В прошлом месяце мы начали серию публикаций, посвящённых радиации (список со ссылками в конце статьи).

В прошлом месяце мы начали серию публикаций, посвящённых радиации (список со ссылками в конце статьи). Настала пора продолжить его - поговорить о том, чем мы с вами можем зафиксировать и измерить радиацию.

Первым на ум приходит, безусловно, знаменитый счётчик Гейгера. Это - очень старый, буквально вековой давности, но всё ещё актуальный и широко распространённый детектор различных видов ионизирующего излучения.

Классический счётчик Гейгера - это тонкостенная металлическая трубка, вдоль оси которой проходит тонкий стержень - анод. Трубка наполняется, как правило, неоном с примесями аргона и хлора. Корпус, выполняющий роль электрода (катода), подсоединяется к "минусу" источника питания, а анод - к "плюсу". Напряжение при этом составляет около 400 вольт. Если внутри корпуса от воздействия радиации появляется свободный электрон, он разгоняется приложенным к датчику напряжением, сталкивается с атомами газа, ионизирует их, рождает новые электроны, те тоже ускоряются, сталкиваются, вновь рождают электроны и т.д. Из одного единственного электрона рождается целая лавина, которую очень легко зафиксировать! Энергии этой лавины достаточно чтобы подключённый к счётчику пьезоэлектрический динамик издал хорошо слышимый щелчок. Именно эти щелчки и являются знаменитым "звуком радиации", который можно услышать в документальных и художественных фильмах, компьютерных играх и прочих медиа. Чаще щелчки - сильнее радиация. Реже - радиации меньше.

Сам счётчик Гейгера - штука относительно простая, а потому довольно дешёвая. Блок питания для него тоже нужен простой и дешёвый, т.к. погрешность напряжения в +/-50 В не оказывает существенного влияния на работу датчика. Мощный выходной сигнал от счётчика не требует применения каких-либо усилителей, для замера уровня радиации в простейшем случае может применяться схема, состоящая всего лишь из конденсатора и вольтметра: конденсатор заряжается от "щелчков" счётчика и одновременно медленно разряжается через сопротивление вольтметра. Чем чаще "щелчки" - тем выше будет напряжение на конденсаторе, сильнее отклонится стрелка вольтметра. Осталось только на шкале написать вместо "В" что-нибудь типа "мР/ч" - и вот готов дозиметр.

Увы, есть у счётчика Гейгера и серьёзный недостаток: его "щелчок" несёт только одну информацию - "в меня что-то попало".
Ситуацию несколько спасает тот факт, что в диапазоне энергий от примерно 0,3-0,4 МэВ и до, по крайней мере, 2-3 МэВ вероятность среагировать на гамма-квант у датчика пропорциональна этой самой энергии. Т.е. скорость счёта оказывается пропорциональна потоку энергии, а значит и мощности дозы гамма-излучения.
Но что будет, если энергия излучения ниже 300 кэВ? Например, если у нас "светит" америций-241 своими 60 кэВ? А вот тут датчик начинает реагировать на фотоны тем охотнее, чем ниже их энергия... Получается, что энергии гамма-излучение несёт мало, мощность дозы низкая, а прибор трещит как сумасшедший! Этот неприятный эффект называется "ходом с жёсткостью". Чтобы его избежать перед датчиком нужно разместить специальный фильтр, который будет в разы ослаблять излучение низких энергий, пропуская при этом жёсткое гамма-излучение почти без ослабления. Но в дешёвых бытовых дозиметрах такими фильтрами зачастую пренебрегают, а потому они могут многократно завышать показания.

Фильтр полезен не только "выравниванием хода с жёсткостью": при энергии выше 0,3 МэВ через тонкий стальной корпус счётчика Гейгера начинают проходить и бета-частицы. Как мы помним, они хоть и могут вызывать лучевые ожоги кожи, но до внутренних органов не доходят, а потому оценке общего облучения лишь мешают - приводят к завышению показаний. Порой - к многократному завышению.
Впрочем, иметь возможность фиксировать бета-излучение всё-таки полезно... Стронций-90, например, даёт очень мощное бета-излучение, но вот рентгеновского и, тем более, гамма-излучения от него весьма мало. Значит мы не найдём загрязнение этим очень распространённым изотопом, если наш прибор "слеп" к бета-излучению. В тех приборах, где есть фильтр, его обычно делают съёмным или сдвижным, чтобы, при необходимости, мы могли найти и бета-излучение: делаем замер с фильтром, потом убираем его, разница - поток бета-излучения.

