Adrian Bożydar KNYZIAK Główny Urząd Miar, Zakład Promieniowania i Wielkości Wpływających, Politechnika Warszawska, Instytut Metrologii i Inżynierii Biomedycznej Automatyzacja stanowiska pomiarowego do wzorcowania w polu promieniowania gamma Streszczenie. W niniejszej pracy przedstawiam kolejne etapy związane z projektowaniem, wykonaniem i uruchomieniem komputerowego systemu pomiarowego pracującego w Głównym Urzędzie Miar na stanowisku wzorcowym do owarzania i przekazywania jednostki kermy i mocy kermy w powietrzu w polu promieniowania gamma. Abstract. In this work are presented consecutive stages of design, fabrication and starting of the computer measurement system at the Central Office of Measures. The system used for reproduction and dissemination of air kerma unit and air kerma rate unit in the field of gamma radiation (Automation of the measurement system for calibration in the field of gamma radiation). Słowa kluczowe: kerma, moc kermy, prąd jonizacyjny, komora jonizacyjna, elektrometr, promieniowanie gamma. Keywords: kerma, kerma rate, ionization current, ionization chamber, electrometer, gamma radiation. Wstęp Promieniotwórczością (radioaktywnością) nazywamy przekształcanie się nietrwałych izotopów jednego pierwiastka chemicznego w izotopy innego pierwiastka, czemu towarzyszy emisja pewnych cząstek. Promieniotwórczość związana jest z emisją promieniowania jonizującego. Promieniowanie jonizujące jest to promieniowanie elektromagnetyczne (promieniowanie gamma i rentgenowskie) oraz korpuskularne (cząstki alfa, elektrony, neutrony, jony), które wywołuje jonizację ośrodka materialnego, tj. oderwanie przynajmniej jednego elektronu od atomu, cząsteczki lub wybicie go ze struktury krystalicznej. Wszystkim rodzajom promieniotwórczości towarzyszy zwykle emisja promieniowania (gamma) twardego, krótkofalowego promieniowania elektromagnetycznego. Emisja promieniowania gamma stanowi podstawowy sposób zmniejszania energii wzbudzonych produktów przemian promieniotwórczych. Jądro ulegając rozpadowi promieniotwórczemu nazywamy jądrem macierzystym. Powstające podczas rozpadu jądro pochodne jest z reguły w stanie wzbudzonym, a jego przejściu do stanu podstawowego towarzyszy emisja jednego lub kilku kwantów gamma. Promieniowanie gamma jest: - niewidzialne, - nie ulega zjawisku odbicia i załamania, - rozchodzi się z prędkością światła w próżni, - rozchodzi się po liniach prostych, - nie ulega odchyleniu w polu elektrycznymi magnetycznym, - przenikliwe, - jonizuje ośrodek, w którym się rozchodzi, - doznaje straty natężenia w miarę wzrastania odległości od źródła promieniowania. Ze względu na wyżej wymienione właściwości znalazło ono szereg zastosowań w medycynie, nauce, przemyśle i wojskowości. Nie należy jednak zapominać o biologicznym skutku działania promieniowania jonizującego. Przejawia się ono w uszkodzeniu komórek, które może doprowadzić do choroby popromiennej czy nawet śmierci organizmu w przypadku poddania organizmu dużemu natężeniu promieniowania. Ma też działanie mutagenne i rakotwórcze. W celu oceny narażenia na promieniowanie należy dokonać jego pomiaru a wynik wyrazić w dawce promieniowania, np. dawce pochłoniętej, dawce równoważnej, dawce efektywnej (skutecznej). Jednak aby było możliwe określenie wartości jakiejkolwiek dawki promieniowania musimy mieć zdefiniowaną wielkość fizyczną, którą w przypadku dozymetrii jest kerma. W niniejszej pracy przedstawiam kolejne etapy związane z projektowanie, wykonaniem i uruchomieniem komputerowego sytemu pomiarowego pracującego w Głównym Urzędzie Miar na stanowisku wzorcowym do owarzania i przekazywania jednostki kermy i mocy kermy w powietrzu w polu promieniowania gamma. Pomiar i rejestracja promieniowania jonizującego Zjawisko jonizacji jest wykorzystywane do pomiaru i rejestracji