Как измеряют радиацию

Риск получить повышенную дозу радиоактивного облучения точно не входит в ТОП-5 страхов украинцев. Там традиционно доминируют страх потери работы, тревога за здоровье близких из-за болезней, в том числе новый тренд – боязнь заболеть коронавирусом и осложнений после него.
Тем более что, радиация уходит все дальше в далекий ящик с каждым годом, после Чернобыльской катастрофы. Эта тема практически исчезла из информационного поля. 
Но все-таки, пусть не часто, но изредка в СМИ попадают подобные новости:

• на границе задержан иностранец, пытающийся вывести радиоактивные часы;
• на рынок города…  незаконно пытались провести радиоактивную чернику;
• партнер отказался закупить партию металлолома, поскольку дозиметрический контроль показал повышенный уровень излучения.

А есть она все-таки радиация вокруг нас. Проблема в том, что пощупать, понюхать, ее невозможно. Органы чувствуют пасуют и сдаются перед невидимым врагом, который может привести на больничную койку, сократить годы жизни, а то и чреват летальным исходом при продолжительном воздействии.

Как измерить радиацию

Но как помочь нам своевременно измерить радиацию ? Нужны приборы, чтобы расширить наши возможности. Которые способны осуществить операцию преобразования невидимых лучей в визуальное отображение. Не просто отображение, а желательно в виде цифр, которыми можно оперировать.

Причем если речь идет о бытовых дозиметрах, измеряющих гамма, бета излучение, накопленную дозу, не нужна сверхвысокая точность (что в разы увеличивает цену и делает недоступной покупку для рядовых граждан), а достаточно понимать буквально пару цифр, для чего достаточно прочитать инструкцию, ну и потренироваться несколько раз, чтобы приобрести необходимые навыки.
Мы уже говорили про процедуру преобразования. Она может быть различной:

1. Под влиянием радиоактивных излучений ряд веществ начинают светиться.
2. Фотографические пластинки засвечиваются.
3. Химические растворы меняют цвет.

Важное замечание ! “Заметить” (зафиксировать, посчитать) отдельную радиоактивную частицу не возможно. Речь идет о средней совокупности зарегистрированных частиц за единицу времени. Чем дольше этот период времени, тем точнее будет результат. Конечно же играет большое значение и разновидность счетчика, прежде всего его чувствительность, размеры, конструктивные особенности.
Исторически так сложилось, что наиболее популярным методом уже на протяжении сто лет является способность радиоактивных излучений ионизировать газы. Давайте выяснять, чем же измерить радиацию.

Простейший счетчик радиации

Его можно собрать самостоятельно, если в стеклянный сосуд или даже коробку из пластмассы поместить пару металлических пластин, к которым нужно подвести постоянное напряжение от выпрямителя (например диодного моста), максимальный предел должен быть не менее чем 400 В. В цепь включается миллиамперметр.

Воздух между пластинами является хорошим диэлектриком и ток в цепи отсутствует. Но это до тех пор, пока нет заряженных ионов, которые и появляются под действием излучения радиации. Если под действием последнего из молекул воздуха "выбиваются" электроны, то положительные ионы начинают двигаться к отрицательной пластине и наоборот. Следовательно начинает течь ток. А самое главное – что установлена зависимость между радиацией и электрической величиной. Да, мы еще ничего не посчитали и не перевели в цифру. Но у нас есть датчик, а остальное как говорится – дело техники.
Сила тока зависит от двух факторов: мощности радиоактивного излучения и от напряжения, прикладываемого к пластинам. Если в цепь дополнительно ввести реостат, который помог бы плавно регулировать напряжение от 0 до 400В и построить график вольт-амперной характеристики (при условии постоянного радиоактивного излучения), то выявим нелинейную зависимость. Почему ?

На участке 0-А, сила тока возрастает линейно, пропорционально разности потенциалов на пластинах. Это происходит потому, что время жизни иона невелико и при малом напряжении, часть из них не успевает достигнуть пластин, в пути происходят столкновения с ионами противоположного знака, как следствие – рекомбинация, т.е. превращение в нейтральные атомы. Эти ионы не участвуют в увеличении силы тока и она остается небольшой.
С ростом разности потенциалов, все большее число ионов достигает пластин, не рекомбинируя на своем пути и увеличивают силу тока.
А вот на участке Б наблюдается плато, когда напряжение растет, а ток не увеличивается. Это так называемое состояние насыщения. Все ионы, образованные от действия радиоактивных лучей, достигают пластин и образно говоря уже больше нет ресурса, чтобы увеличить ток.
Но это еще не конец графика ! А значит ресурс все-таки есть.
Казалось бы, что может увеличить ток насыщения ? Но вступает в действие другой физический эффект.
При дальнейшем увеличении напряжения, начинается такое явление как газовый разряд. Ионы обладают такой энергией, что попадая в атомы, разбивают их на пару ионов. Последние в свою очередь делают то же самое. Это взрывная или мгновенная ионизация.
Рассмотренный датчик радиации конечно является примитивным. Но позволяет понять, как нам можно "поймать" и измерить радиацию.
Промышленные детекторы, которые встраиваются в дозиметрических приборах для точного измерения уровня радиации, содержат ионизационную камеру.
Что это такое ?
Это заполненная воздухом емкость, стенки которой покрыты графитом и служат первым электродом. Внутри установлен второй Т-образный электрод

Ионизационные камеры функционируют в интервале напряжений "плато" – на графике выше.
Причем ионизационный ток в значительной мере зависит от объема камеры – чем она больше, тем больше число ионов.
Для еще более точных подсчетов используются дозиметры на основе газоразрядных счетчиков. Присутствует положительный электрод – нить в центре, выполненная из ковара (сплав никеля, кобальта, железа и добавками марганца, кремния и углерода).
Нить окружена другим цилиндрическим электродом – из стали толщиной 50 мкм или стекла с нанесенным медным напылением.

Герметически закрытая емкость наполняется аргоново-неоновой смесью с примесями хлора, брома или других галогенов, или высокоатомных спиртов, которые отлично поглощают гамма кванты, поэтому уменьшают число ложных срабатываний за счет вторичных электронов, выбиваемых со стенок счетчика радиации. Такие детекторы также называют самогасящимися.

Параметры счетчиков

1. Скорость счета. Число импульсов (вспышек) за секунду. В самогасящихся счетчиках число может достигать 5 тыс. в секунду.
2. "Мертвое" время. Это интервал времени, когда положительные и отрицательные ионы успевают достичь "своих" электродов. Если в ионизационную камеру в этот момент попадает новая частица, она не будет зарегистрирована, поскольку весь газ уже ионизирован.
3. Коэффициент усиления. Это величина, которая показывает, во сколько раз увеличивается первоначальное число ионов в процессе лавинообразной ионизации. Может составлять десятки тысяч.

Несколько видов счетчиков радиации: СТС-2, СТС-5 (стальные, самогасящиеся), СИ-БГ, торцовые - МСТ-17.