webdonsk.ruСцинтилляционный кристалл своими руками
Добавил пользователь Alex Обновлено: 31.08.2024
Сцинтилляционные кристаллы являются основой для создания сцинтилляционных счетчиков с фотоэлектронными умножителями ( ФЭУ), рентгеновских электронно-оптических преобразователей ( РЭОП) и других устройств для преобразования ионизирующих излучений в видимое изображение. Поскольку толщина кристаллов может быть сделана достаточно большой, эффективность регистрации излучения с их помощью повышается. Поэтому по сравнению с флуоресцирующими экранами и с фотопленкой сцинтиллирующие кристаллы имеют более высокую эффективность преобразования излучения, повышенную разрешающую способность по интенсивности излучения и быстродействие. [1]
Сцинтилляционные кристаллы представляют собой монокристаллы неорганического ( щелочно-галоидные) и органического ( антрацен) происхождения с различными активаторами. Принцип действия сцинтилляционных кристаллов основан на способности люминофоров светиться кратковременными вспышками ( порядка 100 МКС. Кристаллы Csl имеют меньшую яркость свечения, чем кристаллы Nal, при воздействии на них одинаковыми дозами излучения одной энергии. [2]
Органические сцинтилляционные кристаллы используются главным образом для регистрации и спектрометрии электронов. Преимуществом здесь обладает антрацен благодаря большому световыходу. Они ( в первую очередь торокс-стильбен) применяются также дл раздельной регистрации быстрых нейтронов и - излучения. Достоинством n - терфенила является его сравнительно высокая ( для органических сцинтилляторов) температура плавления. [3]
Сцинтилляционный кристалл Nal ( Tl) или CsI ( Tl) должен иметь большие размеры, чтобы площадь под пиком полной энергии превышала площадь под непрерывным распределением. [4]
Установки со сцинтилляционными кристаллами могут обеспечить относительную чувствительность к изменению толщины контролируемого объекта на уровне десятых долей процента. Для того чтобы просветить всю зону, подлежащую контролю, осуществляют сканирование изделия пучком излучения. Для этого либо одновременно перемещают источник и детектор излучения при неподвижном изделии, либо перемещают изделие между неподвижными источником и детектором. [6]
К ним относятся флуороскопический экран, сцинтилляционный кристалл , электронно-оптический преобразователь и электролюминесцентный экран, из которых два последних являются одновременно и усилителями яркости изображения. Для преобразования рентгеновских излучений в электрические сигналы служит рентген-видикон. [7]
Наилучшая чувствительность была получена при использовании сцинтилляционного кристалла NaJ ( Tl) с колодцем в сочетании с фотоумножителем с диаметром трубки 5 см. Сигнал фотоумножителя после прохождения через предусилитель попадает на пересчетное устройство с пороговой чувствительностью 10 мв. При этих условиях образцы америция-241, приготовленные нижеописанным способом, имеют удельную активность примерно 2 106 гамма-квантов в минуту на микрограмм америция, если на фотоумножитель подается высокое напряжение около 1000 в. Точное значение напряжения изменяется в зависимости от выбора фотоумножителя. Удельная активность плутония при этом напряжении составляет приблизительно 80 квантов в минуту на микрограмм. [8]
Гамма-камера простейшего типа имеет детектор, состоящий из небольших сцинтилляционных кристаллов йодистого натрия , каждый из которых ( или определенная группа их) имеет свой фотоумножитель, соединенный со своим усилителем и анализатором импульсов. Выходные импульсы с анализаторов регистрируются в зависимости от положения соответствующего фотоумножителя - на соответствующем месте экрана прибора или в запоминающем устройстве. Такое устройство в десять раз сокращает время, требуемое для обследования. [10]
В качестве детекторов мягкого - ( - излучения обычно применяют тонкие сцинтилляционные кристаллы Nal ( Tl) в сочетании с фотоумножителями, а также пропорциональные газовые счетчики. [11]
Прошедшие через поглотитель у-кван ты регистрируются детектором ( пропорциональный счетчик; сцинтилляционный кристалл с фотоэлектронным умножителем; полупроводниковые детекторы излучений), сигнал которого должен быть пропорционален энергии детектируемых частиц. [13]
В другом типе сцинтилляционной гамма-камеры ( рис. 120) применен один большой сцинтилляционный кристалл , который снабжен 19 фотоумножителями. [15]
Изделия сцинтилляционного детектора (4) _Введение основных характеристик сцинтиллятора
Один, неорганический сцинтиллятор
01, кристалл йодида натрия (NaI)
Кристаллы NaI представляют собой прозрачные монокристаллы. Существуют чистый NaI и активированный таллием NaI (TI). Часто используется активированный таллием. Он имеет высокую плотность и содержит йод с высоким атомным номером, поэтому фотоэлектрический эффект, эффект Комптона и эффект электронной пары имеют большое поперечное сечение, которое обладает большей способностью предотвращать гамма-излучение и рентгеновское излучение, а также эффективность обнаружения. В настоящее время он обнаруживает гамма-лучи. Лучший сцинтиллятор. Самым большим недостатком кристаллов NaI (TI) является то, что они легко распределяются: после поглощения влаги в воздухе они желтеют и портятся и не могут использоваться, поэтому их необходимо герметично закрывать.
