2.3.1. Методы абсолютных измерений

Методы абсолютных измерений активности будут достаточно подробно рассмотрены далее, поэтому ограничимся лишь краткой информацией о них.

Метод абсолютного счета заряженных частиц и фотонов основан на знании числа частиц или фотонов, испускаемых при каждом акте распада нуклида, и их регистрации в выбранном телесном угле. Существует несколько разновидностей этого метода: метод определенного телесного угла, метод 4π-счета, метод счетчиков внутреннего наполнения.

Метод определенного телесного угла применяется в основном при измерении α-излучения и низкоэнергетического фотонного излучения (1-80 кэВ). При этом используются пропорциональные счетчики, сцинтилляторы из ZnS, тонкие кристаллы из CsI, а также полупроводниковые детекторы. Минимальная погрешность измерений активности оценивается в 0,1% для α-излучения и 1 % для фотонного излучения. Менее перспективен данный метод для измерения активности по β-излучению, поскольку наличие большого числа поправочных коэффициентов увеличивает погрешность метода до 5-10%.

Метод 4π-счета предназначен для измерения активности а-и р-излучающих нуклидов. Он реализуется с помощью счетчиков Гейгера — Мюллера, пропорциональных 4π-счетчиков, монокристаллических сцинтилляционных детекторов, а также детекторов на основе жидких сцинтилляторов. Погрешность определения удельной активности α- и β-излучателей при использовании пропорциональных счетчиков оценивается в 0,3—0,5%, а с помощью жидких сцинтилляторов 0,2—0,3% (для β-излучателей с > 150 кэВ) и 0,05—0,1% (для α-излучателей). Для низкоэнергетических β-излучателей погрешность измерения активности составляет 1—3%.

Метод счетчиков внутреннего наполнения, или метод внутреннего газового счета, применяется для изменения активности нуклидов с малой энергией β-частиц (³Н, ¹⁴С, ²⁵S и др.). Используются пропорциональные счетчики, в которых предусмотрены меры по исключению концевого эффекта. Погрешность измерения активности низкоэнергетических β-излучателей составляет примерно 1% [28].

Метод совпадений используется для измерения активности нуклидов, распад которых сопровождается испусканием одного или нескольких фотонов γ- или рентгеновского излучения. При измерении активности этим методом регистрируются совпадения между α-частицами и фотонами (αγ-совпадения), между двумя γ-квантами (γγ-совпадения), между β-частицами и фотонами (βγ-совпадения) и т. д. Данный метод реализуется с помощью установок совпадений, имеющих два измерительных канала, в каждом из которых используется детектор с максимальной чувствительностью к одному виду излучения. Измерительные каналы работают как в самостоятельном режиме, так и в режиме совпадений.

Для наиболее простого случая, когда распад осуществляется с испусканием одной частицы, сопровождаемой одним фотоном, активность определяется по формуле

(2.5),

где — скорость счета частиц в измерительном канале 1; — скорость счета фотонов в измерительном канале 2; — скорость счета частиц и фотонов в режиме совпадений.

Для нуклидов с более сложной схемой распада формула (2.5) усложняется, и в ней появляются члены, зависящие от эффективности регистрации детекторами соответствующих видов излучения и параметров схемы распада. Метод совпадений широко используется в метрологической практике многих стран. Анализ результатов, полученных с помощью метода совпадений и его разновидностей, позволяет сделать заключение о том, что он может обеспечить измерение активности α-излучающих нуклидов с погрешностью 0,1—0,3%, β- γ-излучающих нуклидов — 0,2-1%, электронозахватных нуклидов — 1-2%.

Метод ионизационной камеры основан на ионизационном эффекте, создаваемом излучением в рабочем объеме ионизационной камеры. Для случая, когда излучение полностью поглощается в газе ионизационной камеры, активность рассчитывается по формуле

(2.6),

где — сила ионизационного тока в цепи камеры; — средняя энергия ионообразования; — заряд электрона; — энергия α-частиц или средняя энергия β-частиц.

Метод применим и для измерения активности γ-излучающих нуклидов. Заметим, что в этом случае камера должна быть отградуирована по образцовому источнику или раствору, и, следовательно, метод не будет абсолютным. Метод ионизационной камеры используется для измерения активности в диапазоне 10⁶—10⁹ Бк. Хотя метод и не обеспечивает высокой точности, он применяется в тех случаях, когда требуется быстрое определение активности, а также в качестве контрольного при сравнении результатов измерений, полученных различными абсолютными методами.

Калориметрический метод основан на физическом явлении, заключающемся в выделении энергии при радиоактивном распаде. При помещении радиоактивного препарата в калориметр последний будет нагреваться за счет поглощения в его объеме выделяемого тепла. Активность источника связана с тепловой мощностью , переданной калориметру, следующим соотношением

(2.7),

где — энергия, освободившаяся при одном акте распада; — коэффициент, учитывающий степень поглощения излучения в стенке калориметра.

Метод наиболее перспективен при измерении больших активностей (10⁹—10¹² Бк), где использование других методов затруднено из-за больших погрешностей в определении мертвого времени, эффектов наложения импульсов и т. д. Калориметрический метод нашел достаточно широкое применение. При соответствующем подборе калориметров и измерительных устройств он может обеспечить измерение активности α-излучающих нуклидов с погрешностью 0,2—0,5%, β-излучающих нуклидов — 0,8—1,5%, γ-излучающих нуклидов 1—3%. Погрешность определения активности β-излучающих нуклидов в основном определяется погрешностью, с которой установлены значения средней энергии β-частиц.

Электростатический метод основан на измерении электрического заряда, накопленного на изолированном источнике за счет уноса из него заряда противоположного знака α- или β-частицами. Зная заряд, накопленный источником за определенное время, и тип распада, можно определить активность нуклида в источнике. Поскольку этот метод не имеет каких-либо преимуществ перед другими методами измерений и, кроме того, имеется ряд сложностей в его реализации, он не нашел широкого применения.

Анализ методов абсолютных измерений активности нуклидов показывает, что ни один из них не является универсальным. Каждый метод обладает своими достоинствами и недостатками. Поэтому выбор того или иного метода должен осуществляться с учетом различных факторов: диапазона измеряемых активностей, особенностей схем распада, физико-химического состояния радиоактивного образца, требуемой точности измерений и т. д.