Radiation Safety Instrument

RADIATION SAFETY
INSTRUMENTS
Pawitra Masa-ah

เนื่องจากหัววัดรังสีมีหลายชนิด ได้มีการออกแบบมาโดยมี
วัตถุประสงค์แตกต่างกัน ต่อไปนี้จะกล่าวถึงเครื่องมือตรวจวัดและสารวจ
รังสีแบบเคลื่อนที่ 3 แบบ
Dose-rate monitors and Survey meters.
 Gas-Filled Detectors
 Ionization chambers
 Proportional counter
 Geiger-Muller (GM) tubes

OUTLINE

Dose-rate monitors and Survey meters.
 Gas-Filled Detectors
 Ionization chambers
 Proportional counter
 Geiger-Muller (GM) tubes

Integrated dose indicators
 Thermoluminescence Dosimeter (TLD)
 Optically Stimulated Luminescence (OSL)

Gas-Filled Detector
เครื่องมือสารวจรังสีแบบเคลื่อนที่ ใช้หัววัดรังสีประเภทบรรจุก๊าซ หรือ เรียกว่า
Gas-filled Detector
หลักการวัดรังสีประเภทนี้ อาศัยหลักการที่ว่าเมื่อรังสีก่อไอออนทาอันตรกิริยากับ
แก๊สที่บรรจุอยู่ภายในหัววัด จะก่อให้เกิดคู่ของไอออน (Ion pairs) ภายในหัววัด คู่
ของไอออนที่เกิดจะถูกรวบรวมในรูปของกระแสไฟฟ้า (Current) หรือ
สัญญาณพัลส์ (Pulse) ถ้าสัญญาณที่เกิดมากหมายถึงมีความแรงรังสีมากสัญญาณ
เกิดน้อยหมายถึงมีความแรงรังสีน้อย

Gas-Filled Detector
เมื่ อ แก๊ ส ได้ รั บ รั ง สี จ ะเปลี่ ย นจากโมเลกุ ล ที่ เ ป็ น กลางทางไฟฟ้ า (Neutral
molecule) เป็นโมเลกุลที่มีประจุบวกและอิเล็กตรอนซึ่งมีประจุลบโดยภายใน
หัววัดจะมีขั้วบวกอยู่ตรงกลางทาด้วยขดลวดเล็ก ๆ และขั้วลบซึ่งเป็นโลหะ
ทรงกระบอก เมื่อให้ความต่างศักย์ที่ขั้วไฟฟ้า จะเกิดสนามไฟฟ้ามี
ทิศทางจากขั้วบวกไปยังขั้วลบ ประจุที่เกิดขึ้นเมื่อแก๊สได้รับรังสีก็จะวิ่งไปยังขั้ว
ตรงข้าม ทาให้เกิดเป็นกระแสไหลในวงจรที่ต่อครบ

Gas-Filled Detectors-Components
 Variable voltage source
 Gas-filled counting chamber
 Two coaxial electrodes well insulated from
each other
 Electron-pairs
 produced by radiation in fill gas
 move under influence of electric field
 produce measurable current on electrodes
 transformed into pulse

Gas-Filled Detectors
wall

fill gas
End Anode (+) Output
window
Or wall
Cathode (-) R or A

Gas-Filled Detector ที่มี
ความต่างศักย์ ต่าง ๆ กันไป
ก็จะเกิดเป็นเครื่องมือสารวจ
ต่างประเภทต่าง
วัตถุประสงค์การใช้งาน

