Błędy pomiarowe dozymetrów

Pomiar promieniowania jonizującego za pomocą przyrządów radiometrycznych obarczony jest wieloma błędami pomiarowymi, wynikającymi zarówno z charakteru promieniowania, jak i konstrukcji przyrządu, w tym zastosowanego detektora, a także warunków środowiskowych. Część błędów omówiłem w notce o licznikach Geigera, które są jednymi z najpopularniejszych detektorów, tutaj jednak chciałbym zebrać całość błędów, również wynikających z ogólnej metodyki pomiarów.

• Tłumienie w ściance detektora, szczególnie istotne dla promieniowania alfa, które wymaga specjalnych liczników z cienkim okienkiem mikowym, w którym i tak ulega tłumieniu do 60% cząstek. To samo dotyczy promieniowania beta - liczniki STS-6 o metalowych ściankach rejestrują cząstki beta o energii powyżej 500 keV, zaś BOB-33 o ściankach szklanych - dopiero od 700 keV. Dla porównania, okienko mikowe 2 mg/cm2 jest przepuszczalne dla cząstek beta powyżej 150 keV.
• Wydajność detektora - licznik GM ma prawie 100 % wydajność dla promieniowania beta, lecz zaledwie 1 % dla gamma, z kolei detektor scyntylacyjny NaI(Tl) ma kilkadziesiąt razy większą wydajność dla emisji gamma niż licznik GM.
• Selektywność detektora - liczniki GM nie odróżniają rodzajów promieniowania, wszystko co pokona ściankę licznika i dostanie się do jego objętości czynnej, jest zliczane, otrzymujemy zatem taki "groch z kapustą". Jeśli chcemy zmierzyć tylko określony rodzaj emisji, konieczne zastosowanie jest licznika scyntylacyjnego - np. scyntylator ZnS(Ag) jest czuły tylko na emisję alfa i nie będzie mierzył promieniowania beta i gamma, w przeciwieństwie do okienkowego licznika GM, który zliczy wszystkie te rodzaje promieniowania. Nawet jeśli dozymetr wyposażony jest w przesłony, które odcinają poszczególne rodzaje promieniowania (np. Gamma Scout), to zawsze albo wytłumią za dużo promieniowania, które chcemy mierzyć, albo przepuszczą to, które powinno być odfiltrowane. 

• Nieliniowa charakterystyka energetyczna licznika G-M - jak wspominałem w notce o licznikach GM, w przypadku pomiaru promieniowania o energii odbiegającej od wzorca (zwykle Cs-137 lub Co-60) należy się liczyć ze znacznymi przekłamaniami, nawet rzędu 40%. Liczniki GM są paradoksalnie bardziej czułe na słabsze promieniowanie niż na silne, stąd potrzeba tzw. kompensacji energetycznej. Polega ona albo na owinięciu detektora folią ołowianą, albo na zastosowaniu grubszej ścianki samego licznika. Wówczas do objętości czynnej przedostanie się mniej promieniowania, na które licznik jest bardziej czuły, zaś silniejsze promieniowanie i tak przedostanie się przez ekran. Poniżej charakterystyka licznika DOI-80, który ma dość grubą ściankę:

• Dla liczników okienkowych nieliniowość energetyczna jest jeszcze bardzie widoczna. W tym przypadku przy padaniu promieniowania na boczną ściankę liczba zliczeń jest względnie stała powyżej 100 keV, natomiast przy padaniu na okienko jest dla energii 30-100 keV mocno zawyżona:

• Zależność temperaturowa detektora - w przypadku liczników scyntylacyjnych wzrost temperatury zwiększa tzw. prąd ciemny fotopowielacza, czyli powstający bez udziału impulsów świetlnych ze scyntylatora. Temperatura wpływa też na inne typy detektorów oraz ogólnie na układy elektroniczne. Dla radiometru RK-67 dodatkowy uchyb pomiaru wynosi 0,6 % mierzonej wartości na każdy 1 st C w przedziale 20-40 st. C i 0,3 % na każdy 1 st. C w przedziale -20 -  +20 st.C.
• Ciśnienie atmosferyczne w przypadku komory jonizacyjnej - w radiometrze komorowym DK-3 dodatkowy błąd pomiaru wynosi 0,2 % na każdy mm Hg różnicy od warunków normalnych (760 mm Hg). Ciśnienie zwykle waha się w zakresie ok. 740-780 mm Hg, czyli wynikający z tego błąd sięga +/- 4 %. 
• Nieliniowość wskaźnika wychyłowego w miernikach z podziałką liniową - dokładność wyników jest największa w ok. 2/3 skali, zatem należy tak dobrać zakres pomiarowy, aby mierzoną moc dawki odczytać właśnie z tego odcinka skali. Jeżeli ustawimy za wysoki zakres i wynik będzie podawany na początku skali, odczytamy zawyżoną wartość. Najłatwiej to sprawdzić za pomocą radiometru RK-67. Problem nie występuje przy skali logarytmicznej. 

