Дозиметр для Серёжи. Часть IV. Cцинтилляторы & Радиокот
В заметке про пылевые бури Беларуси я в сердцах высказал предположение о том, что скоро каждому придется сцинтиллятор носить вместе с паспортом. Что это за приборы читаем в четвертой части серии “Дозиметр для Серёжи”.
Intro
За прошедший год мы с вами, дорогие читатели, определились с тем, что самое опасное излучение — это альфа-частицы и главное их отследить, не особенно разбираясь что является их источником. Для целей неспешного “домашнего” оповещения лучшими являются приборы со слюдяным счетчиком Гейгера-Мюллера из-за своей универсальности. Кто-то под эту марку обзавелся “энергосберегающим” Радекс 1008, кто-то “компьютеризированным” Радиаскан 701А, а кто-то обновил старый АНРИ Сосна внешним блоком детектирования с СИ-8Б.
Я специально выделил слово “неспешного”, потому что в некоторых случаях наоборот, нужна максимальная скорость определения и чувствительность. Например, в своих рекомендациях “Обнаружение радиоактивных материалов на границе” МАГАТЕ ключевыми требованиями к таможенным приборам радиационного контроля заявляет чувствительность и быстродействие.
Для таких целей годится уже не всякий бытовой прибор. Здесь дело в том, что все счетчики Гейгера, а в особенности цилиндрические, характеризуются очень низкой эффективностью регистрации гамма-квантов и полном отсутствие информации об их энергии. Для того чтобы оценивать энергию нам нужен т.н. сцинтиллятор.
Сцинтилляторы — вещества, проявляющие сцинтилляцию (излучающие свет при поглощении ионизирующего излучения (гамма-квантов, электронов и т. д.). Как правило, излучаемое количество фотонов для данного типа излучения приближённо пропорционально поглощённой энергии, что позволяет получать энергетические спектры излучения. В сцинтилляционном детекторе радиации свет, излученный при сцинтилляции, собирается на фотоприёмнике (ФЭУ, фотодиоды и другие фотоприёмники), преобразуется в импульс тока, усиливается и записывается регистрирующей системой или выводится на экран.
В то время как классический счетчик Гейгера фиксирует лишь один гамма-квант из нескольких сотен, сцинтилляционный детектор даже при низких энергиях частиц показывает почти 100% эффективность. В результате при одинаковых габаритных размерах датчиков даже на примере естественного фона счетчик Гейгера дает порядка 10–15 импульсов в минуту (cpm), сцинтиллятор дает столько же импульсов, но в секунду (cps). Т.е. чтобы хотя бы примерно оценить мощность дозы от источника радиации мы должны выждать как минимум минуту, если используем счетчики Гейгера. Если мы используем сцинтиллятор — данные идут ежесекундно. Сцинтилляторы — это максимально возможная скорость срабатывания на слабые источники гамма-излучения. Прибор с таким детектором позволит быстро выявить точечную аномалию, в то время как традиционные счетчики не смогут ее отличить от фонового облучения.
В счетчиках Гейгера-Мюллера детекция происходит за счет ионизации атомов (разряд в счетчике, который гасится специальными добавками). Т.к. рабочее тело — газ (разреженная среда), то бОльшая часть гамма-квантов вызывает слабую ионизацию с небольшим количеством импульсов. За счет тонких входных окон (например, из слюды) газ легко ионизируется бета- или даже альфа-излучением. Сцинтилляторы в виде кристаллов солей имеют плотную кристаллическую решетку, в которой жестко закрепленные атомы непосредственно преобразуют энергии квантов или частиц в световое излучение. Благодаря этому их чувствительность к гамма-излучению на порядок выше. Но так как детектор закрыт корпусом, то пробег бета-частиц намного меньше чем в счетчике Гейгера, эффективность регистрации по сравнению с гамма-излучением низкая. Альфа-частицы для гамма-сцинтилляторов недоступны вовсе.
В своей дозиметрическо-обучающей статье я приводил таблицу с классификацией датчиков в дозиметрах и описание тех ионизирующих излучений и других возможностей, на которые это датчики способны.
