Ионизационные дозиметрические детекторы

15. ИОНИЗАЦИОННЫЕ ДОЗИМЕТРИЧЕСКИЕ ДЕТЕКТОРЫ

15.1. Ионизационные камеры

Ионизационные камеры позволяют производить весьма разнообразные измерения. В силу того, что ток в камере связан однозначно с первичной ионизацией в газовом объёме, ионизационные камеры используют для обнаружения и измерения радиоактивности, при исследовании космических лучей, пучков в ускорителях и при идентификации частиц (плотность ионизации зависит от типа частиц). Средняя энергия, необходимая для образования ионной пары, практически не зависит от природы и энергии частиц, поэтому с помощью ионизационных камер можно измерять энергии частиц. Для увеличения плотности ионизации и тока камеры наполняют газом под большим давлением вплоть до десятка атмосфер. Временное разрешение достигает 10^-6 с. Геометрия ионизационных камер выбирается в зависимости от применения. Имеются плоские ионизационные камеры, состоящие из двух плоскопараллельных пластин, между которыми образуется однородное электрическое поле. В цилиндрических камерах анодом служит центральный электрод, внешний проводящий цилиндр выполняет функцию катода.

Рассмотрим процесс формирования тока в ионизационной камере. Предположим, что в поле излучения постоянной интенсивности в единице ионизационного объёма между электродами камеры в единицу времени образуется q пар ионов и все эти ионы под действием электрического поля достигают электродов. Тогда ионизационный ток в установившемся режиме, т.е. ток насыщения, равен

где е – заряд электрона (заряд однократно ионизированного атома или молекулы); V – ионизационный объём камеры.

В поле излучения постоянной интенсивности ток насыщения i₀ имеет простую связь с мощностью дозы излучения Р_Г в ионизационном объёме камеры:

,

где r_Г – плотность газа в камере; W – средняя энергия ионообразования для газа в камере. (В дальнейшем, если не будет оговорено особо, предполагается, что ионизационная камера заполнена воздухом.)

Рекомендуемые материалы

Умножив обе части равенства  на время облучения t, имеем

,                                                                             

где Q₀ – полный заряд, образованный в камере за время t, D_Г – доза излучения в газе камеры.

Из уравнения следует, что ток насыщения в ионизационной камере пропорционален мощности дозы, а полный заряд, образованный за некоторое время, пропорционален дозе, накопленной за это же время. Эти особенности ионизационных камер и предопределили их использование в дозиметрии.

Одним из важнейших применений ионизационных камер является измерение экспозиционных доз g-облучения. Для этих целей идеально подходит ионизационная камера с воздушным заполнением, ибо в экспозиционная доза определяется по ионизационному заряду, создаваемому в сухом воздухе. При определённых условиях измеряемый ионизационный ток будет показывать экспозиционную дозу. Задача эта, однако, не такая простая, как может показаться на первый взгляд, потому что необходимо учитывать все ионизационные заряды, создаваемые всеми вторичными электронами, возникшими в данном объёме. Поскольку длина пробега вторичных электронов в воздухе достигает нескольких метров, то при прямой реализации данного метода потребовалась бы камера недопустимо больших размеров. Эта проблема обходится введением принципа компенсации, который предполагает, что при равномерном облучении выделенного объёма воздуха и очень большого окружающего объёма количество электронов, ушедшее из выделенного объёма, равно количеству электронов, поступивших в него извне, и заряд можно мерить только в выделенном объёме. Ионизационные камеры работают как в режиме постоянного тока, так и в импульсном режиме.

15.2. Напёрстковые ионизационные камеры

Полостными или напёрстковыми камерами называются маленькие камеры, ионизационный объем которых окружен твердой стенкой. Ионизационный объем играет роль газовой полости, а стенка — твердой среды, окружающей полость. Обычно стенка является одним из электродов камеры. Камеры, у которых стенки и газ имеют одинаковый атомный состав, называются гомогенными. В соответствии с формулой Брэгга — Грея наперстковые камеры по измеренному току насыщения позволяют определить поглощенную дозу в материале стенки и при определенных условиях — экспозиционную дозу. Рассмотрим основные закономерности напёрстковых камер.

Камеру можно использовать для измерения мощности дозы только в том случае, если ее чувствительность по мощности дозы можно считать не зависящий от энергии фотонов измеряемого излучения.

Материалы (вещества), имеющие одинаковый с воздухом эффективный атомный номер, называются воздухоэквивалентными материалами (веществами).

При измерении мощности экспозиционной дозы камеры с воздухоэквивалентными стенками не имеют энергетической зависимости чувствительности.

Если напёрстковую камеру поместить в поле излучения в вакууме и изучать зависимость ионизационного тока от толщины стенок, то при нулевой толщине стенки ток обусловлен только теми электронами, которые высвободились в газовом объеме. По мере увеличения толщины стенок повышается вклад в ионизацию электронов, освобожденных фотонами в материале стенки, и ток растет. Увеличение тока будет продолжаться до тех пор, пока толщина стенки не станет равной пробегу в материале стенки самых быстрых электронов, что обеспечивает электронное равновесие около ионизационного объема камеры; соответствующая толщина стенки называется равновесной. При дальнейшем увеличении толщины стенки будет сказываться ослабление излучения и ток будет уменьшаться.

На практике между источником и камерой обычно имеются различные материалы (воздух, экраны, стенки препарата и т. п.), из которых электроны могут попасть в ионизационный объем камеры при недостаточной толщине ее стенок.

Определяя роль материала стенки, заметим, что чувствительность камеры зависит от материала стенки. Коэффициент передачи энергии имеет разную зависимость от Z для различных эффектов взаимодействия: для «чистого» комптон-эффекта он от материала стенки не зависит, для фотоэффекта и эффекта образования пар - растет с увеличением Z, причем при фотоэффекте темп роста быстрее, чем при эффекте образования пар. Тормозная способность вещества очень слабо уменьшается с увеличением атомного номера Z.

Таким образом, чувствительность камеры увеличиваются с ростом атомного номера материала стенки, но характер роста зависит от энергии фотонов.

Для гомогенной камеры (атомный состав газа и стенок одинаков) формула Брэгга — Грея справедлива при любом объеме камеры; ток насыщения будет строго пропорционален объему при постоянном давлении и пропорционален давлению при постоянном объеме.

Для негомогенной камеры одним из необходимых условий выполнения формулы Брэгга — Грея является ионизационный объем, при котором можно пренебречь ионизацией, обусловленной электронами, освобожденными в газе, наполняющем объем. Другими словами, чем меньше объем при постоянном давлении или чем меньше давление при постоянном объеме, тем точнее выполняется формула Брэгга-Грэя. В пределах выполнения этого соотношения ионизационный ток насыщения пропорционален объему при постоянном давлении и пропорционален давлению при постоянном объеме для любого состава газа.

15.3. Конденсаторные ионизационные камеры

Камеры, принцип работы которых основан на разрядке емкости, называются конденсаторными. Система из двух электродов, разделенных высококачественной изоляцией, заряжается внешним источником напряжения до начальной разности потенциалов U₀. В поле ионизирующего излучения разность потенциалов уменьшается вследствие осаждения на электродах ионов, образованных в газовом объеме. Изменение электрического потенциала одного из электродов камеры относительно другого и служит мерой дозы излучения.

Чувствительность тем выше, чем больше объем камеры и чем меньше ее электрическая емкость.

При импульсном облучении конденсаторных камер следует различать два случая: разрядка камеры обусловлена серией малых импульсов ионизации или одним большим импульсом.

Конденсаторные камеры находят широкое применение в индивидуальных дозиметрах. Предварительная зарядка камер осуществляется от отдельного источника напряжения. Разность потенциалов после облучения измеряют либо на отдельном измерительном пульте, либо с помощью специального электрометра, вмонтированного в корпус камеры.

