plik

Ochrona radiologiczna – DETEKTORY PROMIENIOWANIA JONIZUJĄCEGO

22 października 2013

1 |

S t r o n a

Detektory promieniowania jonizującego

1. Promieniowanie jonizujące można wykrywać jedynie metodami pośrednimi.
2. Detektory promieniowania jonizującego rejestrują zmianę energii promieniowania na formę

mierzalną (reakcje chemiczne, światło, prąd elektryczny, ciepło).

3. Najwcześniejsze metody detekcji pojedynczych cząstek promieniowania jonizującego

polegały na obserwowaniu błysków świetlnych (tzw. scyntylacji) powstających w krysztale np.
blendy cynkowej lub diamentu pod wpływem bombardowania cząsteczkami alfa.

4. Rejestrację błysków przeprowadzano metodą wzrokową, za pomocą lupy. Ponieważ efekty

świetlne w tego typu ekranach scyntylacyjnych były zbyt słabe dla cząsteczek beta można
było nimi rejestrować, prócz wymienionych cząsteczek alfa co najwyżej protony. Dzięki tej
metodzie uzyskano podstawowe wiadomości dotyczące jądra atomowego.

5. Cząstki promieniowania mogą powodować powstawanie błysków świetlnych w niektórych

kryształach oraz jonizację gazów przez które przechodzą. Zjawisko to zostało wykorzystane
przez Rutherforda i Geigera w przyrządzie opisanym po raz pierwszy w 1908 roku. Był to tzw.
licznik jonizujący dla cząsteczek alfa.

Rodzaje detektorów

Ze względu na szybkość uzyskiwanych informacji rozróżnia się:

 detektory pasywne - zbierające informacje o przejściu wielu cząstek (wymagają dodatkowej

obróbki)

 detektory aktywne - w których informacja o przejściu cząstki pojawia się w postaci impulsu

elektrycznego natychmiast

Do detektorów pasywnych należą:

 emulsje jądrowe ;

 klisze rentgenowskie ;

 detektory luminescencyjne ;

 detektory dielektryczne ;

 detektory aktywacyjne ;

 detektory chemiczne ;

 Detektory pasywne są stosowane do pomiaru silnego promieniowania i w trudno dostępnych

miejscach (wnętrze reaktorów jądrowych, przestrzeń kosmiczna).

Ochrona radiologiczna – DETEKTORY PROMIENIOWANIA JONIZUJĄCEGO

22 października 2013

2 |

S t r o n a

Do detektorów aktywnych zalicza się:

1.  Detektory  gazowe  zbudowane  ze  zbiornika  ze  specjalnym  gazem  i  elektrod,  do  których  jest
podłączone  wysokie    napięcie;  wytworzone  pole  elektryczne  powoduje  dryf  elektronów,
a w konsekwencji powstanie impulsu elektrycznego. Należą do nich:

 licznik Geigera – Müllera ;

 komora jonizacyjna ;

 komora proporcjonalna (licznik proporcjonalny) ;

 komora wielodrutowa (zazwyczaj komora proporcjonalna) ;

 komora iskrowa ;

 komora dryfowa .

2. Detektory półprzewodnikowe - podstawowym elementem jest złącze p-n spolaryzowane
w kierunku zaporowym,

3. licznik scyntylacyjny,

4. licznik Czerenkowa ,

5. Detektory promieniowania przejścia ,

6. Detektory kalorymetryczne (kalorymetry) ,

7. Grupa pośrednia .

Detektor

to urządzenie, którego działanie oparte jest na zjawiskach jonizacji zachodzącej

w gazach, cieczach i ciałach stałych.

