przspieszane są do takiej energii, że same mogą jonizować inne atomy spotykane na swojej drodze Pojawia się jonizacja wtórna Do elektrod może dotrzeć ładunek znacznie większy od ładunku powstałego w jonizacji pierwotnej

Jak działają detektory promieniowania wykorzystujące jonizację Ładunek elektryczny, który dociera do anody w zależności od przyłożonego napięcia (w Voltach) Rozdzielanie ładunku elektronów i jonów

Detektory gazowe licznik Geigera – Mullera licznik proporcjonalny Licznik najczęściej stosowany w przenośnych urządzeniach do wykrywania skażeń. Dostarcza informacji typu: czy jest podniesiony poziom natężenia promieniowania jonizującego. licznik proporcjonalny Stosuje się obecnie głównie w aparaturze naukowej do rejestracji promieniowania g o niskiej energii. komora jonizacyjna Stosowany w początkach detekcji promieniowania jonizującego. Obecnie tylko w ochronie radiologicznej w indywidualnych dozymetrach.

Licznik Geigera-Mullera Detektorem jest cylindryczny kondensator o przewodzących ściankach, wypełniony gazem np. gazem szlachetnym. Wzdłuż osi cylindra napięty jest drut. Między drutem (+) a ścianką (-) przyłożone jest napięcie ~500 V. Powstające na skutek jonizacji elektrony poruszają się w kierunku drutu czyli dodatnio naładowanej elektrody. Po drodze same uzyskują zdolność jonizacji. Wszystkie elektrody powstałe na skutek jonizacji pierwotnej i wtórnej docierają do elektrody.. Rejestrujemy impuls elektryczny czyli fakt, że w liczniku nastąpiła jonizacja. Rejestrujemy tylko fakt przejścia cząstki; nie rozróżniamy rodzaju promieniowania i nie mierzymy jego energii. Wydajność: do 100% dla promieniowania beta (rejestrujemy wszystkie cząstki, które przeniknęły przez ściankę licznika) około 1% dla promieniowania gamma (rejestrujemy tylko te kwanty, których przejście wywołało powstanie elektronu w ściance lub w gazie wypełniającym licznik)

Licznik Geigera-Mullera Schemat budowy licznika Geigera-Mullera Widok dozymetru opartego na liczniku Geigera-Mullera

Liczniki scyntylacyjne W niektórych kryształach promieniowanie jonizujące wywołuje w nich powstawanie błysków światła. Błyski te nazywamy scyntylacjami. Obserwacja błysków pozwala na rejestrowanie promieniowania jonizującego Bezpośrednia obserwacja błysków np. kryształu ZnS2. Rejestrowanie błysków za pomocą czułych elementów fotoelektrycznych, zwanych fotopowielaczami. Licznik scyntylacyjny to kryształ zdolny do scyntylacji przyklejony do fotopowielacza.

Liczniki scyntylacyjne Działanie licznika: Promieniowanie przechodzące przez scyntylator wywołuje w nim błyski świetlne. Błyski docierają do katody fotopowielacza i wybiją z niej elektrony. Strumień elektronów jest przez fotopowielacz wzmocniony. Powstaje impuls napięcia, którego wysokość jest proporcjonalna do ilości błysków światła a przez to również do energii cząstki, która wywołała te błyski. Rodzaje scyntylatorów: - kryształy NaJ(Tl), CsJ(Tl), BaF2 - antracen, plastik i pewne tworzywa sztuczne. Zastosowanie: - Do detekcji promieniowania g gdy scyntylator ma dużą gęstość i zawiera składnik o dużym Z (jod, cez, bar). Rejestruje promieniowanie g z wydajnością dochodzącą do kilkudziesięciu 100% - Do detekcji promieniowania b – kryształy z plastiku i materiały organiczne (wydajność 100%, duża szybkość rejestracji)

Licznik scyntylacyjny Scyntylator – przyklejony do fotopowielacza Fotopowielacz – przetwarza błysk światła na impuls napięcia Elektronika – rejestruje impulsy napięcia i mierzy ich amplitudy Pomiar amplitudy – pomiar energii

Liczniki półprzewodnikowe Podczas jonizacji elektrony nie muszą być oderwane od atomu. Mogą być tylko przemieszczone do stanu wzbudzonego. W półprzewodnikach przejście cząstki jonizującej powoduje przejście elektronu z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa. Powstaje wtedy para ładunków dziura(+) – elektron(-) analogicznie do pary jon – elektron podczas jonizacji w gazie. Zaletą półprzewodnika jest duża gęstość w porównaniu z gazem. Stąd duża wydajność. Dodatkowo energia potrzebna na powstanie pary dziura – elektron jest około 10 razy mniejsza. Powstaje więcej ładunku stąd duża dokładność pomiaru energii promieniowania.

