Детектор ионизирующего излучения

Детектор ионизирующего излучения

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

ВА7цр, 103ц, бвфц@ (ц 717679

ОП ИСАНИНА

ИЗОБРЕТЕН Ия

Союз Советских

Социалистических

Республнк

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Лополнительное к авт. свид-ву

I 1 (22) Заявлено 01.06.77 (21) 2492468/18-25 с присоединением заявки,% (23) П риоритет— (51)M. Кл.

0 01 Т 1/11

Веудврственнмй кемитет

СССР ао лелем нзебретеннй и открытий (53) УДК

539.1.074.3 (088.8) Опубликовано 25.02.80. Бюллетень J% 7

Дата опубликования описания 28.02.80

И. Х. Шавер и В. Г. Кронгауз (72) Авторы изобретения (71) Заявитель

Ордена Ленина физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе

АН СССР (54) ДЕТЕКТОР ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Изобретение относится к технике измерения параметров ионизирующего излучения, в частности к индивидуальной дозиметрии рентгеновского, гамма и нейтронного излучений и предназначено для регистрации поглощенных доз рентгеновского,. гамма-излучения и потоков нейтронов в промышленности, мерщике, радиобиологии и различных физических экспериментах с использованием источников ионизирующего излучения.

Известны детекторы на основе люминофоров для термолюминесцентной дозиметрии (ТЛД). Принцип работы таких детекторов состоит в том, что аккумулированная в люминофоре в виде захваченных на дефектах электронов и дырок энергия ионизирующего излучения преобразуется при нагревании в энергию люминесценции. ТЛД -- детекторы имеют малые габариты и вес, работоспособны в широком диапазоне доз (1).

Большинство используемых для регистрации рентгеновского и гамма-излучений ТЛДдетекторов, например, на основе Са$04,CaF>

LiF LizВ4От MgFz Mg Si04 SrS SrS04

BaSO4, в той или иной степени удовлетворяют требованиям высокой чувствительности к рентгеновскому и гамма-излучению и длительной сохраняемости дозимстрической информации. Высвечиваемая каждым из таких детекторов светосумма характеризует дозу, поглощенную материалом детектора, Однако, для решения большинства доэиметрических задач требуется определить дозу, поглощенную не детектором, а конкретным объе том облучения, например мягкой биологической тканью, костной тканью и т.п. Для этого необходимо, чтобы детск1ор имел регламентированную зависимость чувствительности от энергии рентгеновского или гамма-излучения, 15 т,е. энергетическая зависимость чувствительности должна быть аналогична энергетической зависимости массового коэффициента поглощения энергии излучения объектом облучения.

Например, для определения доз, поглощен20 ных мягкой биологической тканью, необходимо обеспечить тканеэквивалентность детектора, что, в частности, достигается близостью эффективных атомных номеров материала

7!7679 . . 4 ких фильтров, поглощающих низкоэнергетическую область спектра фотонного излучения.

Однако, такой способ имеет серьезные недостатки: увеличение габаритов, веса, стоимости детектора, уменьшение нижнего предела

5 регистрируемых энергии излучения и наличие угловой зависимости чувствительности, Последнее может быть устранено за счет использования сферических фильтров, но приводит к еще большему увеличению габаритов, веса и

Ьоимости детектора.

3 детектора и мягкой биологической ткани, В настоящее время в TJU1, используется край не ограниченный круг материалов для тканеэквивалентных детекторов, что связано, прежде всего, с ограниченным выбором тканеэкви валентных неорганических основ и удачных их активаторов. Так, из перечисленных выше материалов лишь люминофоры на основе

LiF, LiрВ4О7 и Вео имеют эффективные атом иые номера, близкие к ткани. Однако, эти люминофоры имеют невысокую чувствительность, а наиболее популярные из них LiF u

Liq84G> имеют нелинейную дозовую зависимость.

В отличие от ТЛД-детекторов в широко известных сцинтилляционных детекторах успешно йспользувтся как органические, так и неорганические материалы, с помощью которых могут быль .решены многие задачи регламентированной регистрации различ!!ых видов рп и различных энергий ионизирующего излучения (2).

