методы и средства исслед и аттестации бета-источников для медицины

Л.В. Тимофеев

Рис. 5.10. Кинематическая схема измерений мощности дозы бета-излучения на поверхности офтальмоаппликаторов типа С13, С14, С15 на установке типа СКД-I

130

//СИГНАЛЬНЫЙ ЭКЗЕМПЛЯР//

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИССЛЕДОВАНИЯ И АТТЕСТАЦИИ БЕТА-ИСТОЧНИКОВ ДЛЯ МЕДИЦИНЫ

Рис. 5.11. Кинематическая схема измерений мощности дозы бета-излучения на поверхности офтальмоаппликаторов типа С13, С14, С15 на установке типа СКД-I

131

Л.В. Тимофеев

5.3.Функции отклика фотоумножителей

вполях ионизирующих излучений

Впроцессе эксплуатации сцинтилляционных дозиметров проникающее ИИ может взаимодействовать не только с телом детектора, но и с отдельными частями фотоумножителя – фотокатодом, колбой, эмиттерами, что, естественно, может отрицательно сказаться на характеристиках дозиметров в целом. Подобная ситуация, например, возникает при использовании пластических сцинтилляторов для измерений в смешанных полях β, Х, γ – излучений, когда полностью поглощается бета-излучение, но сравнительно слабо – сопутствующие Х- и γ-излучения с Е ≥ 20кэВ.

Всвязи с этим возникает задача по снижению уровня излучения в позициях расположения ФЭУ.

Известны несколько способов уменьшения фона от радиации в сцинтилляционных дозиметрах. Однако предложенные способы, как правило, предполагают внесение дополнительных элементов в дозиметры, например, протяженных светопроводов и т.п. и практически не затрагивают конструкционных изменений самих ФЭУ.

По имеющимся в литературе сведениям можно установить некоторые закономерности поведения некоторых типов ФЭУ в рассматриваемых условиях. Основными источниками обратимых изменений,например,анодноготокаФЭУподдействиемвнешнего гамма-излучения могут быть электроны отдачи образующиеся вблизи фотокатода и нескольких первых эмиттеров, а также люминесценция стеклянной колбы и свечение Черенкова-Вавилова. При этом одни авторы учитывают лишь вторичную электронную эмиссию фотокатода, другие считают, что эффект на 70-90% обусловлен люминесценцией стекла колбы ФЭУ.

Внастоящеевремяреальносозданиемалогабаритныхсцинтилляционных дозиметров на основе новых типов ФЭУ. Наши

132

//СИГНАЛЬНЫЙ ЭКЗЕМПЛЯР//

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИССЛЕДОВАНИЯ И АТТЕСТАЦИИ БЕТА-ИСТОЧНИКОВ ДЛЯ МЕДИЦИНЫ

эксперименты были спланированы с учетом этого факта и вышеизложенных соображений.

При использовании сцинтилляционных датчиков фотоэлектронные умножители (ФЭУ) могут подвергаться непосредственному воздействию ионизирующей радиации, увеличивающей уровень шумов (темновых токов) ФЭУ. Этот эффект зависит от конкретных условий измерений: типа регистрируемого и сопутствующегоизлучений,размеровсцинтиллятора,геометрииопыта, возможностей экранировки ФЭУ и т. д. Например, при решении такихзадач,какрегистрациянейтроновнафонегамма-излучения или дозиметрия рентгеновского и бета-излучения с тканеэквивалентными сцинтилляторами, непосредственное воздействие на ФЭУ значительных потоков ионизирующей радиации определяет величину предельной чувствительности сцинтилляционного датчика.

