Радиометрия — это раздел науки о радиоактивности, в задачи которого входит разработка методов определения количества радиоактивного изотопа, типа и энергии его излучения, а также идентификация, т. е. определение того, какому изотопу принадлежит наблюдаемое ионизирующее излучение. Кроме того, при помощи радиометрических методов может быть определена чистота препарата данного радиоактивного изотопа в отношении других радиоактивных примесей. Методами радиометрии производится нейтронно-активационный анализ — один из самых чувствительных методов элементного анализа без разрушения образца, разработанный благодаря успехам ядерной физики, радиохимии и радиометрии. Одним из самых ранних методов обнаружения излучения радиоактивных изотопов был фотографический. Благодаря ему собственно и было обнаружено явление радиоактивности. Однако метод этот не мог быть использован для количественных измерений. Так же только качественные данные получались при использовании метода фосфоресценции. Суть его заключалась в том, что при попадании быстрых α-частиц на фосфоресцирующий экран в нем возникают световые вспышки, наблюдаемые в микроскоп со сравнительно небольшим увеличением.
Первые количественные измерения, связанные со сравнительным измерением различных радиоактивных препаратов, были выполнены при помощи ионизационной камеры и электрометра. Ионизационная камера представляет собой плоский или цилиндрический конденсатор. Пластины или электроды этого конденсатора соединяются с электрометром. Электрометр — это прибор, измеряющий разность электрических потенциалов практически без потребления тока и обладающий очень высоким внутренним электрическим сопротивлением. Работа двунитного электрометра основана на том, что к двум проводящим очень тонким нитям подводится одноименный электрический заряд от источника разности потенциалов, например от ионизационной камеры. Под действием одноименных электрических зарядов нити отталкиваются друг от друга и расстояние между ними увеличивается. Если в ионизационную камеру поместить радиоактивный препарат, то под действием излучения произойдет ионизация молекул воздуха, он станет проводящим, вследствие этого между электродами пойдет электрический ток, а разность потенциалов между ними будет уменьшаться. Это уменьшение разности потенциалов будет вызывать сближение нитей электрометра. Наблюдая нити в микроскоп со шкалой, можно определить скорость их сближения, например, по числу делений в минуту или по времени прохождения определенного числа делений.
Однонитный электрометр отличается тем, что имеет одну проводящую нить, расположенную между двумя массивными полюсами, к которым прикладывается разность потенциалов, определяющая положение нити. Однонитный электрометр значительно чувствительнее двунитного и предназначен для измерения очень слабых радиоактивных препаратов.
С развитием электронного приборостроения применение электрометров практически прекратилось. Вместо них с ионизационной камерой сочленяются различного типа электронные устройства, измеряющие непосредственно очень слабые электрические токи, вызванные ионизацией. Однако как бы ни были чувствительны эти устройства, с достаточной степенью точности измеряется активность только сравнительно больших радиоактивных препаратов.
Для регистрации отдельных актов радиоактивного распада, т. е. отдельных частиц или γ-квантов, служат различные счетчики. Пропорциональный счетчик представляет собой ту же ионизационную камеру, но к ее электродам прикладывается значительно большая разность потенциалов. Представим себе, что внутрь камеры попала β- или α-частица. Эта частица при столкновении с молекулами газа внутри камеры вызовет образование определенного числа ионов обоих знаков. Если приложенная разность потенциалов создает такое электрическое поле, что образовавшиеся ионы до столкновения со следующими молекулами приобретут энергию, необходимую для ионизации, число ионов от столкновения к столкновению будет возрастать. Таким образом, одна частица может вызвать значительный импульс тока. Эти импульсы могут быть зарегистрированы соответствующими электронными счетными устройствами. Таким образом, скорость счета импульсов (например, числа импульсов в секунду или минуту) характеризует число актов радиоактивного распада и соответственно количество радиоактивного изотопа. В случае, если регистрируемая частица полностью теряет свою энергию внутри счетчика, величина импульса тока пропорциональна энергии частицы. Этим и определяется название этого типа счетчиков.
Если довести напряжение между электродами счетчика почти до напряжения пробоя, то попадание любой частицы внутрь счетчика вызовет мощный импульс тока, не зависящий от энергии частицы. Такие счетчики носят название счетчиков Гейгера — Мюллера и до сравнительно недавнего времени имели наибольшее распространение. В зависимости от задач эти счетчики имеют различное, конструктивное оформление. Для счета γ-квантов они выполняются в виде стеклянной запаянной трубки, внутренние стенки которой покрыты проводящим слоем, а по оси натянута тонкая металлическая нить. Для счета жестких β-частиц вместо стеклянной трубки применяют тонкостенную, порядка 0,1 мм, алюминиевую трубку, а для очень мягких β-частиц и жестких α-частиц — торцовые счетчики с очень тонким слюдяным окном, через которое указанные частицы попадают внутрь счетчика.
Счетчики Гейгера—Мюллера обладают очень важным свойством. В некотором диапазоне прикладываемых напряжений скорость счета практически не зависит от напряжения. Этот участок называется плато. Такое свойство позволяет использовать для питания счетчика высоковольтные выпрямители с не очень высокой стабилизацией.
В последние 10—15 лет наибольшее распространение получили сцинтилляционные счетчики. Этому способствовало создание стабильных и долговечных фотоэлектронных усилителей (ФЭУ). Этот вакуумный электронный прибор состоит из фотокатода, динодов и анода. К каждому последующему диноду и аноду прикладывается возрастающее положительное напряжение по отношению к фотокатоду. Фотокатод покрыт металлом с малой работой выхода электронов. При попадании на него даже очень слабой вспышки света с поверхности вылетает некоторое количество электронов, которые под действием электрического поля устремляются к первому диноду, приобретая энергию, соответствующую разности потенциалов. При столкновении с поверхностью динода каждый быстрый электрон приводит к эмиссий нескольких электронов. Таким образом, второго динода достигнет усиленный в несколько раз поток электронов. Такое же усиление произойдет на каждом последующем диноде, и на аноде ФЭУ будет зарегистрирован достаточно мощный импульс тока, причем величина этого импульса строго пропорциональна интенсивности световой вспышки. Одновременно с фотоэлектронными усилителями были созданы методы получения крупных монокристаллов, у которых при попадании в них быстрых частиц и γ-квантов возникает вспышка света (сцинтилляция), пропорциональная энергий частицы или γ-кванта. Кристалл-сцинтиллятор вместе с ФЭУ и является сцинтилляционным счетчиком. Выход ФЭУ присоединяется к счетной электронной схеме, с помощью которой измеряется число вызвавших световую вспышку частиц или квантов, или к анализатору импульсов, который вместе с числом может определить и распределение импульсов по энергии. По сравнению с другими счетчиками сцинтилляционные счетчики обладают высокой чувствительностью и высокой эффективностью. Поэтому на мишень, предназначенную для измерения радиоактивности, можно наносить меньшее количество радиоактивного изотопа.
Если в руках исследователя имеется анализатор импульсов, то появляется возможность измерения радиоактивности смеси изотопов и радиоактивности каждого из них в отдельности. Этот метод позволяет применять в опыте одновременно несколько изотопов и следить за каждым из них вне зависимости от наличия остальных.
При использовании радиоактивных изотопов производятся в основном относительные измерения радиоактивности, т. е. сравниваются скорости счета импульсов от разных препаратов в строго идентичных условиях измерения. Если возникает необходимость проведения абсолютных измерений, используют либо специальные счетчики со 100%-ной эффективностью, или с так называемой 4π-геометрией, либо проводят сравнительные измерения со строго эталонированным препаратом того же изотопа. При абсолютных измерениях радиоактивность препарата выражают в кюри или долях кюри. Для измерения радиоактивных препаратов в десятки, сотни и тысячи кюри используют калориметры, с помощью которых определяют тепловую мощность препарата, например, в ваттах или долях ватта; эту величину по известной энергии радиоактивного распада легко пересчитать в единицы радиоактивности.
При измерениях активности следует учитывать естественный фон, обусловленный слабой радиоактивностью горных пород, почвы, воды, окружающих предметов за счет наличия в них следов естественных радиоактивных элементов — урана, тория и продуктов их распада, природных радиоактивных изотопов калия и некоторых других элементов. Кроме того, фон создается потоком космических лучей, приходящих от Солнца, далеких звезд и галактик. Наконец, испытания ядерного оружия привели к повышению радиоактивного фона за счет рассеивания радиоактивных продуктов деления.
При измерениях очень малых радиоактивностей наличие фона может привести к грубым ошибкам. Поэтому счетчики помещают внутрь толстой свинцовой камеры, а время измерения по возможности увеличивают. Последнее обстоятельство связано со среднестатистической ошибкой
Δ = ± 100 : (√n) %,
где n — число зарегистрированных импульсов. Так, при числе импульсов 100 ошибка составит ±10%, а при числе импульсов 10 000 — всего ±1 %.