promieniowania. Do pomiarów promieniowania jonizującego, w tym przypadku promieniowania gamma, służą przyrządy nazywane dawkomierzami. Złożone są one z dwóch zasadniczych części: detektora promieniowania (np. komora jonizacyjna, licznik proporcjonalny, licznik Geigera Mullera, licznik scyntylacyjny, detektor półprzewodnikowy) i układu elektronicznego mierzącego wielkość jonizacji (np. w postaci: impulsu elektrycznego, ładunku jonizacyjnego, prądu jonizacyjnego), która miała miejsce w detektorze promieniowania. W zastosowaniach metrologicznych najdokładniejszym detektorem jest prądowa komora jonizacyjna. Jest to swego rodzaju kondensator wypełniony powietrzem, do którego elektrod przyłożone jest wysokie napięcie napięcie polaryzacji. W wyniku promieniowania, w powietrzu wypełniającym komorę jonizacyjną, powstają jony dodatnie oraz uwolnione elektrony, które pod wpływem pola elektrycznego wędrują do odpowiednich elektrod tworząc prąd jonizacyjny. Zakres prądów jonizacyjnych rozciąga się od 10-6 A do 10-16 A. Do pomiarów tych prądów wykorzystuje się urządzenia nazywane elektrometrami pracującymi w trybie pomiaru ładunku lub prądu elektrycznego. Następnie wartość zmierzonego ładunku jonizacyjnego lub prądu jonizacyjnego jest przeliczana na wielkości dozymetryczne dawkę promieniowania lub moc dawki promieniowania. Jednak, aby takie przeliczenie było możliwe konieczne jest wzorcowanie dawkomierza powtarzane co pewien okres czasu. Polega ono na porównaniu wskazań dawkomierza ze wskazaniami dawkomierza wzorcowego w takich samych warunkach. Jednostka kermy i mocy kermy w powietrzu Strumień fotonów promieniowania gamma to strumień cząstek nie naładowanych, które oddziałują elektromagnetycznie z elektronami, wybijając je z atomów i tworząc w ten sposób jony, a wybite elektrony są źródłem wtórnej jonizacji. Uwzględnienie wtórnej jonizacji w obliczeniach dawek pochłoniętych wymaga znajomości wielkości fizycznej zwanej kermą. Kerma K (ang. Kinetic PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 87 NR 4/2011 253
Energy Released in unit Mass) jest sumą początkowych energii kinetycznych de wszystkich naładowanych cząstek jonizujących uwolnionych przez nie naładowane cząstki w materiale o masie dm [1]: de (1) K dm Jednostką tej wielkości fizycznej wprowadzoną decyzją CIPM (fr. Comité International des Poids et Mesures) w roku 1975 w układzie SI jest grey (Gy), czyli jeden dżul na kilogram (J/kg). Szybkość rozpadów promieniotwórczych nie zależy od czynników fizykochemicznych. Liczba kwantów gamma wysyłanych przez źródła promieniowania w danym kierunku jest stała. Dlatego łatwiej jest dokonywać pomiaru wielkości mocy kermy. Moc kermy K w powietrzu jest to iloraz dk przez, gdzie dk jest przyrostem kermy w powietrzu w przedziale czasu. Jednostką mocy kermy w powietrzu w układzie SI jest grey na sekundę (Gy/s). Poprawną wartość mocy kermy w powietrzu uzyskujemy przy użyciu wzorca pierwotnego grafitowej komory jonizacyjnej, odczytując wartości zebranego ładunku elektrycznego w czasie (prąd jonizacyjny) i wyliczając poprawną wartość mocy kermy w powietrzu przy użyciu następującego wzoru [15]: I W 1 (2) en K ( ) a,c sc,aki m e 1 g gdzie: K moc kermy w powietrzu, I/m mierzony prąd jonizacyjny na jednostkę masy powietrza w komorze wzorcowej, W średnia energia zużyta przez elektron o ładunku e na wytworzenie pary jonów, g stosunek energii wtórnych cząstek naładowanych, zużytej na wytworzenie promieniowania hamowania, do sumy energii tych cząstek, ( en /) a,c stosunek masowych współczynników pochłaniania energii promieniowania w powietrzu i graficie, s c, a stosunek średnich masowych zdolności hamowania grafitu i powietrza, k iloczyn i współczynników korekcyjnych użytych do określenia kermy w powietrzu komorą wzorcową. jonizacyjnej. Zatem