Кстати, а что делать с бета-излучением низкой энергии, менее 300 кэВ? А с альфа-излучением?.. Для надёжной фиксации такого излучения созданы так называемые торцевые счётчики Гейгера: плоское металлическое "корытце", выполняющее функцию катода, внутри проволочная спиралька-анод, а сверху это всё закрыто крышкой ("окном") из очень тонкой, 12-17 мкм, слюды. Такие датчики ещё называют "слюдяными". Из-за очень малой толщины слюда пропускает внутрь почти любое бета-излучение и значительную часть альфа-излучения.
Дозиметры на основе торцевых счётчиков встречаются значительно реже, чем с классическими "трубками" - это уже уровень "профи" или, как минимум, "полупрофи". За самым редким исключением они все оснащаются как минимум одним съёмным или сдвижным фильтром, а не редко - набором из нескольких фильтров.

Впрочем, не счётчиками Гейгера едиными живы дозиметры. Иногда они оснащаются сцинтилляционным детектором: специальным кристаллом (чаще всего - йодистым цезием с небольшой примесью йодистого таллия), который при взаимодействии с частицей ионизирующего излучения даёт вспышку света. Вспышка эта очень-очень слабая, но специальные высокочувствительные приборы - фотоэлектронные умножители (ФЭУ) - способны её зафиксировать. Сборка из сцинтилляционного кристалла и ФЭУ помещается в непрозрачный корпус, изолирующий её от внешнего освещения, так что весь свет внутри - только от вспышек в кристалле.
Гамма-излучение, за очень редким исключением, проходит счётчик Гейгера, состоящий из очень тонкого металла и разреженного газа внутри, без взаимодействия. Лишь ничтожная доля частиц вызывает "щелчок", так что чувствительность дозиметра получается низкой - для проведения точных замеров нужно потратить минут пять-семь. Сцинтиллятор же - это массивный кусок вещества, поглощающего излучение, а потому чувствительность у него в десятки раз выше.
Важный момент: вспышка тем ярче, чем выше энергия излучения, а сигнал ФЭУ пропорционален яркости вспышки. Поэтому дозиметр, если он грамотно сделан, не просто считает частицы, а анализирует их спектр, что позволяет значительно повысить точность измерений и даже определять, какие изотопы у нас тут "светят"!
Ещё один момент в плане точности сцинтилляторов - мюоны. Мы все непрерывно облучаемся потоком мюонов очень высоких энергий, рождённым в верхних слоях атмосферы. Правда число этих мюонов невелико, а потому вклад от них в дозу облучения незначительный. Только вот чувствительность счётчиков Гейгера к мюоном - едва ли не 100%... Поэтому любой дозиметр с таким детектором на открытом воздухе будет показывать мощность дозы где-то на 0,05 мкЗв/ч больше, чем есть в реальности. Сцинтилляторы тоже фиксируют мюоны с вероятностью под 100%, но сигнал от них теряется на фоне сигнала от гамма-излучения, почти не внося погрешности.
Есть, конечно, у сцинтилляторов и недостатки...
Во-первых - цена. Дорог как сам детектор, так и вся окружающая его электроника.
Во-вторых, в попытке удешевить прибор производители порой "забивают" на измерение энергии частиц, а просто считают их количество. Ход с жёсткостью в этом случае получается просто огромным, и для сколько-нибудь достоверных измерений прибор становится неприменим.

Вот теперь, разобравшись с наиболее распространёнными датчиками дозиметров, мы готовы перейти к конкретным приборам. Но об этом - в следующей статье.

- самые базовые сведения о радиации: https://vk.com/wall-33580882_564947
- энергии, характерные для частиц радиоактивного излучения: https://vk.com/wall-33580882_564980
- параметры радиации и в каких единицах они измеряются: https://vk.com/wall-33580882_565010

#радиация #радиоактивность #ликбез #безопасность

Напоминаем, что вы можете включится в разработку нашей Программы, один из пунктов которой: "1.3. Гражданская безопасность - от пожара и техногенных катастроф".