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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Dosimetro alimentare. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / dosimetri I dosimetri domestici convenzionali registrano in modo affidabile la radiazione di fondo e la radiazione ionizzante proveniente da macrooggetti (ad esempio pareti). Tuttavia, non sono adatti per l’ispezione degli alimenti, che rimane rilevante in diverse regioni del paese. Il design del dosimetro portato all'attenzione dei lettori ci consente di risolvere in una certa misura questo problema. Particolare attenzione dovrebbe essere prestata alla calibrazione del dispositivo. Senza una calibrazione affidabile, un tale dispositivo può essere considerato un indicatore, le cui letture costituiranno la base per ulteriori azioni: non acquistare il prodotto, assumersi il rischio di acquistare, verificare presso il SES.
Recentemente, l'autore dell'articolo ha avuto la possibilità di visitare il dipartimento di igiene delle radiazioni di uno dei SES regionali a Mosca, dove ha avuto luogo qualcosa come la seguente conversazione: - Posso testare una lattina di caffè istantaneo per la contaminazione da radiazioni? - E perché hai deciso che era contaminato? - Questo dispositivo (sto dimostrando il dosimetro descritto) ha mostrato 900 Bq/kg. - Come l'hai calibrato? - Bromuro di potassio. (Dopo averci pensato un po', il mio interlocutore mi ha chiesto di vedere la mia carta d'identità). - Oh, la stampa! Potresti essere nei guai... - Perché? Ti ho visitato all'inizio degli anni '90 e ti ho mostrato i miei dispositivi. Mi hai fatto conoscere la tua attrezzatura, gli standard allora accettati per la contaminazione ammissibile con cesio e stronzio-90 di vari prodotti alimentari... - No no. Non potrebbe essere! - Tuttavia, ora non è così importante. La stampa ha riferito che gli standard relativi alla contaminazione da radiazioni dei prodotti alimentari sono obsoleti e oggi ne sono in vigore di nuovi. Potresti presentarmeli? - No. - E il mio caffè? - Sai, abbiamo un sacco di lavoro adesso... Questo conclude la nostra "conversazione". Negli anni successivi alla tragedia di Chernobyl, molte cose sono cambiate. I dosimetri che registravano la radiazione in quel momento erano molte volte superiori alla radiazione di fondo naturale. oggi dimostrano un benessere quasi completo. Ma lo è? In effetti, in tutti questi anni, l'attività dello stronzio-90 e del cesio-137 - due del "famoso" trio di radioisotopi di Chernobyl - è diminuita solo di un quarto, e non vedremo mai una diminuzione dell'attività del terzo - plutonio-239: il suo tempo di dimezzamento supera i 24000 anni. La ragione dell’attuale apparente prosperità è semplice: le piogge, le falde acquifere, i venti, gli incendi, vari processi biologici e l’erosione del suolo hanno ridotto le concentrazioni di radioisotopi. Sparsi su vaste aree, sono diventati impercettibili sullo sfondo della radiazione naturale della Terra e dello Spazio. In quanto fonti di radiazioni esterne, tali emettitori non rappresentano più lo stesso pericolo per l’uomo. Ma entrando nel suo corpo attraverso il tratto digestivo e respiratorio, avvicinandosi estremamente ai tessuti vitali, sono in grado di lasciare su di essi una “traccia” che non potrebbe formarsi nemmeno con la più forte irradiazione esterna. Pertanto, la contaminazione da radiazioni relativamente debole degli alimenti non può essere ignorata. Di seguito viene descritto un dosimetro in grado di rilevare questo tipo di contaminazione e valutarne il livello. Il dispositivo è costituito da un'unità di conteggio e da una testa di misurazione. La base del blocco di conteggio (Fig. 1) è un contatore a cinque bit realizzato sui microcircuiti DD1 - DD5. Il suo stato viene visualizzato sul display a cristalli liquidi HG1. Le quattro cifre decimali meno significative vengono visualizzate nel modo consueto: come numeri. L'indicazione del più alto (decine di migliaia) viene effettuata in codice binario utilizzando i punti decimali: (· - il punto decimale è visibile). Pertanto, il numero massimo che può essere registrato in un tale contatore è 159999. Guardando al futuro, notiamo che un conteggio decimale binario così poco conveniente sarà richiesto solo durante la calibrazione del dispositivo; nelle misurazioni reali, il contatore DD5 rimane solitamente nello stato zero.