Однако, большие габариты и вес не позволяют применять сцинтилляционные дозиметры для индивидуальной, клинической дозиметрии и во многих экспериментах. Применение же органических материалов в ТЛД, как правило, невозможно из-за неустойчивости их люминесцентных свойств к температурному воздей/ ствию. 30

Наиболее близким является детектор ионизирующего излучения на основе люминофора, например, СаР, . Mn (фтористый кальций активированный марганцем (3). Эти детекорь! Имеют в о ую уитель- 35 ность к рентгеновскому и гамма-излучению, удобный для считывания спектр термолюминесценции, линейную в широком диапазоне зависи. мость выхода термолюминесценции от дозы излучения и способны длительно сохранять запасенну!о светосумму.

Основным недостатком детектора на основе

CaF> Mn является невозмож!!ость регламентированной регистрации ионизирующего излучения различных видов и различных энергий, что связано со следующим.

1. CaF2 . Mn (как и большинство неорганических материалов) имеет большую энергетическую зависимость чувствительности (большой, "ход с жесткостью" ), Это приводит к тому, что при постоянном значении экспозиционной дозы ренттеновского и гамма-излучения показания детектора сильно завйсят от спектра рентгеновского и гамма-излучения, Так чувствительность CaF : Мп к излучению с энергией, равной 30 кэВ, в 15 раз вьппе, чем к . излучению с энергиеи равной 1,25 МэВ.

Этот ход с жесткостью может быть частично скорректирован с помощью металличес2. CaFg . Mn (как и Все люминофоры, в состав которых не входят элементы с высоким сечением захвата тепловых нейтронов) имеет невысокую чувствительность к тепло-, вым нейтронам.

3. CaF; Мп (как í все неорганические люминофоры) имеет очень низкую чувствительность к быстрым нейтронам.

4. Детектор на основе Сакэ .. Mn (как и подавляющее большинство ТЛИ-детекторов) не позволяет осуществлять избирательное детектирование в смешанных полях.

Кроме того, детектор на основе CaF>Ìn (как и любой ТЛД-детектор) не позволяет осуществить определение качества рентгеновского и гамма-излучения.

11ель предлагаемого изобретения — получение г регламентированной регистрации излучений различных видов и различных энергий, в частности, получение детекторов, обладающих реглФментированной зависимостью чувствительности от энергии рентгеновского и гамма-излучений (например, тканеэквивалентных детекторов), и способных детектировать нейтроны н нейтронных и смешанных гамма-нейтронных полях, 0елью изобретения является также получение возможности с помощью одного детектора, кроме информации о дозе рентгеновского н гамма-излучения, определять среднюю энергию спектра излучения.

Поставленная цель достигается тем, что детектор выполнен в виде сочетания сцинтиллиру!ощего материала (сциитиплятора) регистрируемого .излучения с люминофором, обладающим спектром возбуждения термолюминесценции, перекрывающимся со спектром излучения сцинтиллятора.

Регламентированная зависимость чувствительности детектора от энергии рентгеновского . и гамма-излучения достигается тем, что в ка- . честве сцинтиллятора используется материал, обладающий регламентированной зависимостью. световыхода от энергии излучения, а в качестве люминофора — материал, обладающий любой энергетической зависимостью выхода термо люминесценции, но имеющий различные пики

717679

30

5 термовысвечивания при возбуждении ионизирующим излучением н излучением сцинтилля тора. Это дополнительное требование, предъявляемое к люминофору, обусловлено тем, что в случае запасания носителей заряда на одних и тех же уровнях захвата регламентированный отклик детектора может быть получен лишь при большой эффективности передачи энергии

/ от сцинтиллятора к люминофору. В случае же выполнения этого дополнительного гребо- 10 вания регламентированный отклик достигается независимо от эффективности передачи энергии, и считывание осуществляется по разным пикам термовысвечивания. Один пик характери- зует светосумму, запасенную за счет собствен- 15 ного поглощения люминофором ионизирующего излучения (нерегламентированный отклик) а другой — светосумму, запасенную за счет поглощения люминофором излучения сцинтиллятора (регламентированный отклик).