02, кристалл йодида цезия (CsI)
Существует три типа кристаллов CsI: активированный таллием CsI (TI), активированный натрием CsI (Na) и чистый CsI. Его плотность и средний атомный номер больше, чем NaI (TI), поэтому коэффициент поглощения g-луча выше, эффективность обнаружения выше, и он не подходит для распухания. По сравнению с NaI (TI), обычно используемый CsI (TI) имеет более длительное время затухания люминесценции, а световая эффективность составляет менее половины NaI (TI), поэтому энергетическое разрешение не такое хорошее, как NaI (TI).
03, кристалл сульфида цинка (ZnS)
Кристалл ZnS представляет собой белый поликристаллический порошок, часто с использованием активированного серебром ZnS (Ag), который необходимо распылять на органическое стекло. Из-за плохой прозрачности и может быть только очень тонким, он не подходит для обнаружения электронов и гамма-фотонов. Он в основном используется для обнаружения альфа-частиц и тяжелых частиц с эффективностью обнаружения до 100%.
04, кристалл германата висмута (BGO)
Химическая формула кристалла германата висмута - Bi4Ge3O12, сокращенно BGO, не растекающийся, высокая плотность, анти-облучение, большой коэффициент поглощения g-излучения, высокая эффективность обнаружения, простота согласования спектра излучения с фотоэлектронным умножителем, это важный сцинтиллятор для физических экспериментов с высокой энергией один.
05, кристалл вольфрамата свинца (PWO)
Вольфрамат свинца представляет собой бесцветный и прозрачный кристалл, и его химическая формула представляет собой PbWO4, сокращенно PWO. Он не имеет распада, высокой плотности, защиты от облучения, большого коэффициента поглощения для g-луча, высокой эффективности обнаружения и простого согласования спектра излучения с фотоэлектронным умножителем, но самым большим недостатком является низкий световой выход.
06, кристалл фторида бария (BaF2)
BaF2 - быстрый кристалл, и время его затухания очень короткое. Это самый быстрый из известных сцинтилляционных кристаллов с длинами волн трех люминесцентных пиков: 195 нм, 220 нм и 310 нм, и соответствующие времена затухания люминесценции составляют 0,87, 0,88 и 600 нс соответственно. Он в основном используется для обнаружения рентгеновских и g-лучей.
07, кристалл силиката лютеция (LSO)
LSO - это новый тип неорганического сцинтиллятора с высокой силой света и быстрым откликом. В 1990 году Митчелл изобрел легированный церием силикат лютеция (Lu2 (SiO4) O: Ce), который является неорганическим сцинтилляционным кристаллом с высокой плотностью и высоким атомным номером. Он имеет быструю реакцию на время, высокий световой выход, сильные противорадиационные характеристики и отсутствие всплесков. Изготовленный им гамма-детектор особенно подходит для физики высоких энергий и ядерной медицины. Но его недостатком является то, что элемент лютеция обладает естественной радиоактивностью, которая вызывает сильный фон, и его трудно выращивать и он дорогой, что сильно ограничивает его применение.
08, кристалл иттрий-лютецийсиликата (LYSO)
LYSO имеет те же характеристики, что и LSO, но благодаря добавлению иттриевого элемента, который снижает сложность роста кристаллов и процесса производства, он считается наилучшим комплексным неорганическим сцинтилляционным материалом с широкими возможностями применения.
09, кристалл силиката иттрия (YSO)
Подобно LYSO, YSO (Ce) - это сцинтилляционный кристалл с превосходными характеристиками и без спонтанной радиоактивности. Его пик люминесценции составляет около 420 нм, что удобно для связи с ФЭУ и SiPM, но его время затухания люминесценции немного больше, чем LYSO, на несколько десятков наносекунд.
10. Гадолиний силикат (ГСО) кристалл
GSO и LSO - тяжелые кристаллы, которые не поддаются плавлению, и время их затухания люминесценции составляет 56 нс, что является хорошим кристаллом с быстрым откликом. Из-за высокой плотности ГСО и очень хорошего температурного эффекта, он использовался в ядерном каротаже.