15.4. Счётчики Гейгера-Мюллера

Чтобы оценить возможность применения газоразрядных счетчиков в дозиметрии фотонного излучения, необходимо установить связь между скоростью счета и мощностью дозы.

Применимость того или иного счетчика для дозиметрии определяется зависимостью чувствительности от энергии фотонов: чем сильнее эта зависимость, тем менее благоприятно применение счетчика. Если толщина катода счетчика больше пробега электронов в материале катода, то «действующей» толщиной катода будет слой, равный пробегу электронов. Только из этого слоя электроны могут попасть в чувствительный объем счетчика и вызвать разряд. Для каждого эффекта взаимодействия будет своя действующая толщина, поскольку при разных эффектах освобождаются электроны с разной максимальной энергией.

В общем случае чувствительность сложным образом зависит от энергии фотонов; точное определение этой зависимости связано с определенными трудностями. Энергетическая зависимость, однако, не очень велика, что позволяет в частных случаях подобрать подходящее значение, одинаковое для всех эффектов.

Обычные промышленные счетчики имеют значительную зависимость чувствительности от энергии фотонов в области сравнительно низкоэнергетического излучения (до 0,6 МэВ). Лишь в узком интервале энергий с достаточной для практики точностью сохраняется пропорциональность между показаниями счетчика и мощностью дозы.

Градуировку приборов со счетчиками надежнее производить по излучению такого спектрального состава, который близок к измеряемому. Экспериментально можно подобрать такой материал катода и такую его толщину, которые обеспечили бы минимальную зависимость чувствительности счетчика по мощности дозы от энергии фотонов. Возможно, что наилучшие результаты можно получить со слоистым катодом.

Дополнительные фильтры обеспечивают практически постоянную чувствительность бета-счетчика по интенсивности в диапазоне энергий 150 кэВ…2 МэВ. Эти счетчики можно использовать для измерения мощности дозы в том диапазоне энергий.

Малогабаритные тонкостенные счетчики с дополнительными фильтрами успешно применяют в качестве точечных детекторов излучения с постоянной чувствительностью в широком энергетическом диапазоне.

Преимуществом счетчиков по сравнению с камерами является их большая чувствительность при небольших габаритах. Так, при мощности экспозиционной дозы 0,8 мкР/с в напёрстковой камере объемом 1 см³ ток насыщения будет менее 10^–15 А. Точно измерить такой малый ток можно только в лабораторных условиях.

15.5. Сцинтилляционные дозиметры

У дозиметров, основанных на сцинтилляционном методе измерений, чувствительность чаще всего растет с уменьшением энергии фотонов и при нескольких десятках килоэлектрон-вольт достигает максимума, а затем падает с уменьшением энергии, как, например, у использовавшегося для целей дозиметрии при ликвидации последствий Чернобыльской катастрофы геологоразведочного прибора СРП-68-1. В его рабочем диапазоне энергий отношение наибольшего значения чувствительности к наименьшему (ход с жёсткостью) составляет 14/0,55=25,5. В более широком диапазоне энергий эта величина достигает 1000. Такое поведение чувствительности приводит к тому, что g-излучение в нижней части энергетического спектра даёт завышенное значение поглощённой энергии, в верхней части (после 662 кэВ) – заниженное. Ход с жёсткостью сцинтилляционных детекторов можно компенсировать с помощью выравнивающих фильтров, как и в случае газонаполненных и плёночных детекторов, однако в современных дозиметрах применяется более эффективное средство – компьютерная коррекция, которая использует априорную информацию об энергетических спектрах излучения существующих радионуклидов, которые могут встречаться на практике.

Суть компьютерного метода коррекции хода с жёсткостью состоит в следующем. Поскольку энергия гамма-квантов, испускаемых каждым конкретным изотопом, известна, то можно поочередно измерить положение фотопиков каждого радионуклида, которые подобраны таким образом, чтобы они попадали в каждое окно, на которое разбит рабочий диапазон энергий прибора. А затем обеспечить коррекцию в каждом окне, умножив измеренное значение на корректирующий коэффициент, что перемещает измеренное с ходом с жёсткостью положение фотопика в требуемое место энергетической шкалы прибора.

15.6. Влияние энергетической зависимости чувствительности на       точность дозиметрических измерений

Энергетическая зависимость дозиметров является одним из существенных источников нормируемой дополнительной погрешности. Дополнительная погрешность от ионизирующих излучений, сопутствующих фотонному, как правило, не нормируется. Необходимо подчеркнуть, что именно различная энергетическая зависимость измерителей мощности экспозиционной дозы и различное влияние сопутствующих излучений в определенных условиях может приводить к значительному расхождению показаний дозиметров разных типов.

В широко применяемых дозиметрах чаще всего используются детекторы, основанные на ионизационном и сцинтилляционном принципах измерений. У дозиметров с ионизационными камерами и газоразрядными счетчиками чувствительность, как правило, падает с уменьшением энергии фотонов. Такие дозиметры, отградуированные по g-излучению ⁶⁰Со, при нескольких десятках килоэлектрон-вольт (область, в которой накапливается рассеянное излучение) могут занижать показания в два раза.

У дозиметров, основанных на сцинтилляционном методе измерений, чувствительность чаще всего растет с уменьшением энергии фотонов и при нескольких десятках килоэлектрон-вольт достигает максимума, а затем падает с уменьшением энергии. Характер изменения чувствительности термолюминесцентных индивидуальных дозиметров зависит от вида люминофора и конструкции применяемой кассеты. Может наблюдаться как рост, так и падение их чувствительности при уменьшении энергии фотонов.

Чтобы исключить различное влияние b-излучения на показания дозиметров, необходимо, чтобы дозиметры либо имели одинаковую радиационную толщину, либо были нечувствительны к b-излучению.

15.7. Полупроводниковые дозиметры  

Применение полупроводников в качестве дозиметрических детекторов основано на их способности регистрировать ионизирующие частицы. Полупроводник в качестве счетчика элементарных частиц выступает как аналог импульсной ионизационной камеры, но в основе работы счетчика лежит ионизация атомов твердого тела. По сравнению с газовыми ионизационными детекторами полупроводниковые счетчики имеют особенности, которые определяют их преимущества и недостатки, и возможность использования для дозиметрии.

Использование полупроводниковых детекторов собственно в дозиметрии для измерения экспозиционной и поглощенной доз ограничено заметной зависимостью дозовой чувствительности от энергии излучения. Несмотря на аналогию с ионизационной камерой по механизму действия, в дозиметрическом отношении полупроводниковые детекторы, скорее, похожи па сцинтилляционные детекторы в режиме счетчика. Теоретический анализ зависимости измеряемого сигнала от поглощенной энергии не даёт простого и надежного способа компенсации энергетической зависимости чувствительности. Тем не менее, малые габариты, возможность создания практически точечных дозиметров с малым напряжением питания делают полупроводниковые детекторы незаменимыми в клинической дозиметрии и радиобиологических исследованиях, где требуются внутриполостные измерения.

Принципиальный недостаток полупроводниковых дозиметров – неопределенность в величине чувствительного объема. В уже изготовленном дозиметре можно измерить чувствительный объём, однако, во-первых, этот объем зависит от условий эксплуатации (например, от смещения) и, во-вторых, практически можно изготовить дозиметр с точно заданными размерами чувствительной области. Зависимость размера чувствительной области от обратного смещения позволяет изменять чувствительность дозиметра к различным видам излучения изменением напряжения.

Полупроводниковый детектор с р–n-переходом в счетном режиме аналогичен импульсной ионизационной камере. Есть, однако, существенные различия.

- Во-первых, число носителей заряда, образованных ионизирующей частицей в веществе полупроводника, может оказаться сравнимым с флуктуациями числа носителей, обычно присутствующих в чувствительном объёме; возникает проблема шума (собственного фона), который практически отсутствует при работе с обычными ионизационными камерами.

- Во-вторых, чувствительная область детектора, как правило, не распространяется на весь объем полупроводника.

