Радіобіологія фул вершин (передмовалесс, вступлесс етс. едишн)

120

ідентичні дослідному зразку, але містять відому кількість радіонукліду. При порівнянні ступеня почорніння дослідного зразка зі зразками стандартами (це робиться за допомогою денситометра) можна визначити вміст радіонукліду в досліджуваному зразку.

Ядерні емульсії, які використовуються в авторадіографії та деяких інших випадках, в тому числі наведеному вище методі індивідуальної фотодозиметрії нейтронів, мають ряд відмінностей від звичайних фотоемульсій. Основні з них: 1) великий вміст зерен галогеніду срібла (як правило співвідношення кількості зерен галогеніду срібла до наповнювача желатини становить 1:1); 2) малі розміри зерен галогеніду срібла (діаметр 0,02–0,30 мкм).

В даний час широко використовується ряд модифікацій звичайного методу авторадіографії. Так, для реєстрації цим методом високоенергетичного -випромінювання і, особливо, γ- випромінювання, які здатні покинути межі фотоемульсії без суттєвого віддавання своєї енергії, використовують метод „непрямої” автографії. В цьому методі фотоемульсію по інший бік від зразка покривають флуоресцентним екраном. Під дією випромінювання на цьому екранів в місцях, розміщених над джерелом випромінювання виникає свічення, яке реєструється фотоемульсією. Таким чином, в цьому випадку почорніння фотоемульсії при проявленні обумовлене, як правило дією іонізуючого випромінювання, так і опосередкованою

–свіченням флуоресцентного екрану.

Уфлуографічному методі авторадіографії флуоресцентна речовина приводиться у безпосередній контакт з радіоактивним зразком, який знаходиться в рідині, суспензії, гелі тощо. Світло флуоресценції, яке виникає за рахунок взаємодії іонізуючого випромінювання з флуоресцентною речовиною, реєструється ядерною емульсією або високочутливою рентгенівською плівкою.

Іонізаційний метод. Детектори іонізуючого випромінювання, які

засновані на іонізації газів, є найбільш чутливими. У газових іонізаційних детекторів, як так звану робочу речовину, котру іонізують заряджені частинки, використовують інертні гази (гелій, неон, аргон тощо), оскільки в них малий потенціал іонізації, або спеціальні газові суміші. Якщо заряджена частинка, яка випромінюється при перетворенні ядра радіонукліду, вторинні електрони при взаємодії γ-квантів з речовиною або протони віддачі, чи -частинки мають достатню для іонізації енергію, то утворюється пара – вибитий орбітальний електрон з атому газу і позитивно заряджений іон. В залежності від енергії заряджених частинок можлива іонізація декількох атомів газу.

121

Рис. 6.2. Схема газорозрядного іонізаційного детектора:

1 – камера, яка заповнена газом; 2 – анод; 3 – катод; 4 – ізолятор; 5

– прилад для виміру іонізаційного струму камери; 6 – джерело живлення.

Іонізацію газу можна реєструвати, якщо в наповнену газом камеру помістити пару електродів і прикласти до них електричну напругу. Електрони, які утворилися внаслідок іонізації, будуть рухатися до аноду, а позитивно заряджені іони – до катоду. Виникає так званий електричний струм іонізації, який можна зареєструвати. Саме він слугує мірою кількості іонізуючого випромінювання. Схема газорозрядного іонізаційного детектора наведена на рис. 6.2.

Ефективність реєстрації іонізаційного струму залежить від величини електричної напруги між електродами. Залежність величини іонізаційного струму (імпульсу заряду), яка визначається кількістю зареєстрованих іонізаційних пар електрон-позитивний іон, від величини електричної напруги між електродами, наведена на рис.

6.3.

За відсутності електричної напруги між електродами всі іони, які створені початковою іонізацією, рекомбінують у нейтральні атоми газу. При зростанні напруги виниклі за іонізації електрони рухаються до аноду, а іони – до катоду і збираються на них. Виникає іонізаційний струм (рис. 6.3, область 1). З деякого значення електричної напруги між електродами настає момент, коли всі утворені за іонізації електрони та іони доходять до електродів і при зростанні напруги іонізаційний струм не збільшується. Ця область отримала назву область насичення іонізаційного струму або область простої іонізації (рис. 6.3, область 2). Вона відповідає такій

122

електричній напрузі між електродами, коли одна взаємодія випроміненої або вторинно утвореної зарядженої частинки з одним атомом чи молекулою газу призводить до утворення однієї пари електрон – іон і коли ці електрони та іони повністю збираються електродами.