Регистрация. доз рентгеновского и гаммаизлучейия, поглощенных мягкой биологичес. кой тканью, достигается тем, что в качестве сФтнтиллятора используется материал, ийеющий эффективный атомный номер, близкий к эффективному атомному номеру биологической ткани (тканеэквивалентный сцинтиллятор). Широкие возможности достижения поставленной цели с помощью сочетания тканеэквивалентного сцинтиллятора с люминофором обусловлены большим выбором органических основ для такого сцинтиллятора (антрацен, нафталин, сцннтиллирующие пластмассы и тд) Эффективная регистрация нейтронов в ней- 5 тронных и смешанных гамма-нейтронных полях достигается тем, что в качестве сцинтиллятора используется материал, обладающий эффективным световыходом при воздействии

40 нейтронов той или иной энергетической об: ласти, i в качестве люминофора — материал, имеющий отдельный пик термовысвечивания . :при возбуждении излучением сцинтиллятора. Это дополйительиое требование, предъявляемое к люминофору актуально при избира45 тельном детектировании нейтронов в смешанных гамма-нейтронных полях. Широкие . возмбжности достижения поставленной цели с помощью сочетания нейтронных сцинтилляторов с люминофором обусловлены как нади 5, 50 чием высокоэффективных сцинтилляторов тепловых нейтронов, таких как 2riS: Я..В так и большим выбором органических водородсодержащих основ для сцинтилляторов быстрых нейтронов. В качестве универсавного люминофора для предлагаемых детекторов может использоваться активированный сульфид стронция.

Определение качества рензтеновского и гамма-излучений достигается тем, что в качестве сцинтиллятора используется воздухоэквивалентный материал, т.е. материал, име- / ющий близкую к воздуху энергетическую зависимость массового коэффициента поглощения энергии фотонного излучения, К люминофору, работающему в сочетании с таким сцинтиллятором, предъявляется то же дополнительное требование, что и при реглаI ментированной регистрации доз фотонного излучения. В качестве люминофора может использоваться. активированиый сульфид стронция.

На чертеже представлены кривые термовысвечивания (КТВ) люминофора SrS: Sm, ТЬ;, где I — облученного рентгеновским или гаммаизлучением;

I I — облученного рентгеновским (или гаммаизлучением или смешанным гамма-нейтронным излучением) в сочетании со сцинтилл ятором;

1И вЂ” облученного тепловыми .или быстрыми нейтронами в сочетании со сцинтиллятором.

На представленных КТВ: 1 — ниэкотемпературный пик; 2 — высокотемпературный пик.

Для получения тканеэквивалентного детектора рентгеновского и гамма-излучения выбран комбинированный тканеэквивалентный сцинтиллятор на основе антрацена. Антрацен может непосредственно выполнять функции тканезквивалентного материала, однако, его эффективный атомный номер несколько меньше, чем у мягкой биологической ткани, что приводит к некоторой нетканеэквивалентности в ниэкоэнергетической части спектра фотонного излучения. Для достижения полной тканеэквивалентности использован известный метод компенсации. Такой материал является эффективным тканеэквивалентным сцинтиллятором: энергетическая зависимость световыхода аналогична энергетической зависимости массового коэффициента поглощения энергии излучения мягкой биологической тканью. Спектр излучения сцинтиллятора на основе антрацена имеет максимум при

445 нм.

В качестве люминофора — аккумулятора этого свечения выбран сульфид стронция, активированиый самарием и тербием

SrS: Sm ТЬ, Этот люминофор обладает свойством возбуждения термолюминесценцин как под действием рентгеновского и гамма-излучения, л так и под действием излучения выбранного. сцинтиллятора.