Когда ионизирующая частица проходит через чувствительную область перехода, вновь образованные носители заряда уносятся электрическим полем на электроды за время, исчисляемое долями микросекунды. Чтобы быть зарегистрированной, ионизирующая частица не обязательно должна создавать заряды непосредственно в чувствительном объеме. Дополнительные носители зарядов, созданные в пределах диффузионной длины от чувствительного слоя, могут в результате диффузии попасть в обедненную зону и создать ионизационный импульс. Время, которое для этого требуется, составляет несколько миллисекунд. Фактическая возможность регистрации частиц, не попавших в чувствительную область, определяется постоянной времени системы. Постоянную времени выбирают из оптимальных условий по отношению к эффекту фона, обычно она составляет 0,1…1 мкс, что значительно меньше времени диффузии; в этом случае на электроды собираются преимущественно заряды, непосредственно образованные в чувствительном слое.

При облучении полупроводника фотонами вторичные электроны будут создаваться во всем объеме детектора. При пересечении ими чувствительной области возникают электрические импульсы, которые могут быть зарегистрированы либо с учетом, либо без учета их амплитуды. Амплитуда импульса пропорциональна числу зарядов в чувствительном слое.

Наличие фоновых носителей заряда не позволяет регистрировать частицы, производящие малую ионизацию. Для улучшения соотношения эффект/шум необходимо отсечь импульсы ниже определенной величины. Тогда регистрироваться будут все импульсы выше некоторого уровня дискриминации.

Полупроводниковые детекторы с (р–п)-переходом применяют для целей дозиметрии без приложения внешнего напряжения. При отсутствии радиационного воздействия диффузионный потенциал обеспечивает равновесное состояние в области перехода; при этом, как мы знаем, заряды двойного слоя создают запорное электрическое поле. Возникающие под действием излучения дополнительные носители заряда перемещаются в этом поле: электроны – из р-области в n-область, а дырки – из n-области в р-область. При разомкнутой внешней цепи это приводит к снижению диффузионного потенциала, что может быть зарегистрировано. В режиме короткого замыкания возникающий в цепи ток пропорционален скорости образования электронно-дырочных пар, т.е. мощности дозы излучения в материале детектора. Условия короткого замыкания требуют, чтобы сопротивление внешней цепи было много меньше внутреннего сопротивления; это надо учитывать при выборе способа измерения тока короткого замыкания.

Кремниевые дозиметрические детекторы без внешнего источника напряжения, работающие в режиме короткого замыкания, успешно применяют в радиационной медицине. Миниатюрность и электрическая безопасность делают их пригодными для внутриполостных измерений.

Выпускаемые промышленным способом кремниевые pin-диоды могут использоваться как компактные дозиметры для определения индивидуальных доз. По сравнению с пассивными приборами, в которых используется рентгеновская плёнка или термолюминесцентные вещества, полупроводниковые детекторы позволяют производить непрерывный отсчёт в реальном масштабе времени. По сравнению со счётчиками Гейгера-Мюллера, также обладающими такой возможностью, полупроводниковые дозиметры более компактны и механически более прочны.

Подверженный облучению рентгеновским или гамма-излучением, кремниевый диод вырабатывает импульсы за счёт вторичных электронов, создаваемых либо в активном объёме диода, либо попадающих туда из окружающих его материалов. В идеале один отсчёт, зарегистрированный диодом, должен представлять единицу экспозиции независимо от энергии гамма- или рентгеновского фотона. Реальное поведение кремниевого диода сильно отличается от идеального представления, поскольку вероятность регистрации события не столь однозначно связана с дозой, поставляемой каждым поступающим фотоном. Выраженная в единицах отсчётов/мР чувствительность типового диода падает на несколько порядков при изменении энергии падающего излучения в диапазоне кэВ…МэВ. Если дозиметр используется в случае широкого спектра энергий падающего излучения и далеко от области калибровки, возможны значительные погрешности.

При использовании кремниевых диодных детекторов для дозиметрических целей, помимо простого счётного режима, возможно использование и других режимов регистрации. Так как атомный номер кремния (Z = 14) мало отличается от эффективного атомного номера мягкой ткани, процессы преобразования энергии гамма-квантов в энергию электронов идут примерно одинаково в обеих этих средах. Отличие массового коэффициента поглощения для кремния не превышает 10 % в интервале энергии 150 кэВ…1 МэВ. Поэтому результаты измерения отклика кремниевого диода в токовом режиме являются хорошим приближением для оценки дозы, получаемой мягкой тканью от таких же фотонов. Более высокую чувствительность по сравнению с работой в токовом режиме можно получить, если с помощью соответствующей электроники проводить весовую обработку импульсов в соответствии с энергетической зависимостью чувствительности так, чтобы суммарный сигнал был пропорционален поглощённой дозе.

Полупроводниковые диодные детекторы используются также в индивидуальных дозиметрах нейтронного излучения. Для этой цели они снабжаются конверторами из ⁶Li, ¹⁰B, ¹⁵⁷Gd, вступающими в реакции с медленными нейтронами с выделением a-частиц, которые и регистрируются кремниевыми диодами. Использование водородсодержащих конверторов типа тонких полиэтиленовых плёнок расширяет диапазон энергий регистрируемых нейтронов до области быстрых нейтронов за счёт регистрации протонов отдачи. Если необходимо регистрировать нейтроны в суммарном диапазоне, в одном дозиметре используют совместно два диодных детектора с конверторами обоих типов. Взвешенная сумма их выходных сигналов позволяет оценить вариации вклада флюенса в поглощённую дозу. В идеале такой комбинированный дозиметр может иметь отклик, пропорциональный их вкладу в эффективную дозу, и поэтому может использоваться в случаях недостаточности или полного отсутствия знаний о спектре энергии нейтронов.

15.8. Люминесцентные методы

В последние годы быстрое развитие получили методы дозиметрии, основанные на использовании физических явлений, происходящих в твердых телах под действием ионизирующих излучений. Эта область в зарубежной практике стала называться дозиметрией с помощью твердых тел (solid state dosimetry). Хотя имеется большое число твердых веществ, реагирующих различным образом на воздействие излучений, к указанной области дозиметрии обычно относят методы, основанные на явлениях радиофотолюминесценции, радиотермолюминесценции и применении полупроводниковых детекторов. Сюда не относят методы, основанные на применении сцинтилляционных счетчиков.

Под люминесцентными методами дозиметрии принято понимать методы, основанные только на радиофотолюминесценции и радиотермолюминесценции.

Сущность метода заключается в том, что образованные в люминофоре под действием ионизирующего излучения носители заряда (электроны и дырки) локализуются в центрах захвата, вследствие чего происходит накопление поглощенной энергии, которая может быть затем освобождена при дополнительном возбуждении. Дополнительное возбуждение может быть вызвано либо освещением люминофора определенным участком спектра света, либо нагревом. Наблюдаемые при этом оптические эффекты могут служить мерой поглощенной энергии. Примерами таких эффектов могут быть собственно люминесценция, окрашивание люминофора, деградация люминесценции (уменьшение люминесценции, которой обладает необлученный люминофор).

Хотя явление люминесценции известно с древних времен, механизм его был изучен лишь в 20-го века. Решающее значение в развитии теории люминесценции имели работы советских ученых С. И. Вавилова и В. Л. Левшина.

Дозиметрические методы, основанные на явлениях люминесценции, были предложены в 50-х годах 20-го века. Особое взимание первоначально было сосредоточено на термолюминесцентном методе, в развитие которого существенный вклад внесли советские ученые В. В. Антонов-Романовский, Ч. Б. Лущук, И. Б. Кеирим-Маркус.

Радиофотолюминесценция. Два вида люминесценции получили признание в качестве основы для развития методов дозиметрии ионизирующих излучений: радиофотолюминесценция и радиотермолюминесценция.