gęstość powietrza będzie zależała od temperatury i ciśnienia. Na podstawie odczytu wartości temperatury i ciśnienia wyliczany jest współczynnik poprawkowy k D wyrażony wzorem [1,2]: (3) k D p0 T p T gdzie: p 0 ciśnienie odniesienia równe 1013,25 hpa, p ciśnienie atmosferyczne w trakcie realizacji pomiarów w hpa, T temperatura powietrza w trakcie realizacji pomiarów równa 273,15 + t, gdzie t temperatura w C, T 0 temperatura odniesienia równa 293,15 K. Jednostki kermy i mocy kermy w powietrzu owarzane są na tym samym stanowisku wzorcowym. Przekazywanie jednostki mocy kermy w powietrzu Przekazywanie jednostki następuje w procesie wzorcowania. Wzorcowanie dawkomierzy wykonuje się metodą podstawienia komór jonizacyjnych w polu promieniowania gamma od nuklidów 137 Cs (cez) lub 60 Co (kobalt), polegającą na kolejnym pomiarze komorą wzorcową, a następnie komorą wzorcowaną. Środki czynne komór muszą być umieszczone w tym samym, dowolnie wybranym, ustalonym punkcie pomiarowym. W czasie wzorcowania wyznacza się współczynniki wzorcowania k, zależne od energii fotonów emitowanych przez nuklidy 137 Cs lub 60 Co stosując poniższy wzór [15]: (4) k K M 0 k D gdzie: K poprawna wartość mocy kermy w powietrzu, M wartość zmierzona przez dawkomierz wzorcowany, k D współczynnik poprawkowy na warunki odniesienia. W ten sposób porównując wskazania wzorca pierwotnego ze wskazaniami innego dawkomierza tworzymy wzorzec wtórny. Poprawną wartość mocy kermy w powietrzu uzyskujemy podczas wzorcowania przy użyciu wzorca wtórnego odczytując wartość prądu jonizacyjnego i podstawiając ją do wzoru [15]: K I k k (5) D gdzie: I zmierzony prąd jonizacyjny, k współczynnik wzorcowania zależny od energii fotonów, k D współczynnik poprawkowy na warunki odniesienia. Wzorzec wtórny służy do wzorcowania dawkomierzy roboczych i użytkowych. Rys. 1. Przekrój grafitowej komory jonizacyjnej OMH typ ND1005/A Wyniki pomiarów korygowane są do warunków odniesienia, gdyż w przypadku komory jonizacyjnej substancją napromieniowywaną jest powietrze zawarte wewnątrz komory. Znając objętość pomiarową komory jonizacyjnej i gęstość powietrza można obliczyć jego masę. Powietrze może swobodnie przepływać do jak i z komory Budowa stanowiska pomiarowego Stanowisko wzorcowe służy do owarzania i przekazywania jednostki kermy i mocy kermy w powietrzu w polu promieniowania gamma w zakresie energii fotonów od 600 kev do 3 MeV. W zakresie tych energii wzorcem pierwotnym jednostki kermy i mocy kermy w powietrzu jest komora jonizacyjna ze ściankami grafitowymi o zmiennej grubości produkcji OMH typ ND1005/A. W skład stanowiska pomiarowego (wzorcowego) wchodzi komora jonizacyjna połączona ze źródłem napięcia polaryzacji (napięcie polaryzacji +250 V) oraz układem do pomiarów ładunków i prądów jonizacyjnych [15]. Uzupełnieniem są przyrządy pomiarowe służce do pomiaru temperatury (dwa termometry cyfrowe Elmetron PT401), ciśnienia (barometr cyfrowy Vaisala PTB220) i wilgotności powietrza (termohigrometr cyfrowy LB700). 254 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 87 NR 4/2011
Rys. 2. Zdjęcie komory jonizacyjnej OMH typ Nd1005/A z osprzętem dodatkowym Dynamiczna charakterystyka dawkomierza z komorą jonizacyjną Na charakterystykę przyrządu z komorą jonizacyjną w funkcji zmian prądu jonizacyjnego składają się pojemności i oporności komory jonizacyjnej oraz wejściowego obwodu elektrometru. Zależność między prądem I komory jonizacyjnej, a napięciem U na wejściu elektrometru ma postać, wg prawa Kirchhoffa [1,2]: du RC (6) U RI gdzie C to suma pojemności komory jonizacyjnej C c i pojemności elektrometru C e połączonych równolegle [1,2]: C C e C (7) c R to oporność wypadkowa oporności komory jonizacyjnej R c i oporności elektrometru R e połączonych równolegle wyrażona wzorem [1,2]: (8) Rc Re