Иванов В.И (1)

Это приводит к тому, что отношение (3/& в формуле (65.4) слаба зависит от энергии нейтронов в некотором энергетическом диапазоне. Практичными детекторами для этих целей оказались некоторые виды ядерных фотоэмульсий. Возможно применение и других детекторов тепловых нейтронов.

Предложены различные варианты практического применения альбедного принципа дозиметрии. Возможности управления харак­ теристиками дозиметра расширяются, если использовать такое обратно рассеянное излучение, для которого чувствительность е зависит от энергии первичных нейтронов.

В заключение этой главы обратим внимание на следующее обстоятельство, связанное с дозиметрией нейтронов при аварий­ ной ситуации. Обычно в этих случаях имеют в виду импульсное облучение в течение сравнительно короткого промежутка вре­ мени. Относительная биологическая эффективность (ОБЭ) ней­ тронов при кратковременном облучении в большой дозе оказы­ вается другой по сравнению с ОБЭ при непрерывном облучении в течение длительного времени. Это вносит коррективы и в ко­ эффициент качества, который на современном уровне знаний не может быть надежно рекомендован для любых аварийных ситуаций. Поэтому целесообразно характеризовать аварийное об­ лучение поглощенной дозой, ее распределением по телу, а так­ же составом и энергией излучения.

ГЛАВА 10

ДОЗИМЕТРИЯ ВЫСОКОИНТЕНСИВНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

§ 66. ОСОБЕННОСТИ ДОЗИМЕТРИИ ВЫСОКОИНТЕНСИВНЫХ потоков ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Общепринятой классификации условий облучения в завии

мости от интенсивности излучения или связанных с ней величин в настоящее время нет. Тем не менее понятия «слабоинтенсивное излучение», «высокоинтенсивное излучение» часто применяются в практике. Какие потоки энергий или частиц следует считать малыми, а какие высокими? Излучение природных источников (естественный фон) относится к малоинтенсивному излучению. Поглощенная доза излучения естественного фона в тканеэквивалентном веществе оценивается величиной порядка 1 мГр в год. Пределы безопасности эквивалентной дозы, регламентируемые нормами радиационной безопасности, в зависимости от катего-.

циях может возникнуть необходимость в определении дозы по­ рядка 1—10 Зв, полученной за сравнительно короткий отрезок времени. При медицинском применении ионизирующих излучений имеют дело с дозами около 10 Гр при мощности дозы примерно 0,1 Гр/мин. В радиационной технологии возникает необходи­ мость создания радиационных полей, обеспечивающих дозы по­ рядка 104—107 Гр. Таким образом, диапазон доз, требующий дозиметрического обеспечения, чрезвычайно широк (10~5—107 Гр). Столь же широк оказывается и диапазон мощности дозы: 10-8— 104 Гр/с.

Ограничивающими факторами со стороны низких значений измеряемых величин являются чувствительность дозиметрических детекторов и фоновые, шумовые эффекты. Со стороны высоких значений измеряемых величин ограничения связаны в основном с особенностями тех процессов, которые протекают в детекторе под действием интенсивных потоков ионизирующего излучения. ،Например, в химических дозиметрах под действием ионизирую­

щего излучения могут возникать продукты радиолиза, накопле­ ние которых изменяет радиационно-химический выход основной реакции. В ионизационных камерах при интенсивных потоках излучения процесс рекомбинации в исчезновении ионов может оказаться преобладающим при любой практически достижимой напряженности электрического поля. Отражением процессов, про­ текающих в фотоэмульсии под действием интенсивных потоков,

является эффект соляризации. В люминесцентных дозиметрах при больших дозах начинает проявляться ограниченность числа «локальных уровней захвата электронов в запрещенной зоне. Эти

примеры легко продолжить.

В интенсивных полях излучения начинают сказываться нели­ нейные эффекты взаимодействия излучения с веществом, сущ­ ность которых можно пояснить следующим образом.

Пусть измеряемый сигнал дозиметрического детектора про­ порционален поглощенной энергии в его чувствительном объеме. В заданном поле излучения поглощенная энергия пропорцио­

нальна числу актов взаимодействия излучения с веществом. Обозначим п концентрацию атомов вещества детектора, взаи­ модействие излучения с которыми определяет поглощенную энер­ гию. Примем, что каждый атом, испытавший взаимодействие, выбывает из рассмотрения; концентрация атомов как бы ме­ няется под действием излучения. Обозначим V число актов взаи­ модействия за некоторый интервал времени на единицу объема детектора. Очевидно, число актов взаимодействия за единицу

212

Из уравнений (66.1) и (66.2) несложно получить следующую

где n0 — начальная концентрация атомов среды. Интегрируя урав­

Если бы концентрация атомов среды не изменялась под дей­ ствием излучения, полное число взаимодействий v0 за время t

Отношение v/vo может служить количественной мерой нелиней­ ного эффекта

Из формулы (66.5) видно, что при малом времени облучения

(малые дозы) или при малой плотности потока (слабая интен­

сивность) нелинейный эффект мал. Такая же зависимость и от эффективного сечения взаимодействия. Отсюда вывод: в интен­ сивных полях излучения следует применять детекторы с малым эффективным сечением реакции, определяющей измеряемый сигнал.

Типичным примером нелинейного эффекта может служить эф٩

фект «выгорания» при использовании активационных детекторов. Нелинейные эффекты, связанные с изменением числа реагирую­ щих атомов среды, в принципе могут проявляться и при изме٠ рении фотонного излучения, если учесть, что при возбуждении атомов изменяется эффективное сечение взаимодействия.

Для дозиметрии интенсивных потоков излучения могут быть использованы различные процессы и явления, происходящие при

взаимодействии излучения с веществом. В качестве примера укажем на изменение угла вращения плоскости поляризации раствора глюкозы в воде. Измеряемой физической величиной здесь является оптическая активность раствора, которая пропор­ циональна поглощенной дозе в диапазоне 104—107 Гр при мощ­ ности дозы 0,20—60 Гр/с. Дозиметр, разработанный на этой

•основе под руководством С. В. Стародубцева, нашел применение при внутриреакторной дозиметрии.

Перспективными представляются методы, основанные на изме­ рении концентрации свободных радикалов в твердых веществах.

В последующих параграфах рассмотрены закономерности некоторых ионизационных и зарядовых детекторов в интенсив­

ных радиационных полях.

213

§ 67. ЖИДКОСТНЫЕ ИОНИЗАЦИОННЫЕ КАМЕРЫ

В жидкостных камерах ионизационной средой является жид­ кость, обладающая высоким электрическим сопротивлением. Прин­ цип работы жидкостных ионизационных камер основан на том, что под действием ионизирующих излучений увеличивается про­ водимость жидких диэлектриков. Можно предполагать, что уве­ личение проводимости обусловлено ионизацией жидкости ана­ логично тому, как это происходит в газе. Первые опыты по ис­

следованию проводимости жидких диэлектриков под действием ионизирующих излучений провел в 1902 г. П. Кюри, который обнаружил увеличение проводимости жидкостей под действием излучения радия. В дальнейшем ионизацию жидкостей исследо­ вали отечественные и зарубежные ученые.

В 30-х годах Тейлор, наблюдая ионизацию диэлектрических жидкостей под воздействием рентгеновского излучения, опреде­ лил среднюю энергию ионообразования в жидком СБ2, которая оказалась примерно такой же, что и для воздуха.

Принципиально вместо воздуха в ионизационных камерах можно использовать жидкости. Целесообразность применения

жидкостных камер можно обосновать следующими причинами. Органические жидкости и их смеси, имеющие высокое удель­ ное сопротивление, по своей плотности и эффективному атомному номеру близки к биологическим тканям; применение различных

жидкостей и их смесей позволяет в определенных пределах ме­ нять эффективный атомный номер ионизационной среды. Можно ожидать, что вследствие большой плотности чувствительность жидкостных камер должна быть выше, чем воздушных. Большое содержание водорода в органических жидкостях, возможно, по­ зволит применять жидкостные камеры для дозиметрии нейтронов и смешанного излучения.