• Zależność kierunkowa w przypadku prostopadłego i równoległego umieszczenia detektora względem wiązki promieniowania. Zależność ta występuje zarówno w przypadku samego licznika, jak i kompletnego radiometru - w pierwszym przypadku wynika z drogi, jaką kwant gamma musi pokonać w liczniku, a w drugim od obudowy. Zależność ta jest silniejsza w przypadku mierników o metalowej obudowie, a także dla miękkiego promieniowania. Instrukcje obsługi powinny podawać charakterystykę kierunkową danego przyrządu, choć zwykle podają to jedynie specyfikacje przyrządów laboratoryjnych.

• Napięcie zasilania - wraz ze spadkiem napięcia przyrząd zwykle zaniża wskazania, choć bardziej jest to widoczne przy znacznym zużyciu baterii. Większość przyrządów ma układy stabilizujące napięcie i np. wspomniany RK-67 może pracować jeszcze przy 1,6 V (nominalnie 3 V), zaś Polaron Pripyat do 5 V (nominalnie 9 V). Pobór prądu zwykle rośnie wraz mocą mierzonej dawki, wiele radiometrów przy tle naturalnym pobiera pojedyncze miliampery, jednak przy wyższych natężeniach promieniowania pobór rośnie do kilkunastu mA.

• Skoro jesteśmy przy napięciu zasilania całego przyrządu, to zwróćmy uwagę na napięcie zasilania sondy pomiarowej podłączonej do radiometru uniwersalnego. Powinno być zgodne z napięciem podanym na karcie badania przyrządu, ale co robić, jeśli takiej karty nie mamy?  Zbyt wysokie powoduje wzrost biegu własnego licznika, a przy znacznym przekroczeniu wartości nominalnej może go uszkodzić. Za niskie - poniżej progu Geigera - też nie jest wskazane, gdyż licznik będzie wówczas pracował w obszarze ograniczonej proporcjonalności swojej charakterystyki.

https://www.radiation-dosimetry.org/what-is-proportional-region-ionization-detector-definition/

• Zużycie detektora (licznik G-M, scyntylacyjny) - w przypadku licznika GM zwiększa się nachylenie charakterystyki, scyntylator pogarsza swe właściwości i przestaje nadawać się do precyzyjnych pomiarów spektrometrycznych. Dość odporne na zużycie są komory jonizacyjne, mają jednak inne ograniczenia (rozmiar, czułość).

• Zużycie innych elementów elektronicznych, szczególnie w przyrządach liczących sobie kilkadziesiąt lat. Szczególnie dotyczy to kondensatorów, które z upływem lat zmieniają parametry, zwiększając albo zmniejszając swoją pojemność. Stąd też przy remontach i przeglądach warto je kontrolować i wymieniać.
• Rozrzut jakości podzespołów elektronicznych, szczególnie w starszych przyrządach krajowej produkcji, montowanych sposobem rzemieślniczym w małych seriach. Wiele elementów dobierano doświadczalnie, gdyż nie trzymały parametrów i nie można było produkować dozymetrów w sposób przemysłowy. 
• Czas martwy - z właściwości licznika GM wynika, że przez pewien czas po zarejestrowaniu cząstki radioaktywnej nie jest w stanie wychwycić on następnej cząstki. Przy mniejszych natężeniach promieniowania nie stwarza to problemów, ale przy większych prowadzi do sporych zaniżeń wyników. Odpowiednie układy elektroniczne są w stanie kompensować czas martwy licznika G-M przy wyższych częstościach zliczania.

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Dead_time_of_geiger_muller_tube.png

• Przeciążenie licznika - przy wyjątkowo silnym przeciążeniu (np. 100-krotności najwyższego zakresu) w niektórych przyrządach może występować zjawisko cofania się wskazówki, które jest groźnym w skutkach fałszowaniem wyników. Przykładowo gdy radiometr ma zakres do 250 mR/h, lecz przy mocy dawki 3000 mR/h wskazówka pokazuje... 200 mR/h, czyli 30 x mniej! Stąd też specyfikacje dozymetrów powinny podawać wartość największego przeciążenia, przy którym jeszcze nie występuje cofanie się wskazówki.

Nie są to oczywiście wszelkie możliwe błędy pomiarowe aparatury dozymetrycznej, z jakimi można się spotkać, ale najważniejsze, wpływające na wynik pomiaru naszym miernikiem. Instrukcje obsługi do większości przyrządów zwykle podają tylko tzw. podstawowy błąd pomiaru dla poszczególnych wartości oraz nierównomierność charakterystyki energetycznej promieniowania gamma. Bardziej szczegółowa specyfikacja jest podawana w dokumentacji dozymetrów laboratoryjnych, mają one też, siłą rzeczy, mniejszy uchyb pomiaru. Przykładowo, przy RK-67 i RK-21 podstawowa niepewność pomiaru promieniowania gamma wynosi +/- 15%, natomiast dla ANRI Sosna +/- 30 %. Z kolei w przypadku RKSB-104 błąd zależy od zakresu mierzonej mocy dawki: pomiędzy 0,10 a 1 µSv/h wynosi aż +/- 40 %, natomiast powyżej 1 µSv/h "tylko" +/- 25 %. Pamiętajmy o tym, gdy zauważymy różnice we wskazaniach pomiędzy kilkoma egzemplarzami tego samego typu dozymetru albo nawet i w jednym przyrządzie.

 Jeśli  uważacie, że w powyższym wykazie coś trzeba uzupełnić, dajcie znać w komentarzach.