Ochrona radiologiczna – DETEKTORY PROMIENIOWANIA JONIZUJĄCEGO

22 października 2013

3 |

S t r o n a

Dozymetry składają się z trzech głównych części:

• Detektora promieniowania (podstawowy element)

• Właściwego urządzenia pomiarowego

• Zasilacza

Detektory impulsowe

Kwanty lub cząsteczki jonizujące wytwarzają w detektorze krótkie impulsy elektryczne, ponieważ
posiadają one mała amplitudę należy je odpowiednio wzmocnić oraz znormalizować (wzmacniacz +
układ formujący)

Detektory prądowe

Jonizacja powoduje stały przepływ prądu. Ponieważ bezpośredni pomiar małego prądu jest bardzo
trudny, wzmacnia się go do wielkości mierzalnej przy pomocy zwykłego mikroamperomierza.

Ze względu na czynnik roboczy detektory promieniowania jądrowego można podzielić na:

Gazowe:

komora jonizacyjna, licznik proporcjonalności, licznik Geigera – Müllera, komora dryfowa,

komora Wilsona, komora iskrowa, komora pęcherzykowa

Oparte na ciele stałym:

detektor scyntylacyjny (detektory z scyntylatorami organicznymi i

nieorganicznymi opartymi na kryształach np. NaI, CsI, ZnS)

Detektor półprzewodnikowy:

detektor Czerenkowa, płyta fotograficzna (emulsja jądrowa).

Ochrona radiologiczna – DETEKTORY PROMIENIOWANIA JONIZUJĄCEGO

22 października 2013

4 |

S t r o n a

Detektory gazowe

1. Są to detektory cząstek naładowanych, w których materiałem roboczym jest gaz.
2. Cząstka naładowana przechodząc przez gaz jonizuje go - odrywa elektrony od atomów.

Elektrony następnie docierają do anody, co powoduje wytworzenie sygnału elektrycznego
rejestrowanego w elektronicznym systemie detekcji. Napięcie, przy którym zachodzi to
zjawisko nazywamy napięciem nasycenia. W jego obszarze pracuje komora jonizacyjna.

3. Większość detektorów gazowych wykorzystuje mechanizm wzmocnienia gazowego -

powielenia pierwotnych elektronów w silnym polu elektrycznym.

4. Detektory gazowe charakteryzuje stosunkowo niewielka gęstość, dzięki czemu w małym

stopniu zaburzają tor lotu cząstek.

Komora jonizacyjna

Jest  to  jeden  z  najprostszych  detektorów  jonizacyjnych.  Jest  kondensatorem  gazowy,  do  którego
okładek przyłożone  jest niezbyt wysokie  napięcie  (50-500 V), tak by nie  spowodować wzmocnienia
gazowego.  Napięcie  nie  może  też  być  zbyt  niskie,  ponieważ  elektrony  i  jony  dodatnie  ulegałyby
rekombinacji. Cząstka  jonizująca  przechodząca  przez  komorę  jonizuje  gaz.  Powstałe  w  ten  sposób
ładunki dryfują wzdłuż linii sił pola elektrycznego - elektrony do anody, jony dodatnie do katody. Po
dotarciu do elektrod ładunki powodują przepływ prądu, który jest następnie rejestrowany.

Zastosowanie komór jonizacyjnych

 Pomiar aktywności preparatów alfa, beta i gamma-promieniotwórczych

 Dawkomierze promieniowania X i gamma

 Wzorcowe komory powietrzne do pomiarów bezwzględnych opartych na jednostce rentgen

 Przyrządy do pomiarów spektrometrycznych

 Detektory promieniowania neutronowego

 Aparaty do kontroli skażeń

 sygnał wyjściowy proporcjonalny do energii cząstki (identyfikacja energii oraz rodzaju cząstki)

 detekcja silnego promieniowania >10keV

 okienko dla cząstek alfa oraz beta

 wykorzystywanym ośrodkiem jest powietrze

 skonstruowana z równoległych płyt bądź z cylindra i umieszczonej wewnątrz elektrody