В таблице указано, что органические/неорганические твердотельные сцинтилляторы способны не только детектировать практически все виды излучения (зависит, конечно, от материала сцинтилляционного кристалла), но и проводить спектральный анализ. Эта возможность связана с т.н. “пропорциональностью”, которой обладает каждый сцинтилляционный детектор. Т.е. чем выше энергия частицы, тем больше амплитуда импульса на выходе детектора. Так мы можем понять, что является источником излучения. Каждый радиоактивный изотоп обладает своей характеристической энергией гамма-излучения (или набором энергий). На этом основан метод гамма-спектрометрии.
Учет энергий важен еще и потому, что существует т.н. “ход с жесткостью”. Например какой-то условный радиометр откалиброван на заводе по изотопу NNN-1 c энергией гамма-кванта в 1000 кэВ. Во время использования прибора мы попали в местность зараженную изотопом NNN-2 с энергией гамма-кванта в 100 кэВ. Разница в энергиях в 10 раз. А значит, при одинаковом количестве зафиксированных детектором частиц (т.е. при одинаковых показаниях прибора) поглощенная доза окажется более чем на порядок меньше, и все измерения будут ошибочными. Поэтому учет энергии каждого зарегистрированного кванта — это залог правильности измерения мощности дозы.
Для счетчиков Гейгера исключить эффект хода с жесткостью не представляется возможным. Однако для этого типа детекторов
допустимо использование специальных фильтров, которые позволяют уменьшить ход с жесткостью и добиться приемлемой точности измерения мощности поглощенной дозы в диапазоне
энергий фотонов от 12 кэВ до 2 Мэв. Чаще всего в роли энергокомпенсирующего фильтра для цилиндрического счетчика Гейгера-Мюллера выступает свинцовая фольга. Слюдяные счетчики экранируют вольфрамом, свинцом, железом, оловом, алюминием, медью.
Для карманных приборов важно чтобы экран не увеличивал габариты и вес устройства. Поэтому предпочтение отдается металлам с высокой плотностью, т.к. такие пластины даже при их малой толщине дают значительный эффект ослабления низкоэнергетического фотонного излучения. Но после прохождения излучения через пластину с высокой плотностью из нее могут излучаться вторичные электроны и характеристическое излучение, попадающие затем на входное окно счетчика Гейгера (т.н. тормозное излучение). Поэтому к пластине из плотного металла, добавляют пластину из металла с меньшей плотностью, которая задерживает электроны. Такая пластина тоже вносит свой вклад в ослабление исходного потока излучения (для нижней части диапазона энергий меньше 100 кэВ).
В этом противоречии вроде бы все всех устраивает. В бытовой дозиметрии не нужна точность в метрологическом понимании этого слова, но важна скорость детектирования. Поэтому многие производители дозиметров со счетчиками Гейгера-Мюллера над энергокомпенсацией не задумываются. А владельцам сцинтилляторов и задумываться не нужно, т.к. главное быстрее найти источник излучения или получить направление на него. Оперируя понятными аналогиями, бытовой дозиметр это что-то вроде детского оптического микроскопа (ну или взрослого, если дозиметр со слюдяным счетчиком), а поисковый дозиметр — это микроскоп электронный (сканирующий или просвечивающий как кому больше нравится). Представьте себе, как через призму этих приборов будет выглядеть например тычинка цветка, и почувствуйте разницу.
Материалы и методы
Наиболее популярные сцинтилляционные материалы — это монокристаллы йодидов щелочных металлов (натрия, лития, цезия) c различными активаторами. Основная область применения этих кристаллов — гамма-спектрометрия низких энергий до 3 МэВ и прикладные радиометрические измерения.
Например надпись “CsI(Tl)” в инструкции к прибору значит что внутри кристалл йодида цезия, активированного таллием.
Активатор нужен для того, чтобы повысить световыход монокристалла — отношение среднего числа фотонов возникающих в момент одиничной микровспышки к энергии, потерянной заряженной частицей в кристалле сцинтиллятора
Монокристаллы NaI(Tl) и CsI(Tl) и являются базовыми детекторами гамма и рентгеновского излучения, несмотря на появление новых перспективных сцинтиллирующих материалов. А все потому, что их характеристики достаточно хорошо известны и позволяют создавать монокристаллы практически под любую конкретную задачу.
