Конденсаторная ионизационная камера

 

Использование: изобретение относится к измерениям газообразного радиоактивного нуклида радон-222 ионизационной камерой при инспекционном дозиметрическом и радиометрическом контроле в жилых помещениях, медицинских учреждениях и производственных помещениях, в воздухе которых наблюдается повышенное содержание радона. Сущность изобретения: повышение экспрессности и чувствительности измерения достигается за счет того, что внешний электрод камеры выполнен в виде токопроводящего каркаса с окнами для ионизируемого излучения, на поверхность которого нанесена полимерная пленка с токопроводящим покрытием, которое имеет электрический контакт с каркасом, причем толщина пленки t_пл, толщина покрытия t_п и соотношение рабочего объема V см³ к площади окон в каркасе S см³ выбраны из условий: t_пл≅ 2 мг/см², t_п≅ 5,5·10^-2 мг/см², V/S≅ 4,5. 3 ил. , 1 табл.

Изобретение относится к измерениям газообразного радиоактивного нуклида радон-222 (далее радон) ионизационной камерой при инспекционном дозиметрическом и радиометрическом контроле в жилых помещениях, медицинских учреждениях и производственных помещениях, в воздухе которых наблюдается повышенное содержание радона.

Ионизационная камеры является классическим детектором для определения объемной активности газообразных радиоактивных нуклидов. Ионизационная камера представляет собой два изолированных друг от друга электрода, на которые подается постоянное напряжение. При появлении в камере радиоактивных частиц воздух иди другой газ, заключенный в ней, ионизируется. Это приводит к изменению проводимости воздуха или газа в камере и, следовательно, к изменению тока в цепи источника напряжения. Значение тока пропорционально измеряемой активности.

Ионизационные камеры могут быть использованы как в качестве детекторов внешнего излучения, когда активность окружающей среды измеряется по ионизации, происходящей и в герметичной от этой среды ионизационной камере, так и в качестве детекторов внутреннего наполнения, когда активная среда поступает в сам объем ионизационной камеры.

Детекторы внешнего излучения получили широкое применение для измерения гамма-излучения [1] , а детекторы внутреннего наполнения применяются для измерения активности газообразных радионуклидов. Примером такого использования ионизационной камеры для измерения объемной активности радона может служить электрометр СГ-1М, состоящий из ионизационной камеры объемом 1 л и кружильной системы, коромысло которой вращается в поле четырех металлических нитей. На каждую пару нитей подаются равные по величине и противоположные по знаку потенциалы относительно корпуса прибора. Наличие потенциала на нитях заставляет коромысло подвижной системы занимать строго определенное положение, при котором упругие силы системы компенсируются силами электрического поля. При введении радона в ионизационную камеру в ней начинает протекать ионизационный ток, пропорциональный активности, и, следовательно, это приводит к изменению заряда всей кружильной системы. В этом случае происходит перемещение коромысла, положение которого фиксируется с помощью микроскопа. Измерения проводятся с периодичностью 2,5-3 ч, при этом минимально детектируемая объемная активность радона составляет 5 ˙10^-11 Ки/л [2] .

Недостатком такого электрометра являются большие габариты и незначительная чувствительность.

Наиболее близким по большинству совпадающих признаков к заявляемому техническому решению является малогабаритная конденсаторная ионизационная камера [3] , содержащая два электрода, один из которых, внешний, замыкает рабочий объем камеры, а второй, служащий собирающим электродом, установлен изолированно от внешнего внутри рабочего объема и электрически соединен с накопителем полезной информации, выполненным на основе конденсатора, причем конденсатор расположен вне рабочего объема камеры, а также электрически соединен с внешним электродом.

Корпус ионизационной камеры выполнен из воздухоэквивалентного материала с толщиной стенок 0,1 г/см². Сама ионизационная камера имеет форму цилиндра с внешними размерами: диаметр 15 мм, высота 40 мм, при этом внутренний объем камеры составлял 3,23 см³. Минимальная объемная активность нуклида радона, определяемая такой ионизационной камерой по гамма-излучению, как самого радона, так и его дочерних продуктов, при ее нахождении в течение 40 ч в объеме, содержащем воздушную смесь с радоном, составляет 2,5˙10^-10 Ки/л.

Недостатком такой конденсаторной ионизационной камеры является недостаточная чувствительность и большое время измерения, соответствующее этой чувствительности, что не позволяет применять такую ионизационную камеру для инспекционного контроля, например, жилых помещений.

