4

ϕγ =	D	;
	0
	E μen0

где μ0en – линейный коэффициент истинного поглощения энергии фотонов в воде. Тогда

πd 2		D		μ	en	L (1− e	−μh	).
W = 4		0							(14.8)
		μen0		μ

Если μh < 1, то выражение в скобках можно разложить в ряд:

	πd 2		D0 μen			μh
W =		h		L 1	−		.	(14.9)
	4		0			2
			μen

Для средних энергий фотонов преобладает комптоновское рассеяние в биологической ткани и органическом сцинтилляторе, поэтому

μ		постоянно от 80 кэВ до нескольких МэВ,	πd	2
	en			h − либо объем
μen0			4

сцинтиллятора, если h дано в линейных единицах, либо масса, если h дано в массовых единицах г/см2. С уменьшением энергии μ растет и

выражение 1−	μh	уменьшается, кроме того,	μen	для органических
	2		μen0

сцинтилляторов также уменьшается.

Для улучшения ЭЗЧ предложены комбинированные сцинтилляторы. Пластический сцинтиллятор либо покрывается тонким слоем сцинтиллятора с большим значением Z, например ZnS(Ag), либо внутрь диспергируется тот же ZnS(Ag). На основе таких сцинтилляторов выпущено семейство измерителей мощности дозы: ДРГ3-01, ДРГ3-02, ДРГ3-04 и др. Относительные погрешности ЭЗЧ таких сцинтилляторов можно судить из таблицы экспериментальных данных

(табл. 14.2).

		Таблица14.2
Характеристики комбинированных сцинтилляторов
Сцинтиллятор	Диапазон	энергий, кэВ
	15 −3,000	30 − 3,000
		8 %
Пластик + покрытие ZnS(Ag), толщина 2 см	23 %
Пластик с диспергиров. ZnS(Ag),толщ. 2 см	40%	9%

481

Упомянем, что вклад от взаимодействия гамма-излучения с ФЭУ в

общий ток не превышает (1−3) %.

Отдельно следует упомянуть простейший сцинтилляционный радиометр с кристаллом NaI(Tl), предназначенный для поиска радиоактивных руд. Из-за высокой чувствительности и простой электронной схемы он пользуется популярностью как индикатор радиоактивности, но его нельзя применять в качестве дозиметра. Он регистрирует им-

пульсы, амплитуда которых выше уровня отсечки шума (13 ÷ 18) кэВ. Отношение скорости счета к мощности дозы непостоянно, что видно из табл. 14.3, где за единицу принято значение при энергии 840

кэВ.

							Таблица 14.3
	Отношение показаний			сцинтилляционного радиометра
	с кристаллом NaI(TL) к экспозиционной дозе
	15
E, кэВ		80		280	660	840		1250
/	0	14,2		4,4	1,25	1		0,56

В качестве регистратора тока применяют несложные электрометрические усилители постоянного тока. Ток на выходе ФЭУ может быть только оценен, так как велик разброс параметров ФЭУ:

	I = w εсв.сб. Σλ	Σа (u )	,	(14.10)
		Σфк

где w – мощность светоизлучателя, Вт; εсв.сб.– эффективность светосбора; Σλ – спектральная чувствительность фотокатода к свету, А/Вт,

обычно (2÷6)10-2; фк – чувствительность фотокатода к потоку света

от стандартного источника света, мкА/лм ( фк = 40 ÷200); а(u) – анодная чувствительность ФЭУ к потоку света от стандартного источника света, А/лм.

	Σа	5	6
Обычно при рабочих напряжениях на ФЭУ		= 10	÷10 .
	Σфл

Выше речь шла о регистрации среднего тока, когда отдельные импульсы интегрируются RC˗цепью, подключённой к аноду ФЭУ.

482

Рассмотрим другой подход. Будем регистрировать каждый импульс напряжения (или тока) от отдельных сцинтилляций. Примем ту же модель расчёта: на торец сцинтиллятора площадью S и толщиной h падает поток фотонов с энергией E. Пусть порог отсечки шума равен B в энергетических единицах. Тогда скорость счёта фотонов будет равна:

	= φ∙ ∙(1 − e )∙(1 −		.	(14.11)
Здесь		)
	предполагается преобладание комптоновского рассеяния и

возможность аппроксимации энергетического спектра электронов

равновероятным распределением от

0

до

=

,

.

зим через дозу в образцовом веществе: φ =

, ∙

. Тогда

=

∙

(1 − e

)(1−

).

(14.12)

При μ 1

, ∙

Ń =

).

(14.13)

Энергетическая зависимость, ∙ μ (1чувствительности−

будет равна

Ń ≈

∙ ∙

1 −

.