Для небольшого кристалла энергетическое разрешение определяется в основном статистикой фотоэлектронов. Например лучшее из полученных для цилиндра диаметром 25 мм и высотой 25 мм разрешение составило 5,6 %. Обычно же разрешение составляет 6,5–7,5 % для кристаллов размером до D = Н = 80 мм и 7,5–10 % — при бОльших размерах.
Сцинтилляционная эффективность CsI(Tl) несколько выше, чем у NaI(Tl). От частицы энергией 1 МэВ в NaI(Tl) образуется 4·10⁴
, а в CsI(Tl) — 4,5·10⁴ фотонов. При этом энергетическое разрешение CsI(Tl) хуже, чем у NaI(Tl) на 3–5 % при одинаковых условиях измерения.
Как я уже упоминал, фотоны рентгеновского и гамма-диапазона возбуждают в кристалле сцинтиллятора микросекундные вспышки света — сцинтилляции. Такие вспышки невозможно увидеть глазом, поэтому используются фотоэлементы, фотодиоды и фоторезисторы. Немного физики в качестве примера. Гамма-квант жесткого излучения с энергией 1 МэВ, полностью поглотившись в кристалле CsI(Tl), порождает ~40 000 фотонов зеленого света. Если все фотоны попадают на некий идеальный фотодиод, то каждый из фотонов создает в структуре фотодиода одну электронно-дырочную пару ( = образуется 40 000 фотоэлектронов в десятитысячную долю секунды). В секунду же образуется 4х10¹⁰ фотоэлектронов. Заряд каждого электрона 1,6∙10⁻¹⁹ Кл, сообща они дадут 6,4 ∙10⁻⁹ Кл, что вызовет возникновение в фотодиоде тока порядка наноампер (10⁻⁹ А).
Это сверхмалые токи, измерить значения которых обычным фотодиодом нереально. Поэтому в комбинации со сцинтилляторами используются т.н. фотоэлектронные умножители (ФЭУ). Внутри ФЭУ каждый фотоэлектрон, выбитый из фотокатода усиливается в миллионы раз, и импульс тока на аноде составляет уже не нано-, а миллиамперы, и зарегистрировать его не составляет труда даже простым амперметром. Минус в том, что ФЭУ — это огромные стеклянные баллоны (по своему, кстати, красивые), и напряжения питания в тысячи вольт с высокой стабильностью.
До недавнего времени вариантов замены ФЭУ не было, поэтому сцинтилляторы не водились среди портативных приборов. Но с появлением т.н. Si-ФЭУ или SiPM все поменялось.
SiPM представляют собой матрицу из множества лавинных фотодиодов, работающих в т.н. предпробойном режиме, в котором единственный фотон способен спровоцировать развитие лавинного пробоя. Этот режим подобен работе счетчика Гейгера. Все ячейки соединены на кристалле Si-ФЭУ параллельно, и протекающие через них импульсы тока суммируются, так что средний ток оказывается пропорционален освещенности кристалла. Для работы SiPM уже не нужно ни киловольтного источника питания, ни массивного стеклянного баллона-корпуса. Сам Si-ФЭУ — это маленький квадратик кремния размером 3х3 или 6х6 мм.
Ограничения сцинтилляторов напрямую связаны с их физическими свойствами. Чаще всего в современных детекторах используется Si-ФЭУ и кристалл CsI(Tl). Между фоторегистратором и сцинтиллятором нанесен слой оптической смазки для устранения воздушной прослойки между кристаллом и окном фотоприемника. А сверху кристалл и Si-ФЭУ покрыты множеством слоев тонкой фторопластовой пленки (знакомая многим ФУМ-лента, обладающая очень высоким коэффициентом диффузного отражения). Сверху детектор покрыт алюминиевым скотчем, обеспечивающим защиту от внешнего света и герметизацию. Еще раз повторюсь, гамма-сцинтилляторами альфа-излучение (плутоний, уран, америций) определить невозможно. Через алюминиевый экран пройдет далеко не всякое бета-излучение (см. выше про энергокомпенсацию), а уж про альфа-излучение, которое задерживается слоем воздуха, даже и говорить как-то не comme il fault.
