4.1. Общие принципы относительных измерений активности

Любой из рассмотренных выше методов абсолютного измерения активности нуклидов в принципе может стать относительным, если эффективность детектора в соответствующей установке будет определена с помощью радиоактивного источника или образца с известной активностью нуклида. Поскольку, однако, установки для абсолютных измерений обычно довольно сложны и дороги, на практике для относительных измерений используют более простые и дешевые измерительные устройства. Вообще говоря, любое устройство, детектирующее ионизирующие излучения, может быть использовано для относительных измерений активности нуклидов, так же как и любой подходящий градуированный измерительный прибор (радиометр или дозиметр). Если учтены все систематические погрешности и введены соответствующие поправки, то любой измерительный прибор и измерительная установка имеют линейную характеристику, т. е. зависимость измеряемого эффекта, создаваемого излучением радиоактивного источника, от активности нуклида в этом источнике

(4.1).

Коэффициент пропорциональности , или градуировочный коэффициент, характеризует эффективность измерительной установки или прибора, т.е. эффект, создаваемый излучением источника данного нуклида, отнесенный к единице активности нуклида,

(4.2).

Значение определяют, заменяя измеряемый источник подобным ему источником с известной активностью нуклида, т.е. образцовым источником. Так как , вообще говоря, зависит от вида и энергии излучения, то градуировку необходимо проводить для каждого данного нуклида и для каждого отдельного типа источника, определяемого геометрической формой и размерами, радиохимическим составом, структурой и т. п.

В некоторых случаях градуировочный коэффициент зависит также от давления, температуры и влажности воздуха. Поэтому, если нет уверенности в стабильности градуировки измерительной установки или прибора во времени, ее осуществляют при каждом измерении, т.е. сравнивают измеряемый источник с однотипным образцовым, поочередно помещая их в измерительную установку. Можно также однажды провести градуировку прибора или установки по источникам различных типов и затем проверять стабильность градуировки по какому-либо одному контрольному источнику со стабильными характеристиками, изготовленному из долгоживущего нуклида, например радия. Постоянство градуировки установки или прибора для этого источника гарантирует постоянство градуировки и для любого другого источника.

Из уравнений (4.1) и (4.2) следует, что активность нуклида в источнике

(4.3),

т.е. равна активности нуклида в образцовом источнике, умноженной на отношение эффектов, создаваемых в детекторе излучением измеряемого и образцового источников. Полученное уравнение является основным уравнением любого относительного измерения активности нуклидов.

Из измерительных систем, используемых для относительных измерений активности нуклидов, наиболее широко распространены счетные системы и системы с ионизационными камерами. Первые в особенности применяют для измерения низких уровней активности; недостатком этих систем является сравнительно невысокая стабильность, однако некоторые типы счетчиков могут сохранять свои характеристики в течение длительного времени. Хорошая воспроизводимость результатов измерений и простота в обращении, присущие ионизационным камерам, делают их использование для относительных измерений активности нуклидов предпочтительным во всех случаях, когда это представляется возможным.

Для сравнения α-излучающих источников с очень тонким активным слоем — меньше 100 мкг/см² — может быть применена ионизационная камера с телесным углом 2p. Камера дает возможность измерять активность нуклидов от ~ 1 до ~ 10⁴ расп./с. При более высоких значениях активности из-за трудности создания режима насыщения в камере прибегают к уменьшению телесного угла или применяют сетчатые фильтры.

При наличии сильного фона β- или γ-излучения используют импульсные ионизационные α-камеры, так как импульс от α-частицы, создающей значительно более сильную ионизацию, чем электроны, легко может быть выделен радиотехническими средствами.

Особый случай представляет измерение активности α-излучающих нуклидов в слоях, толщина которых превышает длину пробега частиц в данном веществе. Ионизация, создаваемая в камере излучением такого «насыщенного» слоя, пропорциональна не общей, а удельной активности нуклида в источнике и площади активной поверхности, с которой излучение попадает на детектор. Источник, используемый в качестве образцового при такого рода сравнении, должен быть идентичен измеряемому по геометрии, радиохимическому составу и структуре.

