Радиометрия. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Радиометрия - совокупность методов измерений активности (числа распадов в единицу времени) радионуклидов, содержащихся в радиоакт. источниках. Родоначальники- Э. Резерфорд (В. Rutherford) и X. Гейгер (Н. Geiger), впервые в 1903 измерившие число a-частиц, испускаемых в 1 с 1 г Ra (уд. активность). В 1899 Ю. Эльстер (J. Elster) и В. Г. Гайтлер (W. Н. Heitler) установили экспоненциальное убывание со временем числа атомов чистого радионуклида.

Активность. Осн. закон радиоакт. распада имеет

где N - число атомов радионуклида, l - постоянная распада,

- период полураспада (см. Радиоактивность). Кол-во атомов, оставшееся спустя промежуток времени t, определяется соотношением

Постоянная распада l практически не зависит от таких внеш. факторов, как давление, темп-pa и т. д.; в нек-рых случаях наблюдается слабая зависимость от хим. окружения, напр. для ^90MNb в металле по сравнению с ^90MNb во фторидном комплексе изменение l достигает почти 4% (индекс "м" означает изомерное состояние, см. Изомерия ядерная). Активность А радионуклида определяется выражением

Единицей активности в системе СИ является Бек-керель (Бк), равный 1 распаду в 1 с. Исторически первая единица активности Кюри (Ки) была установлена как активность газа Rn, находящегося в равновесии с 1 г Ra. В 1950 она была принята равной 3,7·10¹⁰ распадов в 1 с. Активность, отнесённую к массе образца, наз. массовой, к объёму - объёмной.

Для характеристики содержания трития Т в объектах внеш. среды используют т. н. тритиевую единицу ТЕ, она соответствует концентрации Т, при к-рой один его атом приходится на 10¹⁸ атомов водорода. В 1963 Национальное бюро стандартов США рекомендовало заменить термин "тритиевая единица" (ТЕ) термином "три-тиевое отношение" (ТО): 1 ТО = 1 ТЕ = 6,686·10⁷ ат. Т·кг^-1 = 3,193·10^-12 Ки·кг^-1 = 0,1181 Бк·кг^-1[це-зиевая единица (ЦБ) была принята для отношения активности ¹³⁷Cs к массе К в организме, продуктах питания и т. д.; 1 ЦЕ = 37 Бк·кг^-1 pКи·г^-1].

Активность А находят, измеряя интенсивность излучений, сопровождающих распад, или определяя кол-во радиоакт. атомов в источнике. Напр., активность ''Тс в виде кусочка чистого металла определяют взвешиванием; активности 1 Бк соответствует число атомов Тс, равное 1,443 T_1/2 ; активности 1 Ки соответствует 3,6·10²³ атомов Тс и масса 59 г.

Измерения активности подразделяют на абс. и относительные (сравнение воздействия радионуклида, содержащегося в источнике, с аналогичным воздействием от эталонированного источника). Методы измерений различают по способу приготовления источника, геометрии измерений, виду излучения, типу детектора, используемому физ. эффекту, способам обработки информации, уровням измеряемых активностей.

По способу приготовления образца выделяют методы "бесконечно тонкого" и "бесконечно толстого" слоев, метод количеств. перевода радиоакт. "метки" в опре-дел. хим. формы для получения удобных для измерения жидкостей и газов и др. Метод "бесконечно тонкого" слоя основан на приготовлении источника с пренебрежимо малым поглощением излучения радионуклида в самом источнике. В случае "бесконечно толстого" слоя толщина радиоакт. слоя в источнике больше макс. пробега испускаемых частиц.

По геометрии измерений выделяют т. н. 4p-геомет-рию, промежуточную и измерения в малом телесном угле. В 4p-геометрии детектор окружает источник со всех сторон. Это осуществляется при помощи газоразрядных т. н. 4p-счётчиков или наполнением счётчика активным газом. Близкая к 4p геометрия осуществляется в жидкостных сцинтилляционных детекторах, ионизационных камерах, полупроводниковых и др. детекторах с каналами ("колодцами") для размещения источников. В случае низкой массовой активности источники размещают непосредственно на детекторе. Для снижения минимально детектируемой массовой активности детектор окружают контейнером с препаратом (Маринелли, 1950).

По используемому эффекту методы измерения активности подразделяются на ионизационные, газоразрядные, сцинтилляционные, калориметрич., масс-спектрометрич., фотометрич. и др. Название приборов содержит указание на метод измерения, геометрию и вид излучения, напр. 4p-Х-счётчик высокого давления (X - рентген), полупроводниковый детектор Ge(Li), сцинтилляционный детектор NaIl(Tl) и т. д.