Широкое использование при биологических исследованиях и в медицинской практике дозиметров со сцинтилляторами, которые по своему характеру взаимодействия с излучением эквивалентны биологической ткани [Л 1], требует специального рассмотрения вопроса о возможных путях улучшения их порога чувствительности. Такие сцинтилляторы слабо поглощают гаммаили рентгеновское излучение с энергиями Е>20 кэв, и в результате прямое или рассеянное излучение может взаимодействовать не только со сцинтиллятором, но и с фотокатодом, веществом колбы и эмиттерами ФЭУ. При пользовании компактных датчиков, позволяющим измерять дозные поля бета и рентгеновского излучения, длина светопровода из полиметилметакрилата (плексиглас) должна быть порядка 10-15 мм, что обеспечивает практически полное поглощение бета-излучения всех радиоизотопов. При измерениях же рентгеновского излучения с эффективной энергией 20 кэв тканеэквивалентным сцинтиллятором в виде диска диаметром 3 и толщиной 1 мм, сочлененным через плек-

133

Л.В. Тимофеев

сигласовый светопровод длиной 10 мм с ФЭУ-35, работающим в токовом режиме, отношение сигнала от сцинтиллятора к току, обусловленному непосредственным взаимодействием излучения с ФЭУ, равно единице.

Существует несколько способов обеспечения предельно низкого уровня радиации в области расположения ФЭУ [Л. 2]. Однако общей чертой этих, способов является то, что они совершенно не касаются каких-бы то ни было конструктивных изменений самих ФЭУ, а вносят дополнительные элементы в датчики, например длинные светопроводы, что значительно увеличивает размеры детектора и не всегда приемлемо.

Вряде работ [Л. 3, 4] предлагалось использовать фотоэлектронные умножители для непосредственной регистрации рентгеновского и гаммаизлучений. В этом случае необходимо знать, например,такиехарактеристики,какзависимостьанодноготокаФЭУ от мощности дозы, хода с жесткостью, чувствительности и т. д.

Имеющиеся в литературе данные по воздействию рентгеновского и гамма-излучений на ФЭУ устанавливают ряд закономерностей поведения в этих условиях некоторых промышленных типов ФЭУ: отечественных [Л. 4-6] и иностранных [JI. 3, 7].

Вработах (Л. 3, 5, 7] изучался эффект действия на ФЭУ излучения в диапазоне энергий 20-1 250 кэв. В частности было показано, что энергетическая зависимость этого эффекта для различных типов фотокатодов имеет приблизительно одинаковый характер, причем в диапазоне энергий 20-80 кэв наблюдается резкое повышение чувствительности.

Основными источниками обратимых изменений анодного токамогутбыть:1.электроныотдачи,появляющиесяоколофотокатодаинесколькихпервыхэмиттеров;2.наведеннаяизлучением люминесценция стеклянной оболочки.

Вработе [Л. 5] отмечалось, что чувствительность ФЭУ к рентгеновскому и гамма-излучениям обусловлена вторичной

134

//СИГНАЛЬНЫЙ ЭКЗЕМПЛЯР//

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИССЛЕДОВАНИЯ И АТТЕСТАЦИИ БЕТА-ИСТОЧНИКОВ ДЛЯ МЕДИЦИНЫ

электронной эмиссией фотокатода, и совершенно не учитывалась возможная люминесценция стекла. Напротив, авторы работы [Л. 7] утверждают; что 70-90% анодного тока ФЭУ, возникающего под действием излучения, обусловлено люминесценцией.

В отличие от приведенных выше работ, объектом исследования которых являлись обычные серийные типы ФЭУ, в настоящей работе проведено исследование радиационных характеристик специального типа ФЭУ (ФЭУ-69А), отличающегося пониженной чувствительностью к воздействию рентгеновского и гамма-излучений. При разработке этого ФЭУ учитывались возможные механизмы взаимодействия ионизирующих излучений с его конструктивными элементами, а затем принимались меры к увеличению его «прозрачности» к действию излучений. Эффективность принятых мер видна из приводимых ниже результатов сравнительных измерений трех типов ФЭУ.

Особенности конструкции использованных типов ФЭУ

В качестве объекта исследования были выбраны три типа ФЭУ с одинаковыми габаритами (диаметром 23 мм), конструкцией катодной камеры и конфигурацией эмиттера (коробчатый с сеткой). Различия относились лишь к использованным материалам: фотокатода (Sb‒Cs или Sb‒К‒Na [Cs]), эмиттера (Sb‒Cs на Ni; Сu‒Be) и входного окна колбы.