11. Кристалл алюмината иттрия (YAP)
YAP - это кристалл, который не гниет и выглядит как стекло. Он имеет низкий эффективный атомный коэффициент и время затухания люминесценции всего 30 нс, что также является хорошим кристаллом с быстрым откликом.
12, кристалл иттрий-алюминиевого граната (YAG)
YAG - это сцинтилляционный кристалл с превосходными характеристиками, его центральная длина волны свечения составляет 550 нм, время затухания люминесценции составляет 75 нс, он не растекается и не устойчив к высоким температурам. Он может использоваться в экстремальных условиях.
13, кристалл LaBr3
Кристалл LaBr3 (Ce) обладает такими преимуществами, как высокий световой выход, хорошее энергетическое разрешение, короткое время затухания, малый нелинейный отклик и т. Д. Он может найти широкое применение в международных антитеррористических и антитеррористических целях, контроле ядерных материалов, инспекции безопасности, энергетике, ядерной медицине, промышленных измерениях. , Нефтяные каротажи и другие месторождения.
14. Стеклянный сцинтиллятор
Основными преимуществами стеклянных сцинтилляторов являются простота изготовления, низкая стоимость, хорошая прозрачность, стабильные химические свойства, устойчивость к кислотам и щелочам, влагостойкость, устойчивость к высоким и низким температурам и короткое время затухания. Самым большим недостатком является его низкая световая эффективность. В настоящее время широко используемые стекла, легированные LiO2 или 10B, в основном используются для обнаружения нейтронов.
В следующей таблице приведены основные характеристики обычно используемых неорганических сцинтилляционных кристаллов:
Длина основного пика (нм)
Во-вторых, органический сцинтиллятор
Основными компонентами органических сцинтилляторов являются ароматические соединения, молекулы которых состоят из полимерных или бифенильных колец и делятся на четыре категории: органические кристаллы, пластиковые сцинтилляторы, сцинтилляционные оптические волокна и жидкие сцинтилляторы.
1, органический кристалл
Органические кристаллы включают антрацен, стильбен и терфенил. Время затухания люминесценции на 1-2 порядка меньше, чем у неорганических кристаллов, что обеспечивает возможность обнаружения быстрых и высокопроизводительных заряженных частиц. Но недостатком является то, что приготовление органических кристаллов затруднено и трудно получить крупные кристаллы. Его механические характеристики, температурные характеристики и характеристики облучения являются относительно низкими, а цена дорогой, поэтому он не используется много. Среди них кристаллы антрацена и стильбена являются относительно используемыми.
Кристаллы антрацена имеют наибольшую световую отдачу в органических сцинтилляторах, но также менее половины NaI (TI), и время их затухания составляет около 30 нс, что является обычно используемым стандартным сцинтилляционным кристаллом.
Световой поток кристаллов стильбена небольшой, в 0,5 раза больше, чем у кристаллов антрацена. Однако время затухания люминесценции составляет всего 4,5 нс, что проще в приготовлении и очистке, а также является широко используемым стандартным сцинтилляционным кристаллом.
2. Пластиковый сцинтиллятор
Пластиковые сцинтилляторы могут измерять a, v, g, быстрые нейтроны, протоны, космические лучи и осколки деления. Он прост в изготовлении и может быть переработан в цилиндры, листы, прямоугольники, пленки и т. Д., А также может быть превращен в сцинтилляторы большой площади. Время затухания всего 1 ~ 3 нс, высокая прозрачность и хорошая светопропускная способность. Стабильная производительность, высокая механическая прочность, виброустойчивость, высокая термостойкость, влагостойкость, упаковка не требуется. Однако энергетическое разрешение низкое, и оно в основном используется для измерения интенсивности и счета, для измерения времени и экспериментов по быстрым совпадениям.
3. Мигающее волокно
Сцинтилляционное волокно представляет собой волокно с различными диаметрами, которое обрабатывается сцинтиллятором посредством определенного процесса и состоит из двух частей: части сердцевины (слой сердцевины) и части поверхностного покрытия (оболочка). Сцинтилляционное волокно может быть изогнуто в различные формы и может быть вытянуто в любую позицию в пространстве. Детектор, состоящий из него, обладает преимуществами хорошего пространственного разрешения, хорошего временного разрешения и защиты от излучения. Его предпочитают физики высоких энергий.