По способам обработки информации от детекторов выделяют метод интегрального счёта, совпадений метод, позиционно-чувствит. методы и др. Интегральные методы применяют при измерении активности чистых радионуклидов или при относит. измерениях с помощью стандартных образцов. Спектрометрич. методы регистрируют как интенсивность излучения, так и его спектр; они позволяют селективно измерять активность отд. радионуклидов в их смесях. Методы совпадений и антисовпадений используют как для повышения селективности измерений радионуклидов, обладающих каскадным излучением, так и для абс. измерений. Если распад сопровождается каскадным испусканием двух излучений разного рода или разных энергий, в установку включают два детектора, настроенных на раздельную регистрацию этих излучений. При этом активность радионуклида находят с помощью выражения:

где n₁, п₂ - скорости счёта от каждого детектора, n₁₂ - скорость совпадений, функция B(n₂/n₁₂) : 1 при (n₂/n₁) : 1.

Позиционно-чувствительные системы применяют при хроматографич. анализе радиоакт. препаратов. Установки, включающие ЭВМ, со спец. детекторами позволяют находить распределения источников излучения на разных сечениях исследуемого объёма (эмис-сионная томография). Такие установки дают возможность изучать распределение в организме веществ, меченых g-излучающими радионуклидами (гамма-камеры).

Эффективность регистрации g-излучения. Отношение общего числа импульсов, поступающих от детектора (независимо от энергии, потерянной в его чувствит. объёме), к числу попаданий в детектор наз. полной счётной эффективностью. При работе с гамма-спектрометрами наиб. часто определяют сумму импульсов в пике полного поглощения. Т. к. осн. часть импульсов в цикле полного поглощения обычно связана с фотоэффектом, то говорят об фотоэффективности (см. Гамма-излучение).

Для сравнения детекторов используют относит. эффективность - отношение эффективностей регистрации данного детектора и сцинтилляционного детектора NaI(Tl) диам. и высотой 76,2 мм в пике полного поглощения при энергии g-излучения

= 1332 кэВ (источник - ⁶⁰Со) или 661,7 кэВ (¹³⁷Cs). Напр., для полупроводникового детектора Ge(Li) с чувствит. объёмом 130 см³ относит. эффективность для фотонов с

= 1332 кэВ порядка 25%. Его энергетич. разрешение при этом в 50 раз лучше, чем у Nal(Tl).

Эффективность регистрации зависит от энергии g-из-лучения

(кривая эффективности). В спектрометрич. режиме наиб. важна кривая фотоэффективности. Её обычно измеряют, используя т. н. образцовые спектрометрич. g-источники с радионуклидами: ²²Na, ⁵⁴Mn, ⁵⁷Со, ⁶⁰Со, ⁶⁵Zn, ⁸⁸Y, ¹⁰⁹Cd, ¹¹³Sn, ¹²⁵I, ¹³³Ba, ¹³⁷Cs, ¹³⁹Ce, ¹⁵²Eu, ¹⁵³Cd, ²⁰³Hg, ²²⁸Th, ²⁴¹Am и др. Для таких источников с высокой точностью определены активности радионуклидов, кол-ва g-квантов в определ. спектральных линиях, испускаемые в 1 с в угле 4p. При исследовании внеш. среды, а также излучения человека используют образцовые объёмные источники, создаваемые часто на основе радиоакт. растворов.

В области энергии g-квантов

- 200-2500 кэВ зависимость эффективности регистрации F от

описывается ф-лой:

В частном случае полупроводникового детектора

где а₁, ..., a₅ - численные коэффициенты. При замене одного детектора другим эффективность в пике полного поглощения

МэВ) определяется соотношением:

где V_акт - активный объём детектора, а = 0,6246; b = -2,136. Для диапазона энергий

~ 60-3050 кэВ при измерении в чашечках Петри и в сосудах Маринел-ли эффективность описывается ф-лой:

Погрешности измерений. Потерн счёта h в установках обусловлены мёртвым временем установки и неизбежностью случайных совпадений. Мёртвым временем т_м наз. время нечувствительности детектирующей системы вслед за попаданием в неё частицы (фотона). Мёртвое время может быть продлевающимся или фиксированным. В первом случае

во втором

где h - скорость счёта.

Часто

= f(n), напр.

Параметры a₀, a₁ определяют экспериментально с короткоживущим радионуклидом, напр. ^113MIn ( = 99,48 мин).

В пике полного поглощения

g-квантов потери счёта могут вызываться одновременной регистрацией событий, произошедших в каскаде, и случайными совпадениями в пределах времени формирования сигнала. Величину h находят, измеряя спектры излучения при разных расстояниях источника от детектора.

Энергетическое разрешение. Мерой разрешающей способности спектрометрич. установки является полная ширина пика на половине высоты в распределении импульсов по энергии. Для сцинтилляционных детекторов её принято выражать величиной

, для полупроводниковых -

Для рентгеновского и g-излучения приводят

для энергий

- 5,9 кэВ, 122 кэВ и 1332 кэВ.