Материалы, представляющие интерес в качестве дозиметрических люминофоров, являются твердыми изоляторами с широким диапазоном оптической прозрачности. В качестве примера можно указать щёлочно-галогенидные соединения (NaCl, LiF и т.п.), обладающие простым составом и кристаллической структурой. Они состоят из двух взаимопроникающих кубических решеток, содержащих щелочные и галогенидные ионы.

Идеальный кристалл состоит из чередующихся положительных щелочных и отрицательных галогенидных ионов. Реальные кристаллы, однако, содержат различные структурные дефекты. Один из возможных дефектов щёлочно-галогенидных кристаллов – отсутствие положительных и отрицательных ионов (вакансий) в тех местах, где они должны были бы быть в идеальном кристалле. Эти вакансии случайным образом расположены в кристаллической решетке, и в чистом кристалле число положительных и отрицательных вакансий равно между собой. Последнее вытекает из условия, что кристалл в целом является электрически нейтральным.

Другим видом возможных дефектов является смещение положительных или отрицательных ионов из нормального положения в кристаллической решетке и закрепление их в необычном промежуточном положении. В этом случае ион оставляет соответствующую вакансию.

Наличие подобных дефектов приобретает особое значение при действии на кристалл ионизирующего излучения.

Центры, образованные в результате захвата дефектами решетки электронов и дырок, влияют па оптические свойства кристаллов. Например, центр, состоящий из электрона, захваченного галогенидно-ионной вакансией, способен поглощать часть спектра видимого света и тем самым изменять цвет кристалла. Такие центры часто называют – центрами окраски.

Специфические центры с захваченными дырками – образуются в результате облучения щелочногалогенидных кристаллов при очень низких температурах. Полоса поглощения центра находится вблизи ультрафиолетовой области.

Переход центра из возбужденного состояния в основное может происходить без излучения (безрадиационный переход), с испусканием света (люминесценция) или путем комбинации этих двух процессов. Так, если стабильные центры создаются ионизирующим излучением, то они могут проявлять себя как центры люминесценции при возбуждении светом определенной частоты. Это явление и называется радиофотолюминесценцией. Таким образом, радиофотолюминесценция происходит тогда, когда под действием ионизирующего излучения в кристалле создаются новые центры фотолюминесценции.

Описанный процесс радиофотолюминесценции можно объяснить с помощью зонной теории.

Рассмотренный механизм радиофотолюминесценции в чистом щелочно-галогенидном кристалле поясняет принцип работы радиофотолюминесцентных дозиметров (ФЛД): при поглощении ионизирующего излучения образуются F-центры; концентрацию центров, пропорциональную дозе, можно определить измерением либо поглощения света, либо люминесценции.

Чистые щелочно-галогенидные соединения не годятся для применения в качестве дозиметрических систем. Положение, однако, меняется, если щелочно-галогенидые соединения содержат определенные химические добавки в виде твердого раствора. Ионы серебра Ag+, например, существенно улучшают люминесцентные свойства кристаллов.

До облучения кристалл, активированный серебром, прозрачен для ультрафиолетового света. Следовательно, при освещении светом со спектром, близким к ультрафиолетовой области, не может возникнуть и люминесцентное возбуждение. После воздействия ионизирующим излучением возникают полосы поглощения вблизи ультрафиолетовой области, обусловленные образованными в результате облучения центрами, содержащими атомы и ионы серебра. Последующее облучение ультрафиолетовым светом приводит к тому, что некоторые из этих центров вызывают видимую люминесценцию.

Помимо щелочно-галогенидных кристаллов радиофотолюминесцентными свойствами обладают активированные серебром фосфатные стекла, применяющиеся для целей дозиметрии.

Дозиметрические стекла специфически реагируют на кратковременное воздействие ионизирующим излучением: сразу после облучения увеличивается интенсивность радиофотолюминесценции (эффект накопления), а затем наблюдается ее затухание. Кинетика процесса зависит от температуры, основного состава стекла и концентрации серебра в стекле.

Подчеркнем следующие характерные черты этого процесса:

1) спектр люминесценции обусловлен центрами, состоящими из положительно заряженных атомов серебра, нейтральных атомов и сложных конгломератов. Эти центры создаются под действием ионизирующего излучения с участием первоначально инкорпорированных ионов Ag⁺;

2) созданные таким образом люминесцентные центры не разрушаются в процессе измерения люминесценции. Они только возбуждаются под действием измерительного света и затем люминесцируют. Эта процедура может повторяться неоднократно.

В качестве радиофотолюминесцентных детекторов практическое значение для целей дозиметрии имеют только неорганические материалы, активированные серебром. Однако применение неорганических кристаллов связано со значительными трудностями, возникающими при их изготовлении. В СССР был предложен радиофотолюминесцентный дозиметр на основе поликристаллических таблеток хлористого натрия NaCl(Ag), активированного серебром. Наибольшее распространение получили, однако, метафосфатные стекла.

Состав таких стекол определяет их основные дозиметрические качества: эффективный атомный номер, фоновую люминесценцию, относительную чувствительность, энергетическую зависимость.

Необлученное стекло обладает некоторой полосой поглощения. Ионизирующее излучение создает новую полосу оптического поглощения вблизи ультрафиолетовой области, что вызвано образованием новых центров, включающих атомы серебра. Оптическое возбуждение в пределах этого нового спектра поглощения вызывает оранжевую люминесценцию, интенсивность которой является мерой дозы ионизирующего излучения.

С повышением дозы излучения увеличивается поглощение вблизи ультрафиолетовой области, и длинноволновая часть спектра перекрывается частично со спектром люминесценции. Поэтому в процессе измерения часть света люминесценции поглощается теми же центрами, которые образовались под действием ионизирующего излучения. Это приводит к тому, что интенсивность радиофотолюминесценции дозиметра вначале линейно растет с увеличением дозы, затем достигает максимума и при дальнейшем повышении дозы падает.

Практическое распространение получили стекла, содержащие небольшое число металлических метафосфатов, таких, как А1(РО₃)₃, Ba(PO3)₂, KPO₃, NaPO₃ и LiPO₃ с добавкой B₂O₃ для повышения устойчивости к атмосферным влияниям. Рассмотрим соответствие стеклянных дозиметров дозиметрическим требованиям.

Фон обусловлен наличием центров люминесценции независимо от облучения. Фоновая люминесценция необлученных стекол в начальной стадии их исследования была велика и соответствовала экспозиционной дозе g-излучения до 40 P. Однако использование чистых материалов и специальной технологической обработки позволяет снизить фоновую люминесценцию до значения, эквивалентного 0,3 P.

Чувствительность дозиметра определяется концентрацией серебра, а также видом других компонентов. У обычно рекомендуемых стеклянных дозиметров содержание серебра составляет 2,5…4,5 %. Это вызвано тем, что после прекращения облучения наблюдается нарастание интенсивности люминесценции (эффект накопления), которое при низкой концентрации серебра идет слишком медленно.

Наличие эффекта накопления, т.е. увеличение интенсивности люминесценции после прекращения облучения, приводит к тому, что понятие чувствительности радиофотолюминесцентных дозиметров необходимо отнести к фиксированному моменту времени после облучения.

Радиотермолюминесценция. Под радиотермолюминесценцией понимают такой процесс, при котором аккумулированная в кристалле энергия ионизирующего излучения преобразуется в энергию флюоресценции под действием теплового возбуждения.

Отличительной чертой этого процесса является разрушение центров окраски в процессе измерения независимо от способа возбуждения (нагрев, обычное тепловое движение, облучение инфракрасным светом). Таким образом, радиотермолюминесценция – это процесс люминесценции, связанный с разрушением центров, созданных под действием ионизирующего излучения.

Для краткости обычно вместо «радиотермолюминесценция» употребляют термин «термолюминесценция».