(14.14)

,∙

Сростом энергии фотонов ЭЗЧ возрастает, достигает максимума при ~ 2B, а затем монотонно уменьшается из-за возрастающей величины энергии, стоящей в знаменателе, и коэффициента ослабления μ, который также уменьшается с ростом энергии фото-

нов. Величина				слабо зависит от энергии в диапазоне от 60 до
2200 кэВ.	Поэтому в простейшем виде такой режим недопустим.
		μ	,

С целью расширения диапазона регистрации в область малых мощностей доз, что представляет интерес для мониторирования окружающей среды и жилищ, был разработан метод цифрового преобразования каждого импульса с ФЭУ. Вместо усреднения на ̶цепочкеимпульсы поступают на вход аналогового преобразователя. Коэффициент усиления усилителя подбирается таким, чтобы амплитуда импульсов шума была меньше порога срабатывания

483

АЦП. В простейшем случае от каждого импульса сцинтилляций получим серию импульсов, пропорциональную дозе. Коэффициент пропорциональности может быть найден в градуировочном эксперименте по эталонному источнику гамма-излучения.

4.5. Сравнение сцинтилляционных дозиметров с ионизационной камерой

Принципиальное различие методов дозиметрии состоит в следующем. В ионизационной камере преобразование энергии косвенно ионизирующего излучения в энергию заряженных частиц происходит, как правило, в стенке камеры. Образовавшиеся заряженные частицы (для фотонного излучения – это электроны) выходят в газовую полость и производят ионизацию газа. Полость может быть заполнена воздухом, метаном, этиленом, гелием и т.д. Возникший ток несёт информацию о поглощённой энергии в газовой полости и только пересчётом можно установить поглощённую дозу в стенке, что и интересует оператора.

В сцинтилляторе преобразование энергии первичного косвенно ионизирующего излучения в электроны и регистрация энергии вторичных электронов осуществляется в одном блоке вещества. Для определения поглощённой дозы в сцинтилляторе необходимо выполнить противоречивые условия. С одной стороны, сцинтиллятор не должен иметь очень большую толщину, чтобы пренебречь ослаблением потока фотонов при прохождении вдоль сцинтиллятора, с другой стороны, очень малые размеры сцинтиллятора приведут к утечке электронов из его объёма и будет возрастать вклад энергии электронов, приходящих из окружающей среды. Это неизбежно приведёт к труднооцениваемой погрешности.

Долгое время сравнение объёмов детекторов при регистрации малых мощностей доз было в пользу сцинтилляционных детекторов. Однако развитие твёрдотельных электронных схем, позволяющих регистрировать токи порядка 10-15 А, позволили серьёзно уменьшить габариты ионизационных камер и, с учётом размеров используемых ФЭУ, сделать их объёмы сопоставимыми.

Действительно, рассмотрим такой сценарий. Необходимо измерить мощность дозы, близкую к предельно допустимой для населе-

484

ния: 3,3	∙ 10	Гр/с. При использовании метрического усилителя,
допускающего измерение в			А, получим необходимый объём
ионизационной камеры − 110литр. При толщине стенки				1 см

~

тканеэквивалентного материала получим массу камеры ~ 700 г. Пусть сцинтиллятор изготовлен из пластмассы и имеет размер 40 40 мм, масса сцинтиллятора ~ 50 г. Оценки показывают, что при той же мощности дозы ожидаемый ток достигает 0,5 нА. Такая величина тока измерима на фоне темнового тока.

Если принять во внимание появление нового типа электроннооптического прибора, изобретённого в МИФИ, то возможен новый этап миниатюризации сцинтилляционных дозиметров и применения их в индивидуальной дозиметрии. Речь идёт о разработанных матрицах, состоящих из микронных лавинных кремниевых диодов. При попадании фотона света происходит срабатывание диода матрицы. Чем больше поток света, тем большее число диодов срабатывает, тем больший сигнал возникает на выходе устройства. Размеры такого ФЭУ − порядка кубического сантиметра. Но потребуется время для создания дозиметра с приемлемыми характеристиками.

Ионизационные камеры, будучи хорошо спроектированы и изготовлены, являются прямым средством измерения кермы (или поглощённой дозы). Сцинтилляционные дозиметры из-за разброса параметров ФЭУ и сцинтилляторов требуют индивидуальной калибровки в поле с известной мощностью дозы и периодической проверки стабильности показаний.

4.6. Дозиметрия β-излучения сцинтилляционными приборами

Электроны, составляющие основу β-излучения, являются прямо- -ионизирующими частицами. Электроны при распространении в веществе испытывают многократные акты упругого и неупругого рассеяния. По мере продвижения вглубь их энергия и плотность потока уменьшаются. Потери энергии на ионизацию и возбуждение атомов и молекул характеризуются линейной передачей энергии L,

=(L – отношение энергии dE, переданной веществу заряжен-

ной частицей вследствие столкновений на элементарном пути dl, к 485

длине этого пути; рекомендуемая размерность кэВ/мкм). Следует ещё раз отметить, что в отличие от тормозной способности вещества S в линейную передачу энергии не включаются потери на тормозное излучение.