Чувствительность. Мин. детектируемая концентрация (МДК) радионуклида (в Бк·кг^-1) в источнике определяется ф-лой

Здесь М - масса пробы, К₁ - коэф., учитывающий выход регистрируемого излучения на 1 акт распада радионуклида, К₂ - эффективность регистрации, В - скорость счёта фона, t - время измерений.

Радиационная "значимость" радионуклидов. Для оценки радиац. воздействия разл. радионуклидов применяют два метода: оценивают вклад радионуклида в индивидуальную усреднённую годовую дозу из-лучения для критич. группы людей - лиц, находящихся в наихудших условиях с точки зрения радиац. воздействия (табл. 1); оценивают вклад этого радионуклида в популяционную дозу. За концентрацией отд. радионуклидов, дающих вклад в годовую дозу, на уровне 10 мкЗв устанавливается си-стематич. наблюдение. Проводится паспортизация состояния окружающей среды с последующим наблюдением за скоростью нарастания содержания радионуклидов.

Табл. 1. - Связь усреднённой годовой дозы, содержащейся в продуктах питания, с удельной активностью некоторых радионуклидов

Фон. Для определения малых концентраций радионуклидов необходимо уменьшение радиационного фона, что достигается защитой. В табл.2 приведены осн. g-линии, встречающиеся в радиац. фоне, и указано снижение фона защитой (результат эксперимента), включающей слои Cd (толщиной 1 мм для защиты от нейтронов), Pb (10 см), Си (4 см) (см. Радиационная защита ).На установке, размещённой в соляной шахте на глуб. 305 м, был получен фон N = 1,7·10³ импульсов на 1 кэВ на 1 см³ чувствит. объёма детектора за 1000 ч работы при энергиях g-квантов

=2 МэВ. В случае т. н. активной защиты осн. детектор окружают неск. вспомогательными детекторами. Осн. и вспомогат. детекторы включают в схему антисовпадений. Активная защита в виде пластмассового сцинтиллятора толщиной - 10 см внутри свинцовой защиты толщиной 15 см, с низкофоновым полупроводниковым детектором Ge(Li) позволила получить фон N_ф = 1,9·10^-2 импульсов на 1 кэВ на 1 см³ чувствит. объёма детектора (

= = 2 МэВ, t = 1000 ч).

Литература по радиометрии

Знаете ли Вы, как разрешается парадокс Ольберса?
(Фотометрический парадокс, парадокс Ольберса - это один из парадоксов космологии, заключающийся в том, что во Вселенной, равномерно заполненной звёздами, яркость неба (в том числе ночного) должна быть примерно равна яркости солнечного диска. Это должно иметь место потому, что по любому направлению неба луч зрения рано или поздно упрется в поверхность звезды.
Иными словами парадос Ольберса заключается в том, что если Вселенная бесконечна, то черного неба мы не увидим, так как излучение дальних звезд будет суммироваться с излучением ближних, и небо должно иметь среднюю температуру фотосфер звезд. При поглощении света межзвездным веществом, оно будет разогреваться до температуры звездных фотосфер и излучать также ярко, как звезды. Однако в дело вступает явление "усталости света", открытое Эдвином Хабблом, который показал, что чем дальше от нас расположена галактика, тем больше становится красным свет ее излучения, то есть фотоны как бы "устают", отдают свою энергию межзвездной среде. На очень больших расстояниях галактики видны только в радиодиапазоне, так как их свет вовсе потерял энергию идя через бескрайние просторы Вселенной. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

		Концентрация радионуклидов, ведущая к 10 мкЗв в 1 г эквив. дозе (в критич. группе), Бк/л, Бк/кг
Радионуклид	Объект

¹⁴С	Молоко	8
³⁵S	- " -	20
⁹⁰Sr+⁹⁰Y	- " -	0,3
¹³¹I	- " -	0,4
¹³⁴Cs	- " -	0,5
¹³⁷Cs	- " -	0,5
⁶⁰Co	Рыба	10
⁹⁰Sr+⁹⁰Y	- " -	3
¹³⁴Cs	- " -	4
¹³⁷Cs	- " -	5
⁶⁰Co	Панцирные животные (раки,.черепахи и др.)	200
¹⁰⁶Ru	- " -	200
¹³⁷Cs	- " -	70

		Интенсив-	Снижение фона
КЭВ	Радионуклид	ность линии,	защитой, во сколь-
		%	ко раз
238,59	²¹²Pb	45	330
351,99	²¹⁴Pb	36,7	2700
583,14	²⁰⁸Tl	30,96	630
609, 31	²¹⁴Bi	46,9	3600
911,2	²²⁸Ac	27	6600
1001,2	^234MPa	0,69	57
1120,29	²¹⁴Вi	15,3	11000
1178,21	⁶⁰Co	100	24
1238,11	²¹⁴Bi	6,05	2000
1332,47	⁶⁰Co	100	-
1460,75	⁴⁰K	10,5	16000
1620,62	²¹²Bi	1,43	1100
1764,5	²¹⁴Bi	16,1	5600
2614,47	²⁰⁸Tl	36	1800