Як вимірюють радіацію

Ризик отримати підвищену дозу радіоактивного опромінення не входить до ТОП-5 страхів українців. Там традиційно домінують страх втрати роботи, тривога за здоров'я близьких через хвороби, у тому числі новий тренд – боязнь захворіти на коронавірус і ускладнень після нього.
Тим більше, що радіація йде далі в далеку скриньку з кожним роком, після Чорнобильської катастрофи. Ця тема практично зникла із інформаційного поля.
Але все ж таки, нехай не часто, але зрідка в ЗМІ потрапляють подібні новини:

• на кордоні затримано іноземця, який намагається вивести радіоактивний годинник;
• на ринок міста… незаконно намагалися провести радіоактивну чорницю;
• партнер відмовився закупити партію металобрухту, оскільки дозиметричний контроль показав підвищений рівень випромінювання.

А є вона таки радіація навколо нас. Проблема в тому, що помацати, понюхати її неможливо. Наші органи відчуття пасують і здаються перед невидимим ворогом, який може привести на лікарняне ліжко, скоротити роки життя, а то й загрожує летальним результатом при тривалому впливі.

Як виміряти радіацію

Але як допомогти нам своєчасно виміряти радіацію? Потрібні пристрої, щоб розширити наші можливості. Які здатні здійснити операцію перетворення невидимих променів у візуальне відображення. Не просто відображення, а бажано у вигляді цифр, якими можна оперувати.

Причому якщо йдеться про побутові дозиметри, що вимірюють гамма, бета-випромінювання, накопичену дозу, не потрібна надвисока точність (що в рази збільшує ціну і робить недоступною покупку для пересічних громадян), а достатньо розуміти буквально пару цифр, для чого достатньо прочитати інструкцію, ну і потренуватися кілька разів, щоб набути необхідних навичок.
Ми вже говорили про процедуру перетворення. Вона може бути різною:

1. Деякі речовини починають світитися під впливом радіоактивних випромінювань.
2. Фотографічні платівки засвічуються.
3. Хімічні розчини змінюють колір.

Важливе зауваження! “Помітити” (зафіксувати, порахувати) окрему радіоактивну частинку неможливо. Йдеться про середню сукупність зареєстрованих частинок за одиницю часу. Чим довше цей період, тим точніше буде результат. Звичайно ж грає велике значення різновид лічильника, насамперед його чутливість, розміри, конструктивні особливості.
Історично так склалося, що найпопулярнішим методом уже протягом 100 років є здатність радіоактивних випромінювань іонізувати гази. Давайте розбиратись, чим же виміряти радіацію.

Найпростіший лічильник радіації

Його можна зібрати самостійно, якщо в скляну посудину або навіть пластмасову коробку помістити пару металевих пластин, до яких потрібно підвести постійну напругу від випрямляча (наприклад, діодного моста), максимальна межа повинна бути не менше ніж 400 В. У ланцюг включається міліамперметр.

Повітря між пластинами є хорошим діелектриком і струм в ланцюгу відсутній. Але це до тих пір, поки немає заряджених іонів, які з'являються під дією радіоактивного випромінювання. Якщо під дією останнього з молекул повітря "вибиваються" електрони, то позитивні іони починають рухатися до негативної пластини і навпаки. Отже починає текти струм. А найголовніше – що встановлено залежність між радіацією та електричною величиною. Так, ми ще нічого не порахували і не перевели до цифри. Але у нас є датчик, а решта як кажуть – справа техніки.
Сила струму залежить від двох факторів: потужності випромінювання радіації та від напруги, що прикладається до пластин. Якщо до ланцюгу додатково ввести реостат, який дозволив би регулювати напругу від 0 до 400В і побудувати графік (за умови постійного радіоактивного випромінювання) залежності струму від напруги, то виявимо нелінійну залежність на нашій вольт-амперній характеристиці. Чому?

На ділянці 0-А сила струму зростає лінійно напрузі на пластинах. Це відбувається тому, що час життя іона невеликий і при малій напрузі, частина з іонів не встигає досягти пластин, в дорозі відбуваються зіткнення з іонами протилежного знака, як наслідок – рекомбінація, тобто. перетворення на нейтральні атоми. Ці іони не беруть участь у збільшенні сили струму, і вона залишається невеликою.
Зі зростанням різниці потенціалів, все більше іонів досягає пластин, не рекомбінуючи на своєму шляху і збільшують силу струму.
А ось на ділянці Б спостерігається плато, коли напруга зростає, а струм не зростає. Це так званий стан насичення. Всі іони, утворені від дії радіоактивних променів, досягають пластин і образно кажучи вже немає ресурсу, щоб збільшити струм.
Але це ще не кінець графіка! А значить, ресурс все-таки є.
Здавалося б, що може збільшити струм насичення? Але набуває чинності інший фізичний ефект.
При подальшому збільшенні напруги починається таке явище як газовий розряд. Іони мають таку енергію, що потрапляючи в атоми, розбивають їх на пару іонів. Останні своєю чергою роблять те саме. Це вибухова чи миттєва іонізація.
Розглянутий датчик радіації, звичайно, є примітивним. Але дозволяє зрозуміти, як нам можна "зловити" та виміряти радіацію.
Промислові детектори, які вбудовуються в дозиметричних приладах для точного вимірювання рівня радіації, містять іонізаційну камеру.
Що це таке ?
Це заповнена повітрям коробка, стінки якої покриті графітом і є першим електродом. Усередині встановлено другий Т-подібний електрод

Іонізаційні камери функціонують в інтервалі напруги "плато" – на графіку вище.
Причому іонізаційний струм значною мірою залежить від об'єму камери. Чим вона більша, тим більше число іонів.
Для ще точніших підрахунків використовуються дозиметри на основі газорозрядних лічильників. Є позитивний електрод – нитка в центрі, виконана зі сплаву (нікелю, кобальту, заліза та добавками марганцю, кремнію та вуглецю).
Нитка оточена іншим циліндричним електродом – зі сталі завтовшки 50 мкм або скла з нанесеним мідним напиленням.

Герметично закрита ємність наповнюється аргоново-неоновою сумішшю з домішками хлору, брому або інших галогенів, або високоатомних спиртів, які добре поглинають гама кванти, тому зменшують кількість помилкових спрацьовувань за рахунок вторинних електронів, що вибиваються зі стінок лічильника радіації. Такі детектори також називають такими, що самі гаснуть.

Параметри лічильників

1. Швидкість рахунку. Кількість імпульсів (спалахів) за секунду. У лічильниках, що самогасяться, число може досягати 5 тис. в секунду.
2. "Мертвий" час. Це інтервал часу, коли позитивні та негативні іони встигають досягти "своїх" електродів. Якщо в іонізаційну камеру в цей момент потрапляє нова частка, її не буде зареєстровано, оскільки весь газ вже іонізований.
3. Коефіцієнт підсилення. Це величина, яка показує, у скільки разів збільшується початкова кількість іонів у процесі лавиноподібної іонізації. Може становити десятки тисяч.

Декілька видів лічильників радіації: СТС-2, СТС-5 (сталеві, що самі гаснуть), СІ-БГ, торцеві - МСТ-17.