I microcircuiti DD6 e DD7 impostano il tempo durante il quale vengono contati gli impulsi provenienti dalla testa di misurazione. Il contatore a sei bit DD6 conta i fronti sull'uscita M del contatore DD7 (tramite fronti positivi, il primo dei quali appare al 39° secondo dell'intervallo del primo minuto). L'oscillatore interno del contatore DD7 è stabilizzato da un risonatore al quarzo ZQ1. Quando indicato in Fig. Quando DD1 è acceso (l'ingresso dell'inverter DD6 è direttamente collegato all'uscita 10.2 del contatore DD32), la misurazione durerà 6 minuti e 31 secondi. Trascorso questo tempo, il conteggio si interrompe (all'ingresso 12 dell'elemento DD9.1 appare un segnale di divieto di 0 logico) e viene attivato un segnale acustico che avvisa della fine della misurazione. Registro dei segnali. 1, all'ingresso 2 dell'elemento DD9.4, consente il passaggio di un'onda quadra da un kilohertz, prelevata dall'uscita F del contatore DD7, all'amplificatore DD 10.4-D010.6 e al carico ad esso collegato in fase - l'emettitore piezoelettrico BF1. Se la radioattività del prodotto da testare è molto elevata, il contatore DD1 - DD5 potrebbe traboccare già durante la misurazione. In questo caso, un segnale di registro apparirà sull'uscita 16 (pin 11) del contatore DD5. 1, che attiverà non solo un segnale acustico, ma anche un segnale luminoso di allarme: il transistor VT1 accenderà il LED HL1. In modalità allarme, sul display vengono visualizzati degli zeri. Premendo il pulsante SB1 "Start" sull'uscita dell'inverter DD10.1 viene generato un impulso con una durata di tnyck = 0,7R4·C3 = 6 ms. Arriva agli ingressi R di tutti i contatori e li trasferisce allo stato zero iniziale. Sui transistor VT2. VT3 e il diodo zener VD1 assemblano uno stabilizzatore che mantiene praticamente invariata la tensione di alimentazione del dosimetro quando la sua fonte di alimentazione è abbastanza scarica. Lo schema schematico della testa di misura è mostrato in Fig. 2. Sul transistor VT4. trasformatore di impulsi T1 ed elementi R14, C6. Convertitore assemblato C8, VD2-VD4. Include un generatore di blocchi. sull'avvolgimento L3 del trasformatore di cui si formano brevi (tnip = 5... 10 μs) impulsi di ampiezza UL3 = (Uc5 0.2)n3/n2 (Uc5 è la tensione di alimentazione del convertitore, n2 e n3 sono il numero di gira negli avvolgimenti L2 e L3) Quando n3 = 420 e n2 = 6 Ul3 = 440 V. Questi impulsi, successivi con una frequenza Fimp = 1/R14 · C6 = 10 Hz, attraverso i diodi VD3, VD4 caricano il condensatore C420 ad una tensione di +430...8 V, che diventa la fonte di alimentazione del contatore Geiger BD1.
Il driver è assemblato sul chip DD11. Converte un segnale con fronte ripido e caduta dolce, che appare all'anodo del contatore Geiger al momento della sua eccitazione da parte di una particella ionizzante, in un impulso di durata tcch = 0,7R18·C10 = 0.35 ms, adatto per la trasmissione all'unità di conteggio tramite una semplice linea a tre fili. L'unità di conteggio è montata su un pannello in laminato di fibra di vetro a doppia faccia con uno spessore di 1,5...2 mm (Fig. 3).
