Для тех, кто работает с радиацией или вокруг нее, одним из самых важных факторов является осведомленность об уровнях радиации вокруг них. Это в первую очередь достигается за счет использования детекторов излучения различных типов. Базовое понимание различных типов детекторов и того, как они работают, может пройти долгий путь как для поиска лучшего детектора для требуемой задачи, так и для максимизации преимуществ работы с этим детектором. — подробнее про детекторы радиации
ПРИМЕЧАНИЕ: «СЧЕТЧИКИ ГЕЙГЕРА”
Многие люди, думая об обнаружении радиации, склонны группировать их все вместе под термином “счетчики Гейгера”, ошибочно поощряемым популярными телевизионными шоу и фильмами. Хотя один из наиболее распространенных типов детектора излучения на самом деле называется “трубка Гейгера Мюллера (G-M)”, словосочетание “счетчик Гейгера” не всегда является наиболее подходящим. Он применяется к очень специфическому типу детектора, и вообще к специфическому применению этого детектора. Устройства обнаружения излучения обычно классифицируются либо по типу используемого детекторного элемента, либо по соответствующему приложению. Люди будут ссылаться на инструменты, такие как ионная камера, или измеритель обзора, или измеритель загрязнения, или зонд Фрискера. Популярная культура настолько основательно разрушила правильное использование «счетчика Гейгера», что использование этой фразы обычно не дает достаточной информации о рассматриваемом устройстве.
ПЕРВЫЕ ДЕТЕКТОРЫ ИЗЛУЧЕНИЯ
С первых дней радиационных испытаний, проведенных рентген и Беккерелем, ученые искали способы измерения и наблюдения излучения, испускаемого материалами, с которыми они работали. Одним из самых ранних способов получения любого рода данных от радиоактивности была фотографическая пластинка. Фотопластинка помещается на пути / вблизи радиоактивного луча или материала. Когда пластина была проявлена, она имела бы пятна или была бы запотевшей от воздействия радиации. Анри Беккерель использовал метод, аналогичный этому, чтобы продемонстрировать существование радиации в 1896 году.
Еще одним распространенным ранним детектором был электроскоп. Они использовали пару золотых листьев, которые будут заряжены ионизацией, вызванной излучением, и отталкиваться друг от друга. Это обеспечило средства измерения излучения с более высоким уровнем чувствительности, чем было надежно возможно с использованием фотографических пластин. В зависимости от расположения устройства они могли быть сконфигурированы для измерения Альфа-или бета-частиц и являлись ценным инструментом для проведения ранних экспериментов, связанных с радиоактивностью.
Интересным ранним устройством, основанным на желании измерить реальные отдельные частицы или лучи, испускаемые радиоактивным веществом, в отличие от более грубого измерения радиоактивного поля, был спинтарископ. Разработанный Уильямом Круксом, который также изобрел трубку Крукса, используемую Вильгельмом рентген для обнаружения рентгеновских лучей, он использовал экран из сульфида цинка на конце трубки, с линзой на другом конце, с небольшим количеством радиоактивного вещества вблизи экрана из сульфида цинка. Сульфид цинка вступит в реакцию с испускаемыми альфа-частицами, и каждое взаимодействие приведет к крошечной вспышке света. Это был один из первых способов подсчета скорости распада, хотя и очень утомительный, поскольку это означало, что ученые должны были работать посменно, наблюдая и буквально считая вспышки света. Спинтарископ не был очень практичным в качестве долгосрочного решения для обнаружения излучения, хотя он действительно подвергся возрождению позже в 20-х годах столетие как образовательный инструмент. Эта тенденция некоторых материалов испускать свет при воздействии радиации также окажется полезной в будущих технологиях обнаружения радиации.
Эти ранние устройства, а также многие другие, такие как облачные камеры, были полезны для развития понимания основных принципов излучения и проведения важных экспериментов, которые заложили основу для последующих разработок. Это включало разработку новых типов детекторов излучения, многие из которых все еще используются сегодня, такие как G-M трубки, ионные камеры и сцинтилляторы.
ГДЕ / КОГДА ВАМ ПОНАДОБЯТСЯ ДЕТЕКТОРЫ ИЗЛУЧЕНИЯ
Важная часть знания того, какой тип детектора использовать, чтобы иметь представление о том, как и где он будет использоваться. Различные применения и установки вызывают для разных видов детекторов, по мере того как каждый тип детектора имеет различные пути его можно специализировать для приспособления роли. Приложения для приборов обнаружения излучения могут быть широко классифицированы на несколько различных основных задач: измерение, защита и поиск.