R R R c W przypadku nagłej zmiany wartości prądu jonizacyjnego od I 1 do I 2 przebieg napięcia U w czasie t będzie miał postać [1,2]: (9) e U RI R I I ) e 2 ( 1 2 Jak widać jest to przebieg wykładniczy ze stałą czasową układu RC. t RC Rys. 3. Zdjęcie komory wzorcowej OMH typ ND1005/A na stanowisku pomiarowym gamma. W tle widoczny zespół pojemników ze źródłami promieniowania gamma 137 Cs i 60 Co Rys. 5. Wykres napięcia na wejściu elektrometru w funkcji czasu po skokowej zmianie prądu Rys. 4. Schemat stanowiska pomiarowego (wzorcowego) Jako urządzenia pomocnicze służą źródła promieniotwórcze gamma zawierające nuklidy 137 Cs i 60 Co, umieszczone w pojemnikach transportowo roboczych z kolimatorami i przesłonami wiązek. Źródła te, jak i wszystkie inne, podlegają prawu połowicznego rozpadu. W celu utrzymania odpowiedniego poziomu aktywności promieniotwórczej, a co za tym idzie odpowiednich parametrów metrologicznych, należy dokonywać wymiany źródeł promieniowania: w przypadku 60 Co co 5 lat, a w przypadku 137 Cs co 30 lat. Pozostałe urządzenia pomocnicze to: ława pomiarowa z wyposażeniem i urządzenia optyczne służące do precyzyjnego ustawienia komory w wiązce promieniowania oraz zestaw telewizji przemysłowej. Szybkość odpowiedzi układu pomiarowego na nagłe zmiany prądu jonizacyjnego zależy od stałej czasowej obwodu wejściowego elektrometru. Można zmniejszyć pojemność wejściową przez wprowadzenie sprzężenia zwrotnego [1,2]. Podstawowym elementem każdego elektrometru cyfrowego jest wzmacniacz operacyjny, czyli różnicowy wzmacniacz prądu stałego o bardzo dużym wzmocnieniu i przeznaczeniu do pracy z zewnętrznym obwodem sprzężenia zwrotnego decydującym o głównych właściwościach całego układu. Jeżeli do wzmacniacza operacyjnego podłączony zostanie kondensator C w sprzężeniu zwrotnym to otrzymamy układ całkujący (rys. 6). Prąd wejściowy I przepływa przez kondensator C. Ponieważ wejście odwracające wzmacniacza operacyjnego jest punktem masy pozornej, napicie wyjściowe U out spełnia równanie: PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 87 NR 4/2011 255
(10) (11) lub U in I R du I C 1 (12) U out Uin const RC Sygnałem wejściowym układu może być prąd. W tym przypadku opornik R jest zbędny. out (13) i du C dq Ładunek Q zgromadzony na kondensatorze w czasie trwania pomiaru wyrażony jest wzorem [1,2]: (14) Q i Rys. 6. Wzmacniacz operacyjny w układzie całkującym Wejście wzmacniacza operacyjnego jest dopasowane pod względem oporu do układu wyjściowego detektora promieniowania (komory jonizacyjnej). Wyjście wzmacniacza jest dopasowane do dalszych układów przetwarzających informację analogową, np. przetworników analogowo cyfrowych. Wzmacniacz operacyjny elektrometru ma bardzo duży opór wejściowy przy małym oporze wyjścia. Pomiar małych prądów jonizacyjnych Jedną z metod pomiarów małych prądów jonizacyjnych jest metoda pomiaru zmiany napięcia U na stałej pojemności C w jednostce czasu t. Elektrometr ustawiony jest w trybie pomiaru napięcia, zaś kondensator o stałej i znanej pojemności C jest włączony w układ pomiarowy w sprzężeniu zwrotnym (rys. 7) [1]. Dzięki temu wartość prądu mierzonego nie zależy np. od długości kabla pomiarowego. Należy w wyniku końcowym uwzględnić upływ prądu przez izolację komory, między okładkami kondensatora, izolację elektrometru i kabli pomiarowych (przy dużych prądach i dużej oporności elektrometru możliwy do zaniedbania) [1]. Rys. 8. Zmiana napięcia w czasie wskazywana przez elektrometr w trakcie pomiaru prądu jonizacyjnego metodą pomiaru zmiany napięcia na stałej oporności w jednostce czasu [1] Napięcie U na kondensatorze jest wynikiem różnicy potencjałów między okładkami kondensatora. Średni prąd jonizacyjny I jest obliczany jako iloczyn stałej pojemności C i napięcia U zmierzonego przez elektrometr