4. Жидкий сцинтиллятор
Преимущества жидкостных сцинтилляторов - короткое время затухания, хорошая прозрачность, простота приготовления и превосходные условия измерения сбора до телесного угла 4p. Недостатком является то, что существует определенная токсичность, на операцию следует обратить внимание.
И пластиковый сцинтиллятор, и жидкий сцинтиллятор состоят из растворителя, растворенного вещества и вещества, сдвигающего длину волны. Органическое твердое вещество или жидкость с хорошей прозрачностью в камере растворителя. Раствор представляет собой люминесцентное вещество. Устройство сдвига длины волны поглощает всю флуоресценцию, излучаемую люминесцентным веществом, и излучает световые волны, которые легче согласовать с фотоумножителем, тем самым улучшая светопропускание и эффективность сбора.
Три, газовый сцинтиллятор
Газовые сцинтилляторы обычно используют инертный газ, особенно гелий, аргон и ксенон. Его световая эффективность очень низкая, около одной десятой от NaI (TI), а время его распада составляет около 10 нс. Газовые сцинтилляторы используются многими способами, такими как пропорциональные камеры сцинтилляции газа.
[1] Метод эксперимента по ядерной физике
[2] Технология обнаружения частиц и сбор данных
Нажмите, чтобы прочитать оригинальный текст, чтобы узнать больше захватывающих
Кристаллы-сцинтилляторы являются главным элементом многих детекторов ионизирующего излучения, которые широко используются в практических приложениях – от геологоразведки до экологии (радиационный контроль) и медицины (ранняя диагностика онкозаболеваний).
Но наиболее значимое применение сцинтилляторы находят в физике элементарных частиц и в ядерной физике. Для точной регистрации частиц с высокой проникающей способностью нужны большеразмерные прозрачные кристаллы из плотного вещества, имеющие совершенную структуру. Выращивать такие кристаллы умеют в новосибирском Институте неорганической химии СО РАН
Многие перспективные направления в науке и технике связаны с применением специальных кристаллов, которые реагируют на частицы ионизирующего излучения вспышками света – сцинтилляциями. На эффекте радиационно-оптического преобразования основана работа сцинтилляционных датчиков, счетчиков и детекторов элементарных частиц. Такие устройства, однако, позволяют решать не только исследовательские задачи в фундаментальных научных проектах (например, в Большом адронном коллайдере), но и прикладные – в самых разных областях.
Так, метод сцинтиграфии в ядерной медицине открывает новые возможности ранней диагностики онкозаболеваний. Приборы радиационной дефектоскопии стали неотъемлемой частью производства оборудования повышенной степени безопасности. Без детекторов на основе сцинтилляционных кристаллов сегодня трудно представить геологоразведку. Кристаллы-сцинтилляторы применяются также в досмотровых системах.
Для точного определения параметров фиксируемой сцинтиллятором частицы необходимо, чтобы кристалл поглотил энергию этой частицы как можно более полно, в идеале все 100 %. Однако существуют частицы, которые легко проходят через любое вещество, т. е. обладают высокой проницаемостью, поэтому для их улавливания нужны кристаллы большого размера. С другой стороны, для точной регистрации световой вспышки необходимо, чтобы фотоны, в каком бы месте кристалла они ни образовались, дошли до фотоприемника без потери энергии, т. е. кристалл должен быть максимально прозрачен для собственного излучения. Чтобы кристалл прослужил долгий срок без деградации (ухудшения оптических характеристик), особые требования предъявляются и к его радиационой устойчивости.
Условия мягче – качество лучше
Для получения кристаллов высокого качества требуется решить целый ряд задач. Во-первых, надо приготовить высокочистые исходные компоненты, в которых элементов примеси должно быть менее одного атома на миллион атомов основного вещества. Во-вторых – разработать оборудование, надежно обеспечивающее непрерывный рост кристалла в автоматическом режиме на протяжении многих недель. Необходимо также отладить методику тестирования (оценки качества) кристаллов.
По причине различия физических и химических свойств веществ не существует универсального метода, которым можно было бы выращивать кристаллы любых соединений. Одним из наиболее широко используемых для выращивания кристаллов из тугоплавких материалов является метод Чохральского, классический вариант которого был создан в 1916 г. По мере развития технологий он совершенствовался, но главным образом в техническом плане – например, использовались более точные измерительные приборы. При этом сохранялся главный недостаток классического метода – накопление структурных дефектов из-за термических напряжений при кристаллизации из расплава, из-за чего создание качественных кристаллов крупного размера было невозможным.