Специальные исследования показывают, однако, что иониза­ ция жидкостей под действием излучений имеет особенности, за­ трудняющие практическое использование жидкостных иониза­ ционных камер. Вследствие большой плотности ионизационной среды преобладающим видом рекомбинации ионов является ре­ комбинация в пределах плотных ионных сгустков. Это не позво­ ляет обеспечить режим насыщения в жидкостных камерах. Кроме того, под действием ионизирующих излучений в жидкостях воз­

можны радиационно-химические процессы, которые приводят к образованию новых химических соединений. Продукты радиа­ ционно-химических реакций могут изменить электрические свой­ ства жидкости. Наконец, в диэлектрических жидкостях наблю­

даются поляризационные эффекты, которые существенно влияют на поведение электрического тока во внешней цепи.

Экспериментальные исследования жидкостных ионизационных камер позволяют указать на следующие их особенности.

1. Полное собирание ионов на электроды в жидкостной ка­ мере отсутствует при всех напряжениях, вплоть до электриче­ ского пробоя жидкости.

214

2. При малых значениях напряженности электрического поля вольт-амперная характеристика имеет омический участок, кото­ рый тем протяженнее, чем выше интенсивность излучения. На

этом участке ионизационный ток прямо пропорционален корню

квадратному из мощности дозы.

3.Выше некоторого значения разности потенциалов между электродами ионизационный ток примерно пропорционален на­ пряженности электрического поля. На этом же участке ток про­ порционален мощности дозы.

4.При резком изменении напряжения, приложенного к ка­

мере, происходит медленное установление ионизационного тока. ١С изменением интенсивности излучения ток устанавливается до­ статочно быстро, но все же значительно медленнее, чем в га­ зовых камерах. Установившийся ток остается достаточно устой­ чивым до определенного значения напряженности электрического

поля, выше которого наблюдаются резкие колебания тока, за­ трудняющие его измерение.

5. В жидкостных камерах может возникать эффект полярно­

сти, который заключается в том, что значение ионизационного тока зависит от знака приложенного напряжения. Эффект поляр­ ности особенно заметен в области малых значений напряжен­ ности поля.

Исследования жидкостных камер указывают на практическую

возможность их применения для дозиметрии смешанного ٠у—п٠из٠ дучения (см. § 89).

§ 68. ИОНИЗАЦИОННЫЕ КАМЕРЫ БЕЗ ВНЕШНЕГО ИСТОЧНИКА НАПРЯЖЕНИЯ

Из практики известно, что во внешней цепи ионизационной камеры, находя­ щейся в поле излучения, ток течет даже тогда, когда внешний источник напря­ жения отсутствует. Это свидетельствует о наличии разности потенциалов межд'у электродами, обусловленной внутренними причинами. Можно указать по крайлей мере три причины возникновения разности потенциалов: контактная разность потенциалов, электрохимические реакции, попадание ионизирующих заряженных частиц на электроды. Непосредственная зарядка электродов ионизирующими частицами в условиях ионизации газового промежутка вряд ли может создать заметную разность потенциалов. По-видимому, преобладающей из указанных причин является контактная разность потенциалов, которая не зависит от интен­ сивности излучения и имеет постоянное значение. Однако ؛контактная разность потенциалов имеется только тогда, когда используются разнородные электроды. Это же относится к электрохимической разности потенциалов. Тем не менее на практике наблюдается ток даже тогда, когда электроды сделаны из одного ма­

в случае у-излучения) из электродов первичным излучением. Действительно, если электроды различаются между собой по форме или размерам, то даже при воз­ действии на них излучения равной интенсивности число заряженных частиц, вы­ летающих из электродов, будет неодинаковым. Если в единицу времени из каж-

215

дого электрода вылетает неодинаковое чис­ ло заряженных частиц, то возникает раз- К Электро- ность потенциалов между электродами. Разность потенциалов зависит от интенсив­

пряжение, зависящее от интенсивности излучения. Исследования показывают, что это напряжение значительно меньше того, которое требуется для обеспечения режима насыщения.