Задачи измерения радиации предназначены для ситуаций, когда существует известное присутствие радиоактивных материалов, которые необходимо контролировать. Цель такого типа обнаружения-осознание. Осознание силы установленного радиоактивного поля, границ радиоактивной зоны или просто распространения радиоактивного загрязнения. Это настройки, в которых присутствие радиации ожидается или, по крайней мере, считается вероятным. Требования к детекторам, задействованным в этих установках, являются уникальными, часто с относительно более высокими диапазонами измерений или с модификациями, необходимыми специально для поиска одного типа излучения.
Радиационная защита аналогична применению для измерения радиации в том смысле, что она обычно находится в условиях, где ожидается обнаружение радиации. Однако цели у них разные. С настройками измерения радиации, цель состоит в том, чтобы контролировать саму радиоактивность, чтобы быть в курсе колебаний, границ и т.д. С защитой от радиации, целью является мониторинг людей. Радиационная дозиметрия является наиболее распространенным примером этого, причем радиационные значки носят медицинский персонал, работники атомной промышленности и многие другие профессионально подверженные работники во всем мире. Важность этого заключается в том, что он обеспечивает защиту от наиболее вредных последствий радиационного воздействия через осведомленность, в том, что носитель может держать в курсе, сколько радиации они подвергались воздействию, и как это соответствует потенциальным последствиям для здоровья, и изменить свое поведение или положение или график соответственно.
Радиационный поиск отличается от двух других основных категорий приложений для обнаружения излучения тем, что он основан как на том, что излучение не ожидается в этом районе, так и на желании сохранить все таким образом. В первую очередь цель сотрудников радиационной безопасности, первых ответчиков или групп, таких как таможенные и пограничные инспекторы, радиационный поиск имеет различный набор требований, чтобы отразить значительно отличающиеся обстоятельства, в которых он имеет место. Детекторы должны быть высокочувствительными, причем особое внимание следует уделять более мелким, скрытым радиоактивным источникам или материалам. Спектроскопия часто также очень полезна, поскольку она, как правило, представляет собой небольшое подмножество радиоактивных изотопов, вызывающих озабоченность, и возможность отфильтровывать те из них, которые присутствуют по таким законным причинам, как медицинское лечение или просто накопление естественного радиоактивного вещества, имеет важное значение.
Эти три категории и различные задачи, которые вписываются в них, помогают определить, какой лучший тип прибора или детектора лучше всего подходит для этой задачи.
ТИПЫ
Когда речь заходит об инструментах обнаружения излучения, есть три типа детекторов, которые наиболее часто используются, в зависимости от конкретных потребностей устройства. Это: газонаполненные детекторы, сцинтилляторы и твердотельные детекторы. Каждый из них имеет различные сильные и слабые стороны, которые рекомендуют их для своих собственных конкретных ролей.
ГАЗОНАПОЛНЕННЫЙ
Первый тип детектора излучения, газонаполненные детекторы, являются одними из наиболее часто используемых. Существует несколько типов газонаполненных детекторов, и хотя они имеют различные различия в том, как они работают, все они основаны на одинаковых принципах. Когда газ в детекторе входит в контакт с излучением, он реагирует, причем газ становится ионизированным и полученный электронный заряд измеряется метром.
К различным типам газонаполненных детекторов относятся: ионизационные камеры, пропорциональные счетчики и трубки Гейгера-Мюллера (G-M). Главным дифференцирующим фактором между этими различными типами является приложенное напряжение на детекторе, которое определяет тип отклика, который детектор будет регистрировать от события ионизации.
ИОННАЯ КАМЕРА
На нижнем конце шкалы напряжения для газонаполненных детекторов расположены ионизационные камеры, или ионные камеры. Они работают при низком напряжении, что означает, что детектор регистрирует только измерение от «первичных» ионов (в действительности пара ионов создана: положительно заряженный ион и свободное избрание), вызванное взаимодействием с радиоактивным фотоном в реакционной камере. Таким образом, измерение, которое регистрирует детектор, прямо пропорционально числу созданных пар ионов. Это особенно полезно в качестве меры поглощенной дозы с течением времени. Они также ценны для измерения высокоэнергичных гамма-лучей, так как у них нет никаких проблем с мертвым временем, которые могут иметь другие типы детекторов.
