В данном уроке, для развития навыка чтения принципиальных электрических схем, рассмотрим устройство и принцип действия простейшего дозиметра.
Единицы измерения радиоактивного излучения и естественные дозы радиации
Радиоактивное излучение называется ионизирующим, поскольку оно способно выбивать электроны из атомов облучаемого вещества, тем самым вызывая ионизацию атомов и молекул в нем.
Радиоактивное излучение может вызвать лучевую болезнь. В зависимости от степени облучения за единицу времени развивается либо острая лучевая болезнь (большие дозы за короткий промежуток времени), либо хроническая (небольшие дозы в течение длительного периода времени).
Единицы измерения радиоактивного излучения
Некогда распространенной единицей экспозиционной дозы радиоактивного рентгеновского или гамма-излучения являлся рентген (Р), определяемый по ионизирующей способности излучения. 1 рентген образовывал в 1 куб. см воздуха 2109 пар ионов.
Рентген, после введения системы СИ - внесистемная единица, разная у разных видов излучений:
- альфа-излучение (ядра атомов гелия);
- бета-излучение (поток электронов);
- гамма-излучение (электромагнитное излучение с малой длиной волны, поток фотонов);
- нейтронное излучение (поток нейтронов).
Поглощенная тканями доза радиации в системе СИ измеряется в греях (Гр).
Эквивалентная доза радиации - это поглощенная доза облучения, с учетом особенности действия любого вида ионизирующего излучения на биологическую ткань (или орган) человека. Эквивалентная доза ранее измерялась в бэрах (Биологический Эквивалент Рентгена), ныне измеряется в зивертах (Зв).
1 зиверт приравнен к грею и условно равен 100 рентгенам, или 1 Зв=100 бэр.
Мощность (или интенсивность) дозы (что и измеряют дозиметры) измеряется в Зв/ч. Это очень крупная единица и ее доли - мЗв/ч и мкЗв/ч.
Естественные дозы радиации
Естественный усредненный радиационный фон обычно лежит в пределах 0,10–0,16 мкЗв/ч. Нетрудно подсчитать, что при фоне 0,12 мкЗв/ч в течение года доза радиации составит около 0,001 Зв=1 мЗв, или 0,1 бэр, а за всю свою жизнь человек поглощает только от естественного фона в переводе на привычные рентгены не свыше 10 рентген радиации.
Средняя доза облучения при одной рентгенографии грудной клетки лежит в пределах от 0,03 до 0,3 мЗв. Рентген-исследования в поликлиниках следует проводить только по показаниям лечащего врача и с соблюдением всех правил подготовки и проведения процедур.
Для флюорографии органов грудной клетки обычная доза облучения составляет 0,6-0,8 мЗв, а для цифровой флюорографии от 0,03 до 0,06 мЗв. Согласно медицинским требованиям, суммарная доза рентгеновского облучения не должна превышать 1 мЗв в течение года (ничего удивительного - просто приравнено к естественному фону, тем самым суммарная доза удваивается). Обязательным с профилактическими целями является прохождение флюорографии 1 раз в год).
Принцип действия счетчика Гейгера-Мюллера
Счетчик был разработан в 1908-1928 года немецкими физиками Гейгером и Мюллером, в нескольких вариантах. Основа счетчика - наполненная газом трубка с центральным электродом в виде нити, представляющая собой конденсатор.
В счетчиках СССР и РФ применяется обычно трубка «СБМ-20» диаметром 10 мм и длиной 108 мм, предназначенная для регистрации жесткого бета- и гамма-излучения. Устройство представляет собой вакуумированную камеру с двумя электродами, заполненную газовой смесью. Стенки камеры являются внешним электродом (катодом), а также составляют корпус счетчика. К электродам прикладывается постоянное напряжение порядка 400 В. Фото трубки ниже.
Гамма-кванты радиоактивного излучения попадают на стенки счетчика и выбивают из него электроны. Электроны сталкиваются с атомами газа, выбивают из них электроны с созданием положительных ионов и свободных электронов. Электрическое поле между катодом и анодом трубки ускоряет электроны до энергий, при которых начинается ударная ионизация. Возникает лавина ионов, и ток через счетчик резко возрастает; на включенном последовательно с трубкой резисторе образуется импульс напряжения, регистрируемый устройством регистрации или головным телефоном в виде щелчка.
Ниже пример включения трубки в схему счетчика.
Возникший разряд гасится автоматически: в момент появления импульса тока на сопротивлении возникает большое падение напряжения, напряжение между анодом и катодом резко уменьшается, и счетчик снова готов к работе, ожидая прихода следующего импульса.
Схема простейшего дозиметра
Ниже на рисунке схема дозиметра с отсчетом показаний по стрелочному прибору.
При включении прибора выключателем SА1 светодиод VD7 сигнализирует о включении. Напряжении батареи подается на генератор на транзисторе VT1, охваченный ПОС через трансформатор Т1, и на вторичной обмотке повышающего трансформатора возникает переменное напряжение, которое выпрямляется с учетверением умножителем напряжения VD1-VD4.
Выпрямленное напряжение прикладывается к аноду трубки ВН1, катод которой заземлен через резистор R3 и переход база/эмиттер транзистора VT2.
В исходном состоянии транзистор VT2 заперт, конденсатор С6 заряжается через диод VD5. При нулевом напряжении на затворе полевого транзистора VT3 через него протекает ток стока согласно его характеристике, на базе транзистора VT4 отсутствует напряжение, ток коллектора, протекающий через микроамперметр μА, близок к 0.
При прохождении через трубку ионизирующей частицы (см. предыдущий раздел) через базу VT2 кратковременно протекает ток, транзистор открывается, напряжение заряженного конденсатора С6 прикладывается минусом (через диод) к затвору VT3, транзистор запирается, и в базу транзистора VT4 втекает ток через резистор R6, который усиливается транзистором и фиксируется микроамперметром.
При частом поступлении импульсов микроамперметр перестает фиксировать каждый поступающий импульс, поскольку импульсы заряжают конденсатор С8, и микроамперметр отражает среднее количество импульсов за промежуток времени, определяемый постоянной времени С8R7, т.е. около 5 с.
В итоге показания измерительного прибора отражают мощность (интенсивность) дозы ионизирующего излучения, и прибор может быть градуирован в единицах мкЗв/ч.
Ниже на рисунке наручные часы-дозиметр ДКГ-РМ1603B, измеряющие мощность дозы в диапазонах 1,0 мкЗв/ч ÷ 10,0 Зв/ч.