Содержание к диссертации
Введение
2. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ИЗМЕРЕНИЯ ЭКВИВАЛЕНТНОЙ ДОЗЫ 11
2.1. Эквивалентная доза, ее практическое использование, принципы измерения 11
2.2. Измерители ЭД смешанного излучения больших энергий 21
2.3. Первоначальные сведения об универсальном измерителе ЭД на основе сферического про
порционального счетчика 34
3. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРИНЦИПОВ ИЗМЕРЕНИЯ
ЭКВИВАЛЕНТНОЙ ДОЗЫ С ПШОЩЫО УШШЕРСАЛЬНОГО ИЗМЕРИТЕЛЯ
ЭКВИВАЛЕНТНОЙ ДОЗЫ НА ОСНОВЕ СФЕРИЧЕСКОГО ПРОПОРЦИОНАЛЬНОГО СЧЕТЧИКА 43
3.1. Постановка задачи 43
3.2. Обоснование применимости измерителя эквивалентной дозы в полях гамма-нейтронного излучения на реакторах и критических сборках 47
3.2.1. Расчет спектров событий в детекторе с тканевым диаметром 2 МІФІ 49
3.2.2. Показания измерителя ЭД, ожидаемые в различных нейтронных полях, и выбор оптимальной характеристики нелинейного усилителя 55
3.2.3. Выбор оптимальной характеристики нелинейного усилителя измерителя ЭД для измерений эквивалентной дозы в гамма-нейтронных полях 62
3.3. Обоснование применимости измерителя ЭД в полях
ионизирующего излучения большой энергии 69
3.3.1. Основные источники ожидаемой систематической погрешности с ростом энергии частиц 69
3.3.2. щенка влияния структуры трека частиц болыпих энергий на показания измерителя ЭД 72
3.3.2.1. Приближение без учета обратного рассеяния электронов 72
3.3.2.2. Приближение с учетом обратного рассеяния электронов 75
3.3.3. Обсуждение результатов 77
3.3.4. Оценка величины вклада в эквивалентную дозу продуктов ядерного взаимодействия частиц 81 большой энергии
3.3.5. Оценка суммарной систематической погрешности при измерении МЭД от протонов СКИ за барьерной защитой из алюминия с помощью измерителя ЭД 89
3.4. Выводы к главе 91
4. СОЗДАНИЕ ДЕТЕКТОРА УНИВЕРСАЛЬНОГО ИЗМЕРИТЕЛЯ ЭКВИВАЛЕНТНОЙ ДОЗЫ 92
4.1. Предварительное сопоставление возможностей сферического пропорционального счетчика и ПС-счетчика 92
4.2. Разработка ПС-счетчика и исследование его возможностей 95
4.2.1. Описание детектора и регистрирующей установки 95
4.2.2. Описание экспериментов и их результатов 99
4.2.3. Обсуждение результатов 107
4.3. Создание автономного детектора измерителя ЭД 112
4.3.1. Предварительные сведения и разработка макетного образца детектора измерителя ЭД 112
4.3.2. Результаты измерения характеристик рабочего .
варианта детектора в автономном режиме 122
4.4. Основные выводы по главе 4 126
5. РАЗРАБОТКА УНИВЕРСАЛЬНОГО ИЗМЕРИТЕЛЯ ЭКВИВАЛЕНТНОЙ ДОЗЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ЕГО ИСПЫТАНИЙ 128
5.1. title4 Разработка электронной схемы измерителя эквивалентной дозы 128
5.2. Градуировка измерителя ЭД 133
5.3. Конструкция измерителя ЭД І4Д 5;4. Оценка погрешности измерений с помощью
измерителя ЭД 144
5.5. Измерения ЭД в полях изотопных источников гамма-излучений и нейтронов 155
5.6. Испытания измерителя ЭД за верхней защитой Серпуховского синхротрона (Е = 70 ГэВ)
5.7. Выводы к главе 5 168
6. ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ДИССЕРТАЦИИ 170
7. СПИСОК МТЕРАШЩ 173
ПРИЛОЖЕНИЕ
1. Разработка рабочего варианта детектора измерителя ЭД и его конструкции 18'6
2. Выбор режима обезгаживания и требования к вакуумной установке 18?
