4

лочки приблизительно равной температуре облучаемого поглотителя. Другой способ реализации режима, близкого к адиабатическому, показан на рис. 13.23,б; поглотитель 1 расположен между двумя фильтрами 2, идентичными по составу с центральным поглотителем. Толщины всех трех элементов таковы, что под действием ионизирующего излучения они нагреваются одновременно примерно до одной той же температуры, и фильтры играют роль оболочки.

Существует большое разнообразие конструктивных особенностей калориметров, применяемых в дозиметрии ионизирующих излучений для решения конкретных задач.

Основные области применения теплового метода дозиметрии – измерения поглощенной энергии в пучках ускорителей заряженных частиц, тормозного излучения и мощных радиоактивных источников.

Положительные особенности калориметрического метода:

•абсолютный детектор поглощенной энергии ионизирующего излучения;

•возможность использования в качестве поглотителей излучения веществ, идентичных по составу объектам, в которых необходимо определить дозу;

•в качестве поглотителей могут использоваться твердые и жидкие вещества с относительно малыми значениями термического дефекта и тепловыми утечками;

•отсутствует зависимость от линейных потерь энергии заряженных частиц;

•радиационная стойкость калориметров определяется в основном стойкостью термопар и термисторов.

Недостатки метода:

•диапазон измерений ограничен большими дозами;

•сложность конструкции измерительного комплекса;

•в диапазоне, близком к нижнему пределу измерений, значительно влияние тепловых утечек;

•в некоторых пластиках – поглотителях тепловой дефект может

достигать ~ 4 %.

461

Контрольные вопросы

1.Свойства кристаллических структур, обусловливающие эффекты люминесценции, используемые в дозиметрии.

2.Какие эффекты учитываются в системе кинетических уравнений термолюминесценции.

3.Основные приближения в модели «одна ловушка – один центр рекомбинации», на основании которых получено аналитическое решение системы для процесса термолюминесценции.

4.Физические факторы, определяющие форму кривых термовысвечивания.

5.Какие параметры измеряемого сигнала ТЛД являются мерой поглощенной энергии ионизирующего излучения ?

6.Какие компоненты включает измерительное устройство

ТЛД ?

7.Зависимость фединга от параметров ТЛД.

8.Параметры твердотельных структур, необходимые для их использования в качестве дозиметров.

9.Недостатки и преимущества ТЛД; области применения люминесцентных дозиметров.

10.Различия в процессах термолюминесценции и оптически стимулированной люминесценции.

11.Особенности использования процесса радиофотолюминесценции в дозиметрии.

12.Области применения фотографического метода дозиметрии.

13.Характер зависимости степени оптической плотности почернения фотопленок от дозы; диапазон измерения интегральных значений доз фотографическим методом.

14.Недостатки и преимущества фотографического метода дозиметрии.

15.«Термический дефект» при определении дозы ионизирующего излучения калориметрическими дозиметрическими системами.

16.Степень значимости поправок в рамках калориметрического метода дозиметрии.

17.Основные параметры при измерении и расчете дозы, измеренной с помощью химического дозиметра.

462

18. Общая характеристика применимости интегральных дозиметров в полях ионизирующего излучения.

Список литературы

1.A. J. J. Bos. Theory of termoluminescence. Rad. Measurements,

v.41, 2007, p. 45–56.

2.J.L. Lawless, R. Chen, V. Pagonis. Sublinear dose dependence of thermoluminescence and optically luminescence prior to the approach to saturation level. Rad. Measurements, v. 44, iss. 5-6, 2009, pp. 606-610.

3.Gad Shani. Radiation Dosimetry. Instrumentation and Methods. – 2nd ed. CRC Press, 2001.

4.Иванов В. И. Курс дозиметрии. М:, Энергоатомиздат, 1988.

5.Франк М., Штольц В. Твердотельная дозиметрия ионизирующего излучения. М.: Атомиздат, 1973. С. 15 ÷ 91.

6.Ратнер Т.Г., Лютова Н.А. Клиническая дозиметрия. Теоретические основы и практическое применение. М.: Изд. “Весть”, 2006.

7.Милинчук В.К. Радиационная химия.// Соровский образова-

тельный журнал. 6, №4, 2000. С. 24÷ 29.

8.Генералова В.В., Гурский М.Н. Дозиметрия в радиационной технологии. М.: Изд. стандартов, 1981.

