Постоянная распада Л=Л_Тепл=٨٠м, так как используется один и тот же материал активатора.

Для промежуточных нейтронов из формулы (63.11)

/а = (63.22)

Подставляя полученные в формулах (63.19), (63.21) и (63.22) значения в выражение (63.18), получаем окончательную формулу для оценки эквивалентной дозы смешанного нейтронного излу­чения:

(63.23)

Хи U

ПрОМ | ■^быстр؛٧ А_Пр_оМ Л_общ ٨ ٨٨

٠ ^а* ،етрПОп ⁺ "٦٠ ٠^й1، ^Н

В формуле (63.23) величины Л_Общ, Л_пр_ОМ и Лбыстр получают в результате измерения наведенной активности, остальные либо вычисляют, либо находят по таблицам как физические харак­теристики активационных детекторов. При выборе резонансного детектора в данном случае следует стремиться к большому зна­чению резонансного интеграла, что делает метод нечувствитель­ным к нижней границе спектра медленных нейтронов. Таким детектором может быть, например, золотая фольга.

Рассмотренный пример ограничен условием Х/<С1٠ Однако для получения возможно большей наведенной активности величина X должна быть как можно больше. Это ограничивает применение данного метода измерением большой единичной дозы, получаемой в течение короткого времени.

§ 64. Трековые дозиметрические детекторы

В дозиметрии нейтронного излучения нашли применение твер­дотельные трековые детекторы, в чувствительном объеме кото­рых регистрируется число треков заряженных частиц. Дозимет- 200

рическое 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 км. 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 хи٦ мическом 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.

Первоначально этот эффект (1958 г.) был обнаружен во фто­ристом литии, а затем оказалось, что треки образуются во всех материалах, имеющих удельное электрическое сопротивление бо­лее 2-10³ Ом٠см. Были исследованы стекла, органические пла­стики и некоторые силикатные материалы, например естественная и искусственная слюды.

Можно представить себе различные механизмы структурного нарушения вещества под действием заряженных частиц. Один из них связан с резерфордовским рассеянием атомов вещества, находящихся на пути тяжелой заряженной частицы. Здесь имеет­ся в виду кулоновское взаимодействие ядра атома и заряженной частицы, в результате которого атомы среды смещаются. Можно допустить наличие локального перегрева вещества в результате передачи ему энергии заряженной частицы. Если локальная температура в пределах трека частицы превысит некоторое кри­тическое значение, возможен разрыв химических связей и как следствие — диффузия атомов вещества в область более низких температур. Согласно оценкам осколок деления может сместить от 10³ до 10⁷ атомов. Наконец, интенсивная ионизация атомов вдоль траектории тяжелой заряженной частицы может создать заметные силы отталкивания между положительными ионами, т. е. ионизованными атомами вещества, которые могут сместить ионизованные атомы с начального положения, вытеснить их из ионизационной области.

Образование следов повреждения зависит от концентрации свободных носителей зарядов и их подвижности. Для данного вида проводимости твердого тела (электронной или дырочной) следы повреждения образуются, если удельное сопротивление пре­вышает определенное значение. Чем выше подвижность, тем больше должно быть удельное сопротивление.

В результате травления треки становятся видимыми только в том случае, если частицы обладают достаточной линейной потерей энергии. Один из наиболее чувствительных материалов —

201

нитроцеллюлоза; все частицы, имеющие энергетические потери не менее чем '1,2 МэВ/(мг٠см-2), могут быть зарегистрированы. Все'другие исследованные материалы требуют значительно боль- ших потерь энергии. Например, в фосфатных стеклах только осколки деления образуют видимые треки, в то время как а-ча- сицы и легкие ядра отдачи не могут быть зарегистрированы. В- цекоторых материалах треки а-частиц после химического трав- ления становятся видимыми, но их легко отличить от треков, образованных осколками деления. Последнее обстоятельство дела- ет особенно целесообразным применение этого метода регистрации для нейтронной дозиметрии. Из делящихся материалов для це- лей дозиметрии нейтронов наиболее пригодны 227№р с пороговой энергией около 0,6 МэВ, природный 232غآ с пороговой энергией приблизительно 2 МэВ, приходный уран и его изотопы 235и и 238لآ.

