Pull to refresh

Теория радиационного мониторинга

Reading time 4 min
Views 12K
Этот топик фактически является ответом на топик Непрерывный мониторинг радиационного фона в Москве. Надеюсь он поможет желающим организовать собственный мониторинг.

Дело в том, что по роду деятельности я занимаюсь мониторингом радиационной обстановки. Изначально детекторы гамма-излучения были установлены как дополнительные детекторы на двух станциях нейтронных мониторов. Однако, получаемые с них данные оказались достаточно интересными в научном плане, поэтому мы начали потихоньку разрабатывать эту тему.
Вообще из простых и относительно доступных методов регистрации радиации можно выделить два:
1. при помощи счётчиков Гейгера
2. при помощи сцинтиляторов

1. Счётчики Гейгера

Об устройстве счётчика Гейгера можно прочитать в Википедии, однако начинающие дозиметристы обычно упускают два момента.

1.1. Физические параметры счётчика.
Счётчики Гейгера бывают очень разные. Для мониторинга радиации в первую очередь надо обратить внимание на толщину стенок и фоновый счёт.
Толщина стенок зависит от марки счётчика и определяет его эффективность при регистрации радиации. В этом плане наиболее пригодными для наших целей являются счётчики СБМ-20 и СБМ-21, которые легко добываются из советских дозиметров. Также часто попадаются счётчики типа СТС-5. Они имеют слишком тонкие стенки, однако их можно обернуть фольгой ~0.5мм и получится пристойный детектор. Иначе он будет считать вторичные электроны из окружающей среды.
Фоновый (натуральный) счёт детектора должен быть достаточно низким. Обычно 25-50 импульсов в минуту. Более высокий счёт приводит к плохой статистике и сложности в регистрации небольших вариаций. Например, у СТС-6 фоновый счёт составляет уже 110 имп/мин. Однако, с этим можно бороться включая параллельно несколько счётчиков с получением на выходе либо суммарного счёта, либо усредняя данные с нескольких каналов регистрации.

1.2. Параметры окружающей среды.
Место установки счётчика нужно выбирать с умом. Если вы хотите измерять радиационный фон, то стоит вынести счётчик на улицу, а не просто установить его на окно. Бетонные стены хорошо поглощают радиацию, поэтому установленный на окно счётчик будет измерять радиацию только в направлении взгляда из окна.
Влияние изменения давления на счёт также следует принимать во внимание при долговременных измерениях. При росте давления можно заметить, что счёт падает, а при падении давления — растёт.
Компенсируется этот эффект следующей формулой: N=No*exp(k*(h-1000))
где No — текущий счёт, h — текущее давление в миллибарах, k — барометрический коэффициент для данного счётчика.
Барометрический коэффициент не влияет на рентгеновский фон, однако счётчики Гейгера регистрируют по большей части вторичные электроны и мюоны, которые подвержены этому влиянию. Поэтому барометрический коэффициент должен рассчитываться для разных типов счётчиков Гейгера, поскольку точно не известен состав излучения, регистрируемый счётчиком. Однако, часто это сложно сделать из-за низкой статистической стабильности счёта и необходимости набора большого количества данных в «спокойные дни» для точного вычисления коэффициента.
Это вызывает необходимость установки параллельно со счётчиком датчика давления и калибровки данного датчика.

Вообще основной проблемой счётчиков Гейгера является то, что они регистрируют заряженные частицы (электроны и мюоны), а эффективность регистрации собственно радиации у них не высока. Частично это можно решить добавлением к счётчику «чехлов» из металлов различной толщины. Однако тогда возникает вопрос о расчёте толщин этих чехлов.

Основным-же достоинством счётчиков Гейгера является их относительная доступность и огромное количество готовых схем и решений для их подключения.

Вот наша сборка на основе счётчиков 16-и счётчиков СТС-6, расположенных в два ряда с промежуточным слоем алюминия:



2. Сцинтилляторы

Вышеописанных проблем лишены регистраторы на основе сцинтилляторов. Общие понятия о сцинтилляторах можно опять-же прочитать в Википедии. Однако, тут имеются свои недостатки.
Во-первых (и в-главных для нас) сцинтилляторы сложно достать. Во-вторых к кристаллу необходимо подобрать ФЭУ. В-третьих этот ФЭУ нужно запитать, а это уже не 400 В как в гейгерах, а до 1500 В, что уже не так просто получить. Ну, и наконец, в-четвёртых эту всю конструкцию нужно поместить в светонепроницаемый корпус. Зато нам не надо размышлять о барометрических эффектах, поскольку высокий темп счёта гамма-квантов забивает счёт электронов, что подтверждается экспериментально. Кроме того, сцинтиллятор работает в пропорциональном режиме, что означает что он, в отличии от счётчика Гейгера, позволяет зарегистрировать не только сам факт прихода частицы, но и измерить её энергию. Это даёт нам возможность построить энергетический спектр излучения и если на датчик выпадет что-то радиоактивное (тьфу-тьфу-тьфу), то и попытаться определить по спектру что это.

Однако, нам повезло и у нас имеется целая пачка различных сцинтилляционных детекторов. Поэтому они были пристроены к нелёгкому делу дозиметрии. Вот парочка из них (без дополнительной электроники):



Данные непрерывных измерений в течении двух лет выявили некоторые занимательные закономерности. Например, существует годичная вариация фона, связанная, как полагается, с выделением радиоактивного газа Радона летом и невозможностью его выделения из промёрзшей земли зимой. Один из пунктов наблюдения, расположенный близ шахты по добыче угля, регистрирует постепенный рост фона со временем и резкие провалы после осадков. Вероятно угольная пыль осаждается на датчике и периодически смывается дождём. А также была выявлена крайне интересная зависимость между регистрируемым гамма-излучением, и атмосферными осадками. Почти всегда во время осадков регистрируется повышение мягкого гамма-излучения (которое как-раз плохо регистрируется счётчиками Гейгера). Однако, это уже тема для научной работы…

Я не стал приводить электронных схем, поскольку большинство из них достаточно тривиальны и могут быть найдены в интернете. Однако по необходимости, я могу дополнить данную статью и дать ответы, если сообщество сочтёт тему интересной.
Tags:
Hubs:
+76
Comments 25
Comments Comments 25

Articles