Однако ионные камеры не способны различать различные типы излучения, что означает, что они не могут быть использованы для спектроскопии. Они также могут быть более дорогими, чем другие решения. Несмотря на это, они являются ценными детекторами для обзорных счетчиков. Они также широко использованы в лабораториях для того чтобы установить стандарты справки для тарировок.
ПРОПОРЦИОНАЛЬНЫЙ
Следующим шагом на шкале напряжения для газонаполненных детекторов является пропорциональный (или газо-пропорциональный) счетчик. Они вообще изобретены так, что для большей части зоны внутри камеры, они выполняют подобно к камере Иона, в этом взаимодействия с радиацией создают пары Иона. Однако они имеют достаточно сильное напряжение, чтобы ионы «дрейфовали» к аноду детектора. По мере приближения ионов к аноду детектора напряжение возрастает, пока они не достигнут точки, в которой возникает эффект “газового усиления”.
Усиление газа означает, что исходные ионы, созданные в результате реакции с фотоном излучения, вызывают дальнейшие реакции ионизации, которые умножают силу выходного импульса, измеренного через детектор. Результирующий импульс пропорционален числу образованных исходных пар ионов, что коррелирует с энергией радиоактивного поля, с которым он взаимодействует.
Пропорциональные счетчики очень полезны для некоторых применений спектроскопии, так как они по-разному реагируют на различные энергии, и таким образом могут сказать разницу между различными типами излучения, с которыми они вступают в контакт. Они также очень чувствительны, что в сочетании с их эффективностью при альфа-и бета-обнаружении и дискриминации, делает этот тип детектора очень ценным в качестве детектора скрининга загрязнения.
ПРОБКА GM
Последним крупным классом газонаполненных детекторов является трубка Гейгера-Мюллера, получившая название «счетчик Гейгера».»Работая при гораздо более высоком напряжении, чем другие типы детекторов, они отличаются от других типов детекторов тем, что каждая реакция ионизации, независимо от того, является ли она взаимодействием одной частицы или более сильным полем, вызывает эффект усиления газа по всей длине анода детектора. Таким образом, они могут реально функционировать только как простые счетные устройства, используемые для измерения скорости счета или, при использовании правильных алгоритмов, мощности дозы.
После каждого импульса Г-М должен быть «сброшен» в исходное состояние. Это достигается путем гашения. Это может быть достигнуто электронным способом путем временного снижения анодного напряжения на детекторе после каждого импульса, что позволяет ионам рекомбинировать обратно в свое инертное состояние. Это можно также выполнить химически с гася газом как галоид который поглощает дополнительные фотоны созданные лавиной ионизацией без быть ионизированным собой.
Благодаря обширному опыту реакции G-M трубок с каждым импульсом излучения, они могут испытывать нечто называемое «мертвым временем» при более высоких скоростях экспозиции, что означает, что существует задержка между каскадом импульсов и когда газ способен вернуться в свое первоначальное состояние и быть готовым обнаружить другой импульс. Это можно приспособить для С тарировки, или с алгоритмами в аппаратурах обнаружения самих для того чтобы “высчитать” что дополнительные импы Ульс были бы основаны на существующих данных по измерения.
СЦИНТИЛЛЯТОРЫ
Вторым основным типом детекторов, используемых в приборах для обнаружения излучения, являются сцинтилляционные детекторы. Сцинтилляция-это акт испускания света, и для обнаружения излучения это способность некоторого материала сцинтиллировать при воздействии излучения, что делает их полезными в качестве детекторов. Каждый фотон излучения, который взаимодействует с материалом сцинтиллятора, приведет к отчетливой вспышке света, что означает, что помимо высокой чувствительности сцинтилляционные детекторы способны захватывать конкретные спектроскопические профили для измеряемых радиоактивных материалов.
Сцинтилляционные детекторы работают через соединение сцинтилляторного материала с трубкой фотоумножителя (ФМ). Трубка PM использует материал фотокатода для преобразования каждого импульса света в электрон, а затем значительно усиливает этот сигнал, чтобы генерировать импульс напряжения, который затем может быть считан и интерпретирован. Число этих импульсов, измеренных с течением времени, указывает на прочность измеряемого радиоактивного источника, в то время как информация о удельной энергии излучения, указываемой числом фотонов света, захваченных в каждом импульсе, дает информацию о типе присутствующего радиоактивного материала.