679

7 717

Как показано на чертеже, светосумма, запасенная люминофором SrS;.Sm, Tb только за счет собственного поглощения ионизирующего излучения, характеризуется, в основном, иизкотемпературным пиком 1 КТВ1;

КТВГ показал, что часть общей светосуммы, запасенной люминофором эа счет собственного поглощения ионизирующего излучения (8) и высеченной в высокотемпературном пике .2 (8$ является постоянной и равной 6% от-части общей светосуммы, высвеченной в низкотемпературном пике 1 ($1).

При облучении рентгеновским или гаммаизлучением тканеэквивалентного детектора, состоящею из сочетания выбранного сцинтилятора.с люминофором SrS: .Sm, ТЬ, последний запасает светосумму, высвечиваемую в виде двух сравниваемых пиков KTBI I, из которых ннэкотемпературный пик 1 характеризует светосумму (Sq ), запасенную за счет собственного поглощения люминофором ионизирующего излучения, а высокотем. \ пературный пик 2 характеризует, и основном

I светосумму (S,), запасенную люминофором эа счет энергии, переданной ему тканеэквивалентным сцинтиллятором., Исходя иэ анализа КТВГ, для светосумм

S> (КТВГГ) справедливо следующее выражение:

82 82 0 06 $1 (1)

Эксперименты показали, что светосумма

З,как и ожидалось, резко возрастает с уменьшением энергии фотонного излучения (Es) °

Так, при Ег= 80 кэв S, примерно в 30 раз выше, чем при Е,=1,25 Мэв (при постоянной экспозиционной дозе). В то же ! время при этих условиях S, незначительно изменяется в широком диапазоне энергий

Еу, следуя энергетической зависимости массового коэффициента поглощения энергии излучения мягкой биологической тканью.,Для получения детектора, с помощью которого определяется средняя энергия (качество) рентгеновского и гамма-излучения, выбран комбинированный воздухоэквивалентный сцинтиллятор на основе стильбена (аналогично приведенному в предъщущем примере комбинированному тканеэквивалентному сцинтиллятору), Спектр излучения сцинтиллятора на основе стильбена имеет максимум при 410 нм. В качестве люминофора — аккумулятора этого свечения выбран сульфид стронция, активированный самарием и тербием.—

SrS: Sm "Tb.

По аналогии с изложенным в предыдущем примере, при облучении рентгеновским или гамма-излучением детектора, состоящего из сочетания выбранного воздухоэквивалентногь сцинтиллятора с люминофором SrS; Sm, ТЬ, последний запасает светосумму, высвечиваемую в виде двух сравнимых пиков КТВГГ, из которых низкотемпературный пик 1 характеризует светосумму (8,), запасенную за счет собственного поглощения люминофором ионизирующего излучения, а высокотемпературный пик 2 характеризует, в основном, светосумму 0 (8 ) запасенную люМинофором за счет энергии, переданной ему воздухоэквивалентным

1 сцинтнллятором. Светосумма Зз определяется тем же выражением, что и в примере 1.

Поскольку светосумма S, пропорциональна массовому коэффициенту поглощения энергии коэффициенту Зг$ . Sm, ТЬ i (pl/p )®<

SrS: Sm, Tb, а светосумма $, пропорциональна массовому коэффициенту поглощения энерAw воздухом — (P(P ) эн,возд. висимость отношения (p /iЭ ) эн Зг$, Sm, Tb (@ 3 )эн возд. определяется иэ общественных выражений или иэ таблиц, очевидно, что величина отношения 81/Sт определяет среднюю-. энергию рентгеновского и гамма-излучения.

Для получения детектора тепловых нейтронов выбран высокоэффективный сцинтиллятор . тепловых нейтронов — сульфид цинка, активированный серебром с добавлением бора—

ZnS Ag, В.

Спектр излучения сцинтиллятора ZnS .Ag, В имеет максимум при 450 нм.

В качестве люминофора — аккумулятора этого свечения выбран сульфид стронция, акти-. вированный самарием и тербием — SrS, Sm, ТЬ.