1

2

3

4

5

6

Величина іонізаційного струму

Б

Електрична напруга між електродами

Рис. 6.3. Залежність величини іонізаційного струму від електричної напруги між електродами іонізаційної камери:

1 – область виникнення іонізаційного струму; 2 – область насичення іонізаційного струму (простої іонізації); 3 – область пропорційності; 4 - область обмеженої пропорційності; 5 – область Гейгера; 6 – область безперервного розряду.

При подальшому збільшенню напруги між електродами ті електрони, які виникли внаслідок первинної іонізації, прискорюються електричним полем так, що здатні самі іонізувати атоми газу, які

123

знаходяться на шляху їхнього руху. Таким чином виникає додаткова (вторинна) іонізація. В свою чергу ці вторинні електрони теж здатні спричиняти іонізацію і т.д. Таке підсилення потоку електронів, яке називається ефектом Таунсенда, викликає різке збільшення іонізаційного струму.

Впевній частині цього режиму (рис. 6.3, область 3) існує пропорційність між числом первинно утворених іонізаційних пар електрон-іон та загальним числом таких пар. Ця область напруг називається областю пропорційності.

Подальше підвищення напруги між електродами приводить до порушення пропорційності між числом первинно утворених іонізаційних пар електронів-іонів та силою іонізаційного струму. Ця область напруг отримала назву обмеженої пропорційності (рис. 6.3, область 4).

При подальшому збільшенню напруги між електродами всі можливі пари електронів-іонів (первинні, вторинні, третинні і т.д.) збираються електродами повністю. В цьому режимі досягається максимальний лавиноподібний ефект і сила іонізаційного струму вже не залежить від числа первинно утворених пар. Ця область напруг називається

областю Гейгера (рис. 6.3, область 5).

Якщо продовжити підвищення напруги між електродами, то настає режим безперервного розряду. В цьому випадку газ іонізується під дією електричного поля навіть без участі іонізуючого випромінювання (рис. 6.3, область 6).

Вобласті насичення іонізаційного струму (рис.6.3, область 2) працюють детектори, які отримали назву іонізаційні камери. Струм насичення, в режимі якого працюють іонізаційні камери, досягається при напрузі між електродами 150 – 300 В.

По конструкції вони можуть бути плоскі, циліндричні та сферичні з об’ємом газу 0,5 – 5 л. Існують також мініатюрні іонізаційні камери – наперсткові, які змонтовані в футлярі та по формі схожі на авторучку. Їх використовують як індивідуальні дозиметри (наприклад, ДК-02). В цій якості набули широкого застосування так звані конденсаторні камери (наприклад, КІД-2). Ця камера при певній міжелектродній електричній ємкості заряджається до початкової різниці електричних потенціалів. За дії іонізуючого випромінювання (виниклих електронів та іонів) електрична ємкість розряджається, що і фіксується на окулярі камери. Об’єм газу в таких мініатюрних камерах коливається від декількох кубічних сантиметрів до їх долів.

124

Так званні імпульсні іонізаційні камери слугують для реєстрації окремих імпульсів, які викликані кожною іонізуючою частинкою.

Інтегруючі іонізаційні камери застосовуються для визначення радіоактивності зразків та потужності дози іонізуючого випромінювання. Оскільки величина іонізаційного струму пропорційна енергії випромінювання, то інтегральні іонізаційні камери вимірюють іонізаційний струм насичення в одиницю часу,

тобто потужність дози.

Суттєвим недоліком іонізаційних камер є їх низька чутливість. Значно підвищується чутливість у детекторів, які працюють в області пропорційності (рис. 6.3. область 3). Саме тому ці детектори називаються пропорційні детектори. Початкове підсилення первинної іонізації (відношення загальної суми зарядів, які приймають участь у створенні іонізаційного струму до числа первинно утворених) відбувається всередині детекторів, які працюють в області пропорційності лежить в межах 103 – 104. Наявність пропорційності підсилення іонізаційного струму в цих детекторах дозволяє визначати енергію іонізуючих випромінювань.

Пропорційні детектори різноманітні за своєю конструкцією. Найбільш розповсюдженими є детектори у вигляді циліндра, вдовж осі якого розміщується металеву нитку (вольфрамову), яка слугує анодом (рис. 6.4). Внутрішня поверхня циліндру покривається металом (купрумом, нікелем, вольфрамом та ін.) і слугує катодом. За такої конструкції силові лінії електричного поля зосереджуються біля аноду, оскільки він має значно меншу площу поверхні, ніж катод (рис. 6.4). Тому необхідна електрична напруга для режиму пропорційності досягається за відносно невеликих напругах між електродами. Наповнюють пропорційні детектори газом (газовою сумішшю) до атмосферного тиску або близько до нього.