Несмотря на всю сложность процессов, происходящих в ионизационных камерах без внешнего источника питания, существует определенная связь между измеряемым ионизационным током и мощностью дозы излучения. Чувствительность таких камер не выше чувствительности радиационных элементов, и они в принципе могут быть использованы для дозиметрии лишь в достаточно интенсивных пучках, кроме того, чувствительность подобных камер зависит от энерГИИ излучения, что потребует в случае их применения специальных мер для компенсации эзч.

Рассмотрим возникновение тока во внешней цепи ионизационной камеры, облучаемой направленным потоком ^-излучения (рис. 60). Электроды АиВ еделаны из одного материала, но имеют различную толщину. Электрометр, подключенный к камере, будет измерять потенциал иа в точке а, созданный током ٤', протекающим через высокоомное сопротивление .*/? в результате взаимодей’ С-ТВИЯ у-излучения с электродами из них будут выбиваться электроны, причем число электронов, покидающих поверхность электродов, будет неодинаковым. Это приводит к тому, что на емкости, созданной электродами, образуется электриче-. ский заряд.

Пусть # —заряд, образуемый излучением в единицу времени на электродах конденсатора, имеющего емкость С; ٠٤-заряд на электродах, накопившийся за время / после начала облучения. Наряду с образованием заряда происходит его утечка по сопротивлению /?*; кроме того, заряд на электродах нейтрализуется ионами, перемещающимися под действием электрического ПОЛЯ между элек­ тродами.

Накопление заряда на электродах описывается уравнением

216

дозы излучения р. Ток насыщения пропорционален мощности дозы при неизменном спе٠ктральном составе, поэтому

где ٠0-коэффициент, зависящий от энергии излучения, при этих же условиях скорость образования заряда на электродах также пропорциональна мощности дозы:

шедшего с начала облучения, при постоянной мощности дозы, в установившемся режиме аиа/сН== о, и тогда

представить явный вид функции ك)عده, р). При определенном значении мощности дозы излучения р эффективность собирания ионов будет тем выше, чем больше

где ع зависит от разности потенциалов между электродами и от мощности дозы.

непосредственно следует, что потенциал в точке а пропорционален корню квадратному из мощности дозы:

Из (68.7) и (68.8) можно оценить максимальную эффективность собирания ионов для каждого конкретного случая.

Из сравнения выражений (68.3) и (68.4) видно, что

ة0اه0ت،7م٠0,

-где ٤'0-ионизационный ток насыщения.

217

Несложные рассуждения приводят к следующему выражению для макси­ мальной эффективности собирания ионов:

где Уг — объем электрода, из которого электроны, выбитые у-квантами, выходят наружу; Уг —объем газового промежутка, в котором происходит **ионизация ^2-линейный коэффициент ослабления у-излучения в материале электрода؛

—линейный коэффициент передачи энергии у-излучения в газе; № —средняя энергия ионообразования; ^-энергия у-квантов.

Формула (68.10) получена в предположении, что электроны выбиваются только из ОДНО'ГО электрода камеры, а другой электрод является «прозрачным» для у-излучения. Численные расчеты показывают, что практически всегда ^макс^ ^1. В реальных условиях сопротивление /?* не бесконечно большое, и это приводит к еще меньшему значению эффективности собирания ионов. Таким образом, можно считать, что при отсутствии внешнего напряжения ионизационная камера работает вдали от режима насыщения в области начального участка вольт-амперной характеристики. На начальном участке вольт-амперной характеристики ионизационный ток пропорционален напряжению и корню квадратном؛у