Более тридцати лет назад этой проблемой заинтересовались в Институте неорганической химии (ИНХ) СО РАН. Там разработали оригинальное ростовое оборудование, в котором использовалась улучшенная теплоизоляция и многоконтурная система нагревательных элементов с гибким регулированием мощности. Благодаря этому температурные градиенты в расплаве и кристалле были снижены по сравнению с традиционным вариантом метода Чохральского на один-два порядка, поэтому модифицированный метод получил название низкоградиентного.
Мягкие тепловые условия, поддерживаемые в рабочей зоне установки, способствуют реализации природных особенностей кристалла. В этих условиях, не нарушаемых внешней средой, преобладает послойный механизм роста кристалла, поэтому его огранение соответствует кристаллографической структуре вещества. Размеры монокристалла при этом ограничиваются только высотой и диаметром тигля с расплавом.
РОЖДЕНИЕ КРИСТАЛЛА
Интересно отметить, что скорость роста кристалла вопреки распространившемуся мнению отнюдь не пропорциональна градиенту температуры, а определяется только теплофизическими свойствами материала. Это происходит потому, что при малых темепературных градиентах кристаллизация происходит в условиях переохлаждения расплава на растущей грани кристалла. В таких условиях скорость роста кристаллов из расплава обычно даже выше, чем в классических вариантах выращивания, и может достигать нескольких мм/час. При этом получение, например, полуметровых кристаллов германата висмута Bi4Ge3O12 занимает несколько недель.
Первоначально с помощью низкоградиентного метода Чохральского в ИНХ выращивали лазерные кристаллы* из растворов различного состава. После разработки автоматизированной ростовой установки эта разновидность метода была введена в производство и успешно использовалась для получения оксидных кристаллов более широкого спектра приложений.
Как осветить темную материю
Образованные в результате взаимодействия фононы (волны колебаний атомов) беспрепятственно перемещаются в идеальном кристалле и поглощаются металлической пленкой, нанесенной на поверхность кристалла. Так как в болометре поддерживается температура вблизи точки перехода металла пленки в сверхпроводящее состояние (порядка 10 мK), то даже небольшая энергия фонона, повышая температуру пленки, значительно изменяет электрическую проводимость. Таким образом достигается фантастически высокое энергетическое разрешение, а в итоге – точность определения энергии детектируемой частицы.
Используя исключительные особенности низкоградиентного метода, в ИНХ СО РАН впервые удалось вырастить большеразмерные кристаллы высокой степени совершенства с хорошими оптическими и сцинтилляционными свойствами. Поскольку кристалл является еще и криогенным сцинтиллятором, то неизбежные ядерные распады примесных элементов в кристалле и всевозможные типы фонового излучения им легко распознаются – и отделяются от событий, связанных с ударами частиц темной материи, которые не сопровождаются вспышками света.
Однако производство изотопно-обогащенных кристаллов вольфрамата кадмия из-за присущего классическому методу Чохральского перегрева расплава приводило к значительным потерям ценного сырья в результате испарения. Другой проблемой являлось то, что при повышенных температурах кадмий улетучивался быстрее, чем вольфрам, в результате нарушалась стехиометрия расплава – и получение однородного по составу кристалла становилось невозможным.
Низкоградиентный метод и в этом случае оказался наиболее подходящим. Этим способом в ИНХ были успешно выращены крупные высококачественные кристаллы 106 CdWO4 и 116 CdWO4. Коэффициент использования сырья (отношение веса кристалла к массе загруженного материала) при этом составил минимум 85 %, а невозвратимые потери в процессе роста – менее 1 %. Эти кристаллы сейчас тестируются в Национальной лаборатории Гран Сассо (Италия) для исследования процессов ядерного 2v-распада.
Последние десятилетия в ИНХ СО РАН проводятся систематические исследования закономерностей роста кристаллов в условиях низких градиентов температуры. Обобщение накопленной информации позволило приблизиться к детальному пониманию многих вопросов кристаллизации и на этой основе создать устойчивое производство ряда кристаллов.
Помимо уже упомянутых сцинтилляционных кристаллов, в институте производят большеразмерные кристаллы для лазерной оптики, содержащие редкоземельные металлы. Все кристаллы имеют наивысшие показатели качества, в том числе и при сравнении с соответствующей продукцией ведущих зарубежных фирм. Так, благодаря уникальной комбинации размеров и свойств кристаллов серии BGO, произведенных в Новосибирске, их потребителями стали многие научные центры мира. Среди них Окриджская и Лос-Аламосская национальные лаборатории США, ядерный центр KEK в Японии, подземная лаборатория Гран Cacco в Италии, институты Общества научных исследований имени Макса Планка в Германии. На регулярной основе ведутся поставки кристаллических изделий для позитронно-эмисионной томографии в компанию GE Medical Systems (США) и другие приборостроительные фирмы.
