Стицилляционный, химический и фотохимический методы обнаружения и регистрации ионизирующих излучений

Современные сцинтилляционные счетчики подразделяют на счетчики с твердым и жидким сцинтилляторами. Жидкостно-сцинтилляционные счетчики предназначены для регистрации бета-излучения низкой энергии. Для регистрации гамма-излучения удобна использовать твердые сцинтилляторы. Сцинтиллятор — вещество, испускающее вспышки света при действии на него ионизирующей радиации.

Жидкие сцинтилляторы — это растворы, содержащие соединения, способные флуоресцировать под действием ионизирующей радиации. Наиболее широко в качестве такого соединения используют 2,5-дифенилоксазол (ППО). Радиоактивное соединенна вводят в сцинтиллятор, что обеспечивает наибольший его контакт с флуоресцирующим веществом.

В качестве твердых сцинтшгляторов чаще всего используют кристалл йодистого натрия, которому придают форму колодца. Под действием излучения молекулы кристаллической решетки подвергаются ионизации и возбуждению, сопровождающемуся световой вспышкой. Интенсивность вспышки зависит от энергии излучения. Световые вспышки фиксируются фотоумножителем, который превращает их в электрические импульсы. Амплитуда этих импульсов пропорциональна интенсивности вспышек, а следовательно, энергии излучения, вызывающего эти вспышки.

Большинство жидких сцинтилляторов, применяемых в настоящее время, приготовлено на основе толуола или диоксана. Толуоловые сцинтилляторы имеют более высокую эффективность регистрации низкоэнергетического бета-излучения. Однако водные образцы в толуоловых сцинтилляторах измерять неудобно из-за малой растворимости воды в толуоле и сильного тушения сцинтилляторов, которое вызвано введением воды.

В качестве растворителя в сцинтилляционных смесях, предназначенных для измерения водных образцов, чаще применяют диоксан. В диоксане можно растворить большое количество воды (до 30%).

Основными компонентами любого сцинтилляционного счетчика являются сцинтиллятор, фотоумножитель, логарифмический усилитель электрических импульсов, электронная система анализа и регистрация (рис. 1).

Рис. 1. Принцип устройства сцинтилляционного датчика

С целью исключения импульсов, соответствующих фону фотоумножителей, сцинтилляции детектируются не одним, а двумя фотоумножителями, соединенными в электронной схеме совпадения, что позволяет почти полностью исключить импульсы, соответствующие фону ФЭУ.

Основные источники фона сцинтилляционных счетчиков.

1. Внешнее излучение (космическое и излучение от источников в помещении лаборатории). Внешний фон в значительной степени ослабляется защитой и дискриминацией импульсов с большой амплитудой.

2. Внутреннее излучение, обусловленное загрязненностью радиоактивными изотопами материалов защиты с самого счетчика, а также присутствием в воздухе эманации радия и тория.

3. Случайные совпадения между двумя ФЭУ оптической обратной связи (свечение остаточных газов, люминесценция стекла колб ФЭУ или динодов).

4. Случайные совпадения из-за термошумов ФЭУ и конечного разрешающего времени схемы совпадений.

Для уменьшения фона используют материалы, содержащие минимальное количество радиоактивных изотопов.

Для каждого изотопа характерно непрерывное распределение энергии спектра, максимум которого является специфической характеристикой данного изотопа. Современные сцинтилляционные счетчики настроены таким образом, чтобы фиксировать импульсы в узком диапазоне амплитуд. Это позволяет уменьшить влияние других изотопов и фонового излучения на определение активности нужного изотопа путем амплитудного анализа.

При установке окна счетчика таким образом, чтобы регистрировались только импульсы, энергия которых лежит в интервале х—у, будут просчитываться основная часть излучения изотопа А и незначительная часть излучения изотопа Б.

Определение гамма-излучения — более простая операция, чем определение бета-излучения методом жидкостной сцинтилляции. Оно не требует подготовки образцов, что позволяет экономить время и реактивы, а также сокращается время измерения за счет более высокой удельной их активности, чем бета-радиоактивных изотопов.

Современные гамма-счетчики рассчитаны для обработки и анализа результатов радиометрии большого количества образцов в автоматическом режиме. Широкое внедрение в практику радиоиммунологического анализа привело к создании» поколения специализированных для РИА гамма-счетчиков среди которых можно отметить RIA GAMMA (LKB — Швеция), «Гамма-2» и «Гамма-12» (СССР). Эти радиометры предназначены для регистрации гамма-излучения ¹²⁵J, ¹³¹J, ⁵⁷Сг, ⁵¹Со и др.

Счетчики RIA GAMMA снабжены системой автоматической подачи в детектор и смены образцов. С помощью пульта управления программируют время счета, число параллельных проб, высоту подачи в детектор образцов, последовательность калибровочных проб и концентрации стандартов, параметр построения счетчиком калибровочной кривой. По желанию оператора самописец может регистрировать на перфоленте последовательность проб, характер проб, концентрации стандартов, время счета образцов, число импульсов за время измерения, число импульсов в минуту, среднее значение между параллельными пробами, ошибки измерения радиоактивности, значения концентраций неизвестных образцов и некоторые другие данные. Построение калибровочной кривой и обработка результатов осуществляются с помощью встроенного в счетчик микрокомпьютера, память которого хранит до 64 килобит информации.

Радиометр «Гамма-12» предназначен для одновременного счета и обработки 12 образцов за счет наличия в нем 12 детекторов. Это самый высокопроизводительный гамма-счетчик, за один рабочий день можно просчитать до 6000 образцов, но смену проб необходимо производить вручную.