463

Глава 14. Дозиметрия импульсными детекторами

1. Введение

Во многих случаях детекторы токового типа, например ионизационные камеры, оказываются недостаточно чувствительными. Отдельные акты взаимодействия фотонов или электронов приводят к появлению импульсов тока на выходе детектора, но амплитуда их чрезвычайно мала, происходит интегрирование на ёмкости детектора, соединительных проводов и, как правило, на дополнительной ёмкости, устанавливаемой для сглаживания флуктуаций. С другой стороны, такие датчики как сцинтилляционные детекторы, пропорциональные счётчики, газоразрядные счётчики обладают мощным внутренним усилением. Это создаёт предпосылки регистрировать сигналы от каждого акта взаимодействия. При этом величина сигнала в одних детекторах пропорциональна поглощённой в детекторе энергии от отдельно взятой частицы, провзаимодействовавшей в детекторе; в других импульсных детекторах величина и форма сигнала почти стандартна.

Импульсные детекторы при сравнимых массах вещества детектора обладают более высокой чувствительностью, чем токовые (зарядовые) детекторы. Импульсы со счётчиков усиливаются и поступают на электронную схему, которая накапливает суммарный заряд импульсов. Такой прибор был применён Херстом и Ритчи для дозиметрии быстрых нейтронов, при этом регистрировали сигналы от протонов отдачи [1].

Отсечка шума и импульсов, вызванных фотонами, соответствует порогу регистрации протонов ~ 100 кэВ. Скорее всего, современные прибористы для регистрации суммарного заряда применили бы схему аналого-цифрового преобразования (АЦП): амплитуда каждого импульса превращается в определённую последовательность сигналов и происходит их суммирование. Херст и Ритчи пошли другим путём и, хотя принцип электронной схемы ими не раскрыт, попытаемся определить его.

464

Пусть со счётчика идёт поток сигналов						где V – амплитуда
импульса, пропорциональная поглощённой( энергии),							от	частицы
(протона отдачи). Тогда интеграл						пропорционален
поглощённой энергии в объёме счётчика(.					)Интегральный спектр
импульсов равен
Рассмотрим интеграл( >		) =	,)	( )и возьмём.				(14.1)
						его по частям, из-
менив порядок интегрирования(					(	)
( )	= −	( )		+			.	(14.2)

Левый член суммы при подстановке верхнего предела обращается в нуль, так как при подстановке верхнего предела V = 0, а при подстановке нижнего предела ( ) будет равен нулю из-за конечности спектра. Второе слагаемое – интеграл от интегрального спектра. Таким образом, значение дозы пропорционально интегралу от интегрального спектра.

Херст и Ритчи [1]применили набор интегральных дискриминаторов, число выходных импульсов которых суммировалось. Чтобы уменьшить подпороговые потери был применён искусственный приём добавления единицы, если срабатывал только “младший” дискриминатор. Вряд ли возможно и целесообразно использовать данную систему для дозиметрии фотонов из-за малости потерянной энергии в объёме счётчика. Пусть счётчик наполнен этиленом до давления в 1 атмосферу. Примем диаметр счётчика равным 5 см. Плотность этилена равна 1,25 мг/см2, так что диаметр соответствует пробегу частицы 6,25 мг/см2.. Таким пробегом обладают протоны с энергией около 2 МэВ и электроны с энергией 60 кэВ. Для электрона с энергией 2 МэВ потеря энергии при пролёте вдоль

диаметра может быть оценена как ∙6,25 = 12 кэВ. Таким обра-

зом, отношение сигналов от протона и электрона с энергиями 2 МэВ будет больше 150.

Судя по экспонатам, представленным на международных выставках, пропорциональные счётчики в ряде стран широко применяют для измерения кермы нейтронного излучения.

465

2. Пропорциональные счётчики в дозиметрии

Пропорциональный счётчик – это газонаполненный детектор. Счётчики наполняются электроположительными газами (инертные газы, метан, пропан, этилен и т.д.). Внутри счётчика создают резко неоднородное электрическое поле. Для этого используют металлические нити, например из золочёного вольфрама, диаметром 30÷50 мкм. Цилиндрический катод счётчика имеет диаметр 1÷5 см.

Корф и Роуз [10] приняв сечение ионизации пропорциональным энергии электрона, а скорость большинства электронов соответствует энергии ионизации газа (Jион), получили выражение для коэффициента газового усиления (КГУ):

КГУ = exp ∙ ∙ − 1 , (14.3)

кр

где k – некоторая константа, зависящая от сорта газа, используемых единиц; U – разность потенциалов между анодом и катодом; ra и rk – радиусы анода и катода (принята цилиндрическая геометрия); p – давление газа; Uкр – критическая разность потенциалов, при которой счётчик из режима камеры переходит в режим пропорционального счётчика, т.е. в районе анодной нити образуется дополнительный электрон за счёт ударной ионизации.