Хотя многие, даже обремененные высокими степенями и должностями люди такую ошибку делают. Недавний пример — Петр Котин, руководителем украинской НАЭК “Энергоатом”.
Гражданин этот посещал Рыжий лес ЧЗО с “таможенным” поисковым сцинтиллятором, но при этом в почве обнаружил превышения тяжелых трансуранов с их альфа-активностью. Подробно история раскрыта в заметке Смотрители Рыжего леса
От автора: хотя в тех же детекторах радона (см. Определение радона в помещениях) с диффузионными камерами кристаллы-сцинтилляторы на альфа-частицы работают. Это могут быть иттрий-алюминиевые оксиды — Y₂Al₅O₁₂ (гранат) и YAlO₃ (перовскит, YAP). Активация их церием (0,1–1,0 вес. %) позволяет получить из них сцинтилляторы, близкие по своим характеристикам к CsI(Tl), но со значительно большим быстродействием. Детекторы на основе активированного церием перовскита обеспечивают высокое разрешение в области мягких гамма-квантов и рентгеновского излучения. Энергетическое разрешение для α-частиц радия-226 с энергией 7687 кэВ составляет 2,5% и практически постоянно в широком диапазоне энергий. Поэтому такие сцинтилляторы перспективны при создании α-спектрометров с хорошим энергетическим разрешением, низким уровнем фона и приемлемой стоимостью.
Еще одно важное ограничение сцинтилляторов, помимо уже упомянутой “бесчувственности” к альфа-частицам и мягкому бета-излучению, является из неспособность измерять высокие дозы радиации. Прибор просто “захлебывается” в потоке частиц. Верхний предел сцинтилляционных приборов ограничен несколькими миллирентгенами, и здесь сцинтилляторы уступают даже армейскому “дубовому” ДП-5В. Зато чувствительность на околофоновом уровне у кристаллов очень высокая, позволяющая обнаруживать слабые источники радиации с расстояния 0,5…2 метра.
Отступление про эксплуатационные свойства йодидных монокристаллов. Еще со времен аварии на ЧАЭС единственный сцинтилляционный прибор, имевший хождение в народ — это геологоразведочный прибор СРП-68–01. Его и до сих пор можно встретить у некоторых подразделений МЧС, увидеть в репортажах журналистов и т.д. и т.п.
Не удивительно, что и большинство “охотников за нуклидами” до недавних пор использовали этот прибор. Который, к слову, стоит совершенно невменяемых денег на вторичном рынке.
Один из недостатков прибора в том, что в СРП-68–01 используется сцинтиллятор на основе кристалла NaI. Эта соль не просто гигроскопична, а очень гигроскопична. Кристаллы йодида натрия приходится обрабатывать только в среде абсолютно сухого инертного газа и помещать их в столь высокогерметичные контейнеры, как будто в них нужно было бы создавать сверхвысокий вакуум, а на обычном воздухе они просто расплываются на глазах. Поэтому самая частая неисправность, которая может поджидать неофита-”поисковика” — это дефекты старого сцинтилляционного кристалла. Кристаллы NaI трескаются, рассыпаются, мутнеют, натягивают воду и “плывут”. Всё это происходит от времени и не надлежащих условий хранения (влажность, перепады температур, удары). Хватает и приборов с проблемными проводами, пультами, выработавшими свой ресурс ФЭУ. Поэтому покупка “советского сцинтилляторного наследия” в 21 веке может быть омрачена бесполезной растратой денег.
В современных сцинтилляционных приборах все чаще используется CsI. Это связано с тем, что кристалл этот хоть и чрезвычайно легко растворяется в воде и попадание в детектор малейших следов влаги привело бы к его разрушению, но тем не менее его можно спокойно обрабатывать на воздухе (например, пилить обыкновенной ножовкой по металлу и шлифовать шкуркой), избегая лишь попадания следов жидкой воды. Йодид цезия пластичный, поэтому позволяет изготавливать детекторы самых разнообразных форм и размеров.
Чаще всего при оценке ТТХ того или иного сцинтилляционного прибора мы можем узнать только тип используемого сцинтиллятора и его форму/размер. В простейшем применении считается, что бОльший размер кристалла — это большая чувствительность. Чем больше кристалл, тем больше частиц не смогут пролететь кристалл насквозь (без взаимодействия) и детектор получит для анализа больше событий. Чем больше кристалл, тем меньше проявляются эффекты, мешающие разглядеть на спектрограмме активность изотопов. Чем больше кристалл, тем меньше ограничений у конкретного спектрометра в определении количества разных изотопов и их активности. Маленькие кристаллы малоэффективны на высоких энергиях.
Но в то же время прибор с меньшим кристаллом в качестве поискового инструмента может оказаться шустрее. Например дозиметр с кристаллом объемом 0,75 см3 даст отклик на изменение радиационного фона быстрее, чем дозиметр с кристаллом 1 см3. Для поисковой работы малый кристалл предпочтительнее.
На картинке ниже на примере кристалла NaI показана взаимосвязь между частицами различных энергий, эффективностью детектирования и размерами кристалла сцинтиллятора.
Что касается формы, то с одной стороны в сцинтилляторах с вытянутой формой кристалла меньше проявляется эффект Комптоновского рассеяния. Но с другой стороны существует и такая вещь, как зависимость чувствительности от формы кристалла. Для кристалла в виде вытянутого параллелепипеда (многие из современных сцинтилляторов) показания могут быть различными — в зависимости от того, какой стороной прибор повернут к исследуемому источнику радиации. Кристалл кубической формы обеспечивает более или менее одинаковую чувствительность по всем направлениям. Например известный по Рыжему лесу поисковый сцинтиллятор-спектрометр FLIR identiFINDER 2 (R400) может на борту иметь как параллелипипед из NaI (размером 35х51 мм), так и кубик из LaBr3 (размером 30х30 мм). Сравнимые характеристики и у второго “медийного” таможенного сцинтиллятора Verifinder SN20, в котором используется кубик размером 38,1х38,1 мм из NaI или LaBr3.
Ближе к делу
Портативные сцинтилляционные радиометры-дозиметры существуют на рынке давно. Но по большей части это очень дорогостоящие приборы для профессионального использования. До определенного момента на рынке существовал только один прибор, ориентированный на домашнее и любительское применение — это Atom Fast производства КБ «Радар» , в ЕС можно было найти польские Raysid (хотя их разработчик выходец из Беларуси).
Вот и все, остальные приборы: продукция фирмы «Полимастер», или какие-то таможенные устройства вроде упомянутых FLIR identiFINDER 2 (R400), или Verifinder SN20 — стоили (и стоят) очень и очень дорого. Тысячи долларов. Если ты энтузиаст, то тяжело найти лишнюю копейку, чтобы приобрести прибор по цене автомобиля из салона. Жаба-с не дремлет :)
Лично для меня когда-то пределом мечтаний был Полимастер ИСП-РМ1401к-01В. Сцинтиллятор CsI(Tl) объемом 5 см3, детектор нейтронов с гелием-3 на нейтроны, функция спектрометрии с отдельным карманным компьютером. Но цена в пару тысяч долларов (сейчас, возможно, уже больше) — не давала никаких шансов. Да и габариты “до колена” (прибор подразумевал ношение на поясе).
Потом появились пилотные AtomFast-ы на порядок дешевле Полимастеров и я начал приглядываться к этим приборам. Благо аналогов не существовало. Периодически я арендовал у знакомых энтузистов AtomFast и все примеривался, примеривался, примеривался. И все время меня что-то смущало, то отсутствие экрана, то невозможность сохранять данные без смартфона, то сложности с приобретением и технической поддержкой. Официально я (как наверное и многие) ждал Gamma Look от компании, сцинтиллятор с экраном и работой от батарейки CR2032, который мог бы стать _____. Но не успел, и не стал. Потому что компания ScanElectronics перехватила инициативу и выпустила свой дозиметр Radia Code 101 (далее rc101 или радиокот).
И rc101 сразу захватил внимание. Захватил уже хотя бы тем, что не имел тех недостатков, которые раздражали в продуктах КБ Радар. А теперь я и вовсе думаю, что возможно мы наблюдаем революцию на рынке бытовых сцинтилляторов.
Прибор изначально продавался за какие-то 8k RUR, и при этом имел кубовый (1 см3) сцинтиллятор CsI (Tl), что делало его самым бюджетным в своем сегменте (в пересчете на объем кристалла/доллар). Важные отличительные черты — наличие экрана, работа в режиме самописца (данные хранятся внутри прибора), возможность проводить спектрометрический анализ излучения in situ.
Разработчики прибора сразу сконцентрировались на тесной обратной связи со своими пользователями и сформировали живое комьюнити. Могу конечно ошибаться, но я не знаю примеров сообществ, в которых бы разработчик прибора вел телеграм-канал (@radiacode101) и любой мог задать свой вопрос, или что-то предложить. Такой подход дал свои плоды. Обновления идут постоянно, улучшения и исправления появляются практически сразу же за замечаниями от пользователей.
На мой взгляд, сегодня именно у Scan Electronics лучшие самописцы. Для своей “рентген в метро” заметки я использовал Radia Scan 801, потому что он единственный мог писать лог в отсутствие рядом смартфона. Использовал Scan, потому что rc101 тогда у меня еще не было. А в комбинации со смартфоном Radia Code 101 имеет самое продвинутое ПО из существующих. И этот софт все равно постоянно совершенствуется и добавляются новые функции. Последний тренд — это возможность измерять удельную активность (в Бк/кг) в продуктах питания портативным спектрометром (за вменяемые деньги). Владельцы радиокота вовсю 3D печатают себе сосуды Маринелли.
Сосуд Маринелли — это специальная пластиковая емкость особой цилиндрической формы (в геометрии Маринелли), предназначенная для размещения в ней проб исследуемых продуктов питания (в сыпучем или жидком виде) для последующего измерения радиометром или спектрометром активности радиационного излучения, исходящего от этих проб. Предполагается, что детектор измерительного прибора помещается внутрь сосуда оказываясь в самом центре объема исследуемого вещества и таким путем достигается высокая эффективность измерений.
Как не хотелось бы говорить только о хорошем, но небольшой кристалл — это небольшой кристалл. Радиокот заявляется как дозиметр-сигнализатор для мониторинга фона с возможностью картирования и дополнительной функцией спектрометрии. Но дополнительная функция на то и дополнительная. Как я уже упоминал выше, быстро определить основные изотопы можно, но идентифицировать редкие изотопы в смеси будет тяжело, а то и невозможно. Да, пока еще не стоит распродавать свои AtomSpectra Nano с большими кристаллами и прочие спектрометры со сцинтилляторами в несколько см3. Но их место дома, в лаборатории, в стационарном виде. А rc101 поедет в путешествия и в экспедиции, потому что крошечный, автономный, удобный, доступный и его спектрометрических способностей вполне хватит для быстрой идентификации самых распространенных изотопов. По праву может называться первым массовым “народным” сцинтиллятором.
В заключение
В завершение заметки я еще раз повторю свой тезис — одним дозиметром для человека интересующегося радиационной темой (для поиска и анализа находок в поле)— никак не обойтись. В арсенале должен быть и детектор со слюдяным счетчиком Гейгера-Мюллера и обязательно сцинтиллятор. Хороший поисковый прибор нужен для того, чтобы быстро найти радиационную аномалию.
Когда аномалия найдена, нужно использовать дозиметры с разными типами детекторов, с разными размерами детекторов и с разной чувствительностью, чтобы сделать какие-то предположения и выводы об источнике радиации. Анализ аномалии разными детекторами возможно ничего не скажет нам о конкретном изотопном составе источника излучения, но поможет принять решение о том, какие меры необходимо принять. Самый точный ответ даст только спектрометр, позволяющий изучить изотопный состав источника излучения. С большой долей вероятности (опираясь на статистику радиационного загрязнения территорий пост-СССР) возможности rc101 позволят стартовым спектром опознать многие важные изотопные загрязнители. Мое мнение — Must Have.
