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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Dosímetro alimentar. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Dosímetros Os dosímetros domésticos convencionais registram de forma confiável a radiação de fundo e a radiação ionizante de macroobjetos (por exemplo, paredes). No entanto, não são adequados para a inspecção alimentar, o que continua a ser relevante em diversas regiões do país. O desenho do dosímetro levado ao conhecimento dos leitores permite-nos resolver até certo ponto este problema. Atenção especial deve ser dada à calibração do dispositivo. Sem uma calibração confiável, tal dispositivo pode ser considerado um indicador, cujas leituras servirão de base para futuras ações: não compre o produto, corra o risco de comprar, verifique na SES.
Recentemente, o autor do artigo teve a oportunidade de visitar o departamento de higiene radiológica de uma das SES regionais em Moscou, onde ocorreu algo como a seguinte conversa: - Posso testar uma lata de café instantâneo quanto à contaminação por radiação? - E por que você decidiu que estava contaminado? - Este aparelho (estou demonstrando o dosímetro descrito) apresentou 900 Bq/kg. - Como você calibrá-lo? - Brometo de potássio. (Depois de pensar um pouco, meu interlocutor pediu para ver minha identidade). - Ah, a imprensa! Você pode estar em apuros... - Por que? Visitei você no início dos anos 90 e mostrei meus dispositivos. Você me apresentou seu equipamento, os padrões aceitos na época para contaminação permitida com césio e estrôncio-90 de vários produtos alimentícios... - Não não. Não poderia ser! - Porém, agora não é tão importante. Foi noticiado na imprensa que essas normas relativas à contaminação radioativa de produtos alimentares estão desatualizadas e que novas normas estão atualmente em vigor. Você poderia me apresentar a eles? - Não. - E o meu café? - Sabe, temos muito trabalho agora... Isso conclui nossa "conversa". Nos anos que se seguiram à tragédia de Chernobyl, muita coisa mudou. Os dosímetros que registravam a radiação naquela época eram muitas vezes superiores à radiação natural de fundo. hoje eles demonstram um bem-estar quase completo. Mas é isso? Na verdade, ao longo de todos estes anos, a atividade do estrôncio-90 e do césio-137 - dois do “famoso” trio de radioisótopos de Chernobyl - diminuiu apenas um quarto, e nunca veremos uma diminuição na atividade do terceiro - plutônio-239: sua meia-vida excede 24000 anos. A razão para a actual prosperidade aparente é simples: as chuvas, as águas subterrâneas, os ventos, os incêndios, vários processos biológicos e a erosão do solo reduziram as concentrações de radioisótopos. Espalhados por grandes áreas, tornaram-se imperceptíveis no contexto da radiação natural da Terra e do Espaço. Como fontes de radiação externa, tais emissores não representam mais o mesmo perigo para os seres humanos. Mas entrando em seu corpo pelo trato digestivo e respiratório, aproximando-se extremamente dos tecidos vitais, são capazes de deixar neles um “rastro” que não poderia surgir mesmo com a mais forte irradiação externa. Portanto, a contaminação radioativa relativamente fraca dos alimentos não pode ser ignorada. A seguir é descrito um dosímetro capaz de detectar esse tipo de contaminação e avaliar seu nível. O dispositivo consiste em uma unidade de contagem e um cabeçote de medição. A base do bloco de contagem (Fig. 1) é um contador de cinco bits feito nos microcircuitos DD1 - DD5. Seu status é exibido no display de cristal líquido do HG1. As quatro casas decimais menos significativas são mostradas da maneira usual - como números. A indicação do maior (dezenas de milhares) é realizada em código binário usando casas decimais: (· - a vírgula decimal é visível). Assim, o número máximo que pode ser registrado em tal contador é 159999. Olhando para o futuro, notamos que tal contagem decimal binária não muito conveniente será necessária apenas ao calibrar o dispositivo; em medições reais, o contador DD5 geralmente permanece no estado zero.
