Radiološki detektor DR-M3

Danas je nabavljen vojni radiološki detektor DR-M3 proizvođača “Rudi Čajavec” iz 1970-tih godina. Radi se o kompaktnom prijenosnom uređaju za detekciju radioaktivnog gama i beta zračenja i za mjerenje jačine ekspozicijske doze gama zračenja.

Gornja oznaka od četiri znamenke označava mjesec i godinu proizvodnje (npr. 0572 označava svibanj 1972. godine), a donja oznaka od pet znamenki je serijski broj uređaja. Moglo bi se zaključiti da se godišnje prosječno proizvodilo oko 2000 primjeraka radiološkog detektora DR-M3, a proizvodnja je trajala oko 15 godina.

Banjalučko poduzeće Rudi Čajevec osnovano je 1950. godine, a ugašeno je u procesima privatizacije započetima krajem 1990-tih godina. Proizvodni program poduzeća uključivao je komercijalne audio-video uređaje (radio aparate, televizore, audio pojačala, audio uređaje za vozila, zvučnike), profesionalnu audio-video opremu (režijski pultovi, video nadzorni sustavi, razglasi, policijski radari, aparati za zabavu) te vojna elektronička sredstva (sredstva veze, radari, radiološki detektori, elektronika za tenkove, raketne bacače i slično). Tvrtka je na vrhuncu poslovanja imala značaj udio u izvozu i zapošljavala je preko deset tisuća radnika.

Zaboravljene baterije česti su uzrok korozije i nagrizanja baterijskih kontakata. Žuti križ na donjoj strani kućišta nije oznaka polariteta baterija, već je to oznaka pozicije otvora ionizacijske komore smještene unutar kućišta. Na taj način se može izvršiti točna kalibracija komore vanjskim izvorom gama zračenja.

Uz radiološki detektor DR-M3 dobiva se naponski adapter za vanjsko napajanje uređaja i slušalice za slušnu detekciju izboja GM brojača.

Radiološki detektor DR-M3 moguće je, osim baterijama, napajati i vanjskim (akumulatorskim) izvorom istosmjernog napona 12 ili 24 V. Redukcija ovih napona na nominalni od 3 V vrši se serijskim spajanjem paralelne kobinacije od dvije ili četiri žaruljice 26 V / 0,15 A.

Kontrolni radioaktivni izvor koristi se za baždarenje GM brojača (mR/h ili µGy/h mjerno područje) i sadrži radioaktivni izotop stroncij-itrij 90 koji zrači beta čestice. Kada se sonda sa otvorenim prozorom prisloni na radioaktivni izvor kazaljka treba zauzeti poziciju označenu na skali sa KAL.

Kod starijih serija radiološkog detektora DR-M3 (proizvedeni od 1972 do 1983. godine) kao mjerna jedinica koristi se rendgen (R) dok se kod novijih serija (od 1984. godine) koristi mjerna jedinica grej (Gy). Tako je ukupni mjerni opseg radioloških detektora DR-M3 je od 0,05 mR/h do 500 R/h (rendgen/sat), odnosno od 0,5 µGy/h do 500 cGy/h (centigrej/sat), a isti je podijeljen u dva opsega:

• Za niži mjerni opseg od 0,05 do 500 mR/h ili 0,5 do 5000 µGy/h kao senzor se koristi Geiger-Mullerova (GM) cijev/ brojač smještena u posebnoj ručici koja je kablom spojena sa tijelom detektora i na ovom opsegu se mjere male ekspozicijske doze gama i beta zračenja. Moguća je detekcija i ekspozicija manjih od 0,05 mR/h i to preko osluškivanja karakterističnog pucketanja u slušalicama.
• Za viši mjerni opseg od 0,05 do 500 R/h ili od 0,05 do 500 cGy/h kao senzor se koristi ionizacijska komora smještena unutar samog tijela detektora.

Rendgen (R) je stara mjerna jedinica za ekspoziciju (količinu ionizacije) izvan SI sustava, a SI mjerna jedinica je Kulon po kilogramu (C/kg), gdje vrijedi omjer 1 C/kg = 3867 R. Grej (Gy)pak je SI mjerna jedinica za apsorbiranu dozu zračenja, a stara mjerna jedinica se zvala Rad (Radiation Absorbed Dose), te tu vrijedi omjer 1 Gy = 100 rad. Stare mjerne jedinice za ekspoziciju (rendgen) i apsorbiranu dozu zračenja (rad) bile odabrane tako da su brojčani iznosi apsorbirane doze u vodi (a tako i u ljudskom tijelu) i ekspozicije bili podjednaki. Tako ekspozicija od 1 R uzrokuje u ljudskom tijelu dozu 0,98 rad, dakle isto približno 1 rad. Obje jedinice su se stoga često i miješale u primjeni i označavanju (R ili r).

