6. OCHRANA PŘED IONIZUJÍCÍM ZÁŘENÍM
A JEHO MĚŘENÍ
Při práci se zdroji záření spočívá v zeslabení dávky záření na
hodnotu, při níž je riziko ozáření sníženo na zanedbatelnou
hodnotu:
udržování patřičné vzdálenosti od zdroje
ostínění zdroje
co nejkratší doba pobytu v prostoru zdroje
Ochrana vzdáleností:
(tok částic klesá o 3 řády při změně vzdálenosti z 1→32 cm)
Ochrana stíněním: využívá se vždy
2
0
l4
I
I
π
=
Volba stínění
α Zpravidla není třeba stínit
Tenká vrstva plastu, papír,
stíní-li se proti gama, pak se alfa odstíní také
ββββ- Plexisklo, sklo, hliník, tenká vrstva olova
ββββ+ Olovo cca 3 cm – odstínění gama záření
vznikajícího anihilací
γ,
brzdné
záření,
rtg. záření
Látky s velkou měrnou hmotností (hustotou) –
především olovo, wolfram, uran, olovnaté sklo,
baryt apod.
neutrony Stínění proti neutronům musí obecně sestávat ze
tří vrstev:
• vrstva lehkého materiálu bohatého na vodík
(moderování např. polyethylenem),
• vrstva kadmia nebo boru (radiační záchyt
neutronů),
• vrstva olova (odstínění vznikajícího gama).
6.1. MĚŘENÍ IONIZUJÍCÍHO ZÁŘENÍ
Záření je nutno měřit při:
každém použití radionuklidů či jiného zdroje ionizujícího
záření
měření dávek v dozimetrické kontrole
průmyslovém nebo léčebném ozařování
monitorování radioaktivity v životním prostředí
Nebezpečnost ionizujícího záření je dána:
jeho neviditelností
není vnímáno ani jinými smysly
Měření ionizujícího záření:
je dáno jeho interakcí s hmotou a procesy, které záření
vyvolává při absorpci v hmotě
ionizace,
excitace,
příp. jaderná reakce
je prováděno elektronicky, fotograficky, optickými
spektrálními metodami (rtg.) aj.
Zpravidla se ionizační záření neměří se 100 %-ní
účinností ⇒⇒⇒⇒
Relativní měření v geometrii ωωωω<2ππππ
v geometrii ωωωω=4ππππ
Detekční účinnost = poměr mezi měřeným počtem impulsů a
počtem kvant emitovaných vzorkem, závisí na:
Geometrické konfiguraci vzorku vůči detektoru. Každý
vzorek emituje záření izotropně do všech směrů, avšak jen
určitá část z tohoto záření vstupuje do citlivého objemu
detektoru a může být registrována.
vzdálenosti vzorku od detektoru u planárního detektoru
Pozn.:
Nejvyšší detekční účinnost je u studnového detektoru
polohová a objemová závislost detekční účinnosti
Objemová závislost detekční účinnosti studnového scintilačního detektoru.
na absorbci záření
v samotném vzorku (samoabsorbce),
ve vstupním okénku detektoru.
při měření vzorků se může uplatnit i rozdílná tloušťka skla
zkumavek a ampulí, zvláště při měření záření gama nízkých
energií (např. u 125
J).
Chyby při měření ionizujícího záření:
jsou dány pravděpodobnostním charakterem radioaktivní
přeměny (četnost jednoho vzorku může být při opakovaných
měřeních různá)
rozptyl hodnot četnosti jednoho a téhož vzorku lze
eliminovat naměřením co největšího počtu impulsů
tj. měřením dostatečně vysokých aktivit
prodloužením doby měření
A) ELEKTRONICKÝ ZPŮSOB DETEKCE
IONIZUJÍCÍHO ZÁŘENÍ
detektor záření (energie sdělená detektoru při
absorpci se přeměňuje na elektrické nebo optické
signály)
vyžaduje zpravidla napájení vysokým napětím
elektrické impulsy je nutno elektronicky upravit (zesílit,
tvarovat, třídit podle energie)
upravené signály se registrují v pulsním (čítač
impulsů) – čas může být libovolně dlouhý
nebo integrálním režimu (na čtecí jednotce se
zobrazuje jako počet impulsů za časovou jednotku, tzv.
četnost v imp.s-1
)
⇒ dozimetrické přístroje k určení úrovně
radioaktivity, kontaminace apod.
místo imp.s-1
lze display kalibrovat přímo v dávce
záření, příp. v dávkovém příkonu (v µGy.hod-1
)
Detektory ionizujícího záření
A) Plynové ionizační detektory (400- 2000 V)
Funkce plynové ionizační komory
detektor je naplněn vhodným plynem
při vniknutí částice do plynné náplně dochází k primární
ionizaci, vzniklé ionty jsou urychleny silným elektrickým
polem mezi válcovou katodou a drátkovou anodou –
sekundární ionizace ⇒ zesílení impulsu (koeficient
plynového zesílení)
Závislost ionizačního proudu I komorou na přiloženém
napětí U
I. Oblast Ohmova zákona - Tato oblast se pro detekci záření
nepoužívá.