Целью изобретения является повышение экспрессности и чувствительности измерения, которая может быть достигнута за счет того, что внешний электрод выполнен в виде токопроводящего каркаса с окнами для анализируемого излучения, на поверхность которого нанесена полимерная пленка с токопроводящим покрытием, которое имеет электрический контакт с каркасом, причем толщина пленки t_пл, толщина покрытия t_п и соотношение рабочего объема камеры V (cм³) к площади окон в каркасе S (см²) выбраны из условий: t_пл ≅2 мг/см²; t_п ≅5,5˙10^-2мг/см², V/S ≅ 4,5.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемая ионизационная камера отличается тем, что изменены материалы стенок ионизационной камеры и его толщина, а также оптимизированы размеры ионизационной камеры.

Сравнение заявляемого устройства с другими техническими решениями показывает, что конденсаторные ионизационные камеры широко известны [1] . Однако введенные конструктивные изменения позволяют предлагаемой ионизационной камере проявить новые свойства и расширить свои функциональные возможности. Измерение материала стенок и его толщины позволяют резко увеличить чувствительность ионизационной камеры к альфа-излучению, и одновременно уменьшить ее чувствительность к бета- и гамма-излучениям. Учитывая, что сам радон является альфа-излучателем, а также два его дочерних продукта РаА (²¹⁸Ро) и РаС¹ (²¹⁴Ро), образующиеся при его распаде, являются также альфа-излучателями и что альфа-частицы обладают значительно большей ионизационной способностью, чем бета- и гамма-излучения, наибольший выигрыш в чувствительности при одних и тех же размерах камеры и измеряемых величинах будет как раз проявляться в ионизационной камере, измеряющей радон по альфа-излучению, по сравнению с камерой, измеряющей радон по гамма-излучению [2] .

Кроме того, предлагаемая ионизационная камера расширяет функциональные возможности самого способа измерения, т. е. предлагаемая конструкция ионизационной камеры позволяет использовать ее одновременно в двух качествах - как детектор внутреннего наполнения для измерения радона, поступившего в измерительный объем ионизационной камеры, и как детектор внешнего излучения для измерения активности дочерних продуктов, осевших на полимерной пленке с внешней стороны ионизационной камеры за счет электроосаждения. Объясняется это тем, что при заряжении конденсатора и ионизационной камеры (так как у нее также есть своя емкость), т. е. подаче напряжения на ее электроды, вокруг ионизационной камеры создается электрическое поле, которое позволяет собирать положительно заряженные свободные атомы и ионы образовавшихся дочерних продуктов в воздухе на свою поверхность. Таким образом, в данном случае избирательно, одной ионизационной камерой с разной чувствительностью измеряются две величины - величина объемной активности радона в воздухе и число свободных атомов и ионов дочерних продуктов, находящихся в настоящий момент в исследуемом воздухе, что позволяет по зафиксированному в конце измерения заряду конденсатора и по величине заряда конденсатора, вызванного при повторных измерениях распадом осажденных дочерних продуктов на полимерной пленке ионизационной камеры, накопленных в процессе измерения, судить не только об объемной активности радона, но и о концентрации свободных атомов дочерних продуктов радона, главным образом RaA в исследуемом воздухе.

На фиг. 1 - ионизационная камера, общий вид; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - график зависимости чувствительности ионизационной камеры от соотношения ее объема и поверхности окон, закрытых полимерных пленкой.

Конденсаторная ионизационная камера (фиг. 1) для определения объемной активности радона содержит измерительный объем 1, ограниченный металлическим каркасом 2, полимерные пленки 3, с нанесенным на них металлическим покрытием 4, закрывающие окна 5 в металлическом каркасе 2. Внутрь измерительного объема 1 через изолятор 6 вводится собирающий электрод 7, вывод которого заключен в герметичный объем 8, в котором располагаются два последовательно соединенных конденсатора - измерительный 9 (С_изм) и зарядный 10 (С_зар). Свободный конец измерительного конденсатора 9 соединен с собирающим электродом 7, а свободный конец зарядного конденсатора 10 через изолятор 11 присоединен к металлическому каркасу 2. Заряд конденсаторов и снятие полезной информации осуществляются через контакты 12, крепящиеся на герметичный объем 8.