35 При облучении тепловыми нейтронами детек. тора, состоящего из сочетания ZnS,Ag B c люминофором SrS Sm, Tb, последний запа. сает светосумму, высвечиваемую в виде одного высокотемпературного пика термовысвечивания

40 (KTBEEI). Низкотемпературный пик в этом случае отсутствует, так как собственная чувствительность SrS: Sm, ТЬ к тепловым нейтронам мала, а высокотемпературный пик характеризует светосумму, запасенную люминофором эа счет энергии, переданной ему сцинтиллятором, т.е. характеризует поток тепловых нейтронов.

При облучении этого детектора смешанным (гамма + тепловые нейтроны) излучением люминофор $г$ Sm, Tb запасает светосумму, высвечиваемую в виде двух пиков KTBII, из которых низкотемпературный пик 1 характеризует светосумму (8,), запасенную за счет собственного поглощения люминофором гаммаизлучения, а высокотемпературный пик 2 ха1 рактеризует, в основном, светосумму ($2), запасенную люминофором за счет энергии переданной ему сцинтиллятором. Светосумма

9 717679 10

S> определяется тем же выражением, что и время, как используемый люминофор SrS

s примере 1. Тем не менее эта светосумма : Sm, ТЬ нетканеэквивалентен), достигается характеризует поток тепловых нейтронов возможность определения качества рентгеновлишь в случае небольшого гамма-фона, со- ского и гамма-излучения (в то время как провождающего нейтронное излучение, так 5 ни один отдельно взятый ТЛД-детектор не .как сцинтиллятор ZnS . Ag, 3 чувствителен позволяет определить качество излучения), не только к тенловым Нейтронам, но и к достигается возможность детектирования нейгамма-излучению. В случае большого гамма- тронов в нейтронных и сь ешапных полях фона, сопровождающего нейтронное излучение (в то время, как люминофор SrS: Sm, ТЬ (этот случай соответствует условию 8> >z 8 ), î практическй нечувствитейен к нейтронам). поток тепловых нейтронов характеризуется Кроме того, с помощью детекторов по предлагаемому изобретению может быть полу- (2) resa хорошая сохраняемость дозньгетрнчес

8 8 — 8

- кой информации, так как основная инфоргде S — светосумма, запасенная люминофо- 5 мация в 8г8 . Sm, ТЬ содержится в высокором SrS; Sm, ТЬ за счет свечения Zn8;Ag,В, температурном rance термовысвечивания. обусловленного, в основном, чувствительноатыо Эффективность регистрами различных випоследнего к гамма-излучейию, и высвечива- дов и разлитых энергий ионизирующего иземая в высокотемпературиом пике 2. 3наченив лучения зависит от конструктивных особенS относительно 8 может быть получено при 2s ностей выполнения детекторов и, прежде с3 тилпятооблучении детектора гамма-излучением, rrpg, всего, от способа сочетании сциитил этом s S автоматически входи г величина . : ра с люминофором (сплав, саек, механичес0 06 S,, ., кая смесь мелкодисперсных компонентов, 1 °

Для получения детектора быстрых нейтро- оптический контакт между кристаллом сциннов выбран сцинтиллятор быстрых нейтронов, 5 тиллятора н люминофором и т.д.). Опреде:йолистирол с добавками 11-терфенила g . ляющую роль в выдре сноооба сочетания

P090P., играет химический состав компонентов и

Спектр излучения сцинтиллятора имеет мак- возможность их совместного нагрева s иросимум при 390-430 им. цессе термовысвечивания. Так, в сяучае приме

В качестве люминофора-аккумулятора этого Зо нения в качестве сцинтилляторов органических свечения выбран сульфид стронция, azrgss- материалов, образцы сцинтиллятора и люминороваиный самарием и тербием SrS®m, ТЬ. фора приводятся в контакт, совместно облуПри облучении быстрыми нейтронами де- чаются ri хранятся, а считыванию (иагреватектора, состоящего из сочетания выбранного нию и снятию термолюмииесценции) подвергасцинтиллятора с люминофором SrS Sm, Vb, 35 ется лишь образец люминофора последний запасает светосумму, высвечивае- Воэможность регламентированной регистрамую в виде одного высокотемпературного цнн ионизирующего излучения различных внпика термовысвечивания (КТВ 111). Низко- дов и энергий обусловлейа тем, что в детектемпературный пик в этом случае отсутствувт, торах по предлагаемому изобретению осущесттак как собственйая чувствительность Зг8 . 4" вляется, по крайней мере, частичное разде

