Приборы и методы, используемые для измерения внешней дозы облучения в результате воздействия ионизирующего излучения, можно разбить на четыре категории: дозиметры, детекторы бета- и гамма-излучения, детекторы альфа-излучения, методы обнаружения нейтронов. Есть также методы обнаружения внутренней дозы облучения, хотя они относятся скорее к косвенным методам. Мы также рассмотрим измерение радионуклидов в воздухе, воде, растениях и почве.

Дозиметры

Дозиметры - это приборы, которые контролируют индивидуальную дозу внешнего облучения. Наиболее часто используются следующие два вида дозиметров: термолюминесцентные дозиметры (ТЛД) и пленочные дозиметры. Оба устройства измеряют дозу, накопленную за определенный период времени. Например, пленочные дозиметры можно носить в течение месяца, а затем, после их сбора и анализа, можно определить общую дозу облучения за этот месяц.

В одном из наиболее широко используемых типе термолюминесцентного дозиметра используется кристалл фторида лития. При поглощении излучения фторидом лития электроны в кристалле переходят на более высокие энергетические уровни. Некоторые из этих электронов захватываются примесями в кристалле, где они остаются в возбужденном состоянии, до тех пор пока кристаллы не нагреются. При нагревании кристалла электроны высвобождаются из этих участков захвата и испускают свет. Испущенный свет можно измерить, и он будет пропорционален величине излучения, которое воздействовало на кристалл ТЛД и, по-видимому, на человека. После того, как кристалл будет нагрет до достаточно высокой температуры, все захваченные электроны высвободятся и дозиметр можно будет использовать снова. Чувствительность некоторых ТЛД достаточно высока, что позволяет измерять дозы бета- и гамма-излучения в несколько десятков микрорад. Некоторые ТЛД могут также обнаруживать нейтроны.

Пленочные дозиметры используются для контроля индивидуальных доз в результате воздействия бета- и гамма-излучения. Чтобы оценить одновременно различные дозы облучения, полоску пленки покрывают поглотителями. Меняя тип и толщину поглотителя, можно определить дозы облучения кожи, хрусталика глаз, а также дозу облучения, полученную всем телом. У некоторых пленочных дозиметров есть небольшое окошко, покрытое тонким слоем майлара, который может обнаруживать бета-излучение, и один или более участков с металлической фольгой для обнаружения гамма-излучения. Радиационное воздействие на пленку определяется степенью потемнения пленки, после проявки. Пленочные дозиметры выглядят как значки, и их можно прикреплять на карман или пояс.

Пленочные дозиметры и ТЛД измеряют дозу, полученную работником за длительный промежуток времени, тогда как карманные дозиметры измеряют дозу, полученную работником за один день. Используя карманные дозиметры, можно определять, получил ли работник опасную дозу облучения за данную смену, а не ждать, пока пройдут несколько недель. В принципе, пленочные дозиметры или ТЛД и карманные дозиметры надо носить одновременно. Карманные дозиметры могут измерять гамма-излучение с энергией до двух мегаэлектрон-вольт. Они, по существу, являются устройствами, которые могут хранить электрический заряд. Они состоят из внешнего корпуса - пластиковой трубки, покрытой проводящим материалом, и проволоки, изолированной от внешней стенки и проходящей внутри по центру трубки. Для подачи положительного заряда на центральную проволоку используется дополнительное устройство, называемое зарядно-отсчетным устройством. При облучении некоторая часть этого положительного заряда нейтрализуется ионами, образовавшимися под воздействием данного излучении. Показания дозиметров считывают напрямую или, чтобы определить фактически полученную дозу облучения, их помещают в зарядно-отсчетное устройство. Карманные дозиметры похожи на ручки, и их прикрепляют на карман рубашки.

Пленочный дозиметр (Источник: ICN Biomedicals, Inc.)		Карманные дозиметры (Источник: Biodex Medical Systems)

Детекторы бета- и гамма-излучения

Детекторы излучения - это устройства, используемые для обнаружения бета- и гамма-излучения в воздухе. Они отличаются от дозиметров тем, что могут измерять излучение напрямую в реальном времени. Большинство детекторов излучения регистрируют эффект воздействия излучения на молекулы газа. По мере того, как излучение, замедляясь, проходит через газ, оно ионизирует атомы газа, выталкивая из них электроны и оставляя за собой положительные ионы. В детекторе Гейгера-Мюллера, более широко известном под названием счетчик Гейгера, ионизация приводит к постоянной выработке электрического импульса, независимо от количества энергии, передаваемой в детектор, и от природы ионизирующего излучения. С другой стороны, выходные сигналы сцинтиляционных счетчиков и газопроточных пропорциональных счетчиков пропорциональны величине энергии, передаваемой в детектор.