La lamina sul lato della parte viene mantenuta quasi completamente e viene utilizzata principalmente come filo comune. Per saltare i dettagli, sono presenti delle selezioni: cerchi con un diametro di 1,5...2 mm (non mostrati nella figura). I punti di connessione con il filo comune dei terminali “messa a terra” di condensatori, resistori e altri elementi sono indicati da quadrati pieni anneriti. I quadrati anneriti con un punto luminoso al centro mostrano le connessioni al filo comune di alcuni frammenti di installazione, nonché i pin di 7 microcircuiti DD1 - DD6. DD8 - DD10 e pin 8 del chip DD7. Sotto l'indicatore viene rimosso uno strato continuo di pellicola e tali quadrati indicano cuscinetti di contatto e fori per spostarsi da uno strato all'altro. Pezzi di filo stagnato dovrebbero essere saldati in questi fori. La corretta posizione della scheda indicatore viene stabilita prima della sua installazione. Per fare ciò, prendere il display per il substrato e toccare con la punta del saldatore l'uno o l'altro dei suoi terminali, "accendere" il segmento corrispondente dell'indicatore. La testata di misura è mostrata in Fig. 4, anche la pellicola sotto le parti è conservata quasi completamente.
Il contatore Geiger SBT10 (SBT10A) ha dieci anodi separati, i loro terminali (1 - 10) sono collegati tra loro mediante saldatura. Anche il collegamento del catodo del contatore (pin 11) con la lamina del filo comune deve essere saldato. Il dosimetro utilizza resistori KIM-0,125 (R2. R15) e MLT-0,125 (altri). Condensatori C4, C5 - ossido importato (Ø6x13 mm), C6 - K53-30. S8-K73-9. S9-KD-2. il resto è KM-6, K10-176, ecc. LED HL1: qualsiasi, preferibilmente rosso. Il trasformatore T1 utilizza un nucleo magnetico ad anello di dimensioni 16x10x4,5 mm realizzato in ferrite M3000NM. Gli spigoli vivi dell'anello devono essere rimossi con carta vetrata e poi avvolti con nastro sottile di Teflon o Mylar. L'avvolgimento L3 viene avvolto per primo; contiene 420 spire di filo PEV-2 0,07. L'avvolgimento viene eseguito quasi giro per giro. Tra l'inizio e la fine è lasciato uno spazio di 1...1,5 mm. L'avvolgimento L3 stesso è ricoperto da uno strato isolante e l'avvolgimento L1 è avvolto sopra con un passo ampio (sei giri di filo PEWSHO 0.15). Quindi su questo avvolgimento viene posizionato l'avvolgimento L2 (due spire dello stesso filo). Gli avvolgimenti devono essere posizionati attorno all'anello nel modo più uniforme possibile e in modo che i loro terminali siano il più vicino possibile ai corrispondenti contatti di montaggio della scheda. Per evitare danni al trasformatore, questo viene montato sulla scheda tra due rondelle elastiche. Quando si dissaldano gli avvolgimenti è importante non commettere errori nella loro fasatura (i punti in Fig. 2 indicano le estremità degli avvolgimenti che entrano da un lato nel foro del circuito magnetico). Un errore nella formulazione interromperà il funzionamento del convertitore. La scheda dell'unità di conteggio è installata sul pannello frontale in polistirolo antiurto di dimensioni 122x92x2.5 mm. Su di esso è incollato un angolo di polistirolo di dimensioni 55x29x17 mm che forma un vano per la batteria al Corindone. Sull'angolo vengono incollate delle doghe in polistirolo, formando delle scanalature nelle quali verrà inserita la tavola dell'unità di conteggio. Al pannello frontale è incollato un supporto verticale alto 14 mm, dotato di filettatura per vite M2. Con questa vite, attraverso un foro del diametro di 2.1 mm (vedi Fig. 3), la scheda viene fissata al pannello frontale. L'interruttore di alimentazione PD9-1 è montato in una posizione comoda sul pannello (non mostrato in Fig. 1). Nei punti appropriati del pannello sono praticati i fori per il pulsante SB1 e il LED HL1. Per l'emettitore piezoelettrico viene praticato un foro del diametro di 30 mm, sul quale è incollata sopra una griglia decorativa. Una vista generale della scheda montata sul pannello frontale è mostrata in Fig. 5.
