lewy róg Logo Instytutu Fizyki UMCS niemożliwe możliwym! Logo Instytutu Fizyki UMCS prawy róg

Strona główna » Radioaktywność » Aparatura pomiarowa

Aparatura pomiarowa

Do rejestracji monitorowanego promieniowania zastosowano detektor scyntylacyjny z kryształem NaJ(Tl) o wymiarach Φ75 x 75 mm i fotopowielaczem FEU 93. Rejestruje on promieniowanie gamma o energii większej niż ok. 50 keV oraz inne cząstki jonizujące przenikające przez obudowę scyntylatora. Konstrukcja detektora wraz z osłoną cieplną i obudową zewnętrzną przedstawiona jest na rys.1.

Schemat detektora

Rys.1. Schemat konstrukcyjny detektora. Tg i Tch - czujniki temperatury, odpowiednio, układu grzania i chłodzenia; GA i GB - grzałki oporowe, a PA i PB - komórki Peltiera modułu cieplnego fotopowielacza; GE - grzałka osłony cieplnej.

Osłona cieplna, otaczająca szczelnie scyntylator wraz z fotopowielaczem, złożona jest z aluminiowego cylindra otulonego warstwą styropianu. W jej wnętrzu stabilną temperaturę (ok. 18°C), niezależną od temperatury otoczenia, zapewniają automatycznie działające układy podgrzewania aluminiowego cylindra osłony oraz podgrzewania i chłodzenia (2 komórki Peltiera) obudowy fotopowielacza. Obudową zewnętrzną detektora jest metalowy cylinder z daszkiem, o wymiarach Φ260 x 660 mm2, umożliwiający pionowy przepływ powietrza wzdłuż ścianki ekranu cieplnego. Podstawowe elementy detektora pokazane są na rys.2.

Detektor

Rys. 2. Fotografia podstawowych elementów detektora. Od lewej: moduł chłodzenia i ogrzewania obudowy fotopowielacza, głowica scyntylacyjna, osłona cieplna.

Oddziaływanie promieniowania jądrowego ze scyntylatorem wywołuje w nim niewielki, krótkotrwały impuls świetlny (tzw. scyntylację), którego natężenie jest miarą energii przekazanej scyntylatorowi przez rejestrowaną cząstkę. Scyntylator połączony jest optycznie z fotopowielaczem, który zamienia impulsy świetlne scyntylacji na impulsy elektryczne o amplitudzie wprost proporcjonalnej do energii cząstki wywołującej scyntylację. Impulsy te, po uformowaniu i liniowym wzmocnieniu, podawane są na wielokanałowy analizator amplitudy impulsów. Zapamiętuje on fakt pojawienia się danego impulsu w odpowiedniej komórce pamięci (tzw. kanale) o numerze proporcjonalnym do amplitudy impulsu, czyli do energii pozostawionej przez cząstkę w scyntylatorze - ilustracja (PowerPoint). W procesie pomiaru, w pamięci wielokanałowego analizatora uzyskuje się rozkład liczby zarejestrowanych cząstek w zależności od energii, nazywany widmem energetycznym rejestrowanego promieniowania. Użyty analizator został zaprogramowany na 2048 kanałów i wyposażony w cyfrową stabilizację położenia widma.

Po zakończeniu każdego 1 godzinnego pomiaru, zgromadzone w analizatorze widmo energetyczne rejestrowanych cząstek jest automatycznie przesyłane przez sieć lokalną do komputera sterującego pomiarami. Tam dane są automatycznie analizowane, zapisywane i udostępniane w postaci strony WWW.

Opis widma

W widmie cząstek monoenergetycznych, np. kwantów gamma emitowanych przez izotopy promieniotwórcze, występują wyraźne maksima (tzw. fotowierzchołki), których położenie określa energię poszczególnych kwantów, a powierzchnia (liczba zliczeń), ich względne natężenie. Dane te pozwalają m. in. zidentyfikować izotopy, które były źródłem badanego promieniowania.

Widmo energetyczne

Rys. 3. Widmo energetyczne promieniowania w powietrzu (tygodniowy pomiar).

Typowe widmo zarejestrowane przez nasz detektor, umieszczony w powietrzu na dachu 11 piętrowego budynku Instytutu Fizyki UMCS, pokazane jest na rys.3. Odbiega ono wyraźnie od widma "czystego" promieniowania gamma izotopów promieniotwórczych. Fotowierzchołki reprezentujące monoenergetyczne kwanty gamma wyróżniają się tutaj słabo (w obszarze energii do ok. 3 MeV) na tle dominującego widma ciągłego, które osiąga maksimum przy energii ok. 100 keV, a następnie obniża się stopniowo wraz ze wzrostem energii. Powyżej ok. 4 MeV jego poziom jest już bardo niski i prawie stały. To ciągłe widmo jest wynikiem rejestracji, obecnych w powietrzu kwantów gamma zarówno pochodzenia jądrowego, jak i kosmicznego oraz cząstek wtórnego promieniowania kosmicznego. Obszar widma powyżej 4 MeV reprezentuje już tylko promieniowanie kosmiczne.

Fotowierzchołki opisane na rys.3 odpowiadają najintensywniejszym kwantom gamma izotopów promieniotwórczych K-40, Bi-214, Tl-208 i Ac-208 znajdujących się w warunkach naturalnych w glebie i w aerozolach w powietrzu. Zgodnie z oczekiwaniami nie wykryto promieniowania gamma takich izotopów jak I-131 i Cs-137, wystąpujących przy skażeniu powietrza produktami rozszczepienia jąder uranu.

Na rys. 3 zaznaczono też przedziały energetyczne obejmujące fotowierzchołki monitorowanych przez nas kwantów gamma izotopów K-40 (γ 1461 keV), Bi-214 (γ 1764 keV) i Tl-208 (γ 2615 keV), a także świadczących o ewentualnym skażeniu radiacyjnym izotopów I-131 (γ 365 keV) i Cs-137 (γ 662 keV). Podczas obliczeń liczby zliczeń odpowiadającej kwantom gamma o danej energii odejmowane są zliczenia pochodzące od ciągłego tła, tak jak pokazano na rysunku.