I ; Ionization chamber region
P ; Proportional region
GM ; Geigur-Mueller region

Ionization Chamber
 ไอออนไนเซชัน แชมเบอร์ได้ถูกออกแบบมาเพื่อวัด Exposure rate ในหน่วย
mR/hr หรือ R/hr
 หัววัดจะเป็นรูปทรงกระบอกและมีการเติมอากาศ (Air) ไว้ภายใน เมื่อรังสีเกิด
อันตรกิริยากับอากาศที่อยู่ภายในหัววัดจะเกิดคู่ของไอออนขึ้นและคู่ของไอออนนี้
จะถูกเก็บสะสมและเกิดเป็นกระแสไฟฟ้าขึ้น ในขณะที่สนามไฟฟ้าไม่เข้มพอ คู่
ของไอออนที่เกิดจะกลับไปรวมตัวกันแต่เมื่อเพิ่มความต่างศักย์ไฟฟ้าให้มากขึ้น
จนทาให้คู่ของไอออนที่เกิดขึ้นทั้งหมดเคลื่อนที่ไปยังขั้วไฟฟ้าตรงกันข้าม เรียกว่า
เกิด Ion saturation กระแสที่วัดได้จะมีค่าสูงสุดถึงแม้จะเพิ่มความต่าง
ศักย์ไฟฟ้าให้มากขึ้น จะไม่ทาให้กระแสที่วัดได้เพิ่มขึ้น
 การวัดสัญญาณจากหัววัดไอออนไนเซชันทาได้โดยการวัดกระแสตรงหรือโดย
การแปลงประจุให้เป็นพัลส์

Ionization Chamber

Electrometer
+ 1234

HV

-
The response is proportional to
Negative ion ionization rate (activity, exposure rate)

Positive ion

Ionization Chamber
ไอออนไนเซชัน แชมเบอร์ เป็นเครื่องมือที่เหมาะสมในการวัด ปริมาณรังสี
(Radiation dosimetry) เพราะหัววัดชนิดนี้มีค่าความต่างศักย์ไฟฟ้าที่
จ่ายให้แก่หัววัดต่าและเพียงพอที่จะทาให้หัววัดจับ/นับวัด จานวนคู่ของ
ไอออนที่เกิดขึ้นได้ทั้งหมด โดยไม่มีการคูณขยาย (Multiplication)
จานวนคู่ของไอออนเพิ่มขึ้นจากเดิม
ดังนั้นขนาดของกระแสที่เกิดขึ้นที่หัววัดจึงสามารถเทียบเป็นหน่วยเรินต์
เกนหรือหน่วยซีเวิร์ตได้โดยตรง

Ionization Chamber
In the ionization chamber region
 The number of ion pairs collected by the
electrodes is equal to the number of ion pair
produced by the radiation in the detector.
 There is no change in the number of ion pairs
collected as the voltage increase.

 จานวนคู่ของไอออน (Ion Pair) ที่ถูกเก็บสะสมโดย Electrode จะมีค่า
เท่ากับจานวน Ion pair ที่เกิดขึ้นจริงเมื่อรังสีตกกระทบหัววัด
 ถึงแม้จะเพิ่มความต่างศักย์ไฟฟ้าให้มากขึ้น จะไม่ทาให้กระแสที่วัดได้เพิ่มขึ้น

Ionization Chamber
Main properties
 High accuracy
 Stable
 Relatively low sensitivity
 Slow response (used as integrator)
 Wide range (uGy/hr – several thousand)
 Portable

Used for
 Monitoring instrument : Survey for radiation level >1 mR/hr
 Main x-ray QC. Instrument

Portable ion chamber
survey instrument

Proportional region
ความต่างศักย์ไฟฟ้าที่จ่ายให้ electrodes สูงขึ้นในช่วงนี้
ทาให้ขนาดของกระแสไฟฟ้าเพิ่มขึ้น
เนื่ อ งจากความต่ า งศั ก ย์ ที่ เ พิ่ ม ขึ้ น นอกจากจะท าให้ มี
พลังงานเพียงพอที่จะไปถึง electrodes และยังให้คู่
ไอออนซึ่งมีความเร็วเพิ่มขึ้น จากการที่เพิ่มความเร็วนี้
ท าให้ เ กิ ด ก ารแตกตั ว อี กครั้ ง เป็ น secondary
ionization ทาให้ได้คูไอออนเพิ่มขึ้น ปรากฏการณ์นี้
เรียกว่า gas multiplication มีผลให้ได้กระแสไฟฟ้า
ขนาดใหญ่ขึ้น
จะเห็นได้ว่าจานวนคู่ไออนเพิ่มขึ้นเมื่อความต่างศักย์
เพิ่มขึ้น

Proportional region
 การเกิด gas multiplication สามารถทาให้เกิดคู่ไอออนประมาณล้านคู่ต่อ 1
ปฏิกิริยา ซึ่งต่างจาก ionization chamber ที่ 1 ปฏิกิริยาทาให้เกิดเพียง 1 คู่
ไอออน ถึงแม้จะเกิดการขยายตัวได้คู่ไอออนมากมายแต่อัตราการขยายยัง
เป็นสัดส่วนกับพลังงานของรังสีหรืออนุภาคที่เข้ามาทาปฏิกิริยา

Diagram of a proportional counter: (a) region of electron drift
and (b) region of gas amplification

Proportional region
 นิ ย มใช้ วั ด นิ ว ตรอนในเตาปฏิ ก รณ์ ป รมาณู เนื่ อ งจาก proportional
counter ให้สัญญาณที่มีขนาดใหญ่ทาให้ประสิทธิภาพการวัดสูงจึงเป็น
เหตุให้แยกชนิดของรังสีหรืออนุภาคได้

 ข้อเสียคือหัววัดชนิดนี้ไวต่อการเปลี่ยนแปลงของความต่างศักย์ไฟฟ้าที่
จ่ า ยให้ ท าให้อั ต ราขยายสั ญญาณเปลี่ ยนแปลงด้ ว ยจึ ง จ าเป็ นต้ อ ง
ควบคุมการเปลี่ยนแปลงของความต่างศักย์ไฟฟ้าในการใช้งาน

Proportional counter
In the proportional region
 The number of ion pairs collected is greater than the
number of ion pairs produced in the detector by the
radiation.
 There is gas amplification.
ion pairs collected
The amplificat ion factor 
ion pairs produced

 The amplification factor at specific voltage is the same
for any type of radiation or energy of radiation.
 The number of ion pairs collected is proportional to the
number of ion pairs originally produced.


 Operates in pulse mode
 Most common general-purpose : 90% argon + 10%
methane

Main properties
 Laboratory instrument.
 Accuracy.
 A little higher sensitivity than the ion chamber.
 Used for particles and low energy photon.

Used for
 Monitoring instrument ; Assay of small quantities of
radionuclides
 spectrometer

Geiger-Müller Counter
In the Geiger-Muller region
 Any single ionizing event will produce so many secondary
ions that very large pulse is produce.
 These ion pairs produce more ion pairs, until literally
millions of ion pairs are produced. This effect called
“Avalanching”
 Because of the avalanche, It’s possible to tell that the
radiation is present, but it isn’t possible to determine the
type of radiation.
 To stop the continual avalanche, another gas, called
“Quenching gas” is mixed with argon

ไกเกอร์ มูลเลอร์ เคาท์เตอร์ หรือ ไกเกอร์ เคาท์เตอร์ เป็นเครื่องสารวจรังสี
แบบเคลื่อนที่ ที่นิยมใช้กันมาก ภายในหัววัดรูปทรงกระบอกจะบรรจุแก๊ส ซึ่ง
ประกอบด้วย ฮีเลียม 98% และ บิวเทน 1.3% และหัววัดจะสามารถถอด
แยกออกจากตัวเครื่องได้เพื่อสะดวกในการใช้งาน

Hand Monitor for Beta and
Pancake Typed GM counter Gamma Detection

หลักการทางานคล้ายกับ Ionization Chamber แต่ขนาดของความต่าง
ศักย์ไฟฟ้าที่จ่ายให้มีค่าสูงกว่ามาก
ค่ า ความต่ า งศั ก ย์ ที่ สู ง มากนี้ จ ะท าให้ คู่ ข องไอออน โดยเฉพาะอิ เ ล็ ก ตรอน
เคลื่อนที่ด้วยความเร็วมากขึ้น
ทาให้เมื่อ รังสีตกกระทบ แก๊สทุกโมเลกุลที่อยู่ในหัววัดแตกตัวเป็นคู่ของ
ไอออนทั้งหมด เนื่องจากเกิดการชนกันแบบต่อเนื่อง จนทาให้สัญญาณพัลส์ที่
ได้มีค่าเกือบคงที่หรือเท่ากัน

Geiger Müller-tube principle

-

+

-
Knoll

A single incident particle cause full ionization

หัววัดชนิดนี้จะวัดออกมาในรูป พัลส์ หรือค่านับวัด (Count)
และด้วยสัญญาณพัลส์ที่ออกมาจะมีขนาดเท่ากัน ไม่ว่าคู่ไอออนเริ่มต้นเป็น
เท่าใด ดังนั้นเครื่องมือนี้จึงไม่สามารถแยกชนิดของรังสี หรือระดับ
พลังงานต่าง ๆ ได้ จึงมักใช้บ่งบอกว่ามีสารรังสีอยู่เท่านั้น

Geiger Müller counter
Main properties
 High sensitivity.
 Lower accuracy
 Limited to <100 mR/hr
 Portable

Used for
 Contamination monitor
 Survey for low radiation level
 Dosimeter (if calibrated)

Personal Dosimetry
งานตรวจวัดรังสีประจาบุคคลคือ การตรวจวัดปริมาณรังสีที่ได้รับขณะ
ปฏิบัติงาน โดยใช้เครื่องวัดรังสีประจาบุคคลสาหรับบุคลากรที่ปฏิบัติงานด้าน
รังสี เป็นโครงสร้างพื้นฐานของระบบป้องกันอันตรายจากรังสี เป็นการเฝ้า
ระวังและประเมินความเสี่ยงไม่ให้บุคลากรด้านรังสีได้รับปริมาณรังสีเกินกว่า
ค่ามาตรฐาน

Thermo-luminescence
Dosimeter (TLD)

Thermo-luminescence Dosimeter
(TLD)
 ที แอล ดี (Thermoluminescence Dosimetry : TLD) เป็นของผลึกใช้
ผลึกลิเทียมฟลูออไรด์(LiF) หรือ แคลเซียมฟลูออไรด์ (CaF2)
 ซึ่งมีสมบัติที่เมื่อได้รับพลังงานจากรังสีแล้วจะสะสมพลังงานเอาไว้โดยการ
เปลี่ยนระดับพลังงานของอิเล็คตรอน เมื่อได้รับความร้อนที่เหมาะสม
ผลึ ก จะคายพลั ง งานที่ เ ก็ บ ไว้ อ อกมาในรู ป ของแสง ปรากฏการณ์ นี้ จึ ง
เรีย กว่ า Thermoluminescence ปริมาณของแสงนี้จ ะถูก เปลี่ยนให้ เป็น
สัญญาณไฟฟ้าซึ่งจะแปรผันตามปริมาณรังสีที่ผลึกได้รับ
 อ่านค่าออกมาเป็นตัวเลขได้ ผลึกนี้จะบรรจุอยู่ในตลับซึ่งจะมีตัวกรองเพื่อ
แยกความแตกต่างของชนิดและพลังงานของรังสี

Thermoluminescence (TL)
 (TL) is the ability to convert energy from radiation
to a radiation of a different wavelength, normally in
the visible light range.
 Two categories
 Fluorescence - emission of light during or
immediately after irradiation
 Not a particularly useful reaction for TLD use
 Phosphorescence - emission of light after the
irradiation period. Delay can be seconds to
months.
 TLDs use phosphorescence to detect radiation.

Thermoluminescence
 Radiation moves electrons into “traps”
 Heating moves them out
 Energy released is proportional to radiation
 Response is ~ linear
 High energy trap data is stored in TLD for a long
time

TL Process

Conduction Band (unfilled shell)

Electron trap
(metastable state)
-

Phosphor atom
Valence Band (outermost electron shell)

Incident
radiation

TL Process, continued

Conduction Band

Thermoluminescent
photon - Heat Applied

Phosphor atom
Valence Band (outermost electron shell)

TLD Reader Construction
To High DC Amp
Voltage To ground

PMT
Recorder or meter
Filter
TL material
Heated
Cup

Power Supply

•Output as “glow curve”
•Area under represents the radiation energy deposited in the TLD

Thermoluminescence
Main properties
 High sensitivity.
 Accuracy
 Wild range (uGy-Gy)
 Size-so small, can be taped to finger.
 Versatility ; can use for long period.
 Reusable - economical
 Readout convenience - rapid (<30 sec)
 No wet chemical ; data won’t be lost if it wet.
Used for
 personnel monitoring
 stationary area monitoring

Thermoluminescence dosimeter : area monitoring , Personnel
radiation monitoring (Courtesy Bicron.)

Optically stimulated
luminescence (OSL)

Optically stimulated luminescence
(OSL)
 Minimum detectable dose
 1 mRem for gamma and x-ray radiation,
 10 mRem for beta radiation.

 Uses thin layer of aluminum oxide  Al2O3 : C 
 Has a TL sensitivity 50 times greater than TLD-100
(LiF:Mg,Ti)
 Almost tissue equivalent.
 Strong sensitivity to light
 Readout stimulated using laser
 Intensity luminescence in proportion to radiation
dose.

Optically stimulated luminescence
(OSL)

แผ่นวัดรังสีชนิด OSL เป็นของผลึกสารประกอบ Al2O3 : C
ผลึกมีคุณสมบัติที่เมื่อได้รับพลังงานจากรังสีแล้วจะสะสมพลังงานเอาไว้
โดยการเปลี่ยนระดับพลังงานของอิเล็คตรอน เมื่อมีการกระตุนด้วยแสงสี
้
น้าเงินความเข้มที่เหมาะสม ผลึกจะคายพลังงานที่ได้รับมาส่วนหนึ่งในรูป
ของแสงสีน้าเงินเช่นกัน ปริมาณของแสงที่ปล่อยออกมาจะแปรตามปริมาณ
รังสีที่ได้รับ
เนื่องจากการคายอิเล็กตรอนในขบวนการกระตุนแต่ละครั้ง จะมีอิเล็กตรอน
้
หลุดออกมาเพียงบางส่วนเท่านั้น ทาให้สามารถทาการกระตุ้นได้หลายครั้ง
จึงทาให้มีคุณสมบัติในการอ่านซ้าได้

ปรากฏการณ์ของ OSL คล้ายกับขบวนการของ TLD ต่างกันด้วย
วิธีการกระตุ้น
“TLD ใช้ ความร้อน” ในขณะที่ “OSL ใช้ แสง”

ผลึกของ Al2O3 : C เมื่อนามาบรรจุเป็นแผ่นวัดรังสีแล้วต้องใช้คู่กับ
ตลับใส่แผ่นวัดรังสีซึ่งตัวตลับจะบรรจุแผ่นกรองรังสีชนิดและความหนา
แตกต่างกัน เพื่อใช้วิเคราะห์ปริมาณรังสีแยกความแตกต่างของชนิดและ
พลังงาน

Optically Stimulated Luminescence dosimeters
(Courtesy Laudauer.)

Film Badge
 Film Badge (ฟิล์มแบดจ์) ประกอบด้วย ฟิล์มวัดรังสีและตลับบรรจุ
 ตัวฟิล์มวัดรังสี เป็น สารโพลีเอสเตอร์ เคลือบด้วย emulsion ที่เป็น
ส่วนประกอบของ AgBr ซึ่งเมื่อได้รับรังสีจะถูก ionized เป็น Ag+ และ
Br- โดย Ag+ เป็นตาแหน่งของภาพแฝง เมื่อนาไปผ่านกระบวนการล้าง
ฟิล์มจะปรากฏความดาตรงตาแหน่งของภาพแฝงนั้น
 ฟิล์มวัดรังสีต้องใช้คู่กับตลับใส่ฟิล์มที่มีแผ่นกรองรังสี ชนิดและความหนา
ต่างกัน ทาให้เกิดรูปแบบ (pattern) ของการได้รับรังสีที่แตกต่างกันซึ่ง
สามารถน ามาวิเคราะห์ ชนิด และปริม าณของรัง สีชนิ ด นั้น ได้แ ก่
Conventional Film ซึ่งตอบสนองต่อรังสี โฟตอนและ บีตา

Film Badge
 อย่างไรก็ตามหากเลือกใช้ตลับบรรจุชนิดมี Cadmium เป็นแผ่นกรองรังสี
จะสามารถตอบสนองต่อ Thermal neutron ได้ เนื่องจาก Thermal
neutron ทาอันตรกิริยากับ Cadmium จะให้รังสีแกมมา ทาให้เกิดความ
ดาที่บริเวณแผ่นกรองรังสี Cadmium

Radiation Safety Instrument

Recommended

Recommended

More Related Content

What's hot

What's hot (20)

More from Pawitra Masa-ah

More from Pawitra Masa-ah (19)

Radiation Safety Instrument