3. Описание принципиальной схемы вакуумной-установки 188
4. Обезгаживание детектора измерителя ЭД 190
- Эквивалентная доза, ее практическое использование, принципы измерения
- Обоснование применимости измерителя эквивалентной дозы в полях гамма-нейтронного излучения на реакторах и критических сборках
- Предварительное сопоставление возможностей сферического пропорционального счетчика и ПС-счетчика
Введение к работе
В соответствии с действующими нормами радиационной безопасности /I/ критерием радиационного воздействия на людей является эквивалентная доза ионизирующего излучения (ЭД). Измерение этой величины является неотъемлемой частью современного радиационного контроля.
В настоящее время в нашей стране и за рубежом для решения физических и других задач используются ядерно-физические и электрофизические установки, на которых внешнее ионизирующее излучение имеет значения линейной передачи энергии (ЛПЭ), изменяющиеся в широком диапазоне, а кроме того варьирует в широком диапазоне энергий. Такая ситуация имеет место, например, на современных ускорителях протонов высоких энергий, реакторах и др. Число таких установок постоянно увеличивается и уже сейчас на них работает значительное количество людей.
Однако, в настоящее время приборы, серийно выпускаемые нашей промышленностью, не в полной мере удовлетворяют всем требованиям радиационного контроля в смешанных полях ионизирующего излучения широкого диапазона энергий. Существующие приборы позволяют измерять ЭД какого-то одного из компонентов смешанного ионизирующего излучения, причем имеют весьма ограниченные возможности, когда ЛПЭ меняется в широких пределах.
В настоящее время образцовые поля смешанного ионизирующего излучения в требуемом для практики диапазоне энергий и ЛПЭ пока отсутствуют. Это приводит к необходимости использования комплекса приборов, измеряющих отдельные компоненты смешанного излучения. Основным критерием правильности их показаний в этом случае служит взаимное сравнение результатов измерений.
В этой ситуации полезен измеритель ЭД смешанного ионизирующе- го излучения широкого диапазона энергий (ЛПЭ) на основе сферического пропорционального счетчика.
Отсюда вытекает практическая значимость такой установки. При этом из литературы известно, что такой измеритель может обладать достаточной для целей радиационного контроля чувствительностью по всем видам внешнего ионизирующего излучения, причем, диапазон значений коэффициента качества измеряемого излучения для рассматриваемого прибора не ограничен. С его помощью возможно измерять поглощенную дозу; эквивалентную дозу и средний коэффициент качества гамма-нейтронного излучения, протонного и мезонного излучения высоких энергий и т.д.
Кроме того, методическое решение такого прибора позволяет измерять все эти величины одновременно. Это особенно важно при измерениях в нестационарных полях ионизирующего излучения.
В отличие от основной массы измерителей эквивалентной дозы, рассматриваемый дозиметр может определять непосредственно ее значение, то есть применяться без дополнительной математической обработки показаний.
Как и все измерители эквивалентной дозы данный прибор должен использовать регламентированную /I/ зависимость коэффициента качества от ЛПЭ, которая в нем реализуется только электронными средствами, тогда как в других установках для этого, как правило, специально подбираются комбинации детекторов с определенной зависимостью чувствительности каждого от ЛПЭ ионизирующего излучения.
Если регламентированная зависимость на основании новых научных данных в дальнейшем будет уточнена, то все существующие приборы и установки будут нуждаться в соответствующей коррекции поведения зависимости чувствительности от ЛПЭ. Это, в свою очередь, связано с большим объемом дополнительных исследований для их модерни- зации. У рассматриваемого нами измерителя коррекция чувствительности от ЛПЭ сведется всего лишь к перенастройке электронного устройства. Последнее возможно осуществить достаточно быстро.
Однако существующий уровень разработки измерителя эквивалентной дозы смешанного излучения на основе сферического пропорционального счетчика не позволяет в полной мере использовать его преимущества.
Во-первых, для практических измерений эквивалентной дозы ионизирующего излучения требуется расширить диапазон его энергетической чувствительности.
Во-вторых, отсутствует детектор, способный работать длительный срок (более месяца) /2/ без перенаполнения рабочим газом. Поэтому такой измеритель должен укомплектовываться вакуумной установкой. В работе /3/ описан детектор, который насыщали рабочим газом около 3-х лет, что увеличило его ресурс работы до 6 месяцев. PI то и другое, на наш взгляд, для практического прибора неприемлемо.
Наконец, следует отметить, что данный измеритель, реализованный в единственном экземпляре в США., имеет с точки зрения практического использования ряд существенных недостатков. Использовался он с целью демонстрации принципиальных возможностей измерителей такого типа, а потому без достаточного методического обоснования.