Счетчик Гейгера может насчитывать бета-частицы и гамма-лучи. Если его оборудовать достаточно тонким окошком (как, например, в "плоском" детекторе), счетчик Гейгера может также регистрировать альфа-частицы. Весь прибор фактически состоит из двух компонент: трубки Гейгера-Мюллера (детектор, в котором происходит ионизация) и электронного усилителя (который активизирует устройство, считывающее количество ионизации). Трубка Гейгера-Мюллера (ГМ) состоит из цилиндрической камеры, по центру которой проходит металлическая проволока, изолированная от внешней стенки. В трубке содержится инертный газ, такой как гелий или неон. Положительный провод источника высокого напряжения подсоединен к центральной проволоке, а отрицательный - к внешней оболочке трубки.

Процесс измерения излучения начинается с того, что счетчик Гейгера помещают около источника излучения. В результате этого падающая бета-частица или гамма-луч ионизирует атомы газа. Высвобождающиеся при этом электроны сильно притягиваются к положительно заряженной проволоке. На пути электронов находятся другие молекулы газа, которые также будут ионизированы. Эти новые электроны вызовут новые ионизации, что в конечном итоге приведет к каскадному процессу ионизации. Одна начальная ионизация приводит к образованию миллиардов ионов, которые собираются на положительно заряженной проволоке, проходящей по центру. Затем используется электронный усилитель для активизации подсчитывающего устройства.

Бета-частицы, которые достигают газа в детекторе и вызывают ионизации, будут учтены. Однако многие гамма-лучи пройдут через весь газ без взаимодействия и таким образом не будут зарегистрированы (если только не используются более толстые поглотители для захвата гамма-лучей высокой энергии). Поскольку трубка ГМ более эффективна для обнаружения бета-частиц, чем гамма-лучей, она должна быть сконструирована так, чтобы окошко было достаточно тонким и через него могли проникать бета-частицы. Ее выходной сигнал не может быть использован для предоставления информации о типе падающей частицы, которая фиксируется счетчиком. Чтобы отличить бета-частицы от гамма-лучей, можно использовать поглотители. Например, тонкий поглотитель, помещенный между источником излучения и трубкой ГМ, задержит все бета-частицы и позволит гамма-лучам проникнуть в детектор. Для различения бета-частиц от гамма-лучей можно использовать интенсивность счета с поглотителем и без него.

Тогда как счетчики Гейгера насчитывают ионизации, возникающие в результате взаимодействия падающего излучения с атомами газа, сцинтилляционные счетчики реагируют на энергию самого падающего излучения. Сцинтилляционный счетчик сделан из материала, который светится (сцинтиллирует) при попадании на него излучения, и усилителя света. Когда бета-частица замедляется в сцинтилляторе, небольшая часть энергии, которую она передает атому в сцинтилляторе, преобразуется в свет. Когда гамма-лучи проходят через сцинтиллятор, они отрывают электроны, которые в свою очередь ведут себя как бета-частицы и преобразуют часть своей энергии в свет.

Сцинтилляторы бывают разных форм и размеров. Некоторые из них пластиковые, а некоторые представляют собой плотные кристаллы иодида натрия. Для обнаружения гамма-лучей необходимы большие плотные сцинтилляторы, поскольку гамма-лучи высоких энергий могут проходить через умеренно толстый слой обычного материала (ткани человеческого тела, бетонные стены, воду и т.д.), почти не взаимодействуя с ним. Количество света, вырабатываемого в сцинтилляторе, можно измерить с помощью усилителя света, называемого фотоэлектронным умножителем. Величина каждого импульса света представляет собой меру энергии, переданной сцинтиллятору. Возможность измерять эту энергию означает, что можно идентифицировать излучение от различных источников и в то же самое время оценить интенсивность источника. Другие приборы, о которых мы говорили выше, не позволяют различать величину энергии фотонов (т.е. тип гамма-лучей). Определив тип гамма-лучей, мы можем сделать вывод о типе радионуклида, который их испускает.

Счетчики Гейгера могут быть выполнены в виде небольших приборов, умещающихся в ладони. Их легко использовать в качестве переносных дозиметров. Сцинтилляционные счетчики - это обычно большие лабораторные измерительные приборы.

Детекторы альфа-излучения

Обнаружение альфа-частиц - это технически более сложная задача, чем обнаружение бета-частиц и гамма-лучей. Подобно бета- и гамма-излучению, альфа-частицы могут порождать ионизацию, но их проникающая способность ниже.

