Przelicznik czy integrator?

Tryby pracy dozymetrów omawiałem kilka lat temu, wówczas jednak użyłem własnego nazewnictwa, ukutego od najbardziej reprezentatywnego modelu wykorzystującego dany tryb [LINK]. Tym razem chciałbym przedstawić temat od strony teoretycznej, gdyż wszystkie wymienione wówczas tryby można sprowadzić tak naprawdę do dwóch:

• tryb integratora (uśredniający)
• tryb przelicznika (zliczający).

Pomiar integratorowy oznacza podawanie średniej częstości impulsów wedle pewnej określonej stałej czasu. Stała ta jest to czas, po którym wynik osiągnie 2/3 swojej rzeczywistej wartości. Może być on niezmienny lub regulowany. 

Zwykle do dyspozycji są dwie wartości (fast/slow), lub też stała czasu jest wybierana automatyczne w zależności od zakresu pomiarowego (krótsza na wyższym). Radiometry uniwersalne mają często płynną regulację stałej czasu lub kilka wartości ustawianych skokowo. Układ integratora jest to zwykle obwód RC, w którym od pojemności C zależy wartość stałej czasu, zaś od oporności R zakres pomiarowy. Krótka stała czasu przydatna jest przy dużych częstościach zliczania - zapewnia szybki wzrost wyniku, choć jednocześnie powoduje znaczne jego wahania w okresie równym długości stałej czasu. Czyli np. w RK-67 wynik będzie się wahał w okresie 10 s, zaś w Polaronie 20 lub 200 s, w zależności od wybranej stałej. Aby uzyskać miarodajny wynik, musimy odczekać aż 5 długości stałej czasu.

Długa stała czasu jest potrzebna przy pomiarach małych aktywności - wzrost wyniku jest wówczas wyraźniejszy niż przy krótkiej, choć dłużej na niego musimy czekać. Krótka stała czasu przy małej aktywności oznacza często drganie wskazówki miernika na samym początku skali, długa zaś powoduje powolne, ale stałe coraz silniejsze jej wychylanie się. Mówiąc obrazowo, krótka stała czasu to hipochondryk, który z każdym kichnięciem leci do lekarza, a długa to Czarny Rycerz, uciętą rękę komentujący słowem "draśnięcie". Na poniższym wykresie widzimy, jak przy krótkiej stałej czasu rejestrowane są nawet drobne wahania wskazań, zaś przy długiej, jedynie większe:

Pomiar integratorowy służy głównie do poszukiwania źródeł promieniowania i wstępnej oceny mocy dawki czy aktywności. Krótka stała czasu umożliwia szybką reakcję na zmianę poziomu wskazań - zarówno na wzrost, jak i na spadek. Wadą jest trudność w ustaleniu jednoznacznego wyniku, zwykle trzeba zapamiętać minimum i maksimum, a następnie wybrać wartość środkową.

 

Pomiar przelicznikowy polega na zliczaniu impulsów w określonym czasie, zaprogramowanym przez producenta lub wybieranym przez użytkownika. Wynik może być podawany w postaci surowej, w impulsach, bądź też, jeśli producent uwzględnił współczynnik kalibracyjny, w jednostkach mocy dawki lub aktywności. Zaletą jest uzyskanie jednoznacznego wyniku, bez wahań charakterystycznych dla integratora. Szczególnie jest to cenne przy małych aktywnościach, w których w trybie integratorowym musielibyśmy śledzić  nieznaczne wahania wyniku rzędu np. 0,3-0,5 cps. Przelicznik zaś, w tym samym przypadku, zliczy nam 75 impulsów przez 180 sekund. Wystarczy wtedy podzielić wynik przez czas zliczania, by uzyskać częstość impulsów rzędu 0,41 cps. 

Dodatkowo możemy wydłużyć czas zliczania, co  pozwoli zwiększyć dokładność pomiaru z uwagi na statystyczny charakter rozpadów promieniotwórczych. Funkcję tą mają zwykle stacjonarne radiometry laboratoryjne, np. URS-3 czy przelicznik (scaler) P-21 do zestawów w Standardzie-70. Z przyrządów przenośnych warto wymienić radiometr RKB-20.01 Beta, w którym czas zliczania można ustawić na: 1, 10, 100, 500, 1000 i 2000 s. W tym mierniku czas zliczania 1 s ma funkcję automatycznego resetu licznika, zatem dozymetr z wybranym tym czasem pracuje jak integrator, podając de facto wynik w cps. Po więcej informacji odsyłam do jego recenzji [LINK]. Wracając do czasu pomiaru, świetny radiometr przenośny UDR-2 konstrukcji Karola ma możliwość zaprogramowania czasu zliczania do 5000 s, jak również wyboru funkcji automatycznego resetu po zakończeniu pomiaru. Z innych mierników warto wymienić DBGB-01 EKO-1, w którym pomiar mocy dawki trwa 18 s, pomiar strumienia cząstek beta 90 s, zaś pomiar aktywności cezu-137 w produktach aż 512 s [LINK].