В целом актуальность настоящей работы обусловлена необходимостью решения всех перечисленных выше научно-практических задач. — О —
Формулируя актуальность работы в кратком тезисе, следует выделить основную из этих задач.
Актуальность темы исследования определяется, с одной стороны, необходимостью контроля за величиной эквивалентной дозы ионизирующего излучения для решешя задач радиационной безопасности на объектах, где это излучение имеет смешанный состав и варьирует в широком диапазоне энергий, а с другой - отсутствием рабочих средств измерения, предназначенных для этой цели.
Указанные условия все чаще реализуются в практике контроля радиационной безопасности на современных ускорителях, реакторных и других ядерно-физических установках. Разработка рабочих средств измерения для решения задач радиационного контроля на таких объектах в конечном счете будет способствовать повышению его качества и надежности.
Автор защищает:
Разработанное конструктивно-технологическое решение задачи создания газоразрядного пропорционального счетчика с тканеэквивалентным катодом и газовым наполнением позволяет без нарушения тканеэквивалентности значительно увеличить ресурс работы детектора измерителя эквивалентной дозы (не менее чем до 2-х лет) после отсоединения его от вакуумной установки.
Разработанный на основе физико-математической модели, описывающей особенности формирования спектров энерговыделений от различных видов ионизирующего излучения в чувствительном объеме детектора, способ обработки его сигналов обеспечивает экспрессное получение значения эквивалентной дозы в полях гамма-нейтронного излучения, подлежащих радиационному контролю в помещениях всех типов объектов с ядерными реакторами и изотопными источниками нейтронов, а также смешанного ионизирующего излучения высоких энергий.
Ожидаемое значение систематической методической погрешности измерений в этих условиях за счет энергетической зависимости чувствительности в полях гамма-нейтронного излучения не превышает + 6% (с доверительной вероятностью Р =s 0,95), а в полях излучения высоких энергий (до I ГэВ/нуклон) - не превышает + 20^ (Р^ 0,95).
3. Результаты систематического экспериментального исследования характеристик перспективного по литературным дашіьм детектора ионизирующего излучения газоразрядного счетчика с регистрацией свечения газового разряда свидетельствуют о нецелесообразности его применения в задачах измерения эквивалентной дозы, ЛПЭ-метрии и микродозиметрии.
Основная цель работы заключается в разработке и реализации рабочего средства измерения, пригодного для практики радиационного контроля на всех типах существующих ядерных установок, в помещениях которых радиационная обстановка характеризуется наличием внешнего ионизирующего излучения смешанного состава, варьирующего в широком диапазоне энергий (от нескольких кэВ до тысячи МэВ).
В настоящей работе была разработана физико-математическая модель, учитывающая основные эффекты взаимодействия ионизирующего излучения со сферическим пропорциональным счетчиком, получена полная информация об особенностях измерений эквивалентной дозы с его помощью в реальных полях ионизирующего излучения за защитой ядерно-физических установок. Далее разработан, сконструирован и изготовлен электронный пульт измерителя, а также блок детектирования к нему. После градуировки проверена его работоспособность в тлеющихся образцовых и мониторированных полях ионизирующего излучения. По результатам испытаний оценены значения погрешностей установки в различных полях смешанного ионизирующего излучения. - II -
2. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ИЗМЕРЕНИЯ ЭКВИВАЛЕНТНОЙ ДОЗЫ
Эквивалентная доза, ее практическое использование, принципы измерения
В соответствии с действующими нормами /I/ критерием радиационной опасности является величина эквивалентной дозы (ЭД) ионизирующего излучения J -го вида - / , определяемая соотношением:
5) - поглощенная доза в ткани от этого вида излучения; AJ - произведение любых модифицирующих коэффициентов того же вида излучения.
Для внешнего излучения /V =1. В идеальном случае приборы, предназначенные для измерения ионизирующего излучения в практике радиационного контроля, должны быть устроены и отградуированы так, чтобы непосредственно определять максимальное по телу человека значение эквивалентной дозы (МЭД). На практике достигнуть этого трудно, хотя с некоторыми усилиями иногда можно добиться хорошего приближения, поскольку к значению индекса поглощенной дозы в точке, Щ приближается значение кермы, измеренное на той же глубине, при условии равновесия вторичных заряженных частиц. Хорошим приближением к оО/ является значение кермы и поглощенной дозы на поверхности, Я)по1, Последняя величина оказывается меньше [[ДО двух раз /4/. Для измерения значения индекса эквивалентной дозы М в заданной точке пространства необходимо определить также качество излучения и его глубинные дозы.