II. Oblast nasyceného proudu - ionty se pohybují vlivem silnějšího
elektrického pole natolik rychle, že nestačí zrekombinovat a
všechny se účastní vedení proudu. V tomto oboru pracují
ionizační komory popsané výše.
III. Oblast nárazové ionizace –
je počet sekundárních iontů přímo úměrný počtu primárních
iontů vyvolaných zářením. V této oblasti pracují proporcionální
detektory - oblast IIIA.
Při ještě vyšším napětí - na křivce - je sekundární ionizace
nárazem již tak intenzívní, že dochází k lavinovitému zmnožení
elektronů a iontů (k mikrovýboji) - v této oblasti pracují GeigerGM
(Geiger- Mőllerovy) počítače obsahují směs argonu s
parami ethanolu nebo halogenem – výsledný puls je silně
zesílen (až 1010
x) a nezávisí na druhu záření
proporcionální počítače obsahují methan nebo xenon,
výsledný puls je zesílen relativně málo (103
-104
x), závisí
na lineárním přenosu energie, rozlišuje α- a β-záření
průtokový proporcionální počítač
vhodný pro měření nízkoenergetického β-záření
v průtokovém režimu (zářič se umísťuje dovnitř trubice)
vhodný pro měření plynných radioaktivních sloučenin a
měření neutronů (počítač s vnitřní náplní)
Měření neutronů, které samy nemají ionizační schopnost, je
možné po přídavku plynného BF3 k plynné náplni.
Probíhá reakce
10
B(n,αααα)7
Li, ionizaci vyvolávají částice αααα a
ionty lithia.
B) Polovodičové detektory
Fungují na elektrických vlastnostech p/n rozhraní (Si nebo Ge)
Schéma zapojení polovodičového detektoru
Typy polovodičových detektorů:
Detektory z vysoce čistého germania (HPGe) nebo
křemíku
(o čistotě 1010
atomů příměsi na cm3
)
Vyšší atomové číslo materiálu znamená vyšší účinnost
absorpce γ-záření
čisté Ge nebo Si je polovodičem typu n, na něm se tvoří
iontovou implantací vrstva typu p
Detektory dopované lithiem
Ge(Li) pro detekci γ-záření
Si(Li) pro detekci α-záření a jiných kladných částic a
nízkoenergetického rtg záření
volbou velikosti detektoru lze docílit citlivého objemu až
stovky cm3
zhotovují se difuzí Li do Ge, vytváří se lithiový gradient,
atomy Li jsou v intersticiálních polohách
k vytvoření citlivého objemu se využívá malé ionizační
energie Li Li+
+ e,
ke které dochází vlivem
silného elektrického pole mezi elektrodami detektoru
⇒ vznik určitého prostoru s velkým odporem (citlivá
oblast), která je schopna registrovat ionty vytvořené
po průchodu ionizujícího záření
Jiné typy polovodičových detektorů
Výjimečně se používají i jiné polovodičové materiály, jako
je Ga(As), Cd(Te)....
Pro detekci X-záření se někdy používají detektory na bázi
CdZnTe (CZT), které mají vysokou detekční účinnost pro
fotony energie desítek keV.
Vlastnosti polovodičových detektorů
1. závislost výšky napěťového pulsu na energii záření
(vhodné pro spektrometrii)
2. vysoká rozlišovací schopnost při měření energie záření
3. vysoká cena (pouze pro měření α- a γ-záření)
4. speciální detektory jsou schopny zaznamenat i místo,
kam částice dopadla (významné při detekci a identifikaci
nestálých jader nejtěžších prvků)
5. detektory Ge(Li) a Si(Li) se musí neustále uchovávat při
teplotě kapalného dusíku (při normální teplotě se mění
gradient Li v detektoru, což vede ke zničení detektoru)
6. neustálé chlazení potlačuje tzv. temný proud detektoru
(pozadí) – vzniká proto, že při normální teplotě dochází
k samovolné ionizaci Ge tepelnými kmity atomů
v mřížce, tvorbě párů díra-elektron a tím i ke vniku
velkého počtu proudových impulsů
7. detektory z velmi čistého Ge se chladí pouze během
měření
C) Scintilační detektory
využívají excitačních účinků ionizujícího záření
při deexcitaci elektronů v průhledných látkách dochází ke
vzniku záblesku (scintilaci)
detektor musí dobře propouštět světlo a mít krátkou dobu
trvání záblesku o vhodné vlnové délce
tyto záblesky se registrují např. fotonásobičem (převádí
světelné záblesky na elektrické impulsy)
fotokatoda: Cs-Sb (vysoká citlivost na světlo, nízká
výstupní práce elektronu
malý počet elektronů, které se uvolní po dopadu na
fotokatodu se, se zvětší po průchodu fotonásobičem cca
106
až 108
x ⇒⇒⇒⇒ slušný elektrický impuls
velikost impulsu je úměrná energii záření (vhodné pro
spektrometrii)
mají však podstatně horší rozlišovací schopnost ve
srovnání s polovodičovými detektory
Běžné typy scintilačních detektorů
Anorganické scintilátory
NaI(Tl)
γγγγ -záření
CsI(Tl); Bi4Ge3O12 (BGO)
γγγγ -záření s vyšší
energií
LiI(Eu);6
Li(n,αααα)3
H
neutrony
ZnS(Ag)
αααα- záření
ZnS(Ag) s příměsí kys. borité
10
B(n,αααα)7
Li
pomalé neutrony
ZnS(Ag) s příměsí kys. borité,
v kombinaci s polyethylenem
rychlé neutrony
Organické scintilátory - naftalen, anthracen, stilben
Využití kapalné scintilace
používají se pro měření nízkoenergetických zářičů ββββ
3
H, 14
C, 35
S
využívá se některých organických látek, které jsou
rozpustné v organických rozpouštědlech (toluen nebo
1,4,-dioxan)
mají dobré luminiscenční vlastnosti - např.