Спектр люминесценции определяется природой активатора. Так, свечение Ag⁺ находится в ультрафиолетовой – голубой области, Mn²⁺ дает зелено-оранжевое свечение. Примерами активированных фосфоров могут служить CaF₂–Mn, CaSO₄ – Mn, NaCl – Ag, KCl – Ag. Следовательно, одни и тe же соединения могут обладать радиофотолюминесценцией и термолюминесценцией. Для термолюминесценции характерны следующие отличительные особенности.

1. Спектр термолюминесцентной эмиссии является характерным для ионов активатора (например, Ag⁺), первоначально инкорпорированных в кристалл.

2. Центры окраски, созданные ионизирующим излучением, разрушаются в процессе измерения. Следовательно, термолюминесцентный дозиметр после процедуры измерения теряет информацию о дозе излучения.

Процедура измерения дозы термолюминесцентным дозиметром сводится к тому, что облученный дозиметр нагревают и в процессе нагрева измеряют интенсивность свечения люминесценции.

Для практического применения в термолюминесцентных дозиметрах (ТЛД) предложено около десяти различных фосфόров. Каждый из них имеет свои особенности, и применимость их в качестве ТЛД определяется выполнением следующих основных требований:

- чувствительность фосфора только к ионизирующему излучению;

- высокий выход люминесценции;

- линейная зависимость выхода люминесценции от дозы в возможно более широком интервале дозы;

- отсутствие затухания люминесценции (глубокие ловушки) в широком диапазоне температуры;

- малая зависимость чувствительности от мощности дозы и энергии ионизирующего излучения;

- подходящий спектр люминесценции; дешевизна и возможность массового производства.

Наибольшее распространение в качестве чувствительных элементов термолюминесцентных дозиметров получили люминофоры LiF, CaF₂–Mn и термолюминесцентные стекла.

Фотолюминесцентные дозиметры обычно применяют в виде люминесцирующих стекол. Их дозиметрические свойства характеризуются следующими показателями: нижний предел измерения 0,5 мГр, энергетическая зависимость чувствительности относительно тканеэквивалентного материала до 10 %, область энергий фотонного излучения (с компенсирующим фильтром) 40 кэВ…3 МэВ.

В дозиметрии могут быть использованы также детекторы, основанные на явлении экзоэлектронной эмиссии. Кинетика процесса в экзоэлектронных детекторах схожа с кинетикой процесса в ТЛД. Электроны, попавшие под действием ионизирующего излучения в зону проводимости, затем захватываются локальными уровнями в запрещенной зоне. При дополнительном возбуждении электроны покидают ловушки и попадают снова в зону проводимости. Другими словами, они оказываются свободными с разрешенными значениями энергии, определяемыми шириной зоны проводимости. В этом состоянии часть электронов может обладать энергией, достаточной, чтобы покинуть кристалл. Число вышедших наружу электронов пропорционально числу электронов, первоначально захваченных ловушками, т.е. пропорционально поглощенной в кристалле энергии.

Вышедшие наружу кристалла электроны (так называемые экзоэлектроны) обладают малой энергией (до 10 эВ), что накладывает определенные ограничения на возможность их регистрации. При использовании газоразрядных счетчиков для регистрации электронов необходимо детектор помещать непосредственно в чувствительный объем счетчика; для этой цели могут быть также применены электронные умножители.

Эмиссия электронов может быть вызвана или термической, или оптической стимуляцией. Наиболее перспективными представляются дозиметры на основе термостимулированной экзоэлектронной эмиссии.

Дозиметрия с использованием лиолюминесценции – люминесценции, наблюдающейся в момент растворения некоторых твердых органических соединений. В органических соединениях, находящихся в твердом состоянии, под действием излучения возникают химически активные свободные радикалы, которые взаимодействуют между собой и с окружающими молекулами в момент растворения облученного вещества. Результатом взаимодействия является люминесценция, выход которой связан с дозой излучения. Лиолюминесценция органических веществ используется в дозиметрии при аварийном облучении.

15.9. Фотографический метод

Фотографический метод дозиметрии основан на свойстве ионизирующего излучения воздействовать на чувствительный слой фотоматериалов аналогично видимому свету. Для целей дозиметрии обычно используют рентгеновские пленки, представляющие собой чувствительную эмульсию, нанесенную с одной или двух сторон на целлулоидную подложку. Основная составляющая эмульсии – бромистое или хлористое серебро, равномерно распределенное в слое желатины. Под действием ионизирующих частиц в центрах скрытого изображения восстанавливаются атомы металлического серебра. B процессе химического проявления число атомов металлического серебра около центра скрытого изображения увеличивается в 10¹⁰…10¹² раз, что приводит к почернению фоточувствительного слоя. Галоидное серебро распределено равномерно в виде «зерен» в слое желатины. Те зерна, в которых образовались центры скрытого изображения, практически полностью восстанавливают серебро при проявлении. В процессе закрепления (фиксирования) остатки невосстановленного серебра выводятся из эмульсии, и она становится нечувствительной к действию излучения.

Облученная, проявленная и закрепленная пленка имеет определенную оптическую плотность. Оптическая плотность изменяется от 0 до ¥. Практически приходится определять оптическую плотность, значение которой не превышает трех единиц. Приборы, предназначенные для определения оптической плотности рентгеновской пленки (денситометры), градуируют в пределах 0…4.

При неизменном спектральном составе излучения экспозиция прямо пропорциональна дозе излучения. Фотохимическое действие фотонного излучения полностью определяется фотохимическим действием электронов, освобожденных фотонами в эмульсии и окружающем ее веществе. Число зерен, экспонированных непосредственно фотонами, пренебрежимо мало по сравнению с числом зерен, экспонированных электронами.

Фотографическое действие фотонного излучения определяется поглощенной в чувствительном слое пленки энергией электронов, поэтому можно провести аналогию между стеночной ионизационной камерой и рентгеновской пленкой. Чувствительный слой можно рассматривать как полость, в которой измеряется реакция на поглощение энергии. В камере такой реакцией является ионизация, в фотослое – почернение. Все, что окружает чувствительный слой пленки, образует «стенку полости». Следует различать два крайних случая: пробег электронов R значительно меньше толщины эмульсионного слоя h и пробег электронов R значительно больше h. B первом случае фотографический эффект обусловлен в основном теми электронами, которые высвободились в результате взаимодействия фотонов с веществом эмульсии, а электронами, попавшими из окружающей среды, можно пренебречь. Во втором случае, напротив, можно пренебречь электронами, освобожденными из эмульсии. Погрешность определения экспозиционной дозы может превышать 30 %.

15.10. Химические методы дозиметрии

Химический метод дозиметрии основан на измерении выхода радиационно-химических реакций, протекающих под действием ионизирующих излучений. Конечный результат воздействия излучения определяется химическими реакциями, протекающими в присутствии свободных радикалов. Количественно результат воздействия излучения оценивается по радиационно-химическому выходу. Под выходом реакции понимают число характерных превращений на 100 эВ поглощенной энергии (число вновь образованных атомов, ионов и т.п.). Если выход не зависит от скорости поглощения энергии и суммарной поглощенной энергии, такую систему можно использовать для определения поглощенной дозы.

Радиационно-химические превращения могут происходить не только в водных растворах, но и в других жидких или твердых химических системах. Из жидких химических дозиметров наиболее широко применяются ферросульфатный и цериевый.

Ферросульфатный дозиметр. Раствор соли FeSO₄ в разбавленной серной кислоте H₂SO₄ – наиболее распространенная химическая система, применяемая для дозиметрии ионизирующих излучений; она основана на свойстве ионов двухвалентного железа Fe²⁺ окисляться под действием излучения до трехвалентного Fe³⁺.

Число образовавшихся в результате облучения и завершения всех реакций ионов трехвалентного железа Fe³⁺ и служит мерой поглощенной энергии. Появление ионов трехвалентного железа характеризуется изменением оптической плотности раствора.

Измеряя оптическую плотность, можно определить концентрацию ионов. Зная концентрацию образованных ионов и радиационно-химический выход, легко определить поглощенную дозу излучения в растворе.

Цериевый дозиметр. В дозиметре этого типа используют раствор сернокислого церия в 0,8 н. растворе H₂SО₄. В отличие от предыдущей системы здесь ионы четырехвалентного церия восстанавливаются до ионов трехвалентного церия. Максимум поглощения света трехвалентным церием происходит при длине волны 320 им. Выход дозиметра G = 2,54 и не зависит от концентрации ионов четырехвалентного церия в пределах  3,2´10^–5 … 3,2´10^–2 моль/л.

Дозиметр нечувствителен к содержанию кислорода. Будучи менее чувствительным, цериевый дозиметр измеряет большую дозу, чем ферросульфатный. Он пригоден для измерения дозы порядка 10⁴ Гр. Его верхний предел по мощности дозы также выше, чем у ферросульфатного дозиметра.

Другие виды химических дозиметров. Известно значительное число различных веществ, изменяющих свою окраску в результате окислительных или восстановительных реакций. Например, водный раствор метиленового голубого обесцвечивается под действием как окислительных продуктов разложения воды, так и восстановительных продуктов. Лишая раствор молекулярного кислорода или, наоборот, насыщая его кислородом, добавляя те или иные вещества, можно получить обратимую или необратимую реакцию на воздействие излучения. Изменение окраски метиленового голубого пропорционально поглощенной в растворе энергии, и это позволяет использовать его для дозиметрических целей.

Если краситель растворить в горячей воде и добавить в него около 10 % желатины, то после охлаждения получится гель – студенистое вещество, сохраняющее свою форму. Под действием ионизирующего излучения в таком растворе идёт восстановительная реакция, приводящая к изменению окраски. Изменение плотности окраски в каждом элементе объема внутри геля связано с поглощенной дозой излучения в этом же элементе объема. Разрезая гель на части и исследуя степень обесцвечивания каждой части, можно получить пространственное распространение поглощенной дозы.

Для дозиметрических целей успешно используются тонкие поливинилхлоридные пленки, в состав которых входит краситель. Поливинилхлорид имеет формулу (CH₂=CHCl)_x. Под действием ионизирующих излучений выделяется HCl, которая действует на краситель и изменяет цвет пленки. При добавлении метиленового голубого цвет пленки с увеличением дозы изменяется от первоначального фиолетового до голубого и далее желто-оранжевого.

Толщина пленок может составлять сотые доли миллиметра; при такой толщине пленочный дозиметр не искажает поля излучения и практически не имеет угловой зависимости. Пленочные химические дозиметры эффективны для измерений большой дозы – от 5´10³ до 10⁵ Гр.

Разновидностью химических дозиметров, важных в практическом отношении, являются обычные прозрачные стекла. Прозрачное стекло под действием ионизирующих излучений темнеет, и оптическая плотность в некотором интервале дозы пропорциональна поглощенной энергии. Для дозиметрических целей используют небольшие кусочки специальных сортов стекла толщиной несколько миллиметров. Стеклянные дозиметры обладают следующими особенностями. Потемнение сильнее сказывается для более коротковолнового участка видимого света. Потемнение облученного стекла уменьшается с течением времени хранения и тем сильнее, чем выше температура хранения. Прогрев стекла при температуре 100…150 °С сразу же после облучения стабилизирует плотность потемнения, хотя и уменьшает ее величину. Прогрев стекла при температуре 400…500 °C приводит к полному его просветлению, и его можно использовать повторно для дозиметрии.

Стеклянные дозиметры можно использовать до дозы 10³ Гр.

Они имеют значительную энергетическую зависимость чувствительности в области низких энергий фотонов, если не принять специальных мер для ее компенсации.

Такие органические материалы, как ткань одежды, бумага, волосы, ногти и т.п., способны накапливать и сохранять в течение длительного времени свободные радикалы, образованные в результате воздействия ионизирующего излучения. Концентрация свободных радикалов пропорциональна поглощенной дозе излучения. Это обстоятельство используют для дозиметрии при аварийном облучении. В качестве дозиметрических детекторов в этом случае выступают упомянутые носители свободных радикалов. Это своеобразная дозиметрия без дозиметров – разновидность химической дозиметрии – может оказаться незаменимой в случаях непланируемого облучения.

Для определения концентрации свободных радикалов в органических веществах хорошо зарекомендовал себя метод, основанный на явлении электронного парамагнитного резонанса (ЭПР-метод).

ЭПР связан с изменением ориентации электронных спиновых моментов содержащихся в веществе парамагнитных частиц. Такими частицами, в частности, являются свободные радикалы. Свободные радикалы возникают как продукты взаимодействия ионизирующего излучения с живой тканью. Поэтому концентрация радиационно-индуцированных свободных радикалов в органическом веществе адекватно характеризует поглощенную живой тканью дозу ионизирующего излучения. ЭПР по существу представляет собой средство определения концентрации свободных радикалов в веществе. При наложении постоянного магнитного поля основной энергетический уровень парамагнитных частиц расщепляется на подуровни из-за возможной различной ориентации магнитного момента по отношению к магнитному полю (эффект Зеемана). Величина резонансного поглощения электромагнитного поля веществом, содержащим свободные радикалы, является мерой их концентрации, которая в свою очередь связана с поглощенной дозой ионизирующего излучения. На этом и основана ЭПР-дозиметрия.

15.11. Дозиметрия быстрых нейтронов с помощью ионизационных      камер

При взаимодействии быстрых нейтронов с веществом возникающие в процессе рассеяния ядра отдачи способны производить ионизацию среды. На этом основано применение ионизационных камер, регистрирующих быстрые нейтроны.

Камеры без стеночного эффекта можно использовать для измерения плотности потока нейтронов после предварительной градуировки; мощность дозы в этом случае можно определить расчетным путем при известной энергии падающих нейтронов.

Если газ, наполняющий камеру, тканеэквивалентен по атомному составу, ионизация может служить мерой тканевой дозы нейтронов. Хорошим приближением к такому газу служит смесь: метан 64,4, углекислый газ 32,5, азот 3,1 (числа указывают парциальное давление). Более удобно использовать маленькие ионизационные камеры, к которым применим принцип Брэгга–Грея. Наибольший практический интерес представляют гомогенные тканеэквивалентные камеры. Стенки такой камеры, наполненной указанной выше смесью газов, выполняют из токопроводящей тканеэквивалентной пластмассы. Пластмасса может иметь следующий состав (в процентах): водород 10,1; азот 3,5; углерод со следами кислорода 86,4. По измеренной ионизации в тканеэквивалентной гомогенной камере можно однозначно определить поглощённую дозу смешанного излучения.

Итак, с помощью напёрстковых тканеэквивалентных гомогенных камер можно измерять поглощенную дозу смешанного g-нейтронного излучения.

Тканеэквивалентной ионизационной камерой нельзя измерить эквивалентную дозу без разделения нейтронной и g-составляющих. Такое разделение обеспечивает дифференциальная система из двух ионизационных камер, одна из которых малочувствительна к нейтронам, а другая тканеэквивалентна. Разность токов двух камер будет соответствовать поглощенной дозе, обусловленной нейтронами. При проектировании такой системы следует иметь в виду возможную энергетическую зависимость чувствительности нетканеэквивалентной камеры.

Одной из трудностей, связанных с применением ионизационных камер для целей нейтронной дозиметрии, является обеспечение наилучшей тканеэквивалентности и гомогенности.

Тканеэквивалентность требует, чтобы вещество, из которого сделана камера, и живая ткань были как можно ближе по составу. Однако ткани различных органов и частей одного и того же живого организма могут существенно различаться по составу (например, мышечная и костная ткань). Обычно за основу берут мягкую ткань. В специальных случаях возникает необходимость обеспечить одинаковость атомного состава камеры с другими видами тканей.