Введем понятие перенапряжения - U , U = U кр + U . Обычно U < Uкр . Очень грубо оценим Uкр. Пусть средняя длина пробега

электрона λ. Тогда, для того чтобы в районе нити произошло соударение с передачей энергии Jион, необходимо

кр

+

кр

e

= ион.

Откуда

(

)

к

к

кр =

кр∙∙(

∙(

)

)

·ln·

.

466

Пусть значение λ0 известно при определённом давлении газа p0.

При другом давлении λ =		. Обычно						. Тогда
кр = 2 ∙				∙	λ	∙ln		.∙

Выражение Корфа и Роуза преобразуется в формулу, удобную для анализа:

КГУ = exp

∙∆	∙ ∙		.	(14.4)
ион∙ ∙	∙

Видно, что КГУ увеличивается при увеличении u, уменьшении p и ra. Импульс тока в пропорциональном счётчике пропорционален потерянной энергии первичной частицы. При большой плотности первичного заряда электронов в объеме счётчика возникает облако положительных ионов, которые медленно смещаются к катоду. Объёмный заряд уменьшает напряжённость поля, и счётчик переходит в режим ограниченной пропорциональности. Попадание в объём счётчика кислорода, водяного пара и некоторых других газов резко уменьшает КГУ за счет прилипания электронов к молекулам газа. Амплитуда импульса в пропорциональном счётчике пропорциональна поглощённой энергии от отдельных частиц. Для электронов пропорциональный режим сохраняется до КГУ = 105 ÷ 106, для α−частиц − до102.

Пропорциональные счётчики в ряде стран применяют как дозиметры быстрых нейтронов. Внутрь металлического цилиндра вставляют полиэтиленовую трубку. Толщина стенки соответствует пробегу самого энергичного протона отдачи. Внутренняя поверхность покрывается тончайшим токопроводящим материалом (алюминий, графит). Счётчик наполняют этиленом. В результате такой детектор соответствует гомогенной ионизационной камере, но с внутренним газовым усилением. Изменяя значение анодного напряжения, можно добиться только избирательной регистрации большинства импульсов от протонов отдачи.

467

3. Газоразрядные счётчики в дозиметрии фотонного излучения

Дозиметры с газоразрядными счётчиками являются самыми распространёнными приборами для целей радиационной безопасности. Они просты и надёжны в эксплуатации. Их используют и в пунктах контроля радиационной обстановки вокруг атомных объектов, и в системе аппаратурного контроля радиационной безопасности (АКРБ) на АЭС, и в большинстве бытовых дозиметровиндикаторов.

Разряд внутри счётчиков является разновидностью нестабильного коронного разряда. Электроны, образованные ионизирующей частицей, дрейфуют к аноду и собираются в прианодном пространстве за время порядка 10-8 с. Возле анодной нити, как и в пропорциональном счётчике, происходит лавинообразное размножение электронов. Облако положительно заряженных ионов понижает напряжённость электрического поля. В отличие от пропорциональных счётчиков, в развитии разряда особое значение принадлежит фотонам ультрафиолетового излучения, выбитыми ионами из катода счётчика. Они сами способны ионизовать газ. В результате разряд охватывает всю нить. Разряд в счётчике движется вдоль нити со скоростью 106 ÷ 107 см/с, и это определяет время нарастания импульса тока.

Чехол образованных положительных ионов дрейфует к катоду и достигает его за время порядка 10-4 с. Многоатомные добавки обладают большим сечением захвата ультрафиолетовых фотонов. Например, линейный коэффициент ослабления таких фотонов при 1 атмосфере достигает 500 см-1, метан при парциальном давлении 1 мм рт. ст. полностью поглощает фотоны в диапазоне длин волн от

100 до 160 нм.

Отечественная промышленность выпускает исключительно самогасящиеся счётчики. В дозиметрии, как правило, применяются галогеновые счётчики. В наполнении счётчиков смесью газов исходят из условия: энергия возбуждения основного газа должна превосходить энергию ионизации молекул примеси. Такая примесь позволяет понизить начальное напряжение из-за уменьшения требуемой энергии электронов вследствие неупругих столкновений

468

молекул. Обычно счётчики наполняют неоном с примесью паров Br в количестве менее 1 %. Потенциал возбуждения неона 16,6 эВ, потенциал ионизации Br – 12,8 эВ, а атомарного брома – 11,8 эВ. Пары галогенов являются электроотрицательными газами, поэтому их парциальное давление не превосходит 0,5 мм рт. ст.