Если предположить, что в вакууме на слой вещества толщиной менее десятой части пробега падает мононаправленный поток электронов с энергией ( ), то поглощённая доза будет равна

=∙ ( )∙ ( ),

где − размерный коэффициент, ρ − плотность вещества.

Если рассматривать реальный блок вещества, то глубинные дозы будут определяться первичным потоком электронов, энергия которых уменьшается с ростом глубины, многократно рассеянными электронами и отражёнными электронами от «заднего» про- стран-ства. Например, интегральное токовое альбедо электронов с энергией 0,2 МэВ от полубесконечного слоя тканеэквивалентного вещества составляет 6 % при нормальном падении и 26 % − при угле падения 60 град.. С увеличением начальной энергии альбедо уменьшается.

В качестве характеристики взаимодействия электронов с веществом выделяют, помимо линейной передачи энергии, средний и экстраполированный пробеги. Средний пробег электронов принято

выражать как = . Экстраполированный пробег определяют

экспериментально, экстраполируя линейную часть кривой поглощения к пересечению с осью глубин. Экстраполированный пробег может быть получен и путём расчётов распространения электронов в веществе. В мышечной ткани экстраполированные пробеги равны

2,18	см для 10 кэВ; 1,24			см − для 100 кэВ; 0,4 см − для 1
МэВ∙10;		∙10
1,07 − для 2,27 МэВ. Последнее значение соответствует мак-
симальной энергии электронов в -					.		-
Прохождение электронов,			составляющих		совокупность
			β спектре Y			про-
излучения,		гораздо сложнее.	Спектры эмиссии электронов			β

стираются от нуля до максимальной энергии, которая индивидуальна для каждого нуклида, для каждой ветви β-распада. Минимальное значение максимальной энергии присуще тритию – 18,61

кэВ (средняя энергия 5,71 кэВ). Sr, представляющий максималь486

ную опасность при попадании в организм, имеет максимальную энергию распада 546 кэВ, а среднюю – 196 кэВ. Его дочерний про-

дукт Y – 2874 и 928 кэВ соответственно. Вид распада определяется зарядом распадающегося нуклида, энергией распада и степенью запрета. В целом, с ростом распадающегося нуклида и с уменьшением максимальной энергии электронов наблюдается рост вклада электронов малых энергий.

В первом приближении прохождение мононаправленного пото-

ков β-частиц через слой вещества толщиной

может быть рассчи-

тано по эмпирической формуле

μ−

эмпирическая

( ) =

(0)∙

,

(14.15)

где

экспериментально

константа,

полученная

или

представлена как массовый ко-

расчётно. Обычно величина

эффициент ослабления,

Наилучшее согласие с эксперимен-

μ

как функции средней энергии

том достигнуто при

представлении

см ⁄г.

μ

β-спектра (

):

μ = (8,6 ±0,6)

∙

,

,

(14.16)

где Z и A – атомные номер и вес среды соответственно. Вспомним, что поглощённая доза – отношение средней погло-

щённой энергии ионизирующего излучения в элементарном объёме к массе вещества в этом объёме. Какой размер объёма считать элементарным? Таким размером может быть малая доля от величины

1 μ, трактуя её по аналогии с γ-излучением, каксредний пробег β-частиц. Например, при средней энергии β-частиц 0,2 МэВ для

полистирола (C H ) значениеμ равно 34,2 см г Величина объёма могла бы в этом случае характеризоваться значением ~ 0,003 г см

или при плотности 1 г см ~ 30 мкм, что соответствует среднему

пробегу электронов с энергией 40 кэВ. В сцинтилляционных детекторах с пластмассовым сцинтиллятором уровень шума соответствует энергии ~ (20 ÷25) кэВ. Поэтому при регистрации импульсов будут велики потери информации из-за дискриминации шумов. С ростом энергии электронов сигнал будет возрастать, а затем

вновь уменьшаться, так как

медленно уменьшается вплоть

487

до (1 ÷				2)	МэВ. В минимуме значение
			,		0,003
(		)		а потерянная энергия в слое полистирола= 1,79 МэВ∙
будетг		равна 5,4 кэВ, что ниже порога дискриминации. Если гплот-
ность потока					то-
	см				частиц достаточно велика, можно применитьсм
ковое включение−ФЭУ, но при этом ток от регистрации β-частиц

должен быть больше или сравним с темновым током.

Из всего сказанного выше следует, что проблема применения сцинтилляционных детекторов в дозиметрии β-излучения простыми способами не решается. Нужны более сложные технические приёмы, возможно схемы совпадений, управляющих трактом накопления амплитуд импульсов (в цифровой форме).