х) Индекс поглощенной дозы в точке (2)/) - максимальная поглощенная доза внутри шара диаметром 30 см, центр которого помещен в данной точке, и который состоит из вещества, эквивалентного по составу мягкой ткани с плотностью I г/см3.
Б соответствии с указанными представлениями как в нашей стране, так и за рубежом разработан ряд измерителей ЭД и методик, предназначенных для определения величины эквивалентной дозы Н и связанных с него величин коэффициента качества Q и линейной передачи энергии L различных видов ионизирующего излучения.
По своему функциональному назначению и области применения существующие измерители ЭД можно подразделить на несколько различных типов. В работе /4/ предлагается следующая их классификация:
а) измерители, основанные на измерении поглощенной дозы или флюэнса частиц какого-то одного вида и, соответственно, малочувствительные к сопутствующим излучениям. Для определения ЭД смешанного излучения с помощью таких приборов необходимо измерить вклады отдельных видов излучения в дозу излучения и сложить их, предварительно умножив на оцененные независимо значения коэффициентов качества. К таким измерителям относится, например, большинство приборов и установок для измерения гамма-излучения и тепловых нейтронов;
б) измерители ЭД, чувствительность которых в широком энергетическом диапазоне пропорциональна МЭД одного вида излучения. При этом они малочувствительны к сопутствующим излучениям. Такие измерители непосредственно измеряют МЭД или ее мощность данного вида излучения при выбранных условиях облучения (например, при флгоенсе частиц, направленном горизонтально). Если условия отличаются от стандартных, то это можно учесть с помощью коэффициента изотропности;
class2 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРИНЦИПОВ ИЗМЕРЕНИЯ
ЭКВИВАЛЕНТНОЙ ДОЗЫ С ПШОЩЫО УШШЕРСАЛЬНОГО ИЗМЕРИТЕЛЯ
ЭКВИВАЛЕНТНОЙ ДОЗЫ НА ОСНОВЕ СФЕРИЧЕСКОГО ПРОПОРЦИОНАЛЬНОГО СЧЕТЧИКА class2
Обоснование применимости измерителя эквивалентной дозы в полях гамма-нейтронного излучения на реакторах и критических сборках
Из соотн ошения (3.12) видно, что задача минимизации систематической методической погрешности измерений эквивалентной кермы сводится к минимизации вариации функционала /7/j на множестве фун-кций) т/ у / варьированием характеристики нелинейного усилителя И і (%)
В качестве множества функций ) (ї(В) I должен использоваться представительный набор спектров флюэнса нейтронного излучения, характерных для условий измерения ЭД за биологической защитой. В своей строгой математической постановке данная задача оказывается, вообще говоря, некорректной, являясь разновидностью задачи решения интегрального уравнения Фредгольма первого рода.
Для сведения ее к корректной требуется наложить условия гладкости на : искомую характеристику нелинейного усилителя К( ) . Можно показать, что в данном случае условие гладкости сводится к требованию, чтобы искомая функция принадлежала линейной оболочке (совокупности линейных комбинаций) функций Kj(%) (раздел 3..I рис.3.1). Дальнейшие оценки показали, что это в свою очередь практически равпозначно выбору в качестве искомой характеристики одной из функций ад.
Для такого выбора, как следует из уравнения (3.12) необходимо иметь сведения о спектрах энерговыделений Ph ( , В) , создаваемых монохроматическими нейтронами в чувствительном объеме детектора с тканевым диаметром 2 мкм. Требуется далее сформировать и представительный набор спектров флюэнса нейтронов у{ (В) и, наконец, привести расчетные оценки ожидаемых систематических методических погрешностей измерения.
Решению этих задач посвящаются нижеследующие разделы настоящей главы.
Предварительное сопоставление возможностей сферического пропорционального счетчика и ПС-счетчика
Как уже отмечалось, в качестве детектора универсального измерителя ЭД можно использовать не только сферический пропорциональный счетчик, но и так называемый ПС-счетчик (пропорциональный световой счетчик). Мы используем устоявшееся название, хотя более правильно его можно назвать счетчик с регистрацией свечения газового разряда. Этот тип детектора сочетает в себе свойства обычного пропорционального счетчика и газового сцинтилляционного детектора.