Os microcircuitos DD6 e DD7 definem o tempo durante o qual são contados os pulsos provenientes do cabeçote de medição. O contador de seis bits DD6 conta as arestas na saída M do contador DD7 (por arestas positivas, a primeira das quais aparece no 39º segundo do intervalo do primeiro minuto). O oscilador interno do contador DD7 é estabilizado por um ressonador de quartzo ZQ1. Quando indicado na Fig. Quando o DD1 estiver ligado (a entrada do inversor DD6 está conectada diretamente à saída 10.2 do contador DD32), a medição durará 6 minutos e 31 segundos. Após este tempo, a contagem é interrompida (aparece um sinal de proibição de lógica 12 na entrada 9.1 do elemento DD0) e um sinal sonoro é acionado, avisando o final da medição. Registro de sinal. 1, na entrada 2 do elemento DD9.4, permite a passagem de uma onda quadrada de um quilohertz, retirada da saída F do contador DD7, para o amplificador DD 10.4-D010.6 e a carga a ele conectada em fase - o emissor piezoelétrico BF1. Se a radioatividade do produto testado for muito alta, o contador DD1 - DD5 pode transbordar já durante a medição. Neste caso, aparecerá um sinal de log na saída 16 (pino 11) do contador DD5. 1, que acenderá não apenas um sinal sonoro, mas também um sinal luminoso de alarme - o transistor VT1 acenderá o LED HL1. No modo de alarme, zeros são exibidos no display. Ao pressionar o botão “Start” do SB1, um pulso com duração tnyck = 10.1R0,7·C4 = 3 ms é gerado na saída do inversor DD6. Chega às entradas R de todos os contadores e os transfere para o estado zero inicial. Nos transistores VT2. O VT3 e o diodo zener VD1 montam um estabilizador que mantém a tensão de alimentação do dosímetro praticamente inalterada quando sua fonte de alimentação está profundamente descarregada. O diagrama esquemático do cabeçote de medição é mostrado na Fig. 2. No transistor VT4. transformador de pulso T1 e elementos R14, C6. C8, conversor montado VD2-VD4. Inclui um gerador de bloqueio. no enrolamento L3 do transformador onde são formados pulsos curtos (tnip = 5... 10 μs) com amplitude UL3 = (Uc5 0.2)n3/n2 (Uc5 é a tensão de alimentação do conversor, n2 e n3 são o número de gira nos enrolamentos L2 e L3) Quando n3 = 420 e n2 = 6 Ul3 = 440 V. Esses pulsos, seguindo com frequência Fimp = 1/R14 · C6 = 10 Hz, através dos diodos VD3, VD4 carregam o capacitor C420 a uma tensão de +430...8 V, que se torna a fonte de alimentação do contador Geiger BD1.
O driver é montado no chip DD11. Ele converte um sinal de frente acentuada e queda suave, que aparece no ânodo do contador Geiger no momento de sua excitação por uma partícula ionizante, em um pulso com duração tcch = 0,7R18·C10 = 0.35 ms, adequado para transmissão à unidade de contagem através de uma linha simples de três fios. A unidade de contagem é montada sobre uma placa de folha laminada de fibra de vidro dupla face com espessura de 1,5...2 mm (Fig. 3).
A folha do lado da peça é retida quase completamente e é usada principalmente como fio comum. Para pular detalhes, possui seleções - círculos com diâmetro de 1,5...2 mm (não mostrados na figura). Os locais de conexão com o fio comum dos terminais “aterrados” de capacitores, resistores e outros elementos são indicados por quadrados sólidos enegrecidos. Quadrados enegrecidos com um ponto claro no centro mostram conexões ao fio comum de certos fragmentos de instalação, bem como pinos de 7 microcircuitos DD1 - DD6. DD8 - DD10 e pino 8 do chip DD7. Sob o indicador, uma camada contínua de folha é removida e esses quadrados indicam almofadas de contato e orifícios para passar de camada para camada. Pedaços de fio estanhado devem ser soldados nesses orifícios. A posição correta do quadro indicador é estabelecida antes de sua instalação. Para isso, pegue o display pelo substrato e toque a ponta do ferro de solda em um ou outro de seus terminais, “acenda” o segmento correspondente do indicador. A placa da cabeça de medição é mostrada na Fig. 4, a folha sob as peças também é preservada quase completamente.