В настоящее время предъявляются все более высокие требования к функциональным материалам, в том числе и к кристаллам. Ежегодно предлагаются сотни веществ, потенциально перспективных в качестве сцинтилляторов, но на практике реализуется менее 1 % из них, остальные же отсеиваются из-за дороговизны сырья, отсутствия необходимых технологий переработки и по разным другим причинам. Используя уникальные возможности метода выращивания кристаллов при низких градиентах температуры, в ИНХ совместно с другими институтами СО РАН ведется поиск новых неорганических соединений с подходящими характеристиками для различных приложений.
*Кристаллы, способные усиливать свет, благодаря чему они используются в качестве активной среды твердотельных лазеров
**В списке 2v-активных элементов наиболее пригодными для изучения сцинтилляционным методом считаются кальций, кадмий, молибден и др.
Сцинтилляционные материалы. Инженерия, устройства, применение. Харьков: ИСМА, 2011. 320 с.
В публикации использованы фото автора и к. х. н. Я. В. Васильева (ИНХ СО РАН, Новосибирск)
09 октября 2017
1. Зачем нужны дозиметры и гамма-спектрометры с высокой чувствительностью.
Техногенное радиационное загрязнение среды - это особая спорная сфера, где между специалистами нет согласия в выборе критериев оценки угроз для человеческого организма.
МАГАТЭ и ВОЗ в свою очередь делают всё, чтобы не распространялась информация о техногенных радиационных загрязнениях в негативном ключе.
С момента чернобыльской катастрофы организациям МАГАТЭ, ВОЗ и прочим удалось снизить чувство опасности у людей.
Это фото сделано в чернобыльской зоне отчуждения, в комнате, где свалены противогазы.
Почему этот турист уверен, что риски минимальны?
Из общественного и околонаучного дискурса почти исчезли такие важные понятия как внешнее и внутреннее облучение, а так же проблема внутреннего загрязнения человека в результате накопления техногенных радиоактивных изотопов.
Больше внимания сосредоточено на нормах внешнего облучения и хорошем контроле за таким облучением.
Больше внимания сосредоточено на контроле по географическому признаку за относительно безопасными (с точки зрения внешнего облучения) радиоактивными изотопами цезий 137 и стронций 90.
Карты загрязнения местности в Челябинской области цезием-137 (карта слева) и стронцием-90 (карта справа).
Отрицается существование и не признаётся существенным влияние более тяжелых и опасных изотопов, которые часто находятся там же, где есть цезий 137 и стронций 90.
Это скрин гамма-съёмки сцинтилляционным дозиметром на обочине у моста через реку Теча в Челябинской области.
Так бурно и быстро реагирует не самый чувствительный и шустрый сцинтилляционный дозиметр на низкоэнергетичное излучение. Какие изотопы дали такую реакцию, на месте выяснить не было возможности.
Но это НЕ цезий-137 даёт такую реакцию, хотя в момент гамма-съёмки цезий-137 находился в поверхностном грунте прямо под автомобилем на обочине федеральной трассы.
На скрине ниже спектрограмма пробы грунта с этой же обочины, сделанная на спектрометре Atom Spectra1.
В пробе обнаружен цезий 137 в количестве около 50Бк/кг. Проба взята с площади около квадратного дециметра. На масштаб на спектрогамме не смотрим. Важен факт обнаружения.
Поверхностное загрязнение в этой точке примерно соответствует пределам, указанным на карте загрязнения цезием-137 для этой местности - 1-2Ки/кв.км.
Это означает, что наличие цезия 137 на карте ничего не говорит о потенциальной опасности соседствующих с ним тяжелых радиоактивных изотопов.
Понятие "норма радиации", относящееся к внешнему облучению, с лёгкостью применяется к оценке внутреннего облучения.
Понятие "норма" в общественном дискурсе с легкостью применяется к оценке загрязнения грунтов, воздуха и воды.
Профанация понятия "норма радиации" вызывает дичайшие заблуждения. Это хорошо видно по поведению людей в зонах с откровенным радиоактивным загрязнением (см. фото в противогазе выше).
Отсутствует полемика об особенностях токсичности техногенных радионуклидов в различных средах.
Во время пожаров 2017 года радиоактивных лесов в чернобыльской зоне отчуждения и зоне отчуждения АЭС Фукусима в СМИ поступала информация о том, что радиационная обстановка в "норме". Почти не было ни слова об увеличении радиационной токсичности воздуха и угрозе перемещения больших объёмов радиоактивных аэрозолей.