Принцип работы ПС-счетчика основан на регистрации световых фотонов, образующихся в результате взаимодействия заряженных ионизирующих частиц, пересекающих чувствительный объем детектора, с веществом наполняющего его газа. Первичная (быстрая) вспышка, как и в обычном газовом сцинтилляционном счетчике /96-98 обусловлена высвечиванием ионизованных и возбужденных молекул наполняющего газа. Под действием электрического поля электроны, образованные за счет энерговыделения первичной частицы, дрейфуют в направлении анода. Электрическое поле подбирается таким образом, что их энергия достигает величины, достаточной для возбуждения молекул наполняющего детектор газа, за счет чего возникает вторичная вспышка. Она возможна и без газового усиления первично выделившегося заряда. При еще больших значениях напряженности электрического поля (вблизи анода), могут возникать и лавины вторичных электронов. В этой области происходит дальнейшее увеличение числа рождающихся световых фотонов, так что ПС-счетчик работает в режиме, сопровождающемся газовым усилением как обычный пропорциональный счетчик. Таким об разом, сочетание двух последних режимов работы 1Ю-счетчика обуславливает вторичный световой импульс, величина которого при определенных условиях может быть сделана пропорциональной величине энерговыделения регистрируемой заряженной частицы. Значение амплитуды этого сигнала может в сотни и тысячи раз превышать значения сигнала от первичной вспышки. Это делает детектор интересным с точки зрения регистрации с его помощью малых энерговыделений. Время нарастания вторичного сигнала соответствует времени дрейфа электронов в области возбуждения и вторичной ионизации. Эта область локализована вблизи анода, а размеры ее определяются видом наполняющего газа, его давлением, приложенным напряжением электрического поля и, наконец, конструктивными особенностями самого детектора. Важным преимуществом ПС-счетчика является возможность создания значительного усиления светового сигнала, когда газовое усиление первично выделенного заряда невелико (или вообще отсутствует). Как показывает практика /99/, процессы, лежащие в основе такого усиления, подвержены гораздо меньшим статистическим флюктуациям, чем процесс усиления за счет лавинного образования заряда.
Разработка электронной схемы измерителя эквивалентной дозы
В главе 4 было показано, что сферический пропорциональный счетчик может быть использован в качестве детектора в измерителе ЭД, если импульсы со счетчика будут преобразовываться с помощью нелинейного усилителя со специально подобранной характеристикой, а затем складываться в сигнал, пропорциональный эквивалентной дозе.
Измеряя же средний ток на выходе счетчика, можно измерить и мощность тканевой кермы. Отношение первого ко второму равно среднему значению коэффициента качества излучения в точке измерения.
При практической реализации измерителя ЭД на основе сферического пропорционального счетчика приходится столкнуться с необходимостью регистрировать импульсы очень малых амплитуд. Действительно, излучение с минимальной ЛПЭ (порядка 0,2 кэВ/мкм) при прохождении частицы по диаметру счетчика с эффективным тканевым диаметром 2 мкм создаст энерговыделение порядка 400 эВ, а для того, чтобы зарегистрировать все треугольное распределение амплитуд импульсов, потребовалось бы измерять импульсы на порядок меньшей амплитуды, соответствующие образованию 1-2 пар ионов в газовом объеме счетчика. Оперировать со столь малыми импульсами чрезвычайно трудно еще и в силу специфики пропорционального счетчика как детектора./39/.
Обойти эту трудность можно, если характеристика нелинейного усилителя подбирается так, чтобы результирующий сигнал на его выходе был пропорционален не эквивалентной дозе, а разности эквивалентной и поглощенной дозы: Н - Д. В этом случае усилитель может быть нечувствителен к импульсам, создаваемым в счетчике излучением с коэффициентом качества Ц - I, а для получения эквивалентной дозы нужно сложить (с соответствующими весами) сигнал на выходе нелинейного усилителя ("импульсный компонент") с сигналом усилителя тока ("токовый компонент") /16/.I для излучения с Ж1Э 3,5 КэВ/мкм, что соответствует минимальному энерговыделеншо порядка I КэВ. Такие сигналы уже поддаются обработке. Этот принцип положен нами в основу функциональной схемы измерителя ЭД.
Исходя из изложенного, электронная схема измерителя ЭД должна обеспечивать решение основных задач:
1. Регистрация, обработка и измерение токового компонента сигнала детектора. Величина тока пропорциональна мощности поглощенной дозы.
2. Регистрация, обработка и измерение імпульсного компонента сигнала детектора (что соответствует компоненту ионизирующего излучения с ЛПЭ 3,5 КэВ/мкм).
3. Совместная обработка результатов измерения указанных выше компонент.
Обработка токового компонента сводится к линейному преобразованию постоянной составляющей сигнала счетчика и интегрированию результата преобразования за время измерения.