Come alloggiamento dell'unità di conteggio si può utilizzare una scatola in plastica di adeguate dimensioni (ad esempio per pedine da 125x95x23 mm). Al suo interno viene prima tagliata una scanalatura profonda 2,5 mm, nella quale verrà fissato il pannello frontale. La testa di misura è montata in un alloggiamento con divisorio interno, realizzato in lamiera di polistirolo antiurto di 2 mm di spessore. Le sue dimensioni in pianta sono 94x73 mm, altezza - 60 mm. Il contatore è montato sul divisorio in modo che la sua “finestra” di mica sia diretta verso la cuvetta con il prodotto da testare. Sulla stessa partizione è montata anche la scheda convertitore. La profondità della cuvetta di misura deve essere almeno 25 mm, le sue dimensioni in pianta sono 94X73 mm. La cuvetta è incollata insieme dallo stesso foglio di polistirolo. Il dosimetro qui descritto utilizza il metodo di misurazione dello “strato spesso”, in cui la radiazione proveniente dagli strati inferiori del prodotto nella cuvetta viene attenuata in modo significativo o completamente assorbita dagli strati superiori e non ha praticamente alcun effetto sulle letture del contatore Geiger. Il metodo dello “strato spesso”, che consente di stimare la contaminazione radioattiva di un prodotto in Bq/kg senza pesarlo, è ampiamente utilizzato dai servizi di controllo delle radiazioni. La superficie del prodotto che riempie la cuvetta deve essere il più vicino possibile alla “finestra” di mica del contatore (nella versione originale del dosimetro questa distanza è di 5 mm). Poiché la posizione relativa del campione in esame e del contatore influisce sul risultato della misurazione, la struttura della testa di misurazione deve prevedere un fissaggio chiaro sulla cuvetta. L'impostazione di un dosimetro si riduce all'impostazione della tensione all'uscita dello stabilizzatore entro 6,3...6,7 V. Dipende dal rapporto R11/R10 e viene specificata selezionando uno di questi resistori. Se lo si desidera, i blocchi del dosimetro possono essere controllati separatamente. Se l'ingresso del blocco di conteggio (pin 13 DD9.1) è collegato al pin. 4 contatori DD7 e premere il pulsante SB1, quindi dopo 31 minuti e 39 secondi sul display dovrebbero apparire i numeri 1899 - il numero di secondi nell'intervallo di misurazione. Il tempo di misurazione può essere notevolmente ridotto, ma solo controllando l'unità di conteggio. Se l'ingresso (pin 9) dell'inverter DD10.2 è collegato all'uscita 4 (pin 5) del contatore DD6. quindi sarà pari a 3 minuti 39 s e quando un connettore (circuito diodo-resistenza “I”) è collegato tra loro, è possibile impostare qualsiasi intervallo di misurazione compreso tra 39 s e 62 min 39 s con una precisione di fino a un minuto. Quindi, ad esempio, la durata della misurazione quando si utilizza un congiuntore. mostrato in Fig. 6 sarà pari a 55 minuti e 39 secondi. Il circuito stampato (Fig. 3) offre spazio per l'installazione di un resistore e di diodi connettori.
Per controllare autonomamente la testa di misura è necessario un oscilloscopio che funzioni in modalità standby (scansione 5...10 ms). Il suo ingresso è collegato all'uscita della testa e, se funziona correttamente, sullo schermo dell'oscilloscopio compaiono impulsi di polarità positiva della durata di ~0,35 ms con un'ampiezza pari alla tensione di alimentazione, seguiti senza ordine apparente da una media frequenza di 1...2 Hz. Se disponi di un voltmetro statico con scala 1 kV (ad esempio C50), puoi controllare la tensione di alimentazione del contatore Geiger (sul condensatore C8). Dovrebbe essere compreso tra 360 e 430 V. Il dosimetro prodotto deve essere calibrato. Come è possibile farlo senza un aiuto esterno? Innanzitutto determineremo il livello della radiazione di fondo naturale. A tale scopo posizionare la testa di misurazione su una cuvetta vuota o piena d'acqua ed eseguire almeno 10 misurazioni una dopo l'altra. Successivamente, calcoleremo il valore medio dei valori ottenuti - Nf - il numero corrispondente al livello di radiazione di fondo naturale, e dalle deviazioni di ciascuna misurazione da Nf - l'errore quadratico medio - ΔNF [1] - il