Rodzaje liczników półprzewodnikowych Liczniki krzemowe - Si Służą do rejestracji i pomiaru energii wysokoenergetycznych cząstek naładowanych, promieniowania a i b Inne liczniki krzemowe służą do precyzyjnego wyznaczania energii promieniowania X i niskoenergetycznego promieniowania g Liczniki germanowe - Ge Służą do pomiaru energii promieniowania gamma o dowolnej energii. Bardzo dokładny pomiar energii!

Detektor germanowy A – Przekrój detektora germanowego – u góry kryształ Ge B – Tak wygląda kryształ Ge C – widok całego detektora – na dole zbiornik ciekłego azotu

Widmo promieniowania gamma Widmo promieniowania 60Co uzyskane przy pomocy detektora scyntylacyjnego NaJ(Tl) Widmo promieniowania 60Co uzyskane przy pomocy detektora germanowego Ge(Li) Źródło emituje promieniowanie gamma o energiach 1171 i 1333 keV

Widmo promieniowania gamma Widmo promieniowania Widmo promieniowania gamma 48K gamma 49K Idealny sposób identyfikacji izotopów promieniotwórczych

Widmo promieniowania gamma Widmo promieniowania gamma po naświetleniu tarczy Pb w akceleratorze wiązką 64Ni

Detektory promieniowania jonizującego używane w ochronie radiologicznej Klisza fotograficzna – używana w indywidualnych dozymetrach – zaczernienie kliszy informuje o wielkości dawki. Komora jonizacyjna – naładowany kondensator rozładowuje się pod wpływem promieniowania jonizującego. Odczyt aktualnego napięcia jest natychmiastowym odczytem wielkości dawki. Scyntylatory – kryształy, które mają własności termoluminescencji. Służa do długotrwałego, np. przez kilka miesięcy pomiaru mocy dawki w pomieszczeniu. Licznik Geigera – Mullera – w przenośnych przyrządach dozymetrycznych. Szybka informacja o fakcie, że w pobliżu znajduje się źródło promieniowania jonizującego.

Dozymetria – wielkości określające absorpcję promieniowania jonizującego Aktywność źródła – charakteryzuje źródło 1Bq (bekerel) = 1 rozpad/s Dawka pochłonięta (energetyczna) promieniowania jonizującego – miara energii niesionej przez promieniowanie i pochłoniętej przez jednostkę masy substancji 1 Gy (grej) = 1J/kg Moc dawki - dawka pochłonięta w ciągu jednostki czasu np. Gy/a (grej na rok) , mGy/h (miligrej na godzinę)

Miara biologicznych skutków promieniowania jonizującego Skuteczność biologiczna różnego rodzaju promieniowania jest różna. Wynika to z różnej gęstości jonizacji różnych rodzajów promieniowania. Równoważnik dawki – dawka równoważna Wprowadza się współczynnik skuteczności biologicznej. Z definicji = 1 dla elektronów. Również równy jest 1 dla promieniowania b i g. Dla neutronów i ciężkich cząstek naładowanych zależy od ich energii i wynosi 3-10. Dla cząstek a = 20 Dawka równoważna równa jest iloczynowi dawki pochłoniętej i współczynnika skuteczności biologicznej promieniowania. Dawkę równoważną wyraża się w Siwertach 1Sv (siwert) = 1Gy * współczynnik skutecz.

Typowe wartości równowaznika dawki Do zapamiętania: Dawka od źródeł naturalnych dla każdego z nas: około 2 mSv rocznie Dla pracowników odsługujących urządzenia z promieniowaniem: Ograniczenie przepisami administracyjnymi 50 mSv rocznie nie więcej niż 100mSv przez 5 lat

Podsumowanie oddziaływania jonizujacego z materią a silnie jonizują ośrodek wzdłuż krótkiej prostej drogi (zasięg – mikrony) b słabiej jonizują (zasięg mm) g wtórna jonizacja - promieniowanie przenikliwe – przechodzi przez warstwy kilku o kilkunastu cm neutrony – bardzo przenikliwe. Zachodzi wtórna jonizacja i aktywacja materiału. Tylko naświetlanie neutronami może sprawić, że materiał staje się radioaktywny