	Основные особенности				Таблица 5.1.
	исследованных типов ФЭУ сведены
Тип ФЭУ	Фотокатод		Эмиттеры
	Диаметр, мм	Тип	Число		Материалы
ФЭУ-31	22	Sb-Cs	8		Sb-Cs на Ni
ФЭУ-69	22	Sb-K-Na [Cs]	10		Cu-Be
ФЭУ-69А	11	Sb-K-Na-[Cs]	10		Cu-Be

135

Л.В. Тимофеев

ФЭУ-31 и ФЭУ-69 имели одинаковую колбу, различаясь лишь величиной эффективного атомного номера конструктивных элементов; ФЭУ-69 и ФЭУ-69А различались лишь конструкцией колбы

Методика измерений

ИзмеренияпроводилисьнарентгеновскихаппаратахРУМ-3 (максимальное напряжение на трубке Um=200 кВ), «Дермамо- биль»(Um=50кВ)игамма-облучателесрадиоактивнымизотопом 60Со(Eср. =1250кэВ)типаОКФО.ПриработенаРУМ-3исполь- зовался широкий пучок излучения, расстояние между фокусным пятном и детектором излучения было 25 см. При измерениях на «Дермамобиле» детектор находился на расстоянии 5 см от края тубуса диаметром 5 см. В табл. 5.2. приведены условия и режимы работынарентгеновскихаппаратахдляполучениясоответствующих эффективных энергий.

		Таблица 5.2.
Рентгеновский	Напряжение	Фильтры	Эффек-
аппарат	на трубке, кВ		тивная
			энергия,
			кэВ
«Дермамобиль»	40	1,3 мм А1	21
РУМ-3	100	1,0 мм А1	40
РУМ-3	120	3,0 мм А1+0,2 мм Cu	59
РУМ-3	160	3,0 мм А1+0,3 мм Cu	65
РУМ-3	180	3,0 мм А1+0,9 мм Cu	90

Все ФЭУ, использованные в данной работе, работали при напряжении, соответствующем интегральной анодной чувствительности 10 А/лм. Сравнение радиационной чувствительности ФЭУ-69 и ФЭУ-69А в области эффективных энергий Еэфф рентге-

136

//СИГНАЛЬНЫЙ ЭКЗЕМПЛЯР//

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИССЛЕДОВАНИЯ И АТТЕСТАЦИИ БЕТА-ИСТОЧНИКОВ ДЛЯ МЕДИЦИНЫ

новского излучения от 21 до 90 кэВ (т. е. в области повышенной чувствительности ФЭУ к излучению) проводилось при различных мощностях доз: приблизительно от 1000 до 7000 р/ч.

Результаты измерений

Результаты измерений для Еэфф=40 и 90 кэв представлены на рис. 1 и 2. На этих рисунках легко различаются два семейства кривых: верхние кривые относятся к трем ФЭУ-69, а нижние ‒ к ’ФЭУ-69А (для четырех экземпляров). Аналогичные кривые были получены и для других энергий рентгеновского излучения: 21, 59 и 65 кэв. Во всех случаях наблюдалась линейная зависимость анодного тока ФЭУ от мощности дозы. Из приведенных графиков видно также, что при одинаковой мощности экспозиционной дозы ток ФЭУ-69 значительно больше, чем ток ФЭУ-69А, причем отношение токов зависит от эффективной энергии рентгеновского излучения. Если обозначить значение отношения анодного тока ФЭУ-69 к току ФЭУ-69А при облучении их рентгеновским излучением с равной экспозиционной дозой черезⱪ,торезультатыизмеренийможнопредставитьввидеплавной кривой, выражающей зависимость значения ⱪ от эффективной энергии рентгеновского излучения (рис. 3, кривая 1). Из этой кривой видно, что в области энергий Еэфф=21÷90 кэв при замене ФЭУ-69 на ФЭУ-69А с одинаковой интегральной анодной чувствительностью ток, обусловленный непосредственным взаимодействием рентгеновского излучения с материалом ФЭУ, уменьшается в 5-12 раз.