Плато счётной характеристики простирается от 360 до 420 В. Большая величина амплитуды сигнала позволяет работать в области ограниченной пропорциональности при напряжении 320 ÷ 340 В.

Газоразрядные счётчики обладают большим мёртвым временем, что ограничивает их использование при больших мощностях дозы. Поэтому в этих случаях применяют счётчики со спиральным катодом, используют пониженное напряжение питания и дискримина- торы-формирователи импульса с малым уровнем дискриминации. Трост, изобретатель самогасящихся счётчиков, предложил при больших мощностях дозы использовать батарею из нескольких малых счётчиков вместо одного большого. Он в 15 раз уменьшил мёртвое время и добился совокупной скорости счёта около 106 имп/с.

Наша промышленность выпускает несколько типов многонитяных счётчиков, например СБТ-10. При работе на общую нагрузку усилителя или дискриминатора необходимо, чтобы срабатывание одного из счётчиков не выводило из режима другие счётчики за счёт импульсного понижения напряжения. Поэтому напряжение на счётчик подаётся через делитель напряжения, а сигнал снимается со средней точки делителя.

Скорость счёта одиночного счётчика вначале растёт линейно с мощностью дозы. При дальнейшем увеличении мощности дозы скорость счёта выходит на довольно широкое плато, а затем резко уменьшается до нуля, как говорят, счётчик “захлёбывается”. Конечное значение области линейности называют предельной мощностью дозы и скоростью счёта.

В качестве примера рассмотрим два счётчика. Один имеет диаметр 18 мм и рабочую длину 100 мм, другой 3 мм и 20 мм соответственно. Для первого счётчика предельная мощность дозы равна

0,30 мкГр/с при скорости счёта 4,7			имп/с. Для другого, малого,
счётчика – 83 мкГр/с и 2,2		имп/с. Интересно отметить, что
	∙ 10	∙ 10
		469

предельные мощности дозы различаются в 270 раз, а скорости счёта менее, чем в 5 раз.

При использовании дискриминаторов с большим порогом мёртвые времена для этих счётчиков при скорости счёта 100 имп/с равны 160 и 100 мкс, а при использовании дискриминаторов с малым порогом для предельных скоростей счёта мёртвое время уменьшается до 24 и 12 мкс соответственно.

Следует подчеркнуть, что величина импульса в газоразрядных счётчиках не зависит ни от энергии, ни от сорта частиц, вошедших

врабочий объём счётчика.

Обратим внимание на дозиметрические характеристики счётчи-

ков. Может показаться, что энергетическая зависимость чувствительности будет неудовлетворительной, так как импульс не зависит от энергии частиц. Рассмотрим счётную эффективность счётчиков как функцию от энергии фотонов. Фотоны взаимодействуют с материалом стенки (катодом) и выбивают электроны, а при высоких энергиях, и позитроны. Часть этих частиц попадает в газовый объём и вызывают разряд. Вслед за рядом авторов, напишем формулу для расчёта эффективности регистрации фотонов:

Здесь	ϵ =	–(σ	ф ф	)+ (σ	к к	)+2	(σ	).			(14.5)
							п
	и	сечения взаимодействия фотонов за счёт фото-
комптоновского рассеяния и образования пар;											– про-
эффектаσ,ф,σ	σ
бег фотоэлектрона в материале стенки счётчика.								При	комптонов-
										ф

ском взаимодействии энергия электронов простирается от нуля до максимально возможной энергии. Поэтому в формуле стоит знак, указывающий, что берётся среднее значение пробега. При образовании пар суммарная энергия позитронов и электронов меньше энергии фотонов на 1,02 МэВ и спектр частиц в грубом приближении имеет равновероятное распределение. Поэтому в формуле ис-

пользуют среднее значение пробега. Коэффициенты	учи-
тывают не только размерность величин, но и вероятность, ,	выхода

электронов в газовую полость. Приведённая формула предполагает, что для каждой энергии фотонов толщина стенки не меньше ф.

Зависимости квантовых эффективностей от энергии фотонов для ряда материалов приведена на рис. 14.1 [2]. Там же приведена экспериментальная зависимость. При высоких энергиях фотонов (бо-

470