na kondensatorze w czasie pomiaru t [1,2]: (15) U I C t Q t Jeżeli pomiar był wykonywany w innej temperaturze niż 23 C wówczas należy uwzględnić zmianę pojemności C w temperaturze według wzoru: (16) (1 ( )) C C c 0 k T gdzie: C 0 pojemność kondensatora C w temperaturze 23 C, k C temperaturowy współczynnik pojemnościowy. Układ do pomiarów małych prądów jonizacyjnych Na rynku dostępnych jest wiele elektrometrów wyposażonych w zasilacze wysokiego napięcia sprzedawanych z kompletem komór jonizacyjnych. Doskonale spełniają rolę dawkomierzy użytkowych zarówno w ochronie radiologicznej i radioterapii. Dokonują pomiarów wielkości dozymetrycznych z względną niepewnością złożoną na poziomie 1%, zaś wielkości elektrycznych jak ładunek czy prąd na poziomie 0,5%. Parametry te są jednak niewystarczające w przypadku owarzania jednostki kermy i jednostki mocy kermy w powietrzu. Tabela 1. Zestawienie laboratoriów i względnych niepewności standardowych przez nie uzyskiwanych w pomiarach prądów jonizacyjnych nieskorygowanych na poziomie 10-12 A [4-14] Rys. 7. Schemat układu do pomiarów prądów jonizacyjnych metodą pomiaru zmiany napięcia na stałej pojemności w jednostce czasu [1] Prąd i z komory jonizacyjnej ładuje jedną z okładek kondensatora ładunkiem dq w czasie [1,2]: Laboratorium Niepewność BIPM 0,01% PTB 0,028% ENEA-INMRI 0,032% LNMRI\IRD 0,055% OMH 0,051% NMIJ 0,022% LNE-LNHB 0,02% SMMMU 0,045% NCM 0,041% SZMDM 0,041% 256 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 87 NR 4/2011
Do chwili obecnej w Głównym Urzędzie Miar w Warszawie na stanowisku wzorcowym (Rys. 4) dokonuje się pomiarów małych prądów jonizacyjnych rzędu 10-12 A ze względną niepewnością standardową 0,03% i względną niepewnością złożoną 0,07% stosując metodę kompensacji Townsenda [1,2]. Na stanowisku wzorcowym laboratorium owarza jednostkę mocy kermy w powietrzu ze względną niepewnością złożoną: 0,24% w polu promieniowania gamma nuklidu 60 Co i 0,29% w polu promieniowania gamma nuklidu 137 Cs [15]. Metoda kompensacji Townsenda posiada istotną wadę polegającą na konieczności ręcznej kompensacji napięcia w trakcie pomiaru a obecnie produkowane elektrometry nakładają dodatkowe ograniczenia dla jej stosowania [1,2]. Metoda pomiaru zmiany napięcia na stałej pojemności w jednostce czasu jest obecnie powszechnie wykorzystywana [3] i zastąpiła metodę kompensacji Townsenda [1,2] w dokładnych pomiarach małych prądów jonizacyjnych przy owarzaniu jednostki kermy i jednostki mocy kermy w powietrzu. Systemy pomiarowe oparte na tej metodzie z wykorzystaniem elektrometrów cyfrowych posiadają parametry metrologiczne porównywalne z systemami pomiarowymi opartymi na metodzie kompensacji Townsenda (Tabela 1). Ponao pozwalają na pełną automatyzacje procesu pomiarowego. Na podstawie prac [1,2,3] podjęto w Głównym Urzędzie Miar w Warszawie prace związane z automatyzacją stanowiska wzorcowego do owarzania i przekazywania jednostki kermy i jednostki mocy kermy w powietrzu w polu promieniowania gamma. Ich przedmiotem była wymiana systemu pomiarowego, opartego na metodzie kompensacji Townsenda, na system pomiarowy oparty na metodzie pomiaru zmiany napięcia na stałej pojemności w jednostce czasu. Prace rozpoczęto od znalezienia elektrometru pozwalającego na pracę w układzie sprzężenia zwrotnego. Przedstawiony w pracy [3] układ oparty jest na elektrometrze firmy Keithley typ 642 obecnie nie produkowanym. Elektrometry do zastosowań dozymetrycznych nie dają możliwości podłączenia elementów zewnętrznych w sprzężeniu zwrotnym. Na rynku istnieje rodzina elektrometrów firmy Keithley 65xx, w których możliwe jest zewnętrzne podłączenie elementów w sprzężeniu zwrotnym. Elektrometr Keithley typ 6517A posiada dodatkowo wbudowane stabilne źródło napięciowe w zakresie 1000 V o płynnej regulacji, które zostało wykorzystane jako źródło napięcia polaryzacji komory jonizacyjnej OMH typ ND10015/A o polaryzacji +250 V. Oporność wejściowa elektrometru powyżej 200 T. Niepewność pomiaru napięcia na zakresie 2 V dla wartości 1,00000 V wynosi 0,00005 V. Jako dawkownik czasu posłużył sekundomierz elektroniczny stanowiący integralną część elektrometru mierzący przedział czasu 100,000 s z niepewnością standardową 0,015 s. Do pomiarów został wykorzystany kondensator wzorcowy styrofleksowy produkcji GUM o pojemności C = (165,77 0,01) pf. W skład systemu pomiarowego oprócz elektrometru i komory jonizacyjnej weszły urządzenia przedstawione we wcześniejszej części artykułu Budowa stanowiska pomiarowego. Wszystkie urządzenia pomiarowe wyposażone są w port do transmisji szeregowej typu Rs232C. Elektrometr wyposażony jest dodatkowo w port do transmisji równoległej IEEE 488. Algorytm opracowany dla nowo powstającego systemu pomiarowego nie wymagał dużej szybkości transmisji danych, zatem dostępne interfejsy jak i nieduże wymagania odnośnie szybkości transmisji zadecydowały o wyborze systemu pomiarowego z interfejsem szeregowym. Jako kontroler systemu wykorzystany został komputer osobisty typu laptop, z zainstalowanym systemem operacyjnym Windows XP, wyposażony w jeden port RS232C i dwie karty PCMCIA 2xRS232C. Rys 9. Schemat układu do pomiarów małych prądów jonizacyjnych metodą pomiaru zmiany napięcia na stałej pojemności w jednostce czasu oparty na elektrometrze Keithley typ 6517A Barometr i termometr służą do wyznaczania współczynnika k D. Do systemu pomiarowego dodano jeszcze jeden termometr takiego samego typu służący do kontroli temperatury kondensatora wzorcowego C w celu ewentualnej korekcji wartości pojemności według wzoru (16). Do sterowania systemem pomiarowym, akwizycji danych i ich obróbki stworzono w środowisku Borland C++ Builder 2006 program komputerowy o nazwie K6517C. Program po uruchomieniu pobiera od operatora dane niezbędne do właściwej pracy jak: - dane konfiguracyjne urządzeń w systemie pomiarowym (np. numery portów, prędkości transmisji), - dane dla ustawień elektrometru (np. wartość napięcia polaryzacji, zakres pomiarowy), - dane do obliczeń (np. pojemności kondensatora wzorcowego, wartości niepewności), - dane o ilości pomiarów i odstępie czasu między nimi, - informacje dodatkowe komentarze. Rys. 10. Okno programu K6517C do wprowadzania danych Następnie na podstawie wprowadzonych danych program dokonuje ustawień poszczególnych urządzeń w systemie i włącza napięcie polaryzacji komory jonizacyjnej. Zostaje otwarta przesłona źródła promieniowania przez operatora. Komora jonizacyjna jest poddana działaniu promieniowania gamma. Po czasie minimum jednej godziny (czas stabilizacji komory jonizacyjnej i wygrzewania elektrometru) zostaje rozpoczęta pierwsza seria pomiarowa według algorytmu (rys. 11). PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 87 NR 4/2011 257
poprawna mocy kermy w powietrzu wraz z niepewnością standardowa. Program przechodzi do wykonania następnej serii pomiarowej. Rys. 11. Schemat algorytmu wykonania pojedynczej serii pomiarowej w programie K6517C Badanie systemu pomiarowego Istotnymi elementami, na które należy zwrócić uwagę w dokładnych pomiarach prądów jonizacyjnych są: czas wygrzewania elektrometru, czas naświetlania komory jonizacyjnej oraz bieg własny dawkomierza. Czas wygrzewania elektrometru (czas od momentu włączenia) oraz czas naświetlania komory jonizacyjnej (czas od poddania komory działaniu promieniowania) są proste do ustalenia i zwykle wynoszą około jednej godziny. Przy pomiarach o bardzo dużej dokładności należy wydłużyć czas wygrzewania elektrometru nawet do jednej doby. Można dzięki temu uzyskać większą powtarzalność pomiarów i mniejsze różnice w stosunku do wartości mierzonej. Po włączeniu dawkomierza i wygrzaniu dokonuje się sprawdzenia biegu własnego (głównie prądu upływu) bez obecności promieniowania. Jeżeli prąd upływu przekracza 0,1% wartości prądu jonizacyjnego dawkomierza w obecności promieniowania, uwzględniamy go w obliczeniach wskazania dawkomierza. Wartość średnia ze wszystkich pomiarów biegu własnego I b = 0,000632 pa. Kolejnym elementem badania dawkomierza było określenie powtarzalności pomiaru. W tym celu wykonano 15 serii pomiarowych po 10 pomiarów w jednej serii. Bieg własny został zmierzony przed pomiarami i po ich zakończeniu. W obliczeniach uwzględniono wartość średnią biegu własnego I b = 0,000742 pa. Źródłem prądu był układ: komora jonizacyjna OMH typ ND10015/A naświetlana promieniowaniem gamma ustawiona w odległości 1 m od pojemnika roboczego z kolimatorem, w którym znajdował się izotop Cs-137. Układem odniesienia był system pomiarowy dotychczas stosowany w GUM oparty na metodzie kompensacji Townsenda [1,2]. Za wartość odniesienia przyjęto wartość średnią z 15 serii pomiarowych po 10 pomiarów każda wykonanych na przełomie 5 lat w ramach kontroli stabilności wzorca (wyniki przeliczono zgodnie z prawem rozpadu). Rys. 12. Okno programu K6517C z wynikami pomiarów Program załącza elektrometr do pomiaru napięcia na kondensatorze wzorcowym podłączonym do sytemu w sprzężeniu zwrotnym. Po zadanym czasie t1 następuje odczyt wartości napięcia U1. Następnie po czasie t2 następuje odczyt wartości napięcia U2. Na podstawie tych dwóch pomiarów obliczane są: napięcie U = U2 U1 oraz czas t = t2 t1. Program odczytuje wartości temperatury i ciśnienia. Na podstawie tych danych i wzorów wyżej przedstawionych program oblicza wartość pojemności C w danej temperaturze, wartość współczynnika k D i wartość prądu jonizacyjnego I. Program przechodzi do następnego pomiaru, aż do momentu kiedy liczba pomiarów osiągnie ilość zadaną przez operatora (zalecane od 10 do 30 pomiarów w serii). Po zakończeniu serii pomiarowej obliczane są przez program wartości średnie zmierzonych wielkości fizycznych (napięcia, czasu, temperatury, ciśnienia, prądu jonizacyjnego) oraz ich odchylenia standardowe i niepewności standardowe. Na podstawie wyliczonych wartości średnich liczona jest wartość Rys. 13. Wyniki pomiarów z jednej serii pomiarowej uzyskane za pośrednictwem systemu pomiarowego opartego na elektrometrze Keithley typ 6517A w odniesieniu do wartości średniej prądu skorygowanego otrzymanego z 15 serii pomiarowych wykonanych na dotychczasowym układzie opartym na kompensacji Townsenda na przełomie 5 lat W trakcie pomiarów została również określona liniowość zakresów badanego systemu pomiarowego. W tym celu warunki radiacyjne były tak dobierane aby wartość mocy kermy w powietrzu spadała o połowę wartości aktualnie wskazywanej przez badany system pomiarowy (odsuwanie komory od źródła promieniowania). Badanie wykazało 258 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 87 NR 4/2011
prawie idealną liniowość badanego systemu pomiarowego (wartość R 2 = 0,99997). Podsumowanie Przedstawiony w artykule system pomiarowy oparty na metodzie pomiaru zmiany napięcia na stałej pojemności w jednostce czasu okazał się doskonałym zamiennikiem stosowanej do tej pory metody kompensacji Townsenda. Osiągnięto to dzięki zastosowaniu elementów o wysokich parametrach metrologicznych. W trakcie badań systemu pomiarowego uzyskano pomiar prądu skorygowanego I s = (3,25947 0,00193) pa co daje względną niepewność złożoną 0,0592%. Względna niepewność standardowa wynosi 0,00497%. Ponao system pomiarowy wykazuje się doskonałą liniowością zakresów i małą wartością biegu własnego. Zastosowanie lepszych kondensatorów w istotny sposób może zmniejszyć względną niepewność złożoną o 75%. Rozważana jest również zmiana sposobu pomiaru czasu. Polegać ma ona na dodaniu do układu częstościomierza, pracującego w trybie pomiaru interwału, taktowanego zewnętrznym wzorcowym generatorem. W chwili obecnej zautomatyzowany został również proces pomiaru dawkomierzami wzorcowanymi dzięki napisanym w Głównym Urzędzie Miar dwóm programom komputerowym: UNIDOS i RS232Terminal. Po za dokonaną automatyzacją procesu pomiarowego planowana jest również w najbliższej przyszłości automatyzacja ustawiania komory jonizacyjnej w polu promieniowania, zarówno komory wzorcowej jak i komory dawkomierza wzorowanego. Zastosowanie takiego systemu zwiększy dokładność ustawiania komór w punkcie pomiarowym a także przyspieszy sam proces wzorcowania dawkomierzy ochrony radiologicznej i dawkomierzy terapeutycznych z komorami jonizacyjnymi w polu promieniowania gamma. LITERATURA [1] K n yz i a k A.B., Porównanie metod pomiarów małych prądów jonizacyjnych, Przegląd Elektrotechniczny, (2009), nr.10, 177-181 [2] K n yz i ak A. B., Metody pomiarów małych prądów jonizacyjnych rzędu 10-15 A, Przegląd Elektrotechniczny, (2009), nr.2, 56-58 [3] Douysset G., Gouriou J., Delaunay F., Dose metrology for high dose rate brachytherapy: from the definition of the national standard towards transfer to users, Revue Francaise de Metrologie, (2007), Nr.10, 3-10 [4] Allisy-Roberts P.J., Burns D.T., Kessler C., Measuring conditions used for the calibration of ionization chambers at the BIPM, Rapport BIPM-2007/06 [5] Allisy-Roberts P.J., Burns D.T., Büermann L., K r a m e r H. -M., Comparison of the standards for air kerma of the PTB and the BIPM for 60 Co and 137 Cs gamma radiation, Rapport BIPM-2005/10 [6] Allisy-Roberts P.J., Burns D.T., Kessler C., Laitano R.F., Bovi M., Pimpinella M., Toni M.P., Comparison of the standards for air kerma of the ENEA-INMRI and the BIPM for 60 Co gamma rays, Rapport BIPM-2005/09 [7] Allisy-Roberts P.J., Kessler C., Mello da Silva C. N., Comparison of the standards for air kerma of the LNMRI/IRD and the BIPM for 60 Co gamma rays, Rapport BIPM- 2005/01 [8] Kessler C., Roger P., Burns D.T., Allisy P.J., M a c h ula G., C s e t e I., R abus H., Comparison of the standards for air kerma of the OMH and the BIPM for 60 Co gamma radiation, Rapport BIPM-2006/07 [9] Allisy-Roberts P.J., Burns D.T., Takata N., K o ya m a Y., K u r o sawa T., Comparison of the standards for air kerma of the NMIJ and the BIPM for 60 Co gamma rays, Rapport BIPM-2004/11 [10] Allisy P.J., Kessler C., Burns D.T., Delaunay F., L e r o y E., Comparison of the standards for air kerma of the LNE-LNHB and the BIPM for 60 Co gamma radiation, Rapport BIPM-2006/02 [11] Allisy P.J., Kessler C., Burns D.T., Delaunay F., L e r o y E., Comparison of the standards for air kerma of the LNE-LNHB and the BIPM for 60 Co gamma radiation, Rapport BIPM-2006/02 [12] Allisy-Roberts P.J., Burns D.T., Gabris F., Dobrovodský J., Comparison of the standards of air kerma of the SMU Slovakia and the BIPM for 60 Co gamma rays, Rapport BIPM-2002/04 [13] Allisy-Roberts P.J., Burns D.T., Kessler C., I v a nov R.N., Comparison of the standards of air kerma of the NCM Bulgaria and the BIPM for 60 Co gamma rays, Rapport BIPM-2002/03 [14] Allisy-Roberts P.J., Burns D.T., Kessler C., S p a sic-jokic V., Comparison of the standards of air kerma of the SZMDM Yugoslavia and the BIPM for 60 Co gamma rays, Rapport BIPM-2002/01 [15] Kaczorowska E., Derlaciński M., Knyziak A.B., Owarzanie i przekazywanie jednostki mocy kermy w powietrzu dla promieniowania gamma, Metrologia Biuletyn Głównego Urzędu Miar, (2009), nr.3, 17-25 Autor: mgr Adrian Bożydar Knyziak, Główny Urząd Miar, Zakład Promieniowania i Wielkości Wpływających, ul. Elektoralna 2, 00-139 Warszawa, E-mail: radiologia@gum.gov.pl PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 87 NR 4/2011 259