O contador Geiger SBT10 (SBT10A) possui dez ânodos separados, seus terminais (1 - 10) são conectados entre si por soldagem. A conexão do cátodo do medidor (pino 11) com a lâmina do fio comum também deve ser soldada. O dosímetro utiliza resistores KIM-0,125 (R2.R15) e MLT-0,125 (outros). Capacitores C4, C5 - óxido importado (Ø6x13 mm), C6 - K53-30. S8 - K73-9. S9-KD-2. o restante é KM-6, K10-176, etc. LED HL1 - qualquer um, de preferência vermelho. O transformador T1 utiliza um núcleo magnético em anel com dimensões de 16x10x4,5 mm feito de ferrite M3000NM. As bordas afiadas do anel devem ser removidas com lixa e depois embrulhadas com fita fina de Teflon ou Mylar. O enrolamento L3 é enrolado primeiro e contém 420 voltas de fio PEV-2 0,07. O enrolamento é realizado quase volta a volta. É deixado um espaço de 1...1,5 mm entre o início e o fim. O próprio enrolamento L3 é coberto com uma camada de isolamento, e o enrolamento L1 é enrolado em cima dele com um passo grande (seis voltas de fio PEWSHO 0.15). Em seguida, o enrolamento L2 (duas voltas do mesmo fio) é colocado neste enrolamento. Os enrolamentos precisam ser posicionados ao redor do anel da forma mais uniforme possível e de modo que seus terminais fiquem o mais próximo possível dos contatos de montagem correspondentes da placa. Para evitar danos ao transformador, ele é montado na placa entre duas arruelas elásticas. Ao dessoldar os enrolamentos, é importante não cometer erros no seu faseamento (os pontos da Fig. 2 marcam as extremidades dos enrolamentos que entram no orifício do circuito magnético de um lado). Um erro no fraseado interromperá a operação do conversor. A placa da unidade de contagem é instalada no painel frontal em poliestireno resistente a impactos com dimensões de 122x92x2.5 mm. Nele é colado um canto de poliestireno medindo 55x29x17 mm, formando um compartimento para a bateria Corindo. As ripas de poliestireno são coladas no canto, formando ranhuras nas quais será inserida a placa da unidade de contagem. Um suporte vertical de 14 mm de altura, com rosca para parafuso M2, é colado no painel frontal. Com este parafuso, através de um furo de 2.1 mm de diâmetro (ver Fig. 3), a placa é fixada no painel frontal. O interruptor liga/desliga PD9-1 é montado em um local conveniente no painel (não mostrado na Fig. 1). Em locais apropriados do painel são feitos furos para o botão SB1 e o LED HL1. É feito um furo com diâmetro de 30 mm para o emissor piezoelétrico, sobre o qual é colada uma grade decorativa. Uma visão geral da placa montada no painel frontal é mostrada na Fig. 5.
Como caixa para a unidade de contagem, pode-se usar uma caixa plástica de dimensões adequadas (por exemplo, para damas medindo 125x95x23 mm). No seu interior é primeiro feita uma ranhura de 2,5 mm de profundidade, na qual será fixado o painel frontal. O cabeçote de medição é montado em uma caixa com divisória interna feita de placa de poliestireno resistente a impactos com 2 mm de espessura. Suas dimensões em planta são 94x73 mm, altura - 60 mm. O contador é montado na divisória de forma que sua “janela” de mica fique voltada para a cubeta com o produto sendo testado. A placa conversora também é montada na mesma partição. A profundidade da cubeta de medição deve ser de no mínimo 25 mm, suas dimensões em planta são 94X73 mm. A cubeta é colada na mesma folha de poliestireno. O dosímetro aqui descrito utiliza o método de medição de “camada espessa”, onde a radiação das camadas inferiores do produto na cubeta é significativamente atenuada ou completamente absorvida pelas camadas superiores e praticamente não tem efeito nas leituras do contador Geiger. O método da “camada espessa”, que permite estimar a contaminação radioativa de um produto em Bq/kg sem pesá-lo, é amplamente utilizado pelos serviços de controle de radiação. A superfície do produto que preenche a cubeta deve ficar o mais próximo possível da “janela” de mica do contador (na versão original do dosímetro essa distância é de 5 mm). Como a posição relativa da amostra de teste e do contador afeta o resultado da medição, o projeto do cabeçote de medição deve prever sua fixação clara na cubeta. A configuração de um dosímetro se resume a definir a tensão na saída do estabilizador entre 6,3...6,7 V. Depende da relação R11/R10 e é especificada pela seleção de um desses resistores. Se desejar, os blocos dosímetros podem ser verificados separadamente. Se a entrada do bloco de contagem (pino 13 DD9.1) estiver conectada ao pino. 4 contadores DD7 e pressione o botão SB1, depois de 31 minutos e 39 segundos os números 1899 devem aparecer no display - o número de segundos no intervalo de medição. O tempo de medição pode ser reduzido significativamente, mas apenas verificando a unidade de contagem. Se a entrada (pino 9) do inversor DD10.2 estiver conectada na saída 4 (pino 5) do contador DD6. então será igual a 3 minutos 39 s, e quando um conector (circuito diodo-resistor “I”) estiver conectado entre eles, você pode definir qualquer intervalo de medição dentro da faixa de 39 s a 62 min 39 s com uma precisão de até um minuto. Assim, por exemplo, a duração da medição ao usar um conjuntor. mostrado na Fig. 6 será igual a 55 minutos e 39 segundos. A placa de circuito impresso (Fig. 3) oferece espaço para instalação de um resistor e diodos conectores.