Данные счетчики — приборы многоцелевого назначения. Кроме обработки данных РИА, они пригодны для радиометрии любых других гамма-активных изотопов в оптимальном диапазоне энергии гамма-квантов от 10 до 999 кэВ.

Радиометры «Rack-Beta» и «Бета-2», предназначенные для регистрации бета-частиц, имеют аналогичный принцип устройства и работы. Управление счетчиком осуществляется посредством программирования всех необходимых параметров счета и обработки результатов. По желанию оператора самописец регистрирует номер образца по порядку, характер пробы, время счета, число импульсов в заданное время, число импульсов в минуту, число распадов в минуту, ошибку измерения, среднее значение между двумя измерениями, поправку на тушение, хемилюминесценцию. Все эти параметры обрабатывают и регистрируют по каждому из каналов. Счет изотопов по каждому из каналов осуществляется одновременно. Счетчики рассчитаны для радиометрии практически всех бета-излучателей и способны обрабатывать результаты РИА в случае использования в качестве метни ¹⁴С или ³Н.

Индивидуальный дозиметрический контроль заключается в систематическом измерении дозы, получаемой отдельными лицами за определенный промежуток времени (за день, неделю и т. д.). Осуществляют этот контроль с помощью небольших приборов карманного типа — индивидуальных дозиметров (фотодозиметры ИФК, люминесцентные дозиметры ИЛК, дозиметры конденсаторного типа ИДК).

Дозиметрический фотоконтроль — наиболее распространенный метод дозиметрии. Он основан на свойстве ионизирующего излучения создавать скрытое изображение в фотоэмульсии, которое после проявления и фиксации приводит к почернению пленки. Степень ее почернения пропорциональна дозе излучения. ИФК применяют для дозиметрии рентгеновского и гамма-излучения с энергией от 0,1 до 3 МэВ, бета-излучений— 1 и выше, тепловых нейтронов — от 0,05 до 2 МэВ.

В зависимости от дозы излучения используют различной чувствительности пленки («Рентген X», «Рентген XX», РМ-5-1, РМ-5-3 и др.). В комплект дозиметра ИФК входят кассеты для пленок, кювета для проявления, промывки и фиксирования пленок, рамки для размещения пленок при проявлении, промывке и фиксировании, а также денситометр для измерения оптической плотности почернения пленок.

Методика индивидуального дозиметрического фотоконтроля основана на сравнении оптической плотности почернения фото-пленок ИФК с контрольными, которые облучены известной дозой гамма-излучения. Следовательно, в ИФК в качестве детектора используется дозиметрическая фотопленка, вставленная в светонепроницаемую кассету. Для устранения зависимости плотности почернения пленки от энергии рентгеновского или гамма-излучения в кассете имеются встроенные фильтры из алюминия и свинца. Кассету помещают в чехол из пластика, который пристегивают к одежде. Ниже описана техника дозиметрии при работе с дозиметром ИФКУ-1 (рис. 7).

Индивидуальный контроль доз рентгеновского и гамма-излучения проводят с помощью небольших металлических или пластмассовых ионизационных камер. Принцип действия дозиметров основан на измерении потенциала собирающего электрода камеры, который пропорционален дозе облучения. Для индивидуального контроля используют прямопоказывающие (ДК-0,2; ДП-22-В; ДП-24) и непрямопоказывающие (КИД-1; КИД-2 и др.) дозиметры.

Индивидуальный дозиметр ДК-0,2 предназначен для измерения доз рентгеновского и гамма-излучения в пределах 10—200 мР в диапазоне энергий 150 кэВ—2 МэВ. Шкала прибора имеет 20 делений. Погрешность измерений доз во всем диапазоне не превышает 10%.

Карманными дозиметрами ДП-22-В и ДП-24 измеряют индивидуальные дозы гамма-излучения в диапазоне 2—50 Р при мощности дозы 0,5—200 Р/ч в диапазоне энергий излучения 0,2— 2 МэВ. Погрешность измерений дозы не превышает 10% максимального значения шкалы. Принцип действия, конструкция и комплектация дозиметров аналогичны дозиметру ДК-0,2.

Внешне дозиметры ДК-0,2, ДП-22-В и ДП-24 напоминают авторучку. Внутри корпуса смонтированы: подвижная система электрометра с держателем, закрепленная в изоляторе, микроскоп, состоящий из объектива, оправы объектива с диафрагмой, отсчетной шкалы и окуляра. Подача начального потенциала на электрометр осуществляется через подвижной контакт, закрепленный в эластичной мембране. Для предохранения от загрязнений нижний торец дозиметра закрыт колпачком, который имеет прозрачное дно и открывается только на время зарядки дозиметра. На корпусе дозиметра имеется держатель для крепления его к одежде.

Ионизационной камерой является объем, в котором размещена подвижная система электрометра, ее держатель выполняет роль собирающего электрода ионизационной камеры. Ионизационный объем ограничен корпусом ионизационной камеры, спрессованной из проводящей воздухоэквивалентной пластмассы. Зарядное устройство дозиметров выполнено в виде пульта. Пульт имеет корпус, зарядное гнездо, потенциометр для установки необходимого напряжения, переключатель и лампочку для подсветки. Дозиметры состоят из малой ионизационной камеры и портативного электрометра. Перед началом работы электрометр заряжается до такого потенциала, при котором нить электрометра устанавливается на нулевое деление шкалы. Под действием рентгеновского или гамма-излучения в камере возникает ионизационный ток, разряжающий электрическую емкость прибора, и потенциал электрометра уменьшается пропорционально дозе облучения. Шкала прибора отградуирована в миллирентгенах.