Отсутствует полемика о степени перехода радионуклидов из среды в человека по пищевым цепочкам и через респираторный тракт.
Отсутствует полемика о степени накопления радионуклидов в человеческом теле.
Общественный интерес к теме радиационного загрязнения сред подстегнула авария на японской атомной станции Фукусима-1. Прямо сейчас можно сказать в прямом эфире мы наблюдаем за разворачивающейся трагедией, едва ли уступающей чернобыльской аварии.
Это фото измерений сцинтилляционным дозиметром грунта вне зоны отчуждения в Японии.
Сцинтилляционный детектор в сумочке, соединён с планшетом кабелем.
Недавно в Японии в зоне отчуждения был открыт участок дороги (трасса 114) для проезда любых автомобилей.
Власти утверждают, что водители не получат сколько-то значимые дозы облучения (конечно же внешнего) и молчат о токсичности пыли и воздуха на этом участке.
Это карта с метками радиационной активности. Не понятно, правда, на какой скорости снята эта карта,
Вот видео, где с помощью сцинтилляционного дозиметра исследуется образец грунта рядом с трассой 114.
2. С чего начать изучение радиационной активности в окружающей среде?
2.1. Дозиметры.
Путь исследователя начинается с устройства, которое имеет хорошую чувствительность к изменению радиационного фона.
Это значит, что нужен прибор с функцией поиска, чтобы можно было быстро ответить на вопрос: есть повышенная радиация вокруг или нет.
Хорошими поисковыми качествами обладают газоразрядные и сцинтилляционные детекторы.
Однако, сцинтилляционные детекторы в десятки и сотни раз более чувствительны, чем газоразрядные детекторы, поэтому более интересны как поисковики.
На этом скрине результат гамма-съемки дозиметром Atom Fast 8850 на скорости около 90км/ч.
Сцинтилляционный дозиметр с большим кристаллом более чувствителен, чем дозиметр с меньшим кристаллом. Но дозиметр с меньшим кристаллом в качестве поискового инструмента может оказаться шустрее, потому что свет в небольшом кристалле проходит меньшее расстояние до фотоумножителя.
К примеру, дозиметр Atom Swift (5530, объем 750куб.мм) даёт отклик на изменение радиационного фона быстрее, чем дозиметр Atom Fast 4735 (объём 980куб.мм).
В сцинтилляционных дозиметрах с вытянутой формой кристалла меньше проявляется эффект Комптоновского рассеяния.
Хороший поисковый прибор нужен для того, чтобы быстро найти радиационную аномалию.
Когда аномалия найдена, есть смысл использовать дозиметры с разными типами детекторов, с разными размерами детекторов и с разной чувствительностью, чтобы сделать какие-то предположения и выводы об источнике радиации:
Высокие или низкие энергии частиц. Как сильно затухает излучение из-за различных препятствий и так далее.
Эти упражнения с разными детекторами ничего не скажут нам о конкретном изотопном составе источника излучения, но помогут принять решение, какие меры необходимо принять.
Если с помощью дозиметра мы ничего не нашли. Это не означает, что всё чисто. Это значит, что мы ничего не нашли с помощью дозиметра.
2.1.1. Как искать скрытую радиоактивность дозиметром https://kbradar.org/a221150-kak-nahodit-skrytuyu.html
2.2. Гамма-спектрометры.
Следующий шаг - это использовать гамма-спектрометр для проверки наших предположений и изучения изотопного состава источника излучения.
В том числе, если дозиметр нам ничего опасного не показал.
Построение спектрограммы - это совсем другая скорость изучения.
Наличие/отсутствие интересных изотопов можно оценить минут за тридцать самым простым спектрометром с помощью приложения для андроида.
А можно оценить за десятки секунд с помощью спектрометра с большим кристаллом, свинцовой защитой и соответствующей программой на ПК.
Да. Сейчас в приложении для андроида формально есть режим Поиска и в опытных руках спектрометр вполне может быть поисковым гамма-детектором. А для начинающих лучше воспользоваться сцинтилляционным дозиметром и приложением для андроида Atom Swift.
Если хочется бОльших подробностей, кроме гамма- спектрограммы, то дальше только радиохимия.
2.3. Как выбрать спектрометр.
2.3.1. Размер кристалла.
Большой или маленький?
От размера кристалла зависит эффективность регистрации в пике полного поглощения.
Примеры геометрии и графики эффективности регистрации в пике полного поглощения: https://kbradar.org/a207562-spektrometry-atom-effektivnost.html
Что это означает простыми словами:
Чем больше кристалл, тем больше частиц не смогут пролететь кристалл насквозь и детектор получит для анализа больше событий.