В радиационной безопасности существует еще одно понятие поглощённой дозы – это доза в ткани или органе, ., равная отношению поглощённой энергии в органе к его массе.

Бета̴̶излучениевнешних источников создаёт в основном поверхностное поражение тела, связанное с воздействием на кожу и прилегающие к ней ткани. В Публикации № 59 МКРЗ [11] отмечается: «В ситуациях, где на кожу воздействует слабопроникающее излучение, доза в эпидермисе может быть настолько больше дозы в дерме, что риск рака превышает риск детерминированных эффектов. В таких случаях дозу нужно определять на глубине 20 ÷ 100 мкм (2,0 ÷ 10 мг см )». Для предсказания детерминированных эф-

фектов доза должна быть оценена в верхней части дермы на глу-

бине между 300 и 500 мкм, т. е. (30 ÷ 50) мг см .

Принято считать, что наружная поверхность кожи толщиной 5 мг см является не радиационно чувствительным ороговевшим

слоем. Поэтому в Методических указаниях «Дозиметрический контроль внешнего профессионального облучения» [12] предписывается: чувствительная область детектора должна иметь толщину 50 мкм (5 мг/см2) и находиться за тканеэквивалентным экраном также 5 мг/см2. Средняя глубина от поверхности тела для определения дозы – 7 мг/см2.

Другим органом, который может быть подвержен воздействию β-частиц, является хрусталик глаза. В соответствии с усреднённым анатомическим строением толщина экрана, прикрывающая дози-

488

метр составляет 3 мм, а чувствительная часть дозиметра должна иметь толщину (0,5 ÷0,8 ) мм, т. е. (50 ÷ 80) мг/см2.

В радиационной безопасности пользуются понятием эквивалентной дозы, которая в силу равенства единицы взвешивающего радиационного коэффициента для электронов не будет отличаться от поглощённой дозы в органе.

На рис 14.3 представлены рассчитанные значения эквивалентных доз мононаправленного единичного потока моноэнергетических электронов в коже на глубине (5 ÷ 10) мг/см2 и хрусталике глаза от 350 до 380 мг/см2. Максимальную дозу (1661 пЗв) в коже создают электроны с энергией 100 кэВ, а затем доза уменьшается до (312 ÷ ÷271) пЗв для электронов в диапазоне от 1 до 10 МэВ. В хрусталике глаза максимум дозы приходится на энергию 1,5 МэВ и составляет 524 пЗв, при увеличении энергии электронов эквивалентная доза уменьшается до 303 пЗв при энергии 10 МэВ.

По требованию упомянутых выше Методических указаний диаметр дозиметра для измерения доз открытых участков кожи не должен превышать 4 см. В качестве примера примем диаметр пластмассового детектора равным 2 см, тогда масса детектора составит ~ 1,72·10-5 кг. Принимая относительный световыход 0,017, полный светосбор, спектральную чувствительность 4·10-2 А/Вт и коэффициент усиления 2·106, получим, что ток на выходе ФЭУ, создаваемый единичной плотностью потока электронов с энергией 100 кэВ, будет равен 1,3·10-10 А, а электронами с энергией 1,0 МэВ

– 2,5·10-11 А. Ожидаемый темновой ток ФЭУ − 2·10-9. Для создания тока, равного темновому, потребуется плотность потока не менее 15 см-2·с-1 при энергии 100 кэВ и 80 см-2·с-1 − при энергии 1 МэВ.

489

	1800
	1600
HS/Ф; 1400		1
HL/Ф,	1200
пЗв×см2
	1000
	800
	600	2
	400
	200
	0
	0,05	0,5E, МэВ	5
Рис. 14.3. Эквивалент дозы (на единичный флюенс электронов): 1 – на глубине 70
	мкм в коже; 2 – в хрусталике глаза, 3мм

Следует отметить, что значения допустимых доз на кожу существенно превосходят допустимую дозу на весь организм. Допустимая среднегодовая плотность потока для профессионалов составляет 50 см-2·с-1 при энергии электронов 100 кэВ и 0,60 см-2·с-1 − при энергии 1 МэВ.

Таким образом, для значимых уровней облучения ток ФЭУ от сцинтиллятора будет сравним или немного превосходить темновой ток и сцинтилляционный детектор вполне может быть применён для целей дозиметрии бета˗излучения̶ . Использование двух экранов толщиной 5 мг/см2 и 30 мг/см2 позволит оценивать дозы, ответственные за стохастические и детерминированные последствия облучения. За экранами и сцинтилляторами должен располагаться световод из органического материала толщиной не менее 1 см, эмитируя бесконечное для электронов тканеэквивалентное пространство. Однако следует тщательно подобрать состав световода, минимизируя выход мешающей флюоресценции.

490