«Травителем» может служить любое химическое соединение, разъедающее вещество детектора с достаточной скоростью. Им могут быть неорганические основания, кислоты, органические ком- плексные соединения. Кинетика проявления треков зависит от химического состава материала детекторов, химического состава травителя, его концентрации и температуры, при которой про- исходит травление.

Наиболее распространенные травители — гидроксид калия КОН, гидроксид натрия ЫаОН, фтористоводородная кислота н.

Выбор материала детектора и химического травителя опре- деляется диапазоном измеряемой дозы, способом измерения ЧИС- ла проявленных треков, устойчивостью вещества детектора по отношению к травителю и другими факторами.

Измеряемое число треков п, возникающих на единице пло- щади детектора при облучении в течение времени ،, определяется формулой

п = еВЛЛ ٠٢ ?(0،# 64.1) ٠ £/،(£) ا (ا£)٠_غممج0 ة ٠٢) 0 Е11=1

где -ع —счетная эффективность детектора, т. е. число проявлен- ных и сосчитанных треков, деленное на число образованных еле- дов; غ — коэффициент, учитывающий ту долю образованных в делящемся материале осколков, которая попадает в детектор; ى، — относительное число ядер ،-го делящегося изотопа; о،٠ —се- чение деления ،-го изотопа для нейтронов с энергией £; ۶(£)—функция распределения нейтронов по энергиям, нормиро- ванная таким образом, что ٠٢/(£)،/£= 1; Е\ и £ج —соответст- венно минимальная и максимальная энергия нейтронов, пробег осколков деления в делящихся материалах обычно порядка Юмкм. Практически легко обеспечить, чтобы толщина делящегося ма- териала, окружающего детектор, была больше этого пробега. Энергетический спектр и угловое распределение осколков Прак- тически одинаковы для всех делящихся веществ. Эти обстоя- тельства прийодят к тому, что 'коэффициент ج можно считать 202

одинаковым для любых детекторов; Л٢-٣-общее число ядер всех делящихся нуклидов в единице объема; <р(،)—плотность потока нейтронов, имеющих энергию от до Е₂ в момент времени к Следовательно, интеграл по времени дает полное число нейтро­нов, прошедших за все время облучения через единичную пло­щадь нормально расположенной поверхности, т. е. флюенс ней­тронов Ф:

(64.2)

Ф٥]т(0،й.

Пусть — среднее эффективное сечение деления вещества, состоящего из й делящихся нуклидов, для нейтронов заданного энергетического диапазона.

Очевидно,

٠ .£ £ه(£)ل(£)،مل،٠ق ٢ ٠

3. .٠)حم(£)_نمحم٠،عؤإ ٢: — ط آ ،ا مة

^1=،اЕ £٥(£)1 ٢

Полагая 8=1, после подстановки формул (64.2) и (64.3) в (64.1) получаем следующее выражение для числа треков:

(64.4) 0٠صد

Из формулы (64.4) следует, что чувствительность 5, рассчитан, ная на один нейтрон и на единицу эффективного сечения, должна быть постоянной величиной:

(64.5)

>=د

ф٠г

دك

Зная чувствительность, можно определить эквивалентную

дозу

(64.6) ,(٨7٠۶$=7/

где К — коэффициент, равный эквивалентной дозе на единичный флюенс нейтронов данной энергии.

Отсюда для дозовой чувствительности дозиметра получим сле- дующую формулу:

(64.7)

Так как с٧ и К зависят от энергии нейтронов, в общем случае энергетическая зависимость чувствительности может быть силь­ной. Поэтому для практической дозиметрