4
.pdf
лее 2 МэВ) экспериментальное значение почти в 1,5 раза меньше теоретического.
Вреальных обстоятельствах толщина стенки счётчика или стенки
икожуха, окружающего счётчик, фиксирована. Для малых энергий фотонов необходимо вводить поправку на поглощение фотонов
наружными слоями стенки |
( |
ф) |
( – линейный коэффициент |
ослабления, − толщина стенки, |
ф – |
пробег фотоэлектронов). |
|
μ |
|||
При высоких энергиях фотонов часть электронов имеют пробег более h. В этом случае можно ожидать уменьшение эффективности по сравнению с приведённой выше теоретической оценкой. Ситуация осложняется притоком электронов из окружающих предметов и для голого счётчика в этом случае эффективность оценить нельзя.
0,025 |
|
|
|
|
ε |
|
|
|
1 |
0,02 |
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
0,015 |
|
|
|
3 |
0,01 |
|
|
|
4 |
0,005 |
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
0,1 |
0,6 |
1,1 |
1,6 |
2,1 |
|
|
|
|
Eγ, МэВ |
Рис. 14.1. Эффективность регистрации фотонов газоразрядными счётчиками с |
||||
катодом из различных материалов: 1 – алюминий; 2 – висмут; 3 – алюминий; 4 – |
||||
|
латунь (1, 2, 4 – расчет; 3 – эксперимент) |
|||
Из приведённых графиков видно, что на значительном интервале зависимость эффективности близка к линейной. Таким образом,
скорость счёта ~ φ ε = cφ E. Мощность дозы в образцовом ве-
471
± 25 % в диапазоне 0,05 ÷ 3 МэВ. Подчеркнём, что для детекторов ЭЗЧ которых увеличивается с уменьшением энергий фотонов, стандартным подходом для обеспечения постоянства ЭЗЧ является установка перфорированных фильтров из материала с большим Z.
4. Сцинтилляционные дозиметры
4.1. Введение
Более 100 лет назад были обнаружены точечные вспышки зеленого цвета, возникающие в поликристаллическом порошке сульфида цинка под действием α-частиц. На этом эффекте был создан первый сцинтилляционный детектор, в котором светочувствительным элементом был глаз человека. Чтобы видеть вспышки требовалась адаптация глаза в полной темноте. До середины тридцатых годов прошлого века глаз оставался самым чувствительным фотоприёмником, пока советский учёный Кубецкий не изобрёл первый в мире электроннооптический прибор, основанный на эффекте вторичной эмиссии электронов из последовательно расположенных электродов. В приборе Кубецкого для поворота пучка вторичных электронов в нужном направлении использовалось магнитное поле.
Позднее, ознакомившись с работами Кубецкого, американский учёный, русский по происхождению, П. Зворыкин изобрёл фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) с электростатической фокусировкой потока электронов. Так началась эра сцинтилляционных детекторов, применяемых в ядерной физике. ФЭУ имеют чувствительность, многократно превосходящую чувствительность человеческого глаза, и при надлежащей компоновке в устройства электронной техники позволили наблюдать детали сцинтилляционного процесса. Оказалось, что максимум сцинтилляционной вспышки наблюдается через короткий временной интервал, время разгорания. Для кристаллов NaI(Tl) время разгорания составляет 6 нс, CsI(Tl) – 22 нс, стильбена – 0,1 нс, пластмассовых сцинтилляторов
– 0,4 нс, некоторых жидких сцинтилляторов – 0,07 нс. Далее наблюдается спад выхода световых фотонов. При этом в большинстве случаев наблюдается быстрый и медленный экспоненциальный ход кривой высвечивания. Интенсивность быстрого компонента светового импульса составляет 80 – 90 % полной интенсивности
473
света. Интенсивность быстрого компонента определяется строением электронных оболочек атомов, входящих в состав сцинтиллятора, и не зависит от энергии ионизирующей частицы. Медленных компонентов высвечивания может быть несколько. Медленные компоненты световых вспышек определяются процессами рекомбинации положительных и отрицательных носителей заряда, созданных прямоионизирующей частицей. Интенсивность медленных компонентов не превышает 20 % от общей энергии сцинтилляционной вспышки и зависит от сорта и энергии первичной заряженной частицы. Длительность свечения зависит от строения электронных оболочек молекул сцинтиллятора и плотности ионизации. Если в сцинтилляторе возникла заряженная частица (или пришла извне), то при её движении возникает электромагнитное поле. Происходит воздействие этого поля на электроны атомов и молекул, атомы и молекулы переходят из основного состояния в возбуждённое или происходит отрыв электрона, т. е. имеет место акт ионизации. При больших скоростях электрона сечение возбуждения оптических разрешённых состояний атома определяется дипольным взаимодействием электрона и атома:
σ ~ const |
|
ln |
|
, |
(14.6) |
|
|
где E – энергия электрона, Ei – энергия возбуждения. Сечение оптического возбуждения вблизи порога имеет максимум, по порядку величины равный 10-19 см2.
Важно сравнить передачу энергии возбуждённым состояниям атомов и молекул с передачей энергии на ионизацию. При больших энергиях первичного электрона процесс ионизации молекулы ионизационным ударом происходит с сечением порядка 10-16 см2. Таким образом, сечение оптического возбуждения молекул примерно на три порядка меньше, чем сечение ионизации.
Образование сцинтилляционных вспышек было обнаружено в веществах, находящихся во всех агрегатных состояниях: в газах (благородные газы), жидкостях (например, раствор p–терфенила в толуоле), твердых кристаллических телах (NaI, стильбен), пластмассах (p–терфенил в полистироле) и аморфных средах (стекло).
474
4.2. Характеристики основных сцинтилляторов, применяемых в дозиметрии
По традиции начнём рассмотрение со щелочных галлоидных кристаллов. Все они имеют кубическую решётку. Для увеличения световыхода в кристаллы вводят активирующие добавки, чаще всего Tl. Световыход NaI(Tl) в шесть раз превышает световыход NaI. Монокристалл NaI(Tl) гигроскопичен, пары воды, оседая, разрушают кристалл, он приобретает коричневый цвет. Монокристалл с торца полируют, помещают в металлический корпус со стеклянным окном. Между боковой поверхностью кристалла и противоположным торцом засыпают мелкодисперсный порошок MgO, который служит отражателем света. Толщина засыпки ~2 мм. На корпус одевают крышку, которая должна обеспечить герметичность. Кристаллы NaI(Tl) используются для спектрометрии и радиометрии γ-излучения.
Другим распространённым кристаллом является CsI(Tl). Этот кристалл не гигроскопичен. Он несколько уступает NaI(Tl) по световыходу. Сцинтилляторы CsI(Tl) помещают в такие же корпуса, как и NaI(Tl), если они используются для спектрометрии или радиометрии ̴̶излучения. Тонкие кристаллы CsI(Tl) иногда применяют для спектрометрии α˗излучения. Избирательность регистрации α -частиц достигается различием во временах высвечивания.
Широкое распространение в радиометрии тяжёлых заряженных частиц приобрели сцинтилляторы на базе ZnS(Ag). Световыход такого сцинтиллятора больше, чем в два раза превышает световыход кристалла NaI(Tl). Однако не удаётся вырастить кристалл ZnS(Ag) большого размера. Они применяются в виде поликристаллических порошков, связанных прозрачным клеем, и добавок к пластическим сцинтилляторам. Кристаллы ZnS(Ag) имеют высокий коэффициент преломления и, как следствие, значительное внутреннее отражение света. Поэтому реальный световыход для внешнего потребителя будет значительно меньше физического. Сцинтилляторы из ZnS(Ag) нашли широкое применение для избирательной регистрации тяжёлых частиц на фоне γ-излучения. Они используются в α-радиометрах, радиометрах тепловых и быстрых нейтронов. Для целей дозиметрии γ- излучения ZnS(Ag) применяют в качестве добавок к органическим сцинтилляторам для улуч-
475
чистого полистирола, в который вводят активатор, например p−терфинил ( органическое вещество ароматического ряда), и сместители спектра свечения POPOP (1,4-ди(5-фенил)-2- оксазолилбензол). Полистирол – полимер с цепью, объединяющей атомы углерода. К каждому атому углерода присоединён атом водорода и бензольное кольцо: (C H )n. Пластмассовые сцинтилляторы недороги, допускают на стадии полимеризации введения добавок. Они не гигроскопичны, могут изготовляться как в виде плёнок, так и в виде массивных блоков. Промышленность выпускает различные пластмассовые сцинтилляторы, различающиеся световыходом и длительностью сцинтилляционной вспышки. В обычной практике чаще всего используют сцинтилляторы типа ППС-1.
Основными характеристиками сцинтилляторов являются времена высвечивания быстрого и медленного компонентов сцинтилляции, длина волны (или энергии фотонов) свечения, энергетический световыход.
Энергетический выход сцинтилляторов определён как отношение суммарной энергии всех фотонов сцинтилляции к энергии, потерянной заряженной частицей в сцинтилляторе. Погрешность определения световыхода достигает 20 %, и необходимо отметить зависимость световыхода реальных сцинтилляторов от технологии их изготовления. Поэтому приведённые в табл. 14.1 значения следует рассматривать как опорные оценки электрического сигнала сцинтилляционного дозиметра. Значение характеристического времени высвечивания медленных компонентов приведены для основных по интенсивности участков спада сцинтилляций, т.е. компоненты, время которых исчисляется секундами (неорганические кристаллы).
4.3. Сбор света и измерение сцинтилляционных вспышек
Фотоны света сцинтилляций гомогенно испускаются в пространство. Для увеличения светосбора применяют покрытие кристаллов светоотражающими составами. Для неорганических и органических кристаллов чаще всего используют упоминавшаяся засыпка из порошка MgO. Для пластмассовых сцинтилляторов ис-
477
пользуют покрытие специальной белой эмалью. Иногда используют полированные пластические сцинтилляторы, тогда светосбор улучшается за счёт эффекта полного внутреннего отражения. У длинных цилиндрических сцинтилляторов светосбор хуже.
Если сцинтиллятор имеет диаметр окна, превышающий размер ФЭУ, то применяют конические полированные световоды, в которых реализуется тот же эффект внутреннего отражения. Сцинтиллятор помещают на окно ФЭУ, используя иммерсионную среду, уменьшающую потери света из-за отражения от воздушного зазора. В качестве такой среды используют так называемый канадский бальзам, можно в ряде случаев применять даже вазелиновое масло и масло для диффузионных насосов. В настоящее время применяют готовые сцинтиблоки, в которых сцинтиллятор и фотоумножитель соединены в заводских условиях. Точная расчётная оценка светосбора затруднительна, приближённо можно считать, что на фотокатод собирается от 70 до 95 % света сцинтилляционных вспышек.
Сцинтилляции регистрируются фотоэлектронными умножителями (ФЭУ). ФЭУ – это сложный электронно-оптический вакуумный прибор. В стеклянном баллоне ФЭУ можно выделить три участка:
−катодная камера, состоящая из фотокатода и диафрагмы (моделирующие электроды);
−камера умножения электронов специальной системой электродов – динодов;
−анодная камера, в которой расположена пластина анода либо применён рефлекторный анод в виде сетки, расположенной между последним и предпоследним динодами. Последняя конструкция уменьшает роль объёмного заряда на последних участках умножения и тем самым позволяет получить большие коэффициенты умножения.
Катоды фотоумножителей – полупроводники, тончайшим слоем наносимые непосредственно на стекло или через промежуточный прозрачный слой металла (например, хрома). Слой металла позволяют работать при больших световых загрузках фотокатода. В ка-
честве полупроводниковых покрытий Cs Sb (сурьмяноцезиевый фотокатод) или CsNaKSb (мультищелочной катод). Максимум светочувствительности этих катодов приходится на 420 ÷ 450 нм. У мультищелочных катодов более широкая полоса чувствительности.
478
Интересно отметить, что человеческий глаз имеет максимум чувствительности при 555 нм (светло-зелёный цвет) и полоса чувствительности уже, чем у мультищелочных катодов. Диафрагма и катод образуют толстую электронно-оптическую линзу, фокусирующую поток электронов с фотокатода в отверстие диафрагмы и на последующий динод. Для некоторых типов ФЭУ (ФЭУ с фокусирующей системой динодов) напряжение между катодом–диафрагмой и первым динодом подбирается индивидуально, Для ФЭУ с жалюзной системой разность потенциалов между катодом и диафрагмой в два раза меньше, чем между динодами.
Поток электронов, пройдя диафрагму, падает на поверхность динода. Энергия падающих электронов равна разности потенциалов между катодом и первым динодом. (Конечно, энергия равна разности потенциалов, умноженной на заряд электрона, но в принятой системе он равен единице.) Диноды обычно покрывают Cs Sb или применяют сплавные диноды с малой работой выхода. В материале динода за счёт упругих и неупругих столкновений происходит размножение электронов, часть из которых выходит наружу. Коэффициент вторичной эмиссии возрастает почти линейно с ростом напряжения, а затем выполаживается. По мере продвижения по системе динодов поток электронов возрастает в геометрической прогрессии. Фокусирующая система динодов обеспечивает больший коэффициент умножения M при равных напряжениях, но менее устойчива к вибрации, к малым изменениям напряжения U, подаваемого на делитель ФЭУ, так как ~ ( – показатель степени, достигающий 5 ÷ 7). Обычный коэффициент умножения равен 105 ÷ 106. Фотокатод отечественных фотоумножителей характеризуется катодной чувствительностью ∑фк, выраженной в
мкА/лм, и спектральной чувствительностью ∑ (при длине волны 400 нм), выраженной в А/Вт. При подаче напряжения U и получают анодную чувствительность ФЭУ к потоку света от стандартного источника белого света, ∑ан (А/лм). Коэффициент умножения ФЭУ равен отношению ан/ фкк.
Одной из важнейших характеристик ФЭУ является его темновой ток и зависимость его от напряжения. Темновой ток можно представить тремя компонентами. При не очень больших напряжениях превалирует ток утечки по поверхности изоляторов к аноду. Действительно, все электроны ФЭУ имеют отрицательный потенциал,
479
а анод через резистор заземлён. За счёт тепла с поверхности фотокатода вырываются электроны термоэмиссии, они умножаются в системе динодов точно так же, как и электроны, рождённые сцинтилляцией. Вклад этого тока растёт с напряжением и становится преобладающим. При очень больших напряжениях возникают вторичные процессы: поток ионов остаточного газа выбивает электроны с фотокатода, объёмный заряд в области между последними динодами отталкивает часть электронов и, бомбардируя стеклянную колбу ФЭУ, вызывают флюоресценцию, свет которой передаётся на фотокатод и выбивает дополнительные электроны. Таким образом, существует диапазон напряжений, при которых отношение темнового тока к току сигнала остаётся постоянным. Этот диапазон измеряется сотнями вольт в современных ФЭУ и является рабочим участком для напряжения. Обычно при комнатной температуре темновой ток равен нескольким нА.
При регистрации отдельных сцинтилляций приходится иметь дело с импульсами шума. Их энергетический эквивалент связан с применяемым сцинтиллятором, его световыходом. Например, импульсы шума NaI(Tl) не превышают 3 ÷ 5 кэВ, для пластических сцинтилляторов они эквивалентны 20 ÷ 25 кэВ.
4.4. Дозиметрическое применение сцинтилляционных детекторов
Пренебрежем пока нелинейностью световыхода L. Пусть на торец цилиндрического сцинтиллятора диаметром d падает мононаправленный поток моноэнергетических фотонов с энергией E. Примем, что толщина сцинтиллятора h в несколько раз превышает пробег электронов. Тогда поглощенная энергия, преобразованная в свет, равна:
W = |
πd 2 |
ϕγ E L (1 − e− μh ) |
μen |
; |
(14.7) |
4 |
μ |
здесь – μen и μ коэффициенты передачи энергии и ослабления потока фотонов, соответственно.
Найдем значение плотности потока ϕγ из выражения поглощенной
дозы в биологической ткани (воды) (в условиях электронного равновесия):
480