Para verificar independentemente o cabeçote de medição, você precisará de um osciloscópio operando em modo de espera (varredura de 5...10 ms). Sua entrada é conectada à saída do cabeçote, e se estiver funcionando corretamente, pulsos de polaridade positiva com duração de ~0,35 ms com amplitude igual à tensão de alimentação aparecem na tela do osciloscópio, seguindo sem ordem aparente com uma média frequência de 1...2 Hz. Se você tiver um voltímetro estático com escala de 1 kV (por exemplo, C50), poderá verificar a tensão de alimentação do contador Geiger (no capacitor C8). Deve estar entre 360...430V. O dosímetro fabricado deve ser calibrado. Como isso pode ser feito sem ajuda externa? Em primeiro lugar, determinaremos o nível de radiação natural de fundo. Para fazer isso, coloque o cabeçote de medição em uma cubeta vazia ou cheia de água e realize pelo menos 10 medições, uma após a outra. Após isso, calcularemos o valor médio dos valores obtidos - Nf - o número correspondente ao nível de radiação natural de fundo, e a partir dos desvios de cada medição de Nf - o erro quadrático médio - ΔNF [1] - o imprecisão na determinação de Nf, cuja causa raiz é a brevidade da medição. Em um experimento direto, foram obtidos Nf = 3500, ΔNf = 60. Para avaliar a sensibilidade à radiação do dispositivo, será necessária uma fonte de radiação de referência. Substâncias contendo potássio são utilizadas para este fim. A coisa é. que a mistura natural de isótopos de potássio também contém potássio-40 (0.0118%) - um radioisótopo emissor de β, γ com meia-vida de mais de um bilhão de anos. Sua atividade elevada e estável, relacionada a toda a massa de potássio, é de 29600 Bq/kg [2]. É esta circunstância que permite utilizar um composto químico com um teor “fracionário” de potássio conhecido e suficientemente grande como objeto de teste na calibração deste tipo de dispositivos dosimétricos. Aqui estão alguns desses compostos KCI - cloreto de potássio, sua atividade Skcl = 15700 Bq/kg; K < é 29600 Bq/kg [2]. É esta circunstância que torna possível utilizar um composto químico com um teor “fracionário” de potássio conhecido e suficientemente grande como objeto de teste na calibração deste tipo de dispositivos dosimétricos. Aqui estão alguns desses compostos de KCl - cloreto de potássio, sua atividade Skcl = 15700/kg; Brometo de KBr Ckbr = 9700 K2C03 carbonato de potássio é 29600 Bq/kg [2]. É esta circunstância que torna possível utilizar um composto químico com um teor “fracionário” de potássio conhecido e suficientemente grande como objeto de teste na calibração deste tipo de dispositivos dosimétricos. Aqui estão alguns desses compostos de KCl - cloreto de potássio, sua atividade Skcl = 15700/kg; Brometo de KBr Ckbr = 9700 K2C03 carbonato de potássio Br - brometo de potássio, CkBr = 9700 Bq/kg; K2C03 - carbonato de potássio (potássio). SC2CO3 = 16800 Bq/kg (todas as substâncias sem cristalização e água adsorvida; em caso de dúvida a substância é calcinada ou seca). Vamos encher a cubeta de medição até a borda com um emissor padrão, por exemplo, brometo de potássio, e realizar uma série de medições. Após calcular a média dos resultados e calcular o erro, teremos: NKBr±ΔNKBr. Em um experimento direto, foram obtidos NKBr = 31570, ΔNKBr = 120. Vamos determinar a sensibilidade à radiação do dispositivo: K = CkBr/(NkBr - Nph) = 9700/(31570 - 3500) = 0,35 Bq/kg e estimar o incerteza de medição na atividade de Bq/kg de emissores fracos: K·ΔNф = 0,35·60 = 20 Bq/kg. Assim, registrando Nprod - a leitura do dosímetro em cuja cubeta se encontra o produto em estudo, e Nf - o nível de fundo “para hoje”, e calculando sua diferença, por exemplo, Nprod - Nf = 1000, iremos estabelecer que a contaminação radiológica estimada do produto é K( Nnpod - NF) = 0.35·1000=350 Bq/kg. e o real difere do calculado em não mais que K·2ΔNF = ±40 Bq/kg. Para um dosímetro doméstico de alimentos, essa precisão é suficiente. Mas pode ser aumentado. Por exemplo, devido à duração da medição (embora cresça bastante lentamente: com um aumento na exposição n vezes, a precisão aumenta apenas em Vn). A precisão das medições aumentará se forem realizadas em condições de radiação de fundo reduzida, por exemplo, no subsolo a uma profundidade de 30...40 m (no metrô). É possível reduzir a radiação de fundo apenas no volume do cabeçote de medição, colocando-o, por exemplo, em um recipiente de chumbo de parede espessa (>3 cm). O subsolo e o chumbo devem, evidentemente, estar livres de radiação. Desta forma, a precisão das medições pode ser aumentada várias vezes. E para concluir - sobre a radioatividade natural (!) dos produtos. Sua causa raiz é o mesmo potássio contido em quase cada um deles [3]. A tabela mostra a radioatividade específica natural (potássio - 40) de vários produtos alimentícios [2]. Deve ser subtraído das leituras do dosímetro. Radioatividade específica natural (potássio-40) de produtos alimentícios, Bq/kg
Literatura
Autor: Yu.Vinogradov, Moscou
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