Как уже отмечалось выше, ФЭУ успешно может быть использован для непосредственной (без сцинтиллятора) регистрации радио-активного излучения. В связи с этим особый интерес представляет зависимость анодного тока ФЭУ от энергии излучения при одинаковом значении мощности дозы. Эта зависимость изучаласьдлятрехтиповумножителей:ФЭУ-31,ФЭУ-69иФЭУ-

137

Л.В. Тимофеев

69А в диапазоне а энергий рентгеновского излучения 21-90 кэв и для энергии гамма-излучения 1250 кэв (Со60). Результаты измерений приведены на рис. 4‒8, На рис. 4=6 представлены кривые изучаемойзависимостиприусловии,чтотокФЭУприоблучении егогамма-излучениемСо60принятравнымединице.Каждаякри- ваяпредставляетотдельныйэкземплярФЭУ.Нарис.7приведены три аналогичные кривые, каждая из которых представляет собой среднюю кривую для семейства ФЭУ из пяти-семи экземпляров каждого типа. Из этих графиков видно, что максимум чувствительности для ФЭУ-31 с Sb-Cs ‒ фотокатодом и эмиттерами при- ходитсянаЕэфф=43кэв,умножителиФЭУ-69смультищелочным фотокатодом и сплавными (Cu-Be) эмиттерами имеют максимум в районе 60-70 кэв, а ФЭУ-69А ‒ в районе 50 кэв. На рис 5.12. представлены кривые «хода с жесткостью».

Все экспериментальные точки приведены к значению мощности экспозиционной дозы 1000 р/ч, анодная интегральная чувствительность ФЭУ Σа=10 а/лм.

Как уже отмечалось выше, при взаимодействии излучения с материаломФЭУвозникаетток,обусловленныйсвечениемстекла возникновением вторичной электронной эмиссии. Для установления относительного вклада этих двух процессов были проделаны следующие опыты. На торец ФЭУ-69А накладывались стекла той же марки и тех же размеров, что и торцовое стекло ФЭУ-69. Облучениепроизводилосьширокимпучкомрентгеновскогоизлучения (Еэфф=65 кэв), направленным перпендикулярно фотокатоду. Комбинируя стекла и слои черной бумаги, можно было оценить вклад свечения стекол в общий «эффект ФЭУ», который для данных условий опыта составил примерно 60%.

Для уменьшения «эффекта ФЭУ» под действием излучения мы изготовили два ФЭУ-69, фотокатод которых был нанесён на специальное стекло. В результате анодный ток, обусловленный взаимодействием с ФЭУ, уменьшился по сравнению с обычными

138

//СИГНАЛЬНЫЙ ЭКЗЕМПЛЯР//

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИССЛЕДОВАНИЯ И АТТЕСТАЦИИ БЕТА-ИСТОЧНИКОВ ДЛЯ МЕДИЦИНЫ

ФЭУ-69 при облучении их рентгеновским излучением с энергией 21‒90 кэв в 2‒3 раза (рис. 3, кривая 2).

Рис. 1. Радиационная чувствитель-	Рис. 2. Радиационная чувстви-
ность ФЭУ-69 (три верхние кри-	тельность ФЭУ-69 (три верхние
вые) и ФЭУ-69А (четыре нижние	кривые) и ФЭУ-69А (четыре ниж-
кривые) к рентгеновскому излуче-	ние кривые) к рентгеновскому из-
нию с эффективной энергией 40 кэв	лучению с эффективной энергией
в интервале мощностей доз	90 кэв в интервале мощностей доз
2 000 – 7 000 р/ч. I – ток РУМ-3.	1 000 – 4 000 р/ч. I – ток РУМ-3.

Рис.3. Зависимость радиационной от энергии рентгеновского излучения

I – ФЭУ-69	: 2 ‒ ФЭУ-69			Рис. 4. Ход с жесткостью для пяти
ФЭУ-69А	ФЭУ-69 – со специ-
		альным		экземпляров ФЭУ-31.
		стеклом		I – ток ФЭУ при облучении

его гамма-излучения С0-69	139