2,5-difenyloxazol – PPO
1,3,4-oxadiazol -PBD v koncentracích okolo 5 g/litr,
naftalen ve scintilátorech na bázi dioxanu
k roztoku scintilátoru se dále přidávají:
• tzv. posunovač spektra 1,4-bis-(5-p-tolyl-2oxazolyl)-benzen
(POPOP)
• a jiné specifické složky podle druhu vzorku
radioaktivní látka se přidává do roztoku kapalného
scintilátoru v PE lahvičce
vzorek s radionuklidem je po měření nepoužitelný a
vyhazuje se
"4ππππ-geometrii" umoňuje měření s vysokou účinností
Měření však komplikuje:
Chemické zhášení (vody aj. látky)- zamezují přenosu
excitační energie mezi molekulami rozpouštědla a scintilační
látky, takže dojde jen ke slabší scintilaci.
Barevné zhášení způsobuje, že část fotonů emitovaných při
scintilacích je absorbováno látkami obsaženými ve vzorku
(chlorované uhlovodíky, peroxidy, kyslík apod.
Provádí se korekce na zhášení :
• Interní standardizace sestrojením tzv. zhášecí křivky
• Externí standardizace (měřený vzorek s kapalným
scintilátorem, zasunutý v měřící poloze mezi fotonásobiči, se
na chvíli ozáří zářením gama z externího zdroje a analýzou
tvaru takto získaného spektra (poměrem dvou částí spektra)
se stanoví korekční koeficient.
Chemiluminiscence
Chemiluminiscence je děj, při kterém je vyzařováno záření v
důsledku chemických reakcí. Některé chemické reakce mezi
materiálem vzorku a scintilátorem mohou vést k této
chemiluminiscenci, která ve fotonásobiči vyvolává falešné
impulsy nemající původ v detekovaném záření beta.
Chemiluminiscence je děj časově omezený a exponenciálně
doznívá během asi 30 minut po vložení hotových vzorků do
zásobníku vzorkoměniče, kde na ně nepůsobí světlo.
D) Fotografická detekce
Vliv radioaktivního záření na citlivou fotografickou vrstvu je
podobný jako u viditelného světla
Osobní filmový dozimetr
Radiografické a autoradiografické metody
poskytují informace o rozložení radioaktivity ve zkoumaném
objektu
Využití:
• výzkum distribuce radioaktivity
• průmyslová radiografie
• lékařská rtg. diagnostika
γγγγ- záření
rtg. záření
neutrony – fotografická emulze se překryje
kadmiovou fólií …………………113
Cd(n,γγγγ)114
Cd
E) Stopové detektory částic
jde o látky, v nichž nabité částice vyvolávají mikroskopické
poruchy v jejich struktuře (slída, skla, organické polymery)
radiační stopa se zpravidla zviditelňuje leptáním
Použití:
v dozimetrii α-záření (dávky způsobené radonem a jeho
dceřinnými produkty)
Spektrometrické metody
některé detektory (scintilační a polovodičové) jsou schopny
rozlišit energii záření na základě výšky elektrického impulsu
pomocí analyzátoru výšky impulsů – spektrometrické
metody
jednokanálové
spektrometry
vícekanálové (512, 1024, 4096 kanálů)
Gama spektrum je čarové a obsahuje:
fotopík (odpovídá absorpci celého γ-fotonu detektorem)
Comptonovo kontinuum před fotopíkem (je způsobeno
neúplnou absorpcí fotonu Comptonovým rozptylem). Lze
jej potlačit volbou většího detektoru
anihilační záření 0,51 MeV
Pozn.
• germaniové detektory záření γ velmi dobrou
energetickou rozlišovací schopnost (zpravidla lepší
než 1 keV), asi 30-krát lepší než detektory scintilační
• Mají též vysoký poměr fotopíku ke spojitému
Comptonovskému pozadí.
• Oproti scintilačním detektorům však mají nižší detekční
účinnost pro záření gama a též delší mrtvou dobu