5.1.2. Счетчики внутреннего наполнения

Объемная активность радиоактивного газа в воздухе может быть определена методами, основанными на счете отдельных частиц или квантов и на измерении ионизационного эффекта. Для счета отдельных частиц или квантов используют счетчики внутреннего наполнения. В этом случае газообразный препарат вводится непосредственно в детектор или детектор погружается (частично или полностью), в исследуемый газ. Оценка объемной активности по ионизационному эффекту осуществляется при помощи так называемых ионизационных камер с газовой стенкой или камер внутреннего наполнения.

Наибольшая точность измерения объемной активности газов достигается при использовании счетчиков внутреннего наполнения. В этих случаях радиоактивный газ вводят непосредственно в рабочий объем, что обеспечивает регистрацию практически каждого акта распада. Эти измерения проводят на газоразрядных счетчиках цилиндрической формы, работающих в пропорциональной или в гейгеровской области. Погрешность измерения не превышает ±3%. Данный метод применяется для паспортизации газообразных препаратов. Из-за сложности эксплуатации, необходимости специального оборудования этот способ не нашел применения в санитарной практике.

В практике контроля содержания радиоактивных газов в воздухе рабочих помещений широкое распространение получили складные камеры, оснащенные счетчиками β-излучения и засасывающие пробу по принципу мехов. Входное отверстие таких камер снабжается аэрозольным фильтром задерживающим практически всю дисперсную фазу. Вопрос о представительности контроля с помощью такой камеры в дальнейшем сводится к правильной радиометрии полученной объемной пробы. При этом в ряде случаев следует корректно оценить эффект сорбции радионуклидов внутренними поверхностями камеры. Такой эффект может оказаться значимым в некоторых измерениях объемной активности газообразных продуктов деления, имеющих радиоактивные дочерние элементы.

Как правило, это устройство состоит из цилиндрической емкости, заполняемой исследуемым газом, и торцового счетчика, расположенного в центре основания этого цилиндра. Для этих условий градуировочный коэффициент определяется при помощи абсолютного метода на основании следующих допущений:

1. поглощение β-частиц в веществе подчиняется экспоненциальному закону;
2. детектор точечный (радиус входного окна счетчика в 5 раз меньше радиуса цилиндра);
3. рассеяние β-частиц от стенок цилиндра мало и им можно пренебречь;
4. радиоактивный газ равномерно распределен по цилиндру.

Рис. 5.1. К расчету числа β-частиц, попадающих во входное окно торцового счетчика из газонаполненного цилиндра

Рис. 5.2. К расчету числа β-частиц, попадающих во входное окно торцового счетчика из газонаполненной полусферы

Тогда выражение для доли β-излучения газообразного источника, регистрируемой счетчиком (), записывается в следующем виде (рис. 5.1).

(5.1),

где — площадь входного окна счетчика, — коэффициент ослабления β-излучения, — толщина входного окна счетчика и — высота и радиус цилиндра соответственно. Интегрирование уравнения по и дает

(5.2)

.

Уравнение (5.1а) не может быть выражено в элементарных табулированных функциях, поэтому для его решения был использован численный метод интегрирования. Расчеты были проведены для = 5 мг/см² (толщина входного окна, типичная, для серийных торцовых счетчиков) и некоторых значений и .

Численные значения градуировочных коэффициентов, рассчитанные для различных размеров цилиндра в зависимости от энергии β-частиц, приведены в табл. 5.2.

Таблица 5.2

Численные значения коэффициента [10^-4 имп./(расп·см²)]

Расчеты были осуществлены для толщины входного окна счетчика, равной 5 мг/см². Как видно из приведенных данных, значение коэффициента заметно возрастает с увеличением энергии до 1 МэВ. При дальнейшем увеличении энергии величина коэффициента изменяется незначительно, что объясняется малым поглощением β-излучения в воздухе и материале окна счетчика.

Используя указанные коэффициенты, в практических условиях можно измерять содержание газов в воздухе производственных помещений.

Сконструировать переносную камеру цилиндрической формы в практических условиях не представляет особого труда.

Основание камеры выполняется из оргстекла, боковая поверхность — из полиэтилена, благодаря этому камера легко складывается. В центре верхнего основания имеется отверстие, в котором крепится торцовый счетчик. Исследуемый воздух засасывается в камеру при ее раскладывании через отверстие в верхнем основании.

Объемную активность газа определяют по формуле:

(5.3),

где — объемная активность газа в камере, Бк/л; — скорость счета β-частиц за вычетом фона, имп/с; — градуировочный коэффициент (см. табл. 5.2); — площадь входного окна счетчика, см²; — объем цилиндрической камеры в литрах.

В табл. 5.3 приведены значения чувствительности цилиндрической камеры со счетчиком МСТ-17 и минимально измеримые активности различных газов. Значения минимальной активности приведены при фоне 40 имп/мин, применение таких камер для радиометрии ³Н и ¹⁴С возможно, однако чувствительность данного метода весьма незначительна. Цилиндрические камеры в практических условиях используются при радиометрии газов с энергией более 0,3 МэВ.

Таблица 5.3

Чувствительность цилиндрической камеры с торцевым счетчиком МСТ-17 и минимально измеримые активности различных газов

Следует указать, что наряду с цилиндрическими камерами можно применять камеры полусферической формы, торцовый счетчик в которых располагается в центре плоского основания (рис. 5.1).

(5.4).

После интегрирования этого уравнения по и и подстановки соответствующих пределов имеем

(5.5).

Интеграл, входящий в это уравнение, выражается через функцию . Тогда окончательно имеем

(5.6).

Таким образом, для измерительного устройства, состоящего из полусферы с торцовым счетчиком в центре плоского основания, величина градуировочного коэффициента выражается через табулированные функции исходных параметров.

В табл. 5.4 приведены значения градуировочных коэффициентов для различных энергий и размеров полусферических камер. Толщина входного окна счетчика 5 мг/см².

Таблица 5.4

Значения градуировочного коэффициента [10^-4 имп./(расп·см²) для полусферических камер

Для отбора газообразных проб из технологических магистралей, емкостей и т. п. часто используют предварительно вакуумированные емкости. Такую емкость подсоединяют через переходной вентиль (клапан) к трубопроводу, и пробу получают после открывания вентиля за счет перехода газа самотеком в пробоотборную емкость. Главная особенность такого отбора пробы – это переменная линейная скорость поступления газа в емкость, что может решающим образом отразиться на представительности пробы в случае, если она предназначена не только для анализа газов, но и дисперсной фазы.

Тем не менее, для разовых периодических измерений могут быть использованы вакуумированные ионизационные камеры, где соотношение между объемной активностью газа во внутреннем объеме камеры и ионизационным током имеет вид

(5.7),

где – доля энергии β-частиц, теряемая в объеме камеры на ионизацию; — эффективность собирания ионов; – объем камеры; – средняя энергия β-частиц; – заряд электрона; – средняя работа ионообразования.