Чем меньше кристалл, тем больше проявляются эффекты, мешающие разглядеть на спектрограмме активность изотопов.
Чем меньше кристалл, тем больше ограничений у конкретного спектрометра в определении количества разных изотопов и их активности.
Что это значит простыми словами:
Гамма-спектрометр Atom Spectra3 даст возможность уверенно идентифицировать только часть изотопов.
Гамма-спектрометр с размером кристалла не ниже 40*40 можно считать устройством, которое позволяет увидеть существенно большее количество различных изотопов по сравнению со спектрометром Atom Spectra3.
От размера кристалла зависит время обнаружения искомой активности.
Больше кристалл - меньше времени на обнаружение.
2.3.2. Разрешение спектрометра, процент, резолюция.
От процента разрешения зависит как хорошо на спектрограмме можно различить два соседних пика.
Или другими словами: процент отвечает за ширину пика и соответственно за конкуренцию соседних пиков на спектрограмме.
Чем меньше процент - тем яснее спектрограмма, тем точнее калибровка.
2.3.3. Материал кристалла.
Йодид Натрия или Йодид Цезия?
Йодид цезия менее хрупкий.
Йодид натрия даёт бОльшую точность при прочих равных.
2.3.4. Форма кристалла.
С колодцем или без колодца?
Обычный спектрометр, без колодца:
Кристалл в спектрометре имеет цилиндрическую форму.
Объёмный исследуемый материал размещают либо вокруг этого цилиндра, либо у торца цилиндра.
Спектрометр с колодцем:
Но бывает такое, что исследуемый материал представляет из себя очень маленький объём с небольшой удельной активностью. Тогда есть смысл для увеличения "контакта" излучения от образца с кристаллом поместить материал прямо в кристалл.
Тогда внутри части кристаллического цилиндра (не на всю длину) вырезают соосный цилиндр, куда помещают материал для исследования. Такое отверстие называют колодцем.
Проба закладывается в углубление со стороны торца спектрометра.
2.3.5. Защита от внешнего или природного фона.
Со свинцовой защитой или без неё?
Свинцовая защита, грубо говоря, помогает опустить линию спектрограммы ниже и тогда, возможно, за ней будут обнаружены искомые пики активностей.
Защита позволяет сократить время обнаружения активности.
Свинцовая защита, свинцовый домик может быть сделан своими руками из подручных материалов.
Пример:
2.3.6. Обслуживание гамма-спектрометра.
Любому гамма-спектрометру требуется калибровка перед измерением.
У пользователя должна быть возможность калибровать спектрометр с помощью контрольных источников.
Контрольные источники приобретают в специализированных компаниях или буквально находят под ногами.
Минимально нужен цезий 137. Хорошо бы ещё иметь низкоэнергетичный гамма источник.
Метрологические задачи постоянно усложняются, требования к точности результатов измерений все выше. ИФТП создает аппаратуру нового поколения. Например, в институте разработали комплекс приборов на основе теллурида кадмия — малогабаритные спектрометры и детекторы для медицинских сканеров.
Две трети заказчиков ИФТП — с внешнего рынка: металлургические компании, предприятия нефтегазового комплекса, ракетно-космической отрасли, научно-исследовательские институты и др.
В институте гордятся и тем, как выглядят их продукты, это имеет немалое значение для покупателей. К дизайну привлекают художников-конструкторов, а в производстве используют разные виды покрытий, анодирование, электрохимполировку. Получается красивое изделие.
Коллектив института — всего около 50 человек. В ближайшем будущем штат немного увеличится: расширят конструкторское бюро, научный блок и блок разработчиков. Но сотрудники считают, что камерность — большой плюс: согласования и совещания проходят быстрее.
Производство детектирующих полупроводниковых кристаллов. Инженер второй категории Валерий Купцов работает на фотолитографической установке.
Начальник лаборатории полимеризации Петр Тараканов наносит светоотражающую эмаль на заготовки сцинтилляционных детекторов.
Инженер первой категории Ольга Клепова с образцом детектора ионизирующего излучения СПС-Н1.
Химический реактор Kavalier с блоком управления и контроля параметров для смешивания стирола с флуоресцентными добавками.
Подготовленный к сборке сцинтилляционный детектор.
Сборка ионизационных камер. Начальник лаборатории спектрометрических устройств и радиационных мониторов Анатолий Летов за установкой лазерной сварки.
Монтаж кремниевых кристаллов на установке ультразвуковой сварки.
Лаборатория вакуумной и криогенной техники. Контроль изделий на масс-спектрометрическом течеискателе.
Читайте также: