Сцинтилляционный метод дозиметрии

Принцип действия. Сцинтилляционный метод в настоящее время является одним из наи­более распространенных методов регистрации ионизирующих излучений. Широкое применение сцинтилляционных детекторов обусловлено прежде всего высокой эффективностью регистрации g-излучения (при определенных условиях эффективность регистрации может приближаться к 100 %), высокой вре­менной разрешающей способностью (длительность импульса 10^-9 – 10^-7 с), а также простотой аппаратуры. Устройство сцинтилляционного детектора пред­ставлено на рис. 1.1.

Сцинтиллятором называется вещество, способное испускать видимое или ультрафиолетовое излучение под действием заряженных частиц. Про­ходя через любое вещество, заряженные частицы создают вдоль своего пути возбужденные атомы, которые испускают фотоны света, но в большинстве случаев фотоны поглощаются в этом же веществе вблизи места своего образо­вания, т.е. обычное вещество непрозрачно для собственного излучения. Сцинтилляторы - вещества, в которых спектр поглощения сдвинут относитель­но спектра испускания в сторону меньших длин волн. Это дает возмож­ность некоторым световым квантам выйти из сцинтиллятора и быть заре­гистрированными (т.е. сцинтиллятор прозрачен для собственного излуче­ния).

Энергия светового излучения сцинтиллятора в фотоэлектронных ум­ножителях (ФЭУ) преобразуется в импульсы электрического тока. Объе­динение сцинтиллятора и ФЭУ позволяет регистрировать очень короткие, очень слабые по интенсивности вспышки света.

Класс веществ, способных быть сцинтилляторами, обширен. Так, сцинтилляторами могут быть вещества в любом агрегатном состоянии - твердом, жидком, газообразном. Свойства сцинтиллятора, в основном, определяются механизмом высвечивания в нем. По своим свойствам выделяются две группы сцинтилляторов: неор­ганические кристаллы и орга­нические соединения.

Неорганические сцинтилляторы -всегда кристаллы. Для объяснения процесса высвечивания неорганических сцинтилляторов привлекают зонную теорию твердых тел. Люминесценция (образование световой вспышки) в кристаллах возможна при на­личии так называемых примесных уров­ней, расположенных в запрещенной зоне. Испуска­ние света происходит при переходе электрона(или дырки) на одинизтаких уровней,называемых центрами люминесценции. Для увеличения световыхода в кристаллы добавляют специальные примеси - активаторы. Это повышает плотность центров люминесценции, увеличивая тем самым вероятность захвата электронов и дырок на примесные уровни. Для кристаллов NaI и CsI лучшим активатором является таллий (Tl), для LiI – европий (Eu), для ZnS обычно применяют серебро (Ag).

Органические сцинтилляторы.Очень многие органические соеди­нения обладают сцинтиллирующими свойствами. Большая часть органических сцинтилляторов относится к группе ароматических углеводоро­дов, в состав которых входят бензольные кольца. Распространенные орга­нические сцинтилляторы - антрацен, стильбен, раствор терфенила в полистироле и др. Важное преимущество органических сцинтилляторов по сравнению с неорганическими - меньшее время высвечивания (t ~ 10^-9 - 10^-8 с). Высвечивание фотонов в органических сцинтилляторах обуслов­лено электронными переходами в возбужденных молекулах, т.е. люминес­ценция является свойством отдельной молекулы. Благодаря этому люминесцентный процесс не зависит от агрегатного состояния сцинтиллирующего вещества, поэтому возможно неограниченное увеличение объема сцинтиллятора.

Все сцинтилляторы, и органические и неорганические, должны обладать опреде­ленными свойствами, необхо­димыми с точки зрения детек­тирования излучений. Прежде всего сцинтиллятор должен обладать высокой конверсионной эффективно­стью. Конверсионная эффек­тивность h - это отношение энергии световой вспышки к энергии, поглощенной в сцинтилляторе. Конверсионная эффективность сцинтилляторов находится в диапазоне 0,02 - 0,15. В идеальном сцинтилляторе h не должна зависеть ни от природы, ни от энергии регист­рируемых частиц - в этом случае интенсивность световой вспышки будет пропорциональна только энергии, потерянной частицей в сцинтилляторе.

Не все фотоны света, возникающие в сцинтилляционном процессе, достигают фотокатода фотоумножителя. Для уменьшения потерь световых фотонов и увеличения их числа, достигающего фотокатода, обычно стараются наружную поверхность сцинтиллятора сделать такой, чтобы фотоны отражались от нее обратно в детектор, а в месте соприкосновения сцинтиллятора с баллоном ФЭУ, наоборот, обеспечивался бы оптический контакт для уменьшения внутреннего отражения. Вероятность фотону света, образованному в сцинтилляторе, попасть на фотокатод называется коэффициентом светособирания (фотосбора) g; эта вероятность зависит от поглощения световых фотонов в сцинтилляторе, упаковке кристалла, отражателе и стеклянной колбе ФЭУ. Величина g находится в пределах 0,7 – 0,8, однако при использовании однородных оптически прозрачных сцинтилляторов совместно с эффективными рефлекторами удается получить эффективность светособирания порядка единицы.

Для обеспечения высокой разрешающей способности по времени длительность световой вспышки должна быть малой. Время высвечивания t индивидуально для каждого типа сцинтиллятора и определяется средним временем жизни возбужденного состояния, из которого происходит испускание фотонов.

Детектор NaI(Tl) считается одним из самых лучших неорганических сцинтилляторов. Этот сцинтиллятор имеет самую высокую конверсионную эффективность (за исключением ZnS(Ag), но это мелкокристаллический, плохо прозрачный для собственного излучения порошок, кристаллы которого невозможно получить больших размеров) и малое по сравнению с другими неорганическими кристаллами время высвечивания. Кристаллы NaI(Tl) могут быть выращены огромных размеров (до 70-ти см в диаметре и такой же высоты), что позволяет регистрировать g-излучение с высокой эффективностью. В таблице 1.1 приведены характеристики наиболее распространенных сцинтилляторов – неорганического NaI(Tl) и органического стильбена.

Таблица 1.1

Характеристики наиболее распространенных сцинтилляторов

Сцинтиллятор	Плотность, г/см3	Время высвечивания t, нс	Конверсионная эффективность	Эффективный атомный номер[8] Zэфф*
NaI(Tl)	3,67		0,1
Стильбен	1,16		0,04	5,7
* Zэфф приведен для комптоновского рассеяния

Фотоэлектронный умножитель. Поскольку ФЭУ является неотъемлемой частью сцинтилляционного детектора, его параметры также должны удовлетворять некоторым условиям, необходимым для успешной регистрации излучений. Во-первых, спектральная чувствительность фотокатода ФЭУ должна соответствовать спектру частот света, излучаемого сцинтиллятором. Во-вторых, ФЭУ должны обладать высокой конверсионной эффективностью фотокатода, которая означает вероятность того, что фотон выбьет электрон из фотокатода. Конверсионная эффективность фотокатода обычно находится в диапазоне 0,05 – 0,15. Чтобы изготовить фотокатод, тонкий слой соединений сурьмы и цезия (или висмут-серебро-цезий) наносит­ся изнутри на торцевую поверхность вакуумированной стеклянной колбы. Работа выхода[9] для этих соединений мала, к тому же для этих соединений характерно наилучшее перекрытие их спектральной чувствительности со спектром испускания большинства сцинтилляторов.

Толщина фотокатода подбирается из следующих соображений. Световой выход с катода зависит от двух процессов - поглощения фотонов в материале ка­тода и выхода электронов из катода. Чем больше толщина фотокатода, тем больше фотонов в нем поглотится (средний пробег фотонов с e ~ 4 эВ в сурьмяно-цезиевом фотокатоде ~ 10^{-5 см). Вероятность выхода электронов из фотокатода, наоборот, уменьшится при увеличении толщины фотокато­да, т.к. она зависит от глубины, на которой был образован электрон в ре­зультате фотоэффекта. Поскольку пробег фотоэлектронов много меньше пробега фотона, из толстого фотокатода (в котором поглотится много све­та) выйдет мало электронов. Через слишком тонкий фотокатод фотоны пройдут без взаимодействия} - в этом случае образуется мало электронов, хотя и с большой вероятностью выхода. Поэтому конверсионная эффективность фотокатода зависит от толщины фотокатода (имеет максимум). Фотокатод должен быть полупрозрачным для света, и достигается это подбором тол­щины фотокатода.

После выхода с катода (энергия испускаемых с фотокатода электронов составляет ~ 1,6 эВ) электроны попадают в ускоряющее и фокуси­рующее поле, направляющее электроны на первый динод. Система динодов служит в ФЭУ для ускорения и умножения потока электронов. Диноды делаютсяизтакого вещества, для которого число вторичных электронов (испускаемых) больше числа первичных электронов, падающих на динод. Отношение числа вторичных электронов к числу первичных называется коэффициен­том вторичной эмиссии и обозначается буквой b. Коэффициен­т вторичной эмиссии зависит от многих факто­ров: от материала динода и состояния его поверхности, от энергии па­дающих электронов, угла падения электронов и т.д. Изготавливаются диноды обычно из материалов сложного состава - сплавов Al-Mg-Si или Сu-А1-Mg. Для этих соединений b может достигать 5 – 7, наиболее вероятная энергия вторичных электронов, испускаемых динодом, составляет ~ 1,5 ¸ 3,5 эВ.

Коэффициент усиления ФЭУ М, численно равный отношению числа электронов, пришедших на анод, к числу электронов, выбитых с фотокатода, можно оценить по формуле М = bⁿ , где n - число динодов. Обычно число динодов в ФЭУ равно 10 - 12, а коэффициент усиления ФЭУ M = 10⁵ - 10⁸. Коэффициент вторичной эмиссии b зависит от энергии электронов, падающих на динод. В свою очередь энергия электронов определяется разностью потенциалов между электродами ФЭУ (обычно на диноды подается напряжение ~ 100 В).

Каждому электрону, поглощенному в сцинтилляторе, соответствует импульс тока в анодной цепи ФЭУ. Следовательно, измерению может подлежать как среднее значение анодного тока i_a, так и число импульсов тока в единицу времени n_сч. В соответствии с этим различают токовый и счетчиковый режимы сцинтилляционного детектора.

Важнейшая характеристика детектора – чувствительность, т.е. его отклик на единицу измеряемой величины. В случае измерения мощности дозы чувствительность дозиметра определяется отношением измеряемого тока i_a к определяемой величине мощности поглощенной дозы в воздухе . Это отношение во многом определяется типом используемого сцинтиллятора.

Чувствительность (в данном случае отношение i_a/ ) должна быть постоянной величиной – независимой от энергии g-кванта, только тогда будет обеспечена однозначная связь между током i_a и мощностью дозы : i_a = const× . Для сцинтилляционного дозиметра в токовом режиме чувствительность, или отношение анодного тока ФЭУ i_a к мощности поглощенной дозы , равно

, (1.1)

где е - заряд электрона; h - конверсионная эффективность сцинтиллятора; g – коэффициент светособирания; М - коэффициент усиления ФЭУ; hn - средняя энергия светового фотона, возникающего в сцинтилляторе; r_z, V, h - плотность, объем и высота цилиндрического сцинтиллятора; m_z - линейный коэффициент ослабления g-излучения в сцинтилляторе[10]; и - массовые коэффициенты поглощения энергии излучения в сцинтилляторе и в воздухе (формула (17)).

Коэффициент усиления М и средняя энергия световых фотонов hn от энергии первичного излучения не зависят. Принимая также постоянное значение конверсионной эффективности h и светособирания g, можно ввести коэффициент a, объединяющий все входящие в выражение (1.1) величины, не зависящие (или слабо зависящие) от энергии:

. (1.2)

Тогда формула (1.1) примет вид

. (1. 3)

Как видно из формулы (1.3), чувствительность дозиметра по мощности дозы не является постоянной величиной, а зависит от энергии e_g регистрируемых g-квантов. Это объясняется достаточно большой энергетической зависимостью входящих в формулу коэффициентов m_z, и . Энергетическая зависимость чувствительности сцинтилляционного дозиметра называется ходом с жесткостью. Для достаточно тонкого сцинтиллятора, когда m_zh << 1, ход с жесткостью сцинтилляционного дозиметра в токовом режиме полностью определяется отношением массовых коэффициентов поглощения энергии в воздухе и в сцинтилляторе [11].

На рисунке 1.2 представлены зависимости отношения массовых коэффициентов передачи энергии для веществ с различными эффективными атомными номерами: Z > Z^В и Z < Z^В (Z ^В –эффективный атомный номер воздуха). Существующие сцинтилляторы имеют эффективный атомный номер либо меньше, чем у воздуха (органические), либо значительно больше (неорганические), поэтому практически все сцинтилляторы обладают существенным ходом с жесткостью.

Удачный способ компенсации хода с жесткостью заключается в использовании комбинированного сцинтиллятора, в котором неорганический сцинтиллятор в мелкодисперсном виде внедрен в органический. Примером могут служить дозиметры ДРГ3-01, -02, -03, имеющие ход с жесткостью 10 - 15 % в области энергий от 30 кэВ до 3 МэВ. Такой результат получен применением сцинтиллирующей пластмассы с добавлением в нее 0,4 % ZnS(Аg).

Для воздухоэквивалентного сцинтиллятора, размеры которого не позволяют пренебречь ослаблением первичного g-излучения (m_zh ³ 1), зависимость от энергии будет определяться множителем . Линейный коэффициент ослабления m_z достаточно сильно зависит от энергии g-квантов e_g (см. рис. 5.2); в большом диапазоне энергий, рассматриваемых в практической дозиметрии,[12] коэффициент ослабления m_z с увеличением энергии e_g уменьшается. Отсюда видно, что при увеличении e_g от нуля до бесконечности отношение монотонно убывает от 1 до 0.

Для тонкого сцинтиллятора (m_zh << 1) энергетическая зависимость будет отсутствовать, если сцинтиллятор воздухоэквивалентен по эффективному атомному номеру, т.е. при Z = Z^В ( @ ) будет = const.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Целью настоящей работы является градуировка сцинтилляционного дозиметра, измерение с его помощью мощности экспозиционной дозы g-излучения и оценка мощности эффективной дозы.

Методика градуировки и поверки дозиметров g-излучения по образцовым излучателям основана на измерениях в узком пучке g-квантов. Это сводит к минимуму влияние рассеянного излучения от пола, потолка и стен помещения и обеспечивает лучшие условия для защиты персонала.

Схема градуировки дозиметра показана на рис. 1.3. Источник из­лучения 1 находится в свинцовом контейнере 2. Пучок g-квантов через коллиматор 3 попадает на детектор 4, который может перемещаться вдоль градуировочной линейки 5. Центр детектора при его пе­редвижении и центр источника должны лежать на одной горизонтальной прямой. При градуировке детектор дозиметра должен полностью нахо­диться в поле облучения, а измерительный пульт 6 необходимо разме­щать вне пучка g-квантов.

В качестве образцового излучателя в работе используется ¹³⁷Сs, в паспорте которого указана активность А₀ (мКи или Бк). Чтобы вычислить активность источника А на момент измерений, необходимо воспользоваться законом радиоактивного распада (формула (5)).

При градуировке приборов образцовый источник следует размещать на достаточно большом расстоянии от детектора. В этом случае мощность экспози­ционной дозы g-излучения в месте расположения детектора бу­дет определяться формулой (30).

Измерение мощности экспозиционной дозы проводится дозиметром типа ДРГ3 со сцинтилляционным детектором. Диапазон измерения мощности дозы дозиметром ДРГ3-01 составляет 0,1 - 100 мкР/с для энергии g-излучения в диапазоне 15 - 1250 кэВ, погрешность не превышает ± 15 % на всех поддиапазонах.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Измерение экспозиционной дозы на различных поддиапазонах прибора ДРГ3

1. Установить детектор в поле излучения на расстоянии 75 см от источника (расстояние фиксировать по флажку на держателе детектора).

2. Установить прибор на ноль:

а) закрыть световой затвор детектора, для чего повернуть крышку торца детектора в направлении, указанном треугольной стрелкой (вправо до упора);

б) переключатель диапазонов «100 – 30 – 10 – 3 – 1» установить в положение «Уст. нуля»;

в) рукояткой потенциометра «Уст. нуля» установить стрелку измерительного прибора на ноль шкалы.

3. Поставить переключатель диапазонов на «100» и открыть световой затвор детектора, записать показания прибора (мощность экспозиционной дозы) в табл. 1.2.

Таблица 1.2

Измеренные и рассчитанные значения мощности экспозиционной дозы на расстоянии r от точечного образцового источника

g-излучения

Расстояние от источника r , см	Измеренное значение мощности экспозиционной дозы , мкР/с	Рассчитанное значение мощности экспозиционной дозы , мкР/с
Поддиапазон
0 - 100	0 - 30
	.	.	.
	.	.	.
.	.	.	.
.	k1 =	k2 =

4. Передвинуть детектор на следующую метку на градуировочной линейке. Провести измерение и записать в табл. 1.2. Проводить измерения по шкале «100» до тех пор, пока показания прибора не достигнут минимального значения шкалы.

5. Установить прибор на «ноль» (п.2).

6. Поставить переключатель диапазонов на «30».

7. Найти по измеренным значениям мощности экспозиционной дозы расстояние, на котором мощность дозы не превышает 30 мкР/с и установить детектор на этом расстоянии.

8. Далее повторить измерения, аналогичные пп. 3 – 8.

При проведении измерений необходимо следить за тем, чтобы кольцо светового затвора всегда доходило до упора. Неполное закрывание (при компенсации темнового тока) и открывание (при измерениях) затвора приведут к искажению результатов из­мерения.

9. Найти расстояние, с которого выполняется закон обратных квадратов. Это значит, что, начиная с некоторого расстояния, мощность дозы, создаваемая источ­ником, должна уменьшаться обратно пропорционально квадрату расстояния от источника, т.е. при увели­чении расстояния в 2 (или 3) раза мощность дозы уменьша­ется соответственно в 4 (или 9) раза.

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ

Градуировка ДРГ3. Вычислить активность А(t) источника ¹³⁷Cs на момент измерений по формуле (5), где А₀ – активность источника на момент аттестации; t – время, прошедшее от момента аттестации (по паспорту) до момента измерения; Т_1/2 – период полураспада источника (для ¹³⁷Cs Т_1/2 = 30 лет).

Предполагая источник точечным изотропным, рассчитать величину мощности экспозиционной дозы по формуле (30) от образцового источника заданной активности А для тех же расстояний r, на которых проводились измерения. Ионизационная гамма-постоянная для ¹³⁷Cs Г_Х = 3,2 . Полученные значения записать в табл. 1.2. Размерность измеренных и рассчитанных величин должна быть одинаковой!

Построить для каждого поддиапазона график зависимости показаний прибора от расчетной мощности экспозиционной дозы g-излучения в одинаковом масштабе по осям ординат и абсцисс. Определить градуировочную зависимость прибора как k = tga, где a - угол наклона прямой. Точки в конце или начале шкалы могут не лежать на прямой – это обусловлено тем, что показания прибора, составляющие менее 20 % от максимального значения шкалы, недостоверны (тогда эти точки не учитываются при проведении прямой). Полученные значения k записать в табл. 1.2.

Расчет мощности эффективной дозы на заданном расстоянии r от источника гамма-излучения с известной активностью А при плоско-параллельном падении излучения на детектор. Предполагая источник ¹³⁷Cs точечным и изотропным, по формуле (10) рассчитать плотность потока j g-квантов на расстоянии r = 75 см от источника. Для ¹³⁷Cs квантовый выход составляет h = 0,85, активность А(t) источника должна быть рассчитана на момент измерений. Если активность дана в мКи, ее следует перевести в Бк (1 Ки = 3,7×10¹⁰ Бк).

Найти из табл. 4 значение мощности эффективной дозы d_Е(ПЗ), вычисленное для единичной плотности потока в передне-задней геометрии для энергии g-квантов e_g = 0,662 МэВ. Использовать для этого метод линейной интерполяции[13].

Значение мощности эффективной дозы, имеющей в точке плотность потока j (падающего параллельным пучком на облучаемый объект спереди), будет равно (ПЗ,e_g = 0,662 МэВ,j) = = j ×d_Е(ПЗ,e_g = 0,662 МэВ,j = 1 см^-2×с^-1).

Оценка мощности эффективной дозы по измеренным значениям мощности экспозиционной дозы.Для энергии 0,662 МэВ по данным табл. 4 методом линейной интерполяции найти отношение . Разделить измеренное значение мощности экспозиционной дозы на расстоянии r = 75 см от источника на вычисленное методом линейной интерполяции отношение из табл. 4 – это и будет оценкамощности эффективной дозы по измеренному значению мощности экспозиционной дозы .

Сравнить значение мощности эффективной дозы, полученное расчетным способом (ПЗ,e_g = 0,662 МэВ,j), с оценкой (ПЗ) по измеренному значению мощности экспозиционной дозы . Обратить внимание на то, чтобы сравниваемые величины имели одинаковую размерность.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Радиометрические величины, применяемые в дозиметрии, радиационной защите и безопасности, характеризующие

- источник ионизирующего излучения;

- поле ионизирующего излучения.

2. Базовые дозиметрические величины:

- линейный и массовый коэффициенты передачи энергии;

- линейный и массовый коэффициенты поглощения энергии;

- керма;

- экспозиционная доза;

- поглощенная доза.

3. Нормируемые дозиметрические величины в современной системе дозиметрического контроля (для населения и персонала):

- эквивалентная доза в органе или ткани;

- эффективная доза.

4. Биологическое действие излучения:

- стохастические и детерминированные эффекты излучения;

- относительная биологическая эффективность;

- радиационные и тканевые взвешивающие коэффициенты.

5. Расчет мощности экспозиционной дозы на расстоянии r от данного источника с известной активностью A.

6. Расчет мощности эффективной дозы Е в заданной геометрии (ПЗ или ИЗО) на заданном расстоянии r от источника с известной активностью A.

7. Принцип сцинтилляционного метода. Характеристики сцинтилляторов. Устройство фотоэлектронного умножителя.

8. Токовый режим работы дозиметра. Чувствительность дозиметра в токовом режиме. «Ход с жесткостью» сцинтилляционных дозиметров и его компенсация.

ЛИТЕРАТУРА

1. Иванов В.И. Курс дозиметрии. - М.: Энергоатомиздат, 1988.

2. Голубев Б.П. Дозиметрия и защита от ионизирующих излучений. - М.: Энергоатомиздат, 1986.

3. Кутьков В.А., Ткаченко В.В., Романцов В.П. Радиационная безопасность персонала атомных станций. - Москва-Обнинск, 2003.

4. Кутьков В.А., Ткаченко В.В., Романцов В.П. и др. Основы радиационного контроля на АЭС. - Москва-Обнинск, 2008.