В принципе, альфа-частицы можно обнаружить с помощью простой трубки ГМ. Счетчики ГМ, снабженные детектором, выполненным в виде тонкого окошка из майлара (например, плоский датчик ГМ), могут быть использованы для обнаружения как альфа-, так и гамма- и бета-излучения. Однако лучше всего альфа-частицы замеряются так называемыми газопроточными пропорциональными счетчиками.

В некоторых пропорциональных счетчиках источник излучения, которое нужно измерить, или образец помещаются непосредственно внутрь детектора. В этих "безокошечных" трубках образец находится в непосредственном контакте с газом счетчика (газ, находящийся внутри детектора). Как и в счетчиках Гейгера, сигнал, производимый пропорциональным счетчиком, получается в результате электрического заряда, который в свою очередь создается ионизацией газа под воздействием падающего излучения. Газ в детекторе состоит из 90 % аргона и 10 % метана и течет через камеру при атмосферном давлении.

Малогабаритные приборы, которые измеряют альфа-, бета- и гамма-излучение совместно (с точки зрения величины ионизации, которую они порождают) и выдают показания в виде количества импульсов в минуту или миллирентген в час, внедрены в производство и доступны для широкого круга потребителей. Альфа-счетчики используются, например, в местах, где люди работают с плутонием (альфа-излучатель).

Прибор радиационного контроля Испольсуется со сцинтилляционным датчиком (не показано) или плоском датчиком ГМ (справа) (Источник: Biodex Medical Systems)		Плоский датчик Гейгера-Мюллера Также называемый "фрискер" от англ. "frisk" - "обыскивать" (Источник: Biodex Medical Systems)

Портативный прибор радиационного контроля
Исмеряем альфа-, бета- и гамма-радиацию)
(Источник: Biodex Medical Systems)

Обнаружение нейтронов

Гамма-лучи классифицируются как ионизирующее излучение. Они являются электромагнитными лучами (так же как свет), и с ними не связано никакого заряда. Они отрывают электрон от нейтрального атома, оставляя позади себя положительный ион. Альфа- и бета-частицы являются ионами, другими словами, они несут результирующий заряд. Альфа-частица имеет результирующий заряд, равный +2, а бета-частица - единичный положительный или отрицательный заряд. Чтобы представить ионы или продукты ионизации в виде поддающихся измерению событий (единицы счета), применялись различные схемы, рассмотренные выше.

С другой стороны, нейтроны являются нейтральными частицами. Они не несут электрического заряда и напрямую не вызывают ионизацию. Нейтроны могут быть обнаружены косвенным путем посредством заряженных частиц, которые они образуют в ходе ядерной реакции, или по гамма-лучам, порождаемым при косвенной ионизации. Например, в результате типичной реакции захвата изотоп бора-10 захватит нейтрон. Это послужит началом ядерной реакции, в ходе которой образуются характерные гамма-лучи, и они могут быть обнаружены одним из методов обнаружения гамма-излучения, описанных выше. Однако гамма-детекторы должны иметь возможность различать гамма-лучи, образованные в ходе ядерной реакции, и гамма-лучи, исходящие от других источников.

Это не так-то просто сделать. Однако, если есть возможность обнаружения энергии, связанной с излучением (см. выше "сцинтилляционный счетчик"), то можно попытаться найти энергии определенных диапазонов, которые могут быть связаны с источником излучения. (например, гамма-лучи, которые, как известно, являются продуктами распада.) Можно построить электронные схемы, которые будут отличать характеристические гамма-лучи от всех других.

Приборы для измерения ионизирующего излучения
УСТРОЙСТВА	МОГУТ ИЗМЕРЯТЬ
Пленочные дозиметры	бета-частицы гамма-лучи
Термолюминесцентные дозиметры (ТЛД)	бета-частицы нейтроны
Карманные дозиметры	гамма-лучи
Счетчики Гейгера-Мюллер (счетчики Гейгера)	альфа-частицы (если используется соответствующий детектор) бета-частицы гамма-лучи
Сцинтилляционный счетчик	бета-частицы гамма-лучи
Газопроточный пропорциональный счетчик	альфа-частицы гамма-лучи очень низкой энергии бета-частицы очень низкой энергии

Измерение окружающей среды

Радионуклиды можно измерять в воздухе, воде, растительности и почве с использованием приборов, описанных выше, в сочетании со станциями мониторинга состояния атмосферы, отбором проб воды и лабораторными анализами, отбором образцов почвы, а также другим оборудованием и методами. Чтобы установить величину излучения в воздухе на рабочем месте, определенное количество воздуха пропускают через бумажный фильтр, который затем измеряют одним из детекторов, описанных выше.