Одна з різновидностей пропорційних детекторів – це торцеві детектори (рис. 6.4, В). В торці циліндра є віконце, крізь яке іонізуюче випромінювання потрапляє в наповнений газом внутрішній об’єм. Матеріал для торцевого віконця підбирають в залежності від типу та енергії випромінювання. Як правило, таким матеріалом є скло чи слюда (товщина 4–10 мкм) або тонкі полімерні плівки. Низькоенергетичне -, а особливо -випромінювання через їх малу проникаючу здатність майже повністю затримується навіть тонкими торцевими віконцями. Для реєстрації такого випромінювання, як правило, використовують газопроточні детектори без вікна, в яких радіоактивний зразок на спеціальній підкладці (підложці) розміщують всередині детектора. Оскільки при внесенні та виведенні зразка газ

125

втрачається, крізь лічильну камеру детектора безперервно пропускають газ (як правило, паливний газ).

Рис.6.4. Схема будови газорозрядних детекторів:

А – циліндричний з скляними стінками; Б – циліндричний з металевими стінками; В – торцевий; 1 – скляний циліндр; 2 – анод; 3

– катод (металевий циліндр у детекторів Б); 4 – металевий ковпачок для підєднання джерела живлення; 5 – тонке торцеве віконце.

З метою підвищення ефективності реєстрації іонізуючого випромінювання пропорційні детектори іноді роблять у вигляді плоских багатониткових детекторів.

Суттєвий недолік пропорційних детекторів – необхідність мати високостабільні джерела живлення, оскільки навіть незначні флуктуації напруги викликають суттєві зміни струму. Крім того, вони все ж таки відносно мало ефективні у порівнянні х газорозрядними детекторами Гейгера–Мюлера.

Детектори Гейгера–Мюлера за своєю конструкцією практично не відрізняються від пропорційних детекторів циліндричного і торцевого типу (рис. 6.4). Основна відмінність у тому, що внутрішній об’єм такого детектора заповнюється газом (чи сумішшю парів) при зниженому тиску (15 – 75 гПа), а робочий режим – це область Гейгера (рис. 6.3, область 5). Коефіцієнт газового підсилення таких детекторів досягає 108 – 109, тому вони значно ефективніші, ніж пропорційні. Між катодом та анодом прикладають напругу 100 – 1000 В, але завдяки малій площі поверхні анода у порівнянні з катодом, в області

126

анода створюється велика щільність силових ліній (рис. 6.5) і досягається область Гейгера.

Катод

Анод

Зона

підсиленої

іонізації

Рис. 6.5. Поперековий переріз циліндричного газорозрядного детектора з відображенням силових ліній електричного поля.

Завдяки зниженому тиску газу, в робочому об’єму детектора та високій напрузі стає можливим досягнення катоду іонами з великими швидкостями (енергією). Це дає можливість їм „вибивати” додатково електрони з катоду, які ще більше збільшують лавиноподібний ефект іонізації в детекторах Гейгера–Мюлера. Крім того, наслідком співвдарень атомів та молекул газу з іонами, які рухаються швидко, є збудження цих атомів та молекул, яке супроводжується випромінюванням, що здатне викликати іонізацію.

Детектори Гейгера–Мюлера бувають самогасні та несамогасні. Якщо під час утворення лавиноподібного іонізаційного ефекту від певної частинки в робочий об’єм потрапляє наступна частинка, то вона не може бути зареєстрована. Щоби це відбулося, необхідно „погасити” процес розвитку іонізаційного ефекту від першої частинки. В несамогасних детекторах Гейгера–Мюлера це досягається включенням високоомного опору (109 Ом) в ланцюг джерела живлення, що приводить до зниження різниці електричних потенціалів між катодом та анодом і припинення розряду.

В самогасних детекторах Гейгера–Мюлера до газу додають пари багатоатомних сполук, зокрема спиртів (до 10%), які забезпечують нейтралізацію позитивно заряджених іонів газу шляхом віддавання

127

слабкозв’язаних електронів, а також поглинання випромінювання збуджених атомів та молекул газу. Таким чином, молекули “гасника” припиняють розряд, що діє можливість реєструвати наступну частинку іонізуючого випромінювання. Як вже відмічалося, час, протягом якого детектор не може зареєструвати наступну частинку, називається “мертвим” часом. Він для самогасних детекторів Гейгера–Мюлера складає приблизно 10-4 с, тобто ці детектори здатні роздільно реєструвати до 104 імп/с в той же час несамогасні – 102 – 103 імп/с.

Однією з суттєвих характеристик газорозрядних детекторів є рахункова характеристика – залежність швидкості реєстрації (рахунку), яка виражається в числі імп/хв, від напруги між електродами. Область напруг, в якій встановлюється постійність швидкості рахунку в одиницю часу, називається „плато” детектора.

Всамогасних детекторах Гейгера–Мюлера довжина „плато” досягає 200 – 300 В, його нахил для торцевих 3 – 5%, а циліндричних – 12 – 15% на кожні 100 В. Робочу напругу між електродами звичайно обирають на відстані 1/3 від початку „плато”.