Требование гомогенности сводится к тому, чтобы состав материала стенок и наполняющего камеру газа был одинаковым. Жесткость выполнения этого условия определяется прежде всего относительным вкладом в общую ионизацию вторичных частиц, возникающих в газе (эффект газа), и вторичных частиц, возникающих в стенке (эффект стенки). Чем больше эффект газа, тем жестче требования к гомогенности. Наоборот, если эффектом газа можно пренебречь, то его состав может быть произвольным.

15.12.Применение пропорциональных счётчиков для дозиметрии        быстрых нейтронов

Пропорциональный счетчик с постоянным коэффициентом газового усиления можно использовать для дозиметрии нейтронов, если измеряется сумма амплитуд импульсов, возникающих в счетчике. В этом случае результат измерения будет пропорционален полной ионизации в газовом объеме счетчика за время измерения.

Был предложен счетчик с тканеэквивалентными стенками и с тканеэквивалентным газом. К такому счётчику полностью применима теория Брэгга–Грея. Ионизация производится частицами вторичного излучения, возникающими как в стенке счетчика, так и в газовом объеме. Газ и стенка имеют одинаковый атомный состав, поэтому к размерам газовой полости никаких особых требований не предъявляется.

При облучении смешанным потоком g- и нейтронного излучения D_TK равна суммарной поглощенной дозе нейтронов и g-квантов. Под действием нейтронов основной вклад в ионизацию вносится протонами отдачи. При облучении g-квантами ионизация обусловлена электронами. Линейная плотность ионизации для электронов значительно меньше, чем для протонов, поэтому импульсы, обусловленные электронами, должны иметь меньшую амплитуду, чем импульсы, обусловленные протонами. Это обстоятельство позволяет отсекать импульсы, обусловленные электронами, и измерять только импульсы, вызванные протонами. Таким образом, представляется возможным измерять нейтронную дозу на фоне g-излучения.

15.13. Сцинтилляционный метод дозиметрии нейтронов

Световые вспышки в сцинтилляторе при облучении его нейтронами возникают в результате поглощения протонов и тяжелых ядер отдачи

Для целей дозиметрии целесообразно применять водородсодержащие сцинтилляторы; в этом случае можно пренебречь вкладом в поглощенную энергию тяжелых ядер. Чувствительность дозиметра определяется измеряемым током, отнесенным к одному падающему нейтрону:

Сцинтилляционный счетчик будет отвечать дозиметрическим требованиям, если зависимость чувствительности от энергии нейтронов подобна зависимости тканевой дозы от энергии. В нейтронных дозиметрах используют сцинтилляторы двух типов: однородные органические и смесь водородсодержащих веществ с неорганическим сцинтиллятором. Органические однородные сцинтилляторы обладают удовлетворительной тканеэквивалентностью, но имеют недостаток – при их использовании затруднена дискриминация g-фона

15.14. Трековые дозиметрические детекторы нейтронов

В дозиметрии нейтронного излучения нашли применение твердотельные трековые детекторы, в чувствительном объеме которых регистрируется число треков заряженных частиц. Дозиметрическое применение этих детекторов основано на связи числа треков с дозой излучения. Кратко рассмотрим три типа дозиметрических детекторов: детекторы следов повреждений, ядерные фотоэмульсии и полимерный пузырьковый детектор.

Детекторы следов повреждений. В твердых веществах с большим электрическим сопротивлением (изоляторах) тяжелые заряженные частицы образуют вдоль своей траектории зону структурных повреждений диаметром порядка 5 мкм. В некоторых случаях эти поврежденные области можно непосредственно наблюдать с помощью электронного микроскопа. В местах повреждений вещество более чувствительно к химическому воздействию, чем в неповрежденных областях. Это приводит к тому, что при химическом травлении вещество удаляется из зон повреждения более интенсивно, в результате чего в местах пролета заряженных частиц проявляются видимые треки, которые можно обнаружить и сосчитать с помощью обычного оптического микроскопа.

Ядерные фотоэмульсии. Толстослойные ядерные фотоэмульсии можно использовать для дозиметрии быстрых нейтронов. Фотографический эффект состоит в образовании следов протонов отдачи, возникающих в результате рассеяния нейтронов на водороде, который входит в состав эмульсии и окружающей среды. Исходя из эффективного сечения рассеяния и числа измеренных следов, можно определить падающий нейтронный поток.

Фотодозиметр отвечает своему назначению, если число зарегистрированных следов пропорционально тканевой дозе независимо от энергии нейтронов. Приближенно это удается обеспечить в ограниченном энергетическом интервале покрытием эмульсии специальными фильтрами.

Применение ядерных фотоэмульсий для дозиметрии медленных нейтронов по протонам, возникающим в реакции захвата, ограничено тем, что следы тепловых нейтронов трудно отличать от следов протонов отдачи. Чувствительность ядерных эмульсий к тепловым нейтронам можно значительно повысить, добавив в них бор или литий.

Индивидуальную дозиметрию в полях смешанного g-излучения и нейтронов различной энергии можно осуществить, применяя одновременно ядерные фотоэмульсии и обычные фотопленки. Кассета для пленки в этом случае состоит по крайней мере из двух металлических фильтров равной массы: кадмиевого и оловянного. В кассету одновременно помещают пакетики с ядерной фотоэмульсией и обычной фотопленкой. Для обычной фотопленки при наличии тепловых нейтронов оптическая плотность под кадмиевым фильтром будет выше, чем под оловянным, так как эффективное сечение реакции (n, g) для олова значительно меньше, чем для кадмия, а фотографическое действие обусловлено g-излучением, возникающим в фильтре. Но в ядерной фотоэмульсии при наличии тепловых нейтронов число протонных следов под кадмиевым фильтром будет меньше, чем под оловянным. При отсутствии тепловых нейтронов фотоэффект в обычной пленке обусловлен только g‑излучением, а в ядерной эмульсии – только быстрыми нейтронами. При этом эффект в каждом случае под кадмиевым и оловянным фильтрами будет одинаковым.

Таким образом, дозу g-излучения можно оценить по почернению обычной фотопленки под оловянным фильтром, дозу быстрых нейтронов – по числу следов в ядерной фотоэмульсии под кадмиевым фильтром, а дозу тепловых нейтронов – по разности эффектов под оловянным и кадмиевым фильтрами.

Современные индивидуальные фотодозиметры конструируют таким образом, чтобы они обладали наибольшими возможностями как по энергетическому диапазону и видам контролируемых излучений, так и по числу решаемых дозиметрических задач. Универсальность подобных дозиметров обеспечивается применением различных по толщине и сорту материалов фильтров и пленок.

Твердотельный пузырьковый детектор. По существу это твердотельный аналог пузырьковой камеры, разработанной Глазером (1952 г.) для регистрации элементарных частиц. В пузырьковой камере рабочая жидкость вследствие резкого понижения давления при данной температуре переводится в перегретое состояние, в котором она оказывается чувствительной к заряженным частицам: в окрестности трека заряженной частицы возникают пузырьки пара вскипевшей жидкости, которые и формируют видимый след.

В 1984 г. Инг и Бирнбоим (Канада) предложили твердотельный пузырьковый дозиметр нейтронов. Он представляет собой твердый прозрачный полимер, в котором диспергирована рабочая жидкость в виде микрокапель с линейными размерами не более 20 мкм. Эти микрокапли не видны невооруженным глазом и практически не влияют на прозрачность твердого тела. Давление жидкости в этих каплях создается таким, чтобы в заданном температурном интервале жидкость была в перегретом состоянии. Перегретое состояние жидкости – метастабильное, и энергия заряженной частицы, переданная веществу в окрестности капельки, может вызвать ее вскипание. Непосредственно после поглощения энергии в капельке возникает газовый пузырек размером порядка 0,02 мкм, дальнейшая судьба которого зависит от термодинамического состояния системы газовый микропузырек– жидкость. Размер пузырька, возникшего в результате вскипания капли, зависит от упругих свойств твердой матрицы. Если полимер недостаточно эластичен, расширяющиеся пузырьки вследствие взрывообразного испарения могут разрушить структуру, и в результате остаются неисчезающие следы повреждений. При достаточной эластичности структура не разрушается, а образовавшиеся пузырьки постепенно исчезают; время их существования оценивается неделями.