Благодаря своей высокой чувствительности и потенциальной способности “идентифицировать” радиоактивные источники, сцинтилляционные детекторы особенно полезны для применения в области радиационной безопасности. Они могут принимать различные формы: от портативных устройств, используемых для экранирования контейнеров для скрытого или экранированного радиоактивного материала, до мониторов, установленных для экранирования больших территорий или населения, способных проводить различие между природными или медицинскими источниками излучения и источниками, вызывающими более непосредственную озабоченность, такими как специальный ядерный материал (СНМ).
ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ
Последняя главная технология детектора используемая в аппаратурах обнаружения радиации полупроводниковые детекторы. Как правило, используя полупроводниковый материал, такой как кремний, они работают во многом как ионная камера, просто в гораздо меньшем масштабе и при гораздо более низком напряжении. Полупроводники — это материалы, которые обладают высоким сопротивлением к электронному току, но не столь высоким сопротивлением, как изолятор. Они состоят из решетки атомов, которые содержат «носители заряда“, это либо электроны, доступные для присоединения к другому атому, либо электронные” дырки», либо атомы с пустым местом, где электрон мог бы/мог бы быть.
Кремниевые твердотельные детекторы состоят из двух слоев кремниевого полупроводникового материала, одного “n-типа”, что означает, что он содержит большее количество электронов по сравнению с дырками, и одного “p-типа”, что означает, что он имеет большее количество дырок, чем электроны. Электроны из n-типа мигрируют через переход между двумя слоями, чтобы заполнить дырки в p-типе, создавая то, что называется зоной истощения.
Эта зона истощения действует как зона обнаружения ионной камеры. Излучение, взаимодействующее с атомами внутри зоны обеднения, заставляет их переионизоваться и создать электронный импульс, который можно измерить. Малый масштаб детектора и самой зоны истощения означает, что пары ионов могут быть собраны быстро, а это означает, что приборы, использующие этот тип детектора, могут иметь особенно быстрое время отклика. Это, соединянный с их малым размером, делает этот тип полупроводникового детектора очень полезным для электронных применений дозиметрии. Они также способны выдерживать гораздо более высокое количество излучения в течение своего срока службы, чем другие типы детекторов, такие как трубки G-M, что означает, что они также полезны для инструментов, работающих в областях с особенно сильными полями излучения.
Цель
Первая функция RAD заключалась в том, чтобы охарактеризовать широкий спектр радиационной среды, обнаруженной внутри космического корабля во время фазы круиза. Эти измерения никогда не проводились раньше изнутри космического корабля в межпланетном пространстве. Его основная цель-определить жизнеспособность и потребности в экранировании потенциальных путешественников-людей в пилотируемой миссии на Марс, а также охарактеризовать радиационную среду на поверхности Марса, которую он начал выполнять сразу после приземления MSL в августе 2012 года. После запуска RAD зафиксировал несколько пиков излучения, вызванных солнцем.
RAD финансируется управлением миссий по разведочным системам в штаб-квартире НАСА и немецким космическим агентством (DLR) и разработан Юго-Западным исследовательским институтом (SwRI) и группой внеземной физики в Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, Германия.
Астробиология
Детектор оценки радиации на марсоходе Curiosity (Mars Science Laboratory)
Источники излучения они заботятся о здоровье человека также влияют на выживание микробов, а также сохранение органических химических веществ и биомолекул. RAD в настоящее время количественно определяет поток биологически опасного излучения на поверхности Марса сегодня и поможет определить, как эти потоки изменяются в дневных, сезонных, солнечных и эпизодических временных масштабах (вспышки, штормы). Эти измерения позволят рассчитать глубину в скале или почве, на которую этот поток при интеграции в длительные временные рамки обеспечивает смертельную дозу для известных наземных микроорганизмов. С помощью этих мер ученые могут узнать, насколько глубоко под поверхностью должна быть жизнь или была в прошлом, чтобы быть защищенной.
Исследование, опубликованное в январе 2014 года по данным RAD, утверждает, что «ионизирующее излучение сильно влияет на химические составы и структуры, особенно для воды, солей и окислительно-восстановительных компонентов, таких как органическое вещество». В отчете делается вывод, что это на месте». измерения поверхности и подземные оценки ограничивают окно сохранения органического вещества Марса после эксгумации и воздействия ионизирующего излучения в верхних нескольких метрах поверхности Марса.