Dozymetr ANRI Sosna ma dwa tryby pomiaru, oba integratorowe, różniące się jednostką pomiaru oraz czasem zliczania. W trybie MD (moc dawki) pomiar trwa 18 sekund, a wynik podawany jest w mR/h. Tryb T zaś powoduje zliczanie impulsów bez ograniczenia czasowego, od 1 do 9999 imp., a co dziesiąty impuls sygnalizowany jest dźwiękiem. Porównując te tryby można ustalić współczynnik kalibracyjny, który wynosi mniej więcej 0,5 - moc dawki 0,009 mR/h (średnia z 20 pomiarów) oznaczała zliczenie przez godzinę 1800-1900 impulsów.

Radiometry laboratoryjne mają jeszcze dodatkowy tryb przelicznika, w którym pomiar kończy się po zliczeniu pewnej określonej, wybranej przez użytkownika liczby impulsów. Umożliwia to zachowanie takiego samego statystycznego błędu pomiaru dla całej serii pomiarów, gdyż błąd ten jest proporcjonalny do pierwiastka zliczonej liczby impulsów. W przeciwnym wypadku przy dużych różnicach wyników każdy pomiar miałby inny statystyczny błąd pomiaru.

 Jakie są wady i zalety obu metod pomiaru?

Tryb przelicznikowy nie sprawdzi się do poszukiwania źródeł i ogólnie monitorowania poziomu mocy dawki, gdyż wynik zmienia się tylko w jedną stronę - rośnie. Jeśli moc dawki spada, wynik siłą rzeczy nie może się cofnąć, malenie jedynie tempo jego wzrostu na wyświetlaczu. Integrator zaś obniży wskazania, jeśli częstość zliczania się zmniejszy, zaś nowoczesny miernik, mający odpowiedni algorytm, wykryje gwałtowną zmianę mocy dawki i rozpocznie nowy cykl uśredniania. Rozwiązania takie stosuje m.in. firma Soeks. 

Dozymetry przelicznikowe mają zastosowanie raczej w pracach laboratoryjnych, zaś na gruncie amatorskim, do pomiarów porównawczych. Jeśli chcemy porównać aktywność naszego szkła uranowego, ceramiki, zegarów minerałów czy medalionów, bierzemy Sosnę i kolejno mierzymy - każdy pomiar zajmie nam 18 sekund, a po tym czasie wynik będzie konkretnie ustalony. W przypadku Polarona byśmy musieli czekać 5 stałych czasu, czyli 100 sekund, aż wynik zbliży się w 99% do wyniku z przelicznika:

Tryb przelicznikowy popularny był w prostych miernikach czy indykatorach promieniowania, często jako opcjonalny obok integratora. Często wynik był wyświetlany krótszą lub dłuższą chwilę, po czym zaczynał się kolejny cykl pomiaru (Biełła, Expert, RKSB-104) . Praktycznie tylko Sosna wyświetlała wynik aż do ponownego uruchomienia pomiaru lub wyłączenia zasilania, z kolei Poisk-2... wyłączał się chwilę po wyświetleniu wyniku. Szerzej omówiłem zjawisko w osobnej notce.

 ***

Czas na krótkie  podsumowanie. Nie udzielę tutaj kategorycznej odpowiedzi na pytanie, który tryb jest lepszy. Mogę tylko napisać - do czego. Moim zdaniem warto mieć oba mierniki. Jeden do poszukiwań, drugi do pomiarów porównawczych. Przelicznik przyda się do pomiarów małych aktywności i porównywania tła promieniowania w różnych miejscach, gdyż wychwyci nawet małe różnice, które w integratorze "zginą" pośród wahań wyniku.

Po teoretyczne podstawy obu typów pomiarów radiometrycznych odsyłam do pracy A. Piątkowski, W. Scharf - Elektroniczne mierniki promieniowania jonizującego oraz do starszej pozycji tychże Autorów pt. Aparatura radiometryczna w medycynie i biologii, gdzie pewne kwestie przedstawione są nieco jaśniej