При облучении быстрыми нейтронами в твердом полимере возникают протоны, которые и являются действующими на диспергированные капли частицами. Число визуально наблюдаемых пузырьков является мерой дозы нейтронного излучения. Детектор практически нечувствителен к фотонному излучению, так как возникающие при взаимодействии фотонов с полимером электроны имеют ЛПЭ ниже порогового значения.

15.15. Активационный метод дозиметрии нейтронов

В результате ядерных реакций, протекающих под действием нейтронов, могут образовываться радиоактивные ядра. Активационный метод практически связан с измерением наведенной активности. В некоторых случаях при измерении слабых нейтронных потоков наведенная активность оказывается слишком малой для надежных измерений обычными методами. Чувствительность метода можно существенно повысить, используя сцинтилляционные счетчики, в которых активируемое вещество входит непосредственно в состав сцинтиллятора.

Активационный метод широко применяют для измерения нейтронных потоков и дозы. Его основные преимущества: нечувствительность к фотонному излучению, простота конструкции детекторов, дешевизна, малые габариты, возможность разделения процессов облучения и измерения. Активационный метод удобен при оценке дозы в аварийных ситуациях, когда происходит кратковременное облучение большими потоками нейтронов.

Активационный метод дозиметрии, как правило, используется для измерения большой единичной дозы, получаемой в течение короткого времени.

15.16.  Другие методы дозиметрии нейтронов

Применение фотопленок. Для дозиметрии тепловых нейтронов при наличии g-излучения можно применять обычные фотопленки, которые используют в дозиметрии g-излучений. Они сами по себе практически нечувствительны к нейтронам. В методе, разработанном И. Б. Кеирим-Маркусом, используются люминесцирующие экраны из ZnS(Ag), содержащие бор. Ядра лития и a-частицы, возникающие в результате захвата тепловых нейтронов, вызывают свечение люминофора, которое действует на фотопленку. Фотопленку помещают в кассету с фильтрами, компенсирующими ЭЗЧ для g-излучения. Часть пленки прикрыта люминесцирующим экраном. После облучения кассеты g-квантами и тепловыми нейтронами измеряют оптическую плотность вне люминесцирующего экрана и под экраном. Предварительно строят градуировочную кривую зависимости оптической плотности пленки в фотодозиметре от g-излучения (без люминофора). Оптическая плотность соответствует дозе g-излучения, которую находят непосредственно по градуировочной кривой, так как нейтроны не создают добавочного почернения на этом участке пленки. Почернение обусловлено непосредственным действием g-излучения и светом люминофора. В свою очередь люминофор высвечивается под действием как нейтронов, так и g-излучения. При отсутствии нейтронов почернение под люминофором дало бы по градуировочной кривой значение дозы.

Дозиметры нейтронов, использующие эффект замедления. Если на парафиновый блок перпендикулярно его поверхности направить поток нейтронов, создающий единичную эквивалентную дозу, можно указать такую глубину (примерно 15 см) внутри блока, где концентрация тепловых нейтронов будет постоянной, практически не зависящей от энергии падающих нейтронов.

Тепловые нейтроны образуются в результате замедления падающих на поглотитель нейтронов, и их концентрация вначале возрастает, достигает максимума, а затем непрерывно убывает. Начиная с максимального значения, концентрация тепловых нейтронов изменяется в соответствии с изменением потока замедляющихся нейтронов. Чем выше энергия падающих нейтронов, тем меньше изменяется концентрация тепловых нейтронов с изменением глубины; иначе говоря, с повышением энергии падающих нейтронов уменьшается крутизна спада концентрации тепловых нейтронов по глубине (после максимального значения). В то же время с повышением энергии падающих нейтронов поток нейтронов, создающий единичную эквивалентную дозу, уменьшается. Это и приводит к тому, что на некоторой глубине концентрация тепловых нейтронов пропорциональна эквивалентной дозе падающих нейтронов.

Указанное обстоятельство позволило построить дозиметры, использующие эффект замедления в водородсодержащей среде. Подобный дозиметр состоит из двух основных частей: замедляющего блока и детектора тепловых нейтронов. К детектору тепловых нейтронов никаких специфических требований не предъявляется. В качестве детектора можно использовать борный счетчик, сцинтилляционный счётчик, активационные фольги, фотопленки и т.п. Форма и размеры замедляющего блока должны обеспечивать наличие такой области внутри блока, в которой концентрация тепловых нейтронов была бы пропорциональна эквивалентной дозе падающих нейтронов; в эту область и помещают детектор тепловых нейтронов. Наибольшее распространение получили сферические замедлители, в центре которых расположен детектор тепловых нейтронов. Приборы, работающие на этом принципе, обеспечивают удовлетворительное измерение эквивалентной дозы нейтронов в широком энергетическом диапазоне, перекрывающем спектр деления.

Используемые в мировой практике нейтронные дозиметры с замедлителями условно можно подразделить на два типа: без внутреннего поглотителя и с внутренним поглотителем. Наиболее распространены приборы второго типа. В качестве замедлителя часто применяют полиэтилен или парафин. Распространены также многосферные дозиметры, у которых с одним и тем же детектором тепловых нейтронов используются различные сферические замедлители, а также многодетекторные приборы, у которых несколько детекторов расположено в пределах одного сферического замедлителя.

Рекомендуем посмотреть лекцию "Формирование профиля должности".

Недостатком детекторов с замедлителями является громоздкость, затрудняющая их применение в переносных приборах.

15.17. Измерение дозы нейтронов индивидуальными гамма-дозиметрами

Обычные конденсаторные камеры индивидуального дозиметрического контроля типа ДК-0,2 позволяют измерять дозу быстрых нейтронов. Специальные исследования показали, что флюенс 6,5´10⁶ нейтр./см² от источника соответствует 25 мР по шкале дозиметра ДК-0,2. Разброс в показаниях составляет менее ±10%. Эти дозиметры были использованы и для измерения нейтронной дозы на циклотроне с бериллиевой мишенью, бомбардируемой дейтронами 8–13 МэВ. Применение подобных дозиметров для нейтронных измерений ограничено их большой чувствительностью к g-излучению. Дозиметры индивидуального люминесцентного контроля с вспышечным фосфором (ИЛК) при наличии специального кадмиевого фильтра могут измерять смешанную дозу g-излучения и тепловых нейтронов в единицах эквивалентной дозы. Кадмий захватывает тепловые нейтроны, а возникающее при этом g-излучение регистрируется фосфором.

Альбедо-дозиметры. Для целей индивидуальной дозиметрии нейтронов могут быть использованы замедляющие и рассеивающие свойства тела человека. В силу этих свойств около тела, находящегося в нейтронном поле, формируется поле обратно рассеянного излучения. При этом под обратно рассеянным мы понимаем любое излучение, выходящее из тела в результате взаимодействия с ним первично падающих нейтронов.

Принцип метода состоит в том, что оценка эквивалентной дозы падающих нейтронов производится по показанию детектора, реагирующего на обратно рассеянное излучение. Дозиметры, основанные на этом принципе, получили название альбедо-дозиметров.

В заключение обратим внимание на следующее обстоятельство, связанное с дозиметрией нейтронов при аварийной ситуации. Обычно в этих случаях имеют в виду импульсное облучение в течение сравнительно короткого промежутка времени. Относительная биологическая эффективность (ОБЭ) нейтронов при кратковременном облучении в большой дозе оказывается другой по сравнению с ОБЭ при непрерывном облучении в течение длительного времени. Это вносит коррективы и в коэффициент качества, который на современном уровне знаний не может быть надежно рекомендован для любых аварийных ситуаций. Поэтому целесообразно характеризовать аварийное облучение поглощенной дозой, ее распределением но телу, а также составом и энергией излучения.