 możliwość detekcji neutronów

Ochrona radiologiczna – DETEKTORY PROMIENIOWANIA JONIZUJĄCEGO

22 października 2013

5 |

S t r o n a

Liczniki proporcjonalne

     Są  to  gazowe  detektor  promieniowania  jonizującego  pracujące  w zakresie  napięć,  dla  których
występuje  zjawisko wzmocnienia gazowego,  czyli  proporcjonalnego  wzrostu  ładunku  docierającego
do elektrody względem ładunku jonizacji pierwotnej. Zjawisko to występuje wokół anody wykonanej
z cienkiego  napiętego  drutu,  wokół  którego  wytwarzane  jest  silne  pole  elektryczne.  Elektrony
przyspieszane  w  polu  elektrycznym  osiągają  energię  wystarczającą  do  wywołania  jonizacji  wtórnej.
Jeden elektron powoduje  powstanie  lawiny elektronów  wtórnych, jonów  dodatnich i pewnej  liczby
wzbudzonych  atomów  i  cząsteczek.  Maksymalna  wartość  współczynnika  wzmocnienia  zależy  od
właściwości gazu oraz od gęstości jonizacji pierwotnej.

Zastosowanie liczników proporcjonalnych



Liczniki do pomiarów aktywności preparatów alfa, beta i gamma-promieniotwórczych



Liczniki do pomiarów spektrometrycznych promieniowania X



Detektory promieniowania neutronowego

Ochrona radiologiczna – DETEKTORY PROMIENIOWANIA JONIZUJĄCEGO

22 października 2013

6 |

S t r o n a

Licznik Geigera-Müllera

Jest to kondensator cylindryczny wypełniony gazem szlachetnym z domieszką gazów
wieloatomowych (argon, neon). Katodę stanowią zewnętrzne ścianki, anodę cienki drut wykonany z
wolframu przebiegający w osi symetrii.

Wokół  anody  istnieje  silne,  niejednorodne  pole  elektryczne  wywołane  przyłożonym  napięciem.
Pojawienie się w tym obszarze swobodnego elektronu w wyniku przejścia cząstki jonizującej inicjuje
wyładowanie elektryczne. Ilość wytworzonych podczas wyładowania elektronów swobodnych zależy
wyłącznie  od  parametrów  detektora,  nie  zależy  od  energii  cząstki,  która  wywołuje  jonizację.
Wyładowanie  jest  gaszone  dzięki  domieszkom  wieloatomowych  cząstek  organicznych  lub  poprzez
obniżenie napięcia.



liczba elektronów jest niezależna od napięcia na elektrodach



identyfikacja rodzaju promieniowania jest niemożliwa



dostarcza informacji jedynie o ilości cząstek



dodatnie jony gromadzące się przy jednej z elektrod powodują spadek napięcia (a tym
samym natężenia pola)



ograniczony czas działania z uwagi na degradacje gazu



duża czułość, możliwość detekcji słabego promieniowania



prosty układ zliczający

Liczniki GM rejestrują tylko fakt przejścia cząstki, natomiast nie udzielają informacji o energii, czy też
rodzaju przechodzącej cząstki. Stosuje się je w prostych układach detekcyjnych, do rejestracji
promieniowania alfa i beta, beta i gamma lub tylko gamma.

Zastosowanie liczników GM



Liczniki do pomiarów aktywności preparatów alfa, beta i gamma-promieniotwórczych



Liczniki promieniowania X



Układy monitorowe

Ochrona radiologiczna – DETEKTORY PROMIENIOWANIA JONIZUJĄCEGO

22 października 2013

7 |

S t r o n a

Detektory scyntylacyjne

Zbudowane są z:

scyntylatora (w którym cząstka promieniowania jonizującego wywołuje luminescencje),

fotopowielacza (zamieniającego błysk światła w sygnał elektryczny)

światłowodu (doprowadzającego błysk scyntylacji do fotopowielacza) oraz układu rejestracji
sygnału

1. Ze względu na budowę można podzielić na trzy części: scyntylator, w którym padające

promieniowanie  jonizujące  powoduje  przejście  elektronów  do  stanu  wyższego,  a  następnie
przy  przejściu  elektronów  do  stanu  niższego  następuje  emisja  fotonu  z  pasma  światła
widzialnego. Następnie foton ten trafia na fotokatodę powodując powstanie elektronów. Te
przyspieszane  polem elektrycznym trafiają na kolejne dynody. Na każdej z dynod następuje
powielenie elektronów. Typowy układ składa się z 15 dynod.