Сравнение α-источников можно проводить также с помощью различного рода счетчиков — газоразрядных, сцинтилляционных или полупроводниковых.

Для сравнения источников из β-излучающих нуклидов с максимальной энергией частиц более 0,3 МэВ можно применять ионизационные камеры с телесным углом 2π, а также 2πβ-счетчики и счетчики с ограниченным телесным углом (газоразрядные или сцинтилляционные).

Для сравнения растворов β-активных нуклидов разработана конструкция жидкостного β-счетчика, представляющего собой цилиндрический стеклянный β-счетчик, вмонтированный коаксиально в стеклянный цилиндр, образующий кольцевой объем вокруг счетчика. Этот объем поочередно наполняют сравниваемыми растворами. Толщина слоя раствора превышает длину пробега в нем β-частиц, и поэтому скорость счета счетчика пропорциональна удельной активности нуклида в растворе. Для сравнения растворов β-нуклидов с малой энергией частиц используют счетчик с тонким окном или без окна; счетчик располагают над свободной поверхностью жидкости, представляющей собой смесь измеряемого раствора с формамидом, так что давление паров воды, мешающих нормальной работе счетчика, снижается до пренебрежимо малого уровня. Растворы β-нуклидов с малой энергией частиц можно сравнивать также с помощью счетчиков с жидким сцинтиллятором.

Для сравнения γ-источников наиболее простым и удобным прибором является ионизационная камера. Одним из первых типов ионизационной камеры был так называемый большой конденсатор М. Кюри, примененный для сравнения радиевых эталонов и представляющий собой плоскую цилиндрическую камеру диаметром 50 см и высотой 6 см с измерительным электродом в виде диска. Измеряемые источники размещали вне камеры на ее верхней плоскости, покрытой слоем свинца толщиной 5 мм для поглощения «мягкой» составляющей γ-спектра радия, благодаря чему снижался эффект самопоглощения. Недостатком камеры такого типа является сильная зависимость телесного угла, внутри которого излучение попадает на камеру, от расстояния между активной частью измеряемого источника и верхней плоскостью камеры; это расстояние зависит от количества и толщины стенок ампул, в которые заключены радиевые источники. Для исключения влияния размеров и положения источника относительно камеры, а также для увеличения чувствительности камеры были сконструированы ионизационные камеры с телесным углом 4π.

Для сравнения γ-источников с малой активностью нуклидов можно применять сцинтилляционные счетчики с телесным углом 4π, содержащие кристалл больших размеров с «колодцем» (каналом) для измеряемого источника.

Наряду с рассмотренными методами относительных измерений активности нуклидов, которые можно называть методами замещения, к относительным следует отнести и дифференциальный метод сравнения источников. Он заключается в абсолютном измерении разности активности нуклида в двух источниках, один из которых является образцовым, т.е. активность нуклида в этом источнике известна. Если — активность нуклида в образцовом источнике и — измеряемая разность значений активности нуклидов в двух источниках, то активность нуклида в измеряемом источнике

(4.4).

Точность измерения активности дифференциальным методом тем выше, чем меньше .

Дифференциальный метод относительных измерений используют сравнительно редко, в основном при сравнении радиевых эталонов.

Для сравнения радиевых эталонов предложена дифференциальная ионизационная камера, состоящая из двух одинаковых камер, включенных навстречу. При одинаковом облучении камер разностный ток равен нулю. В одну камеру помещают ампулу с радоном, в другую поочередно помещают радиевые эталоны в порядке убывания массы радия в них. Определяя моменты времени, когда разностный ток становится равным нулю, и пользуясь хорошо известным значением периода полураспада радона (3,825 дня), вычисляют соотношение масс радия в сравниваемых образцах с высокой точностью — погрешность не превышает 0,05%.