:: Sm, ТЬ к быстрым нейтронам мала, a ление функции поглощения энергии нонизирувысокотемпературный пик характеризует свато- ющего излучения (эту функцию выполняет сумму, запасенную люминофором за счет зиер- сцинтиллятор) и функций эапасания доэиметгии, переданной ему сцинтиллятором, т.е. ха- рической информации (эту функцию выполрактеризует поток быстрых нейтронов. 45 ияет люминофор). При этом, в отличие от

При облучении детектора смешанным ТЛЯ-детекторов, к люминофору не предъяв(гамма + быстрые нейтроны) излучением ляется требований ни и отношении регламенпо аналогии с йзложенным в предылущем тироваиного поглощения ионизирующего иэения ни в отношении эффективности примере, поток быстрых нейтронов характери- лучения HH s oTHonresss -ффекти зуется светосуммой S, определяемой либо 5О запасания светосуммы под действием этого выражением (1) при условии S, . S„либо излучения. выражением (2) при условии Sr rj Sa, по, скольку выбранный сцинтиллятор чувствителен не только к быстрым нейтронам, но и.к Формула изобретения гамма-излучению, С помощью детекторов, выполненных s 1. Детектор ионизирующего излучения на виде сочетания сцинтиллятора с люминофо- основе люминофора, о т л и ч а ю щ и йром достигается тканеэквивалентность (в то с я тем, что, с целью регламентированной

717679

ЦБИИПИ Заказ 9834/62 Тираж 649 Подписное

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4 регистрации излучений различных видов, он выполнен в виде сочетания сцинтиллятора регистрируемого излучения с люминофором, обладающим спектром возбуждения термолюминесценции, перекрывающимся со спектром излучения сцинтиллятора.

2. Детектор по п. 1, о т и и ч а ю щ и йс я тем, что при регистрации рентгеновского и гамма-излучения в качестве сциитиллятора выбран материал, обладающий регламентированной зависимостью световыхода от энергии рентгеновского и гамма-излучения, а в качестве люминофора — материал, имеющий различные пики термовысвечивания при возбуждении ионизирующим излучением и излучением сцинтиллятора.

3. Детектор по п. 1, о т л и ч а юшийся тем, что при регистравэш нейтро1 нов в нейтронных и смешанных гамма-нейтрон- иных полях, в качестве сцннтиллятора выбран материал; обладающий эффективным световыходом при воздействии нейтронов регистрируемой энергетической области, а в качестве

$0 люминофора — материал, имеющий отдельный пик термовысвечивания при возбуждении излучением сциутиллятора.

4. Детектдр попп 1 и 2, о т л и ч а ю- шийся тем, что в качестве сцинтиллятора выбран тканеэквивалентный материал, а- в качестве люминофора — Вг8;8в, Tb.

5. Детектор по пп. 1 и 2, о т л и ч. а ю. шийся тем, что, с целью определения

10 средней энергии спектра рентгеновского и гамма-излучения, в качестве сцинтиллятора выбран воздухоэквивалентный материал, а B Качестве люминофора — SrS: Sm, ТЬ.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Шварц Н. К. и др. Термолюминесцентная дозиметрия, Рига, "Зинатне", 1968, с. 186.

2. Ramm, Ф.X Scintiiiation Detectorc 8 кн.

Radiation Dosimetry Eds. Attix F. M. Roesh

20 Ж С; TochilinE., voi. 11, Мех Jork and Lonакоп "Academic Press, 1966, рр. 123 — 167, 3. Патент США Я 3282855, кл. 252 — 301,4, опублик . 1966.