Радиометрия

РАДИОМЕТРИЯ (от лат. radio - излучаю и греч. metreo-измеряю), регистрация с помощью радиометрич. приборов излучений, испускаемых ядрами радионуклидов. Основана на разл. эффектах взаимод. излучения с в-вом (ионизация, люминесценция, излучение Черепкова - Вавилова, образование треков в прозрачных средах, тепловое действие излучения, воздействие на фотографич. материалы и др.).

Радиометрич. приборы состоят из детекторов, в к-рых происходит преобразование энергии излучения в электрическую или др. сигналы, и регистрирующих устройств. Детекторы м. б. ионизационными, сцинтилляционными, трековыми и др., в зависимости от того, на каком из эффектов основано их действие. По агрегатному состоянию рабочего тела различают газонаполненные, жидкостные, твердотельные детекторы; по типу регистрируемого излучения-детекторы а-частиц, р-частиц, у-квантов, нейтронов.

Среди газонаполненных ионизац. детекторов в соответствии с характером процесса, обеспечивающего регистрацию излучения, различают ионизац. камеры, пропорциональные счетчики, счетчики Гейгера-Мюллера. В радиометрич. практике распространены счетчики Гейгера-Мюллера, поскольку в них под действием излучения возникают мощные электрич. импульсы, что снижает требования к регистрирующей аппаратуре. Простота конструкции и надежность способствовали их широкому распространению в 30-50-х гг. 20 в. В настоящее время они применяются гл. обр. в дозиметрии, а в радиохим. исследованиях постепенно вытесняются сцинтилляционными и полупроводниковыми детекторами. Связано это с тем, что счетчики Гейгера Мюллера позволяют отмечать лишь факт попадания ионизирующей частицы в счетчик, тогда как большинство др. детекторов (газонаполненных, жидкостных и твердотельных) дает возможность, кроме того, определять распределение по энергии регистрируемых частиц или квантов.

Сцинтилляционные детекторы основаны на регистрации люминесценции, вызываемой действием излучения на люминофоры, в к-рых энергия излучения преобразуется в световые вспышки (сцинтилляции). Люминофоры, используемые для этих целей, обычно наз. сцинтиллятора-ми. Используют твердотельные неорг. (Nal или Csl, активированный Т1) и орг. сцинтилляторы (антрацен, стильбен, сцинтилляц. пластмассы) и жидкие сцинтилляторы (р-ры 2,5-дифенилоксазола в толуоле, диоксане и др.). Широко развивается техника жидкостно-сцинтилляц. измерений, при к-рых препараты радиоактивных в-в вводятся (растворяются, эмульгируются и т.п.) непосредственно в жидкостно-сцинтилляц. смесь, что обеспечивает простоту приготовления препаратов, выгодные геом. условия измерений, исключает потери, связанные с ослаблением излучения. Аппаратура, предназначенная для жидкостно-сцинтилляц. измерений, позволяет также регистрировать излучение Черепкова - Вавилова, возбуждаемое в прозрачных средах высо-коэнергетич. р-частицами (пороговая энергия для возбуждения этого излучения в воде составляет 0,267 МэВ).

Полупроводниковые детекторы основаны на том, что регистрируемая частица, проникая в кристалл, генерирует в нем дополнит. (неравновесные) электронно-дырочные пары. Носители заряда (электроны и дырки) под действием приложенного электрич. поля "рассасываются", перемещаясь к электродам прибора. В результате во внеш. цепи детектора возникает электрич. импульс, к-рый далее усиливается и регистрируется.

Важная характеристика детектора-его эффективность, т.е. вероятность регистрации частиц или квантов, попадающих в чувствит. объем детектора. При регистрации g-квантов она может составлять от долей процента (для счетчиков Гейгера - Мюллера или полупроводниковых детекторов сравнительно небольшого объема) до ~ 100% для сцинтилляц. детекторов с неорг. сцинтилляторами достаточно больших размеров. Для а-частиц и высокоэнергетич. р-частиц эффективность большинства совр. детекторов близка к 100%. Эффективность жидкостно-сцинтилляц. детекторов при регистрации р-частиц трития с макс. энергией всего 18 кэВ достигает 56-60%.

Излучение радиоактивного препарата регистрируется в виде числа импульсов N, зафиксированных детектором за время t. Скорость счета импульсов в единицу времени J = N/t и радиоактивность а препарата связаны соотношением: J = fа, где f-коэф., учитывающий эффективность регистрации, а также особенности схемы распада исследуемого радионуклида, поправки на геом. условия измерения, ослабление излучения в стенках детектора и самоослабление в слое препарата и т. п. Для решения мн. радиохим. задач достаточно проведения сравнит. измерений, когда не нужно определять радиоактивность препарата, а можно лишь сравнить активность препарата с активностью эталона или стандарта, определенной в идентичных условиях (при постоянном ф).

Выбор детектора для регистрации радиоактивных излучений производят на основе критерия качества (КК) (коэф. качества, критерия надежности). Значение КК обратно пропорционально времени t, необходимому для получения результата с заданной погрешностью: КК = 1/t ~ e² /Ф, где e - эффективность регистрации излучения, а Ф-фон прибора. Т. к. в большинстве совр. приборов эффективность регистрации корпускулярного излучения (a- и b-частиц) близка к теоретически достижимому пределу, повышение КК определяется возможностью подавления фона детектора, к-рый обусловлен регистрацией космич. излучения, внеш. излучения от радионуклидов, содержащихся в окружающей среде (воздух, строит. материалы, грунт), и радиоактивных загрязнений в конструкц. материалах, из к-рых изготовлен детектор; фон связан также с нек-рыми процессами в самом детекторе ("ложные" импульсы в счетчиках Гейгера-Мюллера, шумы фотоэлектронных умножителей в сцинтилляц. детекторах и т. п.). Для снижения фона детектор помещают в "пассивную" защиту из тяжелых материалов (свинец, чугун и т. п.), экранирующую детектор от внеш. у-излучения и ослабляющую мягкую компоненту космич. излучения. Для подавления главной на уровне моря составляющей космич. излучения - мюонной - применяется т. наз. активная защита-дополнит. детектор, окружающий основной и включенный с ним в спец. схему антисовпадений. При этом исключается регистрация импульсов осн. детектора, совпадающих по времени с импульсами, регистрируемыми детектором активной защиты (такие совпадающие импульсы как раз и обусловлены в осн. прохождением мюонов одновременно через оба детектора).

При регистрации у-квантов часто приходится выбирать между эффективностью регистрации и разрешающей способностью детектора по энергии. Так, эффективность регистрации сцинтилляц. детекторами больших размеров с неорг. сцинтилляторами может приближаться к 100%, но разрешающая способность их сравнительно низка (7-10%). В то же время совр. полупроводниковые детекторы на основе Ge обладают гораздо лучшей разрешающей способностью, но эффективность их составляет обычно доли процента. Ведутся интенсивные поиски полупроводниковых материалов для более эффективной регистрации у-излучения.

Измерение излучений, обладающих сравнительно Малыми пробегами, с помощью внеш. детекторов (расположенных вне исследуемого препарата) предъявляет жесткие требования к детектору, к-рый должен обеспечивать миним. потери, связанные с геом. условиями измерения и с ослаблением излучения на пути между препаратом и детектором. Важно также, чтобы при приготовлении препаратов обеспечивалось снижение потерь, связанных с самоослаблением излучения в слое самого препарата, равномерность нанесения препарата на подложку и т.п.

Совр. радиометрич. приборы позволяют автоматически выполнять измерения сотен радиоактивных препаратов по заданной программе с обработкой результатов измерений с помощью ЭВМ.

Лит.. Сидоренко В. В., Кузнецов Ю. А., Оводенко А. А., Детекторы ионизирующих излучений. Справочник, Л., 1984; Ляпидевский В. К., Методы детектирования излучений, М., 1987. Ю.А. Сапожников.