imprecisione nella determinazione di Nf, la cui causa principale è la brevità della misurazione. In un esperimento diretto si sono ottenuti Nf = 3500, ΔNf = 60. Per valutare la sensibilità alle radiazioni del dispositivo, sarà necessaria una sorgente di radiazioni di riferimento. A questo scopo vengono utilizzate sostanze contenenti potassio. La cosa è. che la miscela naturale di isotopi di potassio contiene anche potassio-40 (0.0118%) - un radioisotopo β, γ che emette con un'emivita di oltre un miliardo di anni. La sua attività elevata e stabile, riferita all'intera massa di potassio, è di 29600 Bq/kg [2]. È questa circostanza che rende possibile utilizzare un composto chimico con un contenuto “frazionario” noto e sufficientemente elevato di potassio come oggetto di prova durante la calibrazione di questo tipo di dispositivi dosimetrici. Ecco alcuni di questi composti KCI: cloruro di potassio, la sua attività Skcl = 15700 Bq/kg; K < è 29600 Bq/kg [2]. È questa circostanza che rende possibile utilizzare un composto chimico con un contenuto “frazionario” noto di potassio sufficientemente elevato come oggetto di prova durante la calibrazione di questo tipo di dispositivi dosimetrici. Ecco alcuni di questi composti KCl: cloruro di potassio, la sua attività Skcl = 15700/kg; KBr bromuro Ckbr = 9700 K2C03 carbonato di potassio è 29600 Bq/kg [2]. È questa circostanza che rende possibile utilizzare un composto chimico con un contenuto “frazionario” noto di potassio sufficientemente elevato come oggetto di prova durante la calibrazione di questo tipo di dispositivi dosimetrici. Ecco alcuni di questi composti KCl: cloruro di potassio, la sua attività Skcl = 15700/kg; KBr bromuro Ckbr = 9700 K2C03 carbonato di potassio Br - bromuro di potassio, CkBr = 9700 Bq/kg; K2C03 - carbonato di potassio (potassa). SC2CO3 = 16800 Bq/kg (tutte le sostanze senza cristallizzazione e acqua adsorbita; in caso di dubbio la sostanza viene calcinata o essiccata). Riempiamo la cuvetta di misurazione fino all'orlo con un emettitore standard, ad esempio bromuro di potassio, ed eseguiamo una serie di misurazioni. Dopo aver mediato i risultati e calcolato l'errore, avremo: NKBr±ΔNKBr. In un esperimento diretto si sono ottenuti NKBr = 31570, ΔNKBr = 120. Determinare la sensibilità alle radiazioni dell'apparecchio: K = CkBr/(NkBr - Nph) = 9700/(31570 - 3500) = 0,35 Bq/kg e stimare il incertezza di misura dell'attività Bq/kg degli emettitori deboli: K·ΔNф = 0,35·60 = 20 Bq/kg. Pertanto, registrando Nprod - la lettura del dosimetro nella cuvetta in cui si trova il prodotto in esame, e Nf - il livello di fondo "per oggi", e calcolando la loro differenza, ad esempio Nprod - Nf = 1000, lo faremo stabilire che la contaminazione radioattiva stimata del prodotto è K( Nnpod - NF) = 0.35·1000=350 Bq/kg. e quello effettivo differisce da quello calcolato non più di K·2ΔNF = ±40 Bq/kg. Per un dosimetro alimentare domestico, tale precisione è abbastanza sufficiente. Ma può essere aumentato. Ad esempio, a causa della durata della misurazione (anche se cresce abbastanza lentamente: con un aumento dell'esposizione n volte, la precisione aumenta solo di Vn). La precisione delle misurazioni aumenterà se vengono eseguite in condizioni di ridotta radiazione di fondo, ad esempio nel sottosuolo a una profondità di 30...40 m (nella metropolitana). È possibile ridurre il fondo di radiazione solo nel volume della testa di misurazione posizionandola, ad esempio, in un contenitore di piombo a pareti spesse (>3 cm). Naturalmente la metropolitana e la condotta devono essere esenti da radiazioni. In questo modo, la precisione delle misurazioni può essere aumentata più volte. E in conclusione: sulla radioattività naturale (!) dei prodotti. La sua causa principale è lo stesso potassio contenuto in quasi ognuno di essi [3]. La tabella mostra la radioattività specifica naturale (potassio - 40) di alcuni prodotti alimentari [2]. Deve essere sottratto dalle letture del dosimetro. Radioattività specifica naturale (potassio-40) dei prodotti alimentari, Bq/kg
Letteratura
Autore: Yu.Vinogradov, Mosca
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