5. Принципы и методы дозиметрии

5.1. Понятие о детекторе и основные требования

Прибор для регистрации любого вида излучения состоит из детектора и измерительного устройства (измерительной электронной аппаратуры). Детектор включает в себя чувствительный объем, в котором энергия ионизирующего излучения в процессе взаимодействия с веществом детектора преобразуется в другой вид энергии, наиболее удобный для измерения этого эффекта, как правило это электрический сигнал. (электрический импульс), который затем преобразуется в аналоговую или цифровую информацию и выводится на показывающее устройство. Вещество чувствительного объема может быть газом, жидкостью или твердым телом, соответственно детекторы называются газовыми, жидкостными или твердотельными. Таким образом, все методы дозиметрии основаны на измерении реакции, вызываемой ионизирующим излучением в облучаемой среде. Такими реакциями могут быть: ионизация, химический эффект, фотографический эффект, нагрев, свечение и т.п.

В соответствии с видом измеряемой реакции существуют различные методы дозиметрии ионизирующего излучения. Наиболее широкое распространение в практической дозиметрии получили ионизационный, сцинтилляционный, полупроводниковый, фотографический и химический методы.

Экспериментальное определение доз излучения в полном объеме задач, не может быть осуществлено с помощью какого-либо одного метода регистрации.

В принципе, любое вещество, которое изменяет в доступной для измерений степени свои физические или химические параметры под воздействием ионизирующего излучения, может являться основой для дозиметра. Однако при практической реализации такой возможности вступает в действие ряд требований к измерительной системе, которые резко ограничивают выбор соответствующего вещества, воспринимающего излучение. К таким требованиям, наряду с другими, относятся: тканеэквивалентность, высокая чувствительность, достаточная точность и стабильность показаний во времени.

5.2. Схемы связи детекторов с электронными устройствами

Детекторы ионизирующих излучений работают в комплекте с различными электронными усилителями, преобразовательными и измерительными показывающими, регистрирующими, индикаторными и другим устройствами, имеющими определенные электронные схемы. Снимаемый с сопротивления нагрузки детектора сигнал поступает на вход электронной схемы, которой часто служит усилительный каскад с определенными входными параметрами. Для обеспечения максимальной амплитуды сигнала входная емкость усилителя должна быть минимальной, а входное сопротивление должно быть больше сопротивления нагрузки. При этом меньше сказывается влияние изменения входного сопротивления на параметры сигнала. Если в схему поступает непосредственно ток детектора, то входное сопротивление усилительного каскада должно быть меньше выходного сопротивления самого детектора.

Связь сопротивления нагрузки R_н с усилительным каскадом бывает гальванической и через разделительный конденсатор (рисунок 1).

Рисунок 1. Схемы связи детекторов с электронными схемами: а — гальваническая связь; б — связь через разделительный конденсатор; в — эквивалентная схема входа при передаче сигнала через разделительный конденсатор; г — обобщенная эквивалентная схема

В первой схеме сопротивление нагрузки детектора одновременно является элементом усилительного каскада и подключено к затвору полевого транзистора, а во второй схеме эти функции выполняются разными сопротивлениями и конденсатор связи С_с имеет большой запас по рабочему напряжению с абсолютным отсутствием утечек, которые создают ложные сигналы на входе усилителя. В эквивалентной схеме входа емкость детектора С_д подключена параллельно сопротивлению нагрузки R_н, а емкость входа электронной схемы С_э параллельно сопротивлению R_с. В этой схеме сигнал с нагрузки детектора поступав на вход усилителя с минимальным искажениями.

Для передачи сигнала с выхода ФЭУ сцинтилляционного детектора в соединительный или формирующий кабель применяется составной повторитель (рисунок 2). Коэффициент усиления составной схемы определяется коэффициентами усиления входящих в нее транзисторов и поэтому его входное сопротивление может быть значительным. Его выходное сопротивление не зависит от сопротивления источника сигнала. В схеме выход составного повторителя подается на высокочастотный кабель, выполняющий две функции. Часть кабеля Л3₁ служит для передачи сигнала от детектора к электронной установке, а короткозамкнутый отрезок Л3₂ формирует сигнал, укорачивая его. Сопротивление R', включенное на входе кабели Л3₁ необходимо для согласования выходного сопротивления повторителя и волнового сопротивления кабеля.

Рисунок 2. Применение составного повторителя для передачи сигналов

с выхода ФЭУ в кабель

Рисунок 3. Передача импульса тока полупроводникового детектора каскадом с общей базой

В быстродействующих схемах, предназначенных для определения временных корреляций и требующих минимальной длительности импульсов, используются непосредственно импульсы тока детектора без предварительного интегрирования. Для передачи импульсов тока применяют схемы с малым входным сопротивлением. Входное сопротивление схемы с общей базой определяется сопротивлениями эмиттерного и базового переходов и не превышает десятков Ом. Поэтому даже при значительной емкости полупроводникового детектора (ППД) постоянная времени входа мала и обеспечивается работа с большими загрузками. Емкость связи С_св подбирается из условий неискаженной передачи импульса тока детектора в низкоомную цепь эмиттера Т₁ (рисунок 3).

Схема передачи импульсов тока детектора с последующим интегрированием приведена на рисунке 4. Импульс тока ФЭУ сцинтилляционного счетчика через соединительный высокочастотный кабель поступает на вход каскада с заземленной базой Т₁. Из-за малого входного сопротивления каскада затягивание импульсов тока на входе не происходит. Необходимое интегрирование производится цепью – R_иС_и, включенной в коллектор Т₁. Каскад на эмиттерном повторителе Т₂, обладающий высоким входным сопротивлением, обеспечивает передачу импульсов напряжения для последующего усиления. Сопротивление R вводится для согласования малого входного сопротивления схемы с волновым сопротивлением кабеля.

Рисунок 4. Схема передачи импульса с последующим интегрированием