2. Wzmocnienie sygnału może dochodzić do 106 razy (lub nawet więcej). Różnica potencjałów

pomiędzy kolejnymi dynodami wynosi od 80 do 120 V.

3.  Absorpcja promieniowania w scyntylatorze powodująca wzbudzenie i jonizację.
4.  Przetwarzanie rozproszonej energii na energię świetlną (luminescencja).
5.  Przejście fotonów świetlnych do fotokatody powielacza fotoelektronowego.
6.  Absorpcja fotonów światła na powierzchni fotokatody i emisja fotoelektronów.
7.  Zwielokrotnienie elektronów we wnętrzu fotopowielacza.
8.  Analiza impulsu prądowego.

Ochrona radiologiczna – DETEKTORY PROMIENIOWANIA JONIZUJĄCEGO

22 października 2013

9 |

S t r o n a

Zastosowanie scyntylatorów

• liczniki cząstek alfa, beta, gamma i neutronów

• pomiar widm energetycznych badanego promieniowania

• Pomiary wielkości absorbowanej energii promieniowania (dozymetria)

Porównanie licznika GM i scyntylatora

 Zalety scyntylatorów:

praca przy większej częstotliwości impulsów i krótszym czasem rozdzielczym

duża gęstość oraz duża absorpcja a w rezultacie duża wydajność

zdolność rozróżniania dużej liczby typów promieniowania, przydatność do pomiarów energii
cząstek oraz różnorodność kształtów i wymiarów detektora

 Zalety liczników GM:

Tańsze

Wymagają mniej dokładnej stabilizacji napięcia

Ochrona radiologiczna – DETEKTORY PROMIENIOWANIA JONIZUJĄCEGO

22 października 2013

10 |

S t r o n a

Detektory półprzewodnikowe

To elektroniczne (czynne) detektory promieniowania jonizującego zbudowane z materiału
półprzewodnikowego (półprzewodniki). Detektor półprzewodnikowy jest dużą diodą spolaryzowaną
zaporowo.

• Liczniki półprzewodnikowe w swoim działaniu przypominają komory jonizacyjne.

• Różnica polega na tym, ze nie powstają w nich pary elektron-jon, lecz pary elektron-dziura.

• Dużą zaletą liczników półprzewodnikowych jest ich duża dokładność oraz rozdzielczość

energetyczna.

• Dzięki temu możliwe jest bardzo dokładne rozróżnienie energii cząstek.

Ochrona radiologiczna – DETEKTORY PROMIENIOWANIA JONIZUJĄCEGO

22 października 2013

11 |

S t r o n a

Detektory śladowe

Komora Wilsona (mgłowa)

Działanie  komory  mgłowej  oparte  jest  na  właściwości  skraplania  się  cząsteczek  pary  nasyconej
i przesyconej. W idealnie czystym gazie para nie ulega skropleniu pomimo uzyskania stanu nasycenia,
a  nawet  uzyskania  temperatury  niższej  od  temperatury  nasycenia.  Kondensacja  następuje  tylko  na
centrach  kondensacji,  którymi  są  cząsteczki  pyłów  lub  jony.  W  komorze  Wilsona  nie  ma  pyłów,
dlatego skraplanie następuje tylko na jonach powstałych w wyniku jonizacji pary wzdłuż toru przelotu
cząstki jonizującej. Powstałe  w  ten sposób krople cieczy tworzą charakterystyczne  ślady i mogą być
obserwowane lub fotografowane.

Komora iskrowa

Obserwowane  są  w  niej  wyładowania  wzdłuż  toru  cząstki.  Wygaszanie  wyładowań  przez  obniżenie
napięcia (ogromny czas martwy) Komorę iskrową stosuje się praktycznie wyłącznie do demonstracji
dla  szerokiej  publiczności  (pokazy  promieniowania  kosmicznego)-bardzo  efektowny  detektor
"multimedialny".