Радиоактивность в жидкостях измеряется с помощью жидкостного сцинтилляционного счетчика. Если в качестве жидкости рассматривается вода, то это довольно стандартная процедура. Например, предприятия, использующие радиоактивные материалы, должны измерять радиоактивность в жидких отходах с тем, чтобы определить, является ли она ниже установленных норм и поддаются ли эти отходы утилизации в качестве сточных вод. Определение уровня радиоактивности в других жидкостях, особенно неизвестных, является более сложной процедурой.

Измерение концентрации радионуклида, являющегося источником гамма-излучения, в почве может быть выполнено в полевых условиях с использованием простого миниатюрного счетчика Гейгера. Однако для обнаружения конкретных альфа- или бета-излучающих радионуклидов образцы почвыанализируются с помощью сцинтиллятора или газопроточного пропорционального счетчика и, как правило, в лабораторных условиях.

Многие лаборатории, которые проводят измерения радиоактивности, предлагают свои методики измерений для проверки. Лаборатория по измерению окружающей среды (ЛИОС) Министерства энергетики в рамках Программы оценки качества проводит оценку участвующих лабораторий. Эта программа сравнивает эффективность аналитической деятельности участвующих лабораторий. Примерно два раза в год ЛИОС публикует результаты своих оценок, а также размещает их на своем сайте в Интернете http://www.eml.doe.gov/qap/.

Внутренние радиационные дозы¹

Внешние устройства контроля, такие как ТЛД, могут измерять величину внешнего радиационного воздействия на рабочего, но не дозу облучения в результате попадания радионуклидов внутрь тела человека при вдыхании, с пищей или каким-либо другим образом. В общем, определение дозы воздействия от веществ, попавших внутрь тела человека, является значительно более сложной процедурой. Кроме всех прочих факторов, размер внутренней дозы будет зависеть от химической формы материала, путей его проникновения и распределения в теле человека, а также от скорости выведения его из организма (биологический период полувыведения). Поскольку показатели обмена веществ у разных людей разные, внутренняя доза, которую человек получает от конкретного радионуклида, может значительно отличаться от дозы, рассчитанной на основе его среднего показателя биологического периода полувыведения.

Мониторинг доз внутреннего облучения производится несколькими способами. Один из широко принятых методов заключается в измерении концентрации радионуклидов в моче. Если известны скорости вывода при различных содержаниях радионуклидов в организме, тогда можно рассчитать эти содержания и, таким образом, вычислить дозу облучения.

Другой метод заключается в измерении излучения, испускаемого радионуклидом внутри организма. Поскольку часть гамма-излучения проникает через ткани организма, небольшая доля гамма-лучей, испускаемых радионуклидами внутри организма, выходит наружу. Их можно измерить путем помещения рабочего или части его тела в "счетчик", представляющий собой камеру, которая измеряет гамма-излучение. Таким образом, у нас есть "счетчики" по всему организму, "счетчики по легким" и т.д. При измерении содержания радионуклидов внутри организма необходимо делать поправку или исключать источники природной радиоактивности, особенно радона и продуктов его распада.

Внутренние дозы персонала могут быть оценены косвенно, путем измерения концентраций радионуклидов в воздухе на рабочих местах. На тех участках, где вероятность вредного воздействия повышена, рабочие могут носить портативные устройства контроля за качеством воздуха для измерения концентраций радионуклидов в "респираторной зоне", т.е. непосредственной близости с лицом. Внутренние дозы персонала можно оценить, если известны частота дыхания, эффективность защитных устройств, если таковые имеются, а также другие факторы.

Важно, чтобы радиационный контроль проводился точно и достаточно детально. Например, пленочные портативные устройства и ТЛД, когда они не используются, должны храниться соответствующим образом, чтобы они не загрязнялись в промежутках между использованием. Кроме того, там, где существует опасность внутреннего облучения, необходимо достаточно часто проводить мониторинг за состоянием здоровья работников, для того чтобы точно определить внутреннее содержание радионуклидов у них в организме.

В военной атомной промышленности данные по дозиметрическому контролю и облучению рабочих в большей степени неточны и неполны. В 1994 г. Министерство энергетики признало, что ее данные по дозам внешнего облучения персонала неполные, неточные и порой вводят в заблуждение и что это частично объясняется плохой калибровкой измерительных приборов, многократной выдачей портативных дозиметров и плохим выбором места расположения дозиметров². Совсем недавно было проведено исследование по оценке эксплуатационных параметров приблизительно 1 000 персональных устройств радиационного контроля в Европе, в результате которого было обнаружено, что 25 % внешних доз, зарегистрированных дозиметрами бета-излучения и нейтронов, были значительно занижены³.