Заявляемая конденсаторная камера работает следующим образом. Перед установкой ионизационной камеры в месте измерения через контакты 12 на зарядный конденсатор 10 подается потенциал U заряда, в момент зарядки измерительный конденсатор 9 через контакты 12 закорачивается. После зарядки емкость ионизационной камеры и зарядный конденсатор 10 находятся под одинаковым потенциалом U заряда, а разность потенциалов на обкладках измерительного конденсатора 9 остается равной нулю. Ионизационная камера устанавливается в месте измерения. При попадании радона в измерительный объем 1 за счет свободного диффузионного обмена воздуха, например через негерметичности между полимерной пленкой 3 и металлическим каркасом 2, и осаждения на внешней стороне полимерных пленок 3, закрывающих окна 5 за счет их электроосаждения внутри измерительного объема 1 между металлическим каркасом 2, металлическим покрытием 4 и собирающим электродом 7, в измерительном объеме 1 начинает протекать ток, пропорциональный активности радона и активности дочерних продуктов, осажденных на полимерную пленку 3, снаружи ионизационной камеры. Заряд измерительного конденсатора 9 пропорционален времени измерения и току, протекающему внутри измерительного объема 1. После окончания экспозиции через контакты 12 производится измерение потенциала U_изм, до которого зарядился измерительный конденсатор 9. Для уменьшения токов утечек используются изоляторы 6 и 11.

Экспериментальные исследования проводили с различными формами, исполнениями, площадями и толщинами полимерных пленок в диапазоне объемных активностей газообразного нуклида радон-222 от 6˙10^-12 до 3˙10^-8 Ки/л. Объемная активность радона определялась по образцовому радиометру газов 2323-01 ("Биота"). Для этого ионизационные камеры помещались в герметичную емкость объемом 50 л. В качестве полимерной пленки использовалась терилленфталатная пленка толщиной от 0,5 Мг/см² до 2 Мг/см² (от 5 до 20 мкм) с напыленным на нее алюминиевым покрытием толщиной до 2000 (до 0,055 мг/см²). Напряжение заряда ионизационной камеры -200 В.

Полученные результаты приведены в таблице.

На фиг. 2 приведен график зависимости чувствительности ионизационной камеры, приведенной к единице объема (см³), от соотношения объема ионизационной камеры к площади окон в металлическом каркасе, закрытых полимерной пленкой. Из графика видно, что наиболее оптимальное соотношение лежит в области меньшей, чем соотношение 4,5: 1.

Для камеры с соотношением 2: 1 проводились исследования по определению чувствительностей к измерению радона и собранных по полимерной пленке дочерних продуктов радона (RaA). Чувствительность, приведенная в таблице, складывалась из чувствительности внутреннего объема к радону и чувствительности к собранным дочерним продуктам радона с внешней стороны ионизационной камеры в соотношении 0,4 : 0,6 от чувствительности для данной камеры, приведенной в таблице.

Использование предлагаемой ионизационной камеры обеспечивает по сравнению с известной ионизационной камерой следующие преимущества: повышает чувствительность не менее, чем в 10 раз; повышает экспрессность измерений как минимум в 10 раз, т. е. за 3 ч, наименьшей по размерам предлагаемой камерой измеряется величина меньшая, чем известной камерой за 40 ч; объемная активность радона, определяемая как сумма двух величин - величины объемной активности радона внутри ионизационной камеры и величины осажденных свободных атомов и ионов дочерних продуктов распада радона, находящихся с внешней стороны ионизационной камеры, на полимерную пленку, открывает возможность определения соотношения между величиной радона и его дочерних продуктов, например RaA, что расширяет функциональные возможности применяемой ионизационной камеры.

Формула изобретения

КОНДЕНСАТОРНАЯ ИОНИЗАЦИОННАЯ КАМЕРА, содержащая два электрода, один из которых, внешний, замыкает рабочий объем камеры, а другой, служащий собирающим электродом, установлен изолированно от внешнего внутри рабочего объема и электрически соединен с накопителем полезной информации, выполненным на основе конденсатора, причем конденсатор расположен вне рабочего объема камеры и электрически соединен также с внешним электродом, отличающаяся тем, что внешний электрод выполнен в виде токопроводящего каркаса с окнами для анализируемого излучения и с натянутой на него полимерной пленкой с токопроводящим покрытием, которое имеет электрический контакт с каркасом, причем толщина пленки t_пл, толщина покрытия t_п и отношение рабочего объема V камеры к площади окон S в каркасе выбраны из условий t_пл ≅ 2 мг/см₂ t_п ≅ 5,5 · 10^-2 мг/см² V/S ≅ 4,5.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4