Kad se sve ovo uzme u obzir vrijedio bi omjer 1 Rendgen = 1000 mR = 0,877 cGY (centigrej) = 8770 µGy. Vidimo da su R i cGy približno iste veličine (1:1,14) pa su na radiološkim detektorima DR-M3 zadržane iste skale za oba ova područja, no omjer mR prema µGy je 1:8,77 pa zato skala za mR ima opseg 0,05-500, a skala za µGy ima opseg 0,5 – 5000.

Biološka šteta uzrokovana ionizirajućim zračenjem ne ovisi samo o jačini ekspozicije i apsorbiranoj dozi nego i o vrsti zračenja. Stoga je uveden pojam ekvivalentna doza, a to je umnožak apsorbirane doze i faktora biološkog učinka određene vrste radioaktivnog zračenja (može biti od 1 do 20). Mjerna jedinica za ekvivalentnu dozu je sivert (Sv) (stara jedinica zvala se rem) i tako korigirana mjera je pravi pokazatelj učinka određenog zračenja na određenu tvar.

Sa aspekta mjernih jedinica Rendgen (R) i Grej (Gy), kako su baždareni radiološki detektori DR-M3, najveća ukupna dozvoljena kontaminacija ljudskog tijela (na cijeloj površini kože) ne smije preći vrijednost od 15 mR/h (131,5 µGy/h), odnosno ako je izloženo samo lice, vrat i dlanovi (otvoreni dijelovi tijela do 10% površine) onda kontaminacija istih ne smije biti veća od 4,5 mR/h (39,46 µGy/h). Voda za piće ne smije biti kontaminirana više od 0,4 mR/h (3,5 µGy/h) po 1,5 litri, no ni takva se ne smije piti više od 30 dana.

Isto tako, izložen prirodnoj radioaktivnosti, čovjek godišnje primi dozu od oko 1 mSv. Najmanja kratkoročno primljena ekvivalentna doza koja može izazvati vidljive neposredne posljedice (privremenu promjenu krvne slike i mučninu) iznosi približno 500 mSv. Doza od 4 Sv smrtonosna je za 50 % ozračenih. Za čovjeka je smrtonosna ekvivalentna doza od oko 10 Sv primljena kratkoročno po cijelom tijelu.

Anodni otpornici i pojačalo impulsa za slušalice smješteni su unutar ručke GM brojača.

GM cijev Philips 18504 (slike gore) ugrađivana je u većinu serija radiološkog detektora DR-M3. U nove serije uređaja proizvedene od 1984. godine ugrađena je GM cijev oznake Philips ZP 1400 (slika dolje), no obje navedene GM cijevi imaju gotovo identične karakteristike.

Otvoreni i zatvoreni otvor (prozor) GM cijevi. Zatvoreni prozor GM cijevi sprječava ulazak beta zračenja, no gama zrake nesmetano prolaze preko njega. U tom položaju mjeri se ekspozicija gama zračenja. Otvoreni prozor GM cijevi omogućava ulazak gama i beta zračenju. Ukoliko želimo mjeriti samo ekspoziciju beta zraka, onda se prvo vrši mjerenje beta i gama zraka sa otvorenim prozorom, zatim mjerenje samo gama zraka sa zatvorenim prozorom, a onda se prvi rezultat jednostavno oduzme od drugoga.

Već smo naveli da radiološki detektor DR-M3 ima dva senzora radioaktivnog zračenja: Geiger-Mullerov brojač i ionizacijsku komoru. Iako oba senzora spadaju u tzv. plinske detektore ionizirajućeg zračenja međusobno se razlikuju po građi, principu rada i svojstvima.

Geiger –Müllerova (GM) cijev se sastoji od metalne ili metalizirane komore obično u obliku cijevi i ona kao takva čini jednu elektrodu (katodu). U središte komore smještena je metalna žica koja predstavlja drugu elektrodu (anodu). Komora je obično ispunjena nekim inertnim plinom na niskom tlaku. Na elektrode GM cijevi dovodi se napon od nekoliko stotina volti, najčešće 400 do 600 V. Katoda ili komora mora biti izrađena od materijala male gustoće kako bi čestice mogle proći kroz njega u unutrašnjost komore. Vrsta i gustoća materijala od kojeg je načinjena komora (ili otvor komore) određuje za koje vrste čestica je cijev dizajnirana. Čestice ionizirajućeg zračenja koje uđu u komoru ioniziraju molekule plina u njoj te nastaju pozitivni i negativni ionski parovi. S obzirom da je između elektroda visok napon pozitivni ioni se ubrzavaju prema katodi, a negativni ioni (elektroni) prema anodi. Time se kratko zatvara strujni krug i na otporniku u vanjskom dijelu kruga nastaje naponski impuls koji se dalje električki obrađuje za željeni prikaz. Ovdje je važno napomenuti da u GM cijevi osim primarnih ionskih parova koji nastaju ionizacijom uslijed djelovanja ionizirajućeg zračenja, također nastaje i dio ionskih parova uslijed sekundarne ionizacije koju izazivaju već stvoreni elektroni ubrzani visokim naponom i time sa dovoljnom energijom za stvaranje sekundarne ionizacije u blizini anode (elektronska lavina). Zbog ove pojave “višestruke ionizacije” GM brojači mogu detektirati ionizirajuća zračenja relativno malih energija, no njima se onda zapravo ne mjeri točna količina ekspozicija već samo učestalost ionizacija.

Ionizirajuća komora je po građi elektroda vrlo slična GM cijevi, no komora je ovdje obično ispunjena običnim zrakom na atmosferskom tlaku. Elektrode ionizacijske komore nalaze se na puno manjem potencijalu nego je to kod GM cijevi, odnosno on mora samo toliko velik da razdvoji pozitivne i negativne ione i privuče ih na elektrode ali nikako ne i prevelik kako ne bi izazvao preveliko ubrzanje elektrona koji bi time dobili sposobnost stvaranja sekundarne ionizacije, kao što je to slučaj kod GM cijevi. Time je veličina električnog impulsa u ionizacijskoj komori proporcionalna broju ionskih parova nastalih isključivo uslijed energije upadnih čestica, pa je ionizacijska komora stoga pogodna za isključivo i time točno mjerenje brzine ekspozicijske doze ionizirajućeg zračenja u određenom trenutku.

Kada se sve zbroji vidimo da je glavna prednost GM brojača mogućnost detekcije vrlo malih količina zračenja, dok je glavna prednost ionizacijskih komora preciznost u mjerenju energije samog zračenja. To je razlog zašto su u radiološki detektor DR-M3 ugrađene ove obje plinske detektorske komore i zašto je u uputama za uređaj opisno navedeno da je namijenjen “za otkrivanje radioaktivnog gama i beta zračenja (pomoću GM brojača) i za mjerenje jačine ekspozicijske doze gama zračenja (pomoću ionizacijske komore). Gama zračenje inače spada u najprodorniju vrstu ionizirajućeg zračenja vrlo visoke energije (neke gama zrake mogu proći kroz olovnu ploču debljine 20 cm ili čeličnu ploču debljine 30 cm) pa ionizirajuća komora može bez problema biti smještena u kućište detektora. Mjerenje gama zračenja sa GM brojačem vrši se sa pokrivenim otvorom GM cijevi kako bi se blokiralo beta zračenje, a propustilo samo gama zračenje. U suprotnom se mjeri zajedno i gama i beta zračenje.

Desno se ističe olovno kućište ionizacijske komore. Jedino gornja strana nije olovna već od lima propusnog za gama zračenje. S te strane gama zrake ulaze u ionizacijsku komoru.

U radiološke detektore DR-M3 starije serije ugrađivana je Philipsova GM cijev oznake 18504, a u novije serije Philipsova GM cijev oznake ZP 1400. Obje ove GM cijevi imaju gotovo identične karakteristike. Radi se o GM tipu cijevi s otvorom (prozorom) na jednom svom kraju i iste su namijenjene za detekciju gama i beta zračenja, no uz određene uvjete moguća je i detekcija alfa te neutronskog zračenja. Izvukli smo neke zajedničke tehničke karakteristike za obje GM cijevi:

• gustoća stjenke otvora cijevi – 2 do 3 mg/cm²
• promjer otvora cijevi – 9 mm
• materijal od kojeg je napravljen otvor cijevi – tinjac (liskun)
• gustoća stjenke komore (katode) – 250 mg/cm²
• efektivna dužina komore (katode) – 40 mm
• materijal od kojeg je napravljena komora (katoda) – 28% krom, 72% željezo
• plin kojim je ispunjena komora – mješavina neona, argona i halogena
• kapacitet između anode i katode – 2 pF
• anodni otpornik – 10 MΩ
• početni napon (prag) – max 325 V
• napon platoa (radni napon) – 375 do 600 V
• maksimalni dozvoljeni anodni napon – 600 V
• porast brzine brojanja na naponu platoa – 0,02 %/V
• mrtvo vrijeme – max 100 µs
• očekivani životni vijek cijevi – 5 x 10¹⁰ impulsa (brojanja)
• temperaturno područje rada: -55 do +75°C

Prvih sedam stavki opisuje fizikalna svojstva GM cijevi i o njima ovisi osjetljivost GM cijevi na pojedine vrste zračenja, kako smo već naveli u opisu principa rada GM brojača.

Veličina anodnog otpornika je važna stavka za ispravan rad GM cijevi jer on određuje napon između elektroda cijevi. Ako je napon premali neće doći do ionizacije ili će ona biti veoma mala, a ukoliko je napon prevelik tada može doći do neprekidne (stalne) sekundarne lavinske ionizacije unutar cijevi te mjerenje neće biti moguće. Stoga imamo podatke o početnom naponu (prag) na kojem možemo očekivati pojavu prvih izboja uslijed ionizacije plina unutar cijevi. Napon platoa ili radni napon je područje u kojem GM cijev ima uglavnom ustaljene izboje, odnosno porast broja izboja tek neznatno raste s povećanjem napona (0,02 % po voltu napona). U našem slučaju taj napon je u rasponu 375 do 600 V, dakle vidimo da se radi u širokom rasponu napona u kojem će GM cijev raditi ispravno. No ukoliko se napon od 600 V premaši može se očekivati pojavu neprekidnog izboja zbog kojeg mjerenje više nije moguće, a osim toga kod toga se i vrlo brzo troši životni vijek GM cijevi. Sve ovo lijepo se vidi na dijagramu naše GM cijevi koji prikazuje odnos porasta broja izboja prema porastu anodnog napona na GM cijevi.

Preostao je pojam “mrtvo vrijeme”. To je vrijeme za koje brojač ne može registrirati mrtvu česticu. Naime, kada ionizirajuća čestica prođe kroz GM cijev nastaje lavina negativnog naboja (elektrona) i oblak pozitivnog naboja (iona) oko anode koji relativno sporo putuju prema katodi. Tak oblak iona oko anode smanjuje jakost električnog polja i ono nije dovoljno jako da dođe do sekundarne ionizacije. Ako bi unutar tog vremena kroz GM cijev prošla neka ionizirajuća čestica, brojač je ne bi registrirao i to vrijeme se zove mrtvo vrijeme. Kako se oblak iona udaljava od anode tako električno polje ponovno počinje rasti i brojač počinje ponovno registrirati čestice, sa sve većim i većim impulsom dok u konačni ne dosegne nazivnu vrijednost. To vrijeme u kojem brojač registrira čestice ali sa manjim impulsom naziva se vrijeme oporavka. Na grafičkom prikazu vidi se odnos anodnog napona prema vremenu oporavka.

Za radiološke detektore DR-M3 nismo nabavili nikakvu servisnu dokumentaciju ili električnu shemu, no u pravilu se radi vrlo jednostavnom elektroničkom sklopu koji se sastoji od DC/DC pretvarača za dobivanje anodnog napona GM cijevi i pojačala koja električne izboje pretvaraju u neki električni oblik pogodan za slušnu ili vizualnu detekciju.

Kao što smo već opisali, krug sa GM brojačem služi prvenstveno za detekciju niskih razina gama i beta zračenja. Strujni impulsi nastali ionizacijskim izbojima u GM cijevi vode se na pojačalo tih impulsa kako bi se isti mogli čuti u slušalicama (zvuk pucketanja). Na ovaj način mogu se detektirati vrlo male količine ionizirajućeg zračenja. Pojačalo impulsa ugrađeno je u ručicu zajedno sa samom GM cijevi (tri tranzistora).

Krug sa ionizacijskom komorom koristi se za mjerenje viših razina gama zračenja i ova detekcija je linearna, odnosno jačina struje na izlazu iz ionizacijske komore proporcionalna je jačini gama zračenja. Ionizacijska komora, pojačalo (elektronska cijev) i kalibracijski otpornik pojačala smješteni su u zajedničko olovno kućište.

Ionizacijska komora (metalni valjak sa kružnim otvorom), anodni otpornik i elektronska cijev za pojačalo smješteni su olovno kvadratno kućište kojem je samo gornja strana izrađena od lima propusnog za gama zračenje. Ovdje smo uklonili zalemljeni limeni poklopac olovnog kućišta kako bi se vidjela ionizacijska komora, kalibracijski otpornik i elektronska cijev u krugu pojačala. Kroz mali kružni otvor na vrhu ionizacijske komore ulazi gama zračenje, a ta pozicija je na donjoj strani kućišta radiološkog detektora DR-M3 označena žutim križem. 

Gore vidimo mehanizam sklopke za kalibraciju pojačala ionizacijske komore. Pritiskom na tipkalo KAL. isključuje se napajanje ionizacijske komore (13V) i preko kalibracijskog otpornika se dovodi kalibracijski napon (-3V) na ulaz (mrežicu) pojačavačke elektronske cijevi. Potenciometrom CAL. zatim se vrši električko podešavanje kazaljke instrumenta na poziciju skale 100 što znači da je rendgentsko područje električno podešeno kao pod uvjetima baždarenja sa kobaltom-60 sa jačinom ekspozicijske doze od 100 R/h.

Elektronske cijevi i otpornici za ionizacijske komore posebne su izvedbe i dizajnirani prvenstveno za uređaje za mjerenje radijacije i slične naprave. Pentoda u krugu pojačala je sub-minijaturnog tipa (po obliku i dimenzijama nešto veće od tinjalica), a mjerni otpornik je dizajniran da ima veliku točnost i stabilnost. Za što bolju točnost koriste se posebni premazi otpornog sloja, a za temperaturnu stabilnost se otpornici zatvaraju u staklene balone iz kojih je izvučen zrak.

DC/DC pretvarači napona za GM cijevi moraju pretvoriti niski baterijski napon u visoki anodni napon za GM cijev, no pri tome je dovoljna izlazna reda svega nekoliko µA. Stoga se najčešće koriste mala tranzistorska prekidačka napajanja ili naponski udvostručivači, a često i kombinacija ova dva načina kao što je slučaj i kod našeg uređaja. Izlazni napon prekidačkog DC/DC pretvarača sa transformatorom za GM cijev dodatno se udvostručuje poluvalnim naponskim udvostručivačem (dvije diode i dva kondenzatora). Ovakav udvostručivač napona ujedno služi i kao ispravljač izmjeničnog napona iz transformatora u istosmjerni za napajanje GM cijevi. Spomenuti transformator ima čak 14 izvoda. Dva namota sa središnjim izvodom su na primarnoj strani i na njima se pomoću tranzistora inducira impulsni napon koji se transformira na sekundarne namote. Na sekundarnoj strani imamo jedan namot za za visoki napon GM cijevi i jedan namot sa 4 izvoda sa kojih se preko ispravljačkih dioda dobivaju ostali naponi: 13 V za napajanje ionizacijske komore, tranzistorskog pojačala GM cijevi i za anodni napon cijevnog pojačala ionizacijske komore, zatim 1,5 V (1,2 V) za grijanje katode elektronske cijevi, te dva kalibracijska napona: -3 V za kalibraciju pojačala ionizacijske komore i 10 V za kalibraciju mjernog instrumenta.

Punovalni diodni ispravljač (Graetzov most) oznake Iskra 1B1BY 23 koji se ističe na pločici je ulazni (zaštitni) krug za akumulatorsko napajanje.

Elektroničke komponente smještene su na ukupno četiri tiskane pločice: prva je ugrađena u ručicu GM brojača i sadrži anodne otpornike i pojačalo impulsa za GM cijev, na drugoj pločici su sklopovi pretvarača napona, a na preostale dvije pločice nalaze se otpornički djelitelji napona (trimer-otpornici) za kalibraciju mjernih grana radiološkog detektora (pločica lijevo je za kalibraciju R/h – cGy/h mjerne grane, a pločica u sredini je za kalibraciju mR/h – µGy/h mjerne grane). Ionizacijska komora sa pripadajućim mjernim otpornikom i pojačalom smješteni su unutar zasebnog olovnog kućišta.

Za mjerenje napona na GM cijevima i ionizacijskim komorama potrebno je imati VN mjerni instrument vrlo velikog unutrašnjeg otpora (barem 10 MΩ) jer će svako veće opterećenje izazvati veliki pad napona izvora napajanja koje može isporučiti struju reda svega nekoliko µA i time mjerenje neće biti točno.

Testovi pomoću kontrolnog beta radioaktivnog izvora na bočnoj strani torbice za nošenje pokazali su da GM brojači naših radioloških detektora DR-M3 rade (pokazuju vrijednost oko 15 mR/h), a za testiranje ionizacijske komore potreban nam je neki izvor gama zračenja. Takav opasan izvor radijacije nemamo u blizini, što je možda šteta glede kompletnosti testiranja naših radioloških detektora ali je svakako gobro glede očuvanja vlastitog zdravlja, tako da ćemo se za gama mjerno područje zadovoljiti time da smo na svim uređajima mogli izvršiti ispravanu električku kalibraciju 🙂