где ٠1 — новый коэффициент, зависящий от энергии излучения. С учетом формул (68.3) и (68.11) вместо уравнения (68.6) можно записать

Выражение (68.13) определяет в общем виде зависимость измеряемой вели­ чины иа от мощности дозы в ионизационных камерах без внешнего источника питания. Отсутствие простой линейной зависимости затрудняет использование таких камер для точных дозиметрических измерений, однако их можно исполь­ зовать для контроля достаточно интенсивных пучков излучения. Коэффициенты ٥о и ٠1 в формуле (68.13) зависят от энергии у-излучений и определяют ЭЗЧ подобных систем.

§ 69. ДЕТЕКТОРЫ ПРЯМОЙ ЗАРЯДКИ (РАДИАЦИОННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ)

По аналогии с гальваническим элементом устройства, пре-

образующие энергию излучения непосредственно в электриче­ скую, можно назвать радиационными элементами. Радиационные элементы можно использовать для дозиметрии ионизирующих излучений.

Принципиальная схема детектора прямой зарядки показана на рис. 61. Устройство состоит из двух цилиндрических элек­ тродов: внешнего 1 и внутреннего 2, разделенных высококачест­ венной изоляцией и помещенных в вакуум. у٣Излучение, взаи٠

218

заряда, то полный заряд на этом электроде, собранный за время

За время облучения / между электродами возникает разность

потенциалов

честве излучения ток I пропорционален мощности дозы, а раз­

ность потенциалов и — дозе излучения. Утечка между электро­ дами уменьшает чувствительность подобных дозиметров. Чувстви­ тельность максимальна при идеальной изоляции и отсутствии потока электронов от внутреннего электрода к внешнему (т٦2= =0). В этом случае

1=ех\т е-

Пусть р,1-линейный коэффициент ослабления у-излучения в материале внешнего электрода вследствие ،-го эффекта взаимодействия (фотоэффект, комптон-эффект или эффект образоваНИЯ пар); ^• — эффективная толщина внешнего электрода, из

которой электроны могут попасть в пространство между электродами. Эффективная толщина приближенно равна максимальному пробегу электронов, высвобождающихся при ،-й эффекте

219

Очевидно, Т|1 не может быть больше вероятности попадания

электронов из внешнего электрода в пространство между электродами. Легко заметить, что ١٦اةإدغر?ي пропорционально эффек тивности газоразрядного счетчика Сеч, имеющего ту же конфигурацию и тот же материал внешнего электрода, что и радиационный элемент (см. § 27). Положим 4اً٦اةإعيرجي=8ح, что соответствует случаю максимально возможной чувствительности радиаци-

онного элемента. Тогда

у-элемент имеет такую же эзч, как и эквивалентный газоразрядный счетчик. Влиять на эзч можно, подбирая соответствующие материал и толщину внешнего электрода.

Оценки по формуле (69.5) показывают, что максимальная

чувствительность радиационного элемента с внешним свинцовым

1,3-10-12 Кл/(Р-см2). Если принять поверхность внешнего электрода равной нескольким десяткам квадратных сантиметров, а' электрическую емкость — нескольким десяткам пикофарад, то максимальную чувствительность при измерении разности *потен

циалов и можно оценить как величину порядка 1В/Р. Рассмотренный принцип можно применить в радиационных

элементах для нейтронных измерений. Для этого необходимо обеспечить преобразование энергии нейтронов в энергию заряженных частиц на одном из электродов. Этот электрод будет являться эмиттером заряженных частиц, а другой электрод — коллектором, в качестве эмиттера удобно использовать нуклиды, активирующиеся под действием нейтронов. При распаде нуклиды испускают заряженные частицы, которые оседают на коллек торе. Число заряженных частиц, испускаемых эмиттером в единицу времени, пропорционально наведенной активности, которая

определяется формулой

сечен'ие активации؛ ى —масса эмиттера؛ д — относительная атом-

220