Измерване на радиационна доза с Гайгерови броячи

Ядрените разпади са случаен процес, който, бидейки непредвидим, създава определени проблеми при опитите да се измерва нивото на радиация с добра прецизност.

Geiger counter

За илюстрация, нека сме разположили Гайгер-Мюлеров брояч със СТС-5 тръба в една нормална стая, в която йонизиращата радиация е 0.14 микросиверта за час (µSv/h). Предвид чувствителността на конкретния вид тръби, бихме очаквали броячът да отчете около 25 ядрени разпада (разряда) в рамките на точно една минута (съкратено: „25 CPM“ — „25 counts per minute“). Конвертирането между радиационен поток (в µSv/h) и CPM става по формулата

Equation 1

като числото 175.4 е специфично за този модел тръби и указва тяхната чувствителност. Изглежда просто, но дяволът е в детайлите и по-точно в значението на "около 25".

Съвсем реалистично, и без да има никаква промяна в стаята, може да отчетем 20 разряда, вместо 25. Или дори 17. А може би 30! Ако се вгледате в диаграма (като долната), показваща разрядите, маркирани спрямо времето, ще откриете области на "сгъстявания" и "разреждания", които са причинени изцяло от случайния характер на разрядите (самият радиационен поток не се мени). Отклонението от очакваното число 25 изразява факта, че нашата минута е обхванала по-гъста или по-рехава област. Би било вече съмнително, ако отчетем, примерно, 4 CPM: тогава може би имаме проблем в захранването, или е дефектна тръбата. Аналогично, ако видим 100 CPM или 1000 CPM при очаквани около 25, то отново, или уредът е дефектен, или радиацията е доста по-висока.

GM counter discharges over time

Възниква въпросът къде да сложим границата между "просто случайност" и "вече е съмнително"? Отговор ни дава статистиката, и по-конкретно т.нар. Поасонови процеси [1]. Статистиката работи с доверителни интервали: когато правим някакво твърдение на базата на статистически методи, то не може да бъде азбучна истина, а е само много вероятно да бъде вярно, и именно тази вероятност е известна. В статистическата практика, често за това ниво на достоверност се избира 95%, т.е. нашето твърдение има само 5% вероятност да бъде невярно. Изчисляването става по доста сложни формули:[2]

Equation 2

в които, ако заместим за 95% ниво на достоверност и 25 CPM, на практика бихме могли да видим между 16 и 37 разпада в минута (т.е., с 95% вероятност можем да твърдим, че при 0.14 µSv/h радиация, ще видим между 16 и 37 CPM, вместо очакваните точно 25). Това е ужасно голям интервал! 37 е 1.5 пъти повече от 25, т.е. неточността е някъде ±50%. Респективно, нашият Гайгеров брояч, ако отчете наистина 25-те разряда, ще покаже чинно 0.14 µSv/h (по формула (1)), но ще "знае", че показанието е с вариация 50% и на практика втората цифра след десетичната точка е в ръцете на случайността (реалният диапазон вероятни стойности на радиацията са [0.09 — 0.21] µSv/h, както можете да сметнете с калкулатора по-долу). По същата причина, в реални условия нашите броячи ще показват вариращи стойности (между 0.09 и 0.21), което е в реда на нещата. Увеличаването на периода за усредняване над 1 минута би направило уреда твърде неудобен за ползване в повечето случаи[3] [4].

Как нещата биха могли да се подобрят?

Geiger counter 3+ uSv/h

Изводът е, че с измерването на по-голям брой разпади се тушира статистическата несигурност. Точността се повишава в релация О(1/√N) с броя - трябва да измерите 100 пъти повече разпади (или 100 пъти по-дълго време при равни други условия) за да подобрите точността 10 пъти[5].

В заключение, базираните на тръбите СТС-5/СБМ-20 уреди са значително неточни само при ниски нива на радиация и за кратки периоди от време, но точността може да се повиши при усредняване за по-дълги интервали. При естествен фон ще ни трябват 20 минути за ±10%, малко над час за ±5% и около 30ч за ±1%[6].

Съществуват и уреди с по-висока прецизност за кратки периоди от време. Те разчитат на по-висока чувствителност, заради по-голямата геометрия на датчика или ползването на друг принцип[7]. Разбира се, това обуславя доста по-високата им цена.

Прецизни (дългосрочни) измервания на фонова радиация с уредите LVA Geiger Counter 1.5 / 2.0 / 2.1

Тук ще очертаем препоръчваната от LVA процедура за прецизни измервания в режима "чист ГМ брояч". Освен самия брояч, процедурата изисква единствено точен часовник или таймер.

  1. Поставете уреда на желаното място. Ако сте го внесли от външна среда му оставете 10 минути да се кондиционира;
  2. Включете уреда и оставете 1-2 минути да достигне работна температура на ключовите компоненти;
  3. Запишете бройката разряди в поле (1) в калкулатора долу и в същото време пуснете таймера;
  4. В процеса на измерване не е необходимо дисплеят или звуковата индикация на уреда да са активни - можете да ги изгасите с цел икономия на батерии;
  5. След изтичане на желаното време, новата бройка разряди запишете в поле (2) и спрете таймера;
    • Ако сте отчели повече от 10000 разряда, те ще са показани във вид xx.xx - например показание "12.56" означава между 12560 и 12569 разряда.
  6. Запишете времето от таймера в полетата (3) (не е необходимо да бъдете стриктни; въведена стойност от 80 минути ще бъде сметната вярно като час и 20 минути);
  7. Изберете вида тръба;
  8. Натиснете "изчисли" - резултатите ще се появят по-долу.

Забележки:

Калкулатор

  1. : брой разряди в началото на периода
  2. : брой разряди в края на периода
  3. часа, минути, секунди: дължина на измервания период
  4. : модел ГМ тръба
  5. : достоверност