Детектори Гейгера–Мюлера використовують для реєстрації всіх видів випромінювання. Конструкція детекторів визначається типом випромінювання і тими завданнями, які вирішуються. Для реєстрації α-випромінювання і β-випромінювання малих енергій (0,1 – 0,2 Меβ) використовують, як правило, торцеві детектори з тонким вхідним віконцем, для якого товщина (за густиною) складає 1 – 5 мг/см2 (детектори типу МСТ-17, Т-25-БФЛ, СТБ та ін.). Для реєстрації β- випромінювання середньої та великої енергії використовують циліндричні детектори типу СТС-5 та СТС-6, АС-1 та ін., що мають стінки з алюмінію (рис. 6.4, Б) або нержавіючої сталі, товщина стінок яких (за густиною) складає 40 – 45 мг/см2.

Газорозрядні детектори для реєстрації γ-випромінювання мають певні конструктивні відмінності. Реєстрація γ-випромінювання можлива, як вже відмічалося, тільки при утворені вторинних електронів, які виникають при взаємодії γ-випромінювання з речовиною катода в залежності від енергії внаслідок трьох процесів: фотоефекту, ефекту Комптона і народження електронно-позитронних пар. Ці вторинні електрони здатні іонізувати атоми та молекули газу.

Внаслідок того, що γ-кванти слабо поглинаються речовиною, ефективність газорозрядних γ-детекторів мала і звичайно не перевищує 1%. Для її підвищення стінки γ-детектора (катод) виготовляють з матеріалів, що мають великий атомний номер. Крім того, їх товщина повинна бути такої, щоби максимально утворене

128

число вторинних електронів могло провзаємодіяти з атомами та молекулами газу, тобто ці стінки повинні бути більш товстими з урахуванням величини максимального пробігу вторинних електронів в даній речовині.

Для швидкого з’ясування дози опромінювання чисельного контингенту використовують комплекти дозиметрів. Одним з прикладів є комплект ДП-22В до якого входять 50 дозиметрів ДКП50А (рис. 6.6) і зарядний пристрій 3Д-5. Ці дозиметри призначені для вимірювання доз γ-опромінення в діапазоні 2 – 5 Р при рівні іонізуючого випромінювання на місцевості 0,5-200 Р/год.

Рис. 6.6. Індивідуальний дозиметр ДКП-50А:

1-окуляр; 2-шкала з поділами до 50 Р; 3-дюралюмінієвий корпус; 4- рухома платинова нитка; 5-внутрішній електрод; 6-конденсатор; 7- нижній ковпачок; 8-скло ковпачка; 9-іонізаційна камера 10-об’єктив мікроскопа; 11-тримач для кишені; 12-верхній ковпачок.

Інший приклад індивідуальних випромінювачів дози опромінення є комплект ІД-11, який призначений для вимірювання γ- нейтронного випромінювання в діапазоні доз 10 – 1500 рад. Він складається з 500 індивідуальних дозиметрів (рис.6.7) та вимірювального пристрою.

129

Рис 6.7. Вимірювач дози ІД-11: 1-корпус; 2-тримач з скляною пластиною (детектор)

Цей детектор зберігає дозу 12 місяців і може її накопичувати при повторних опромінюваннях.

Промислові газорозрядні γ-детектори, як правило, циліндричні та мають скляні стінки. Катодом у них слугує напилений на внутрішню поверхню скла шар міді, нікелю, вольфраму чи графіту. Наповнювач

– суміш аргону (90%) та парів багатоатомного спирту (10%).

Окрему групу складають так звані галогенні детектори, у яких гасник розряду галоїд (гази Cl2, Br2 чи І2) додають до аргону або неону в незначній кількості (приблизно 0,1%). Для цих детекторів характерна відносно низька напруга між електродами – 300 – 400 В, що дозволяє використовувати для їх живлення батареї і це дає можливість їх використовувати у польових умовах. Але галогенні детектори мають і суттєвий недолік – коротке „плато” рахункової характеристики (приблизно 80 В) з великим нахилом (12 – 15% на 100 В). Це обмежує використання галогенних детекторів для точних вимірів радіоактивності зразків.

Слід відмітити, що існує ще цілий ряд детекторів, у яких для реєстрації іонізуючих випромінювань використовуються гази. Так наприклад, в іскрових камерах одночасно з проходженням зарядженої частинки через газ (затримка не більше 10-6 с) на електроди подають високу напругу (10 кВ/см). В цьому випадку між електродами в тому місці, де пройшла частинка, відбувається іскровий пробій. Якщо створити систему з великою кількістю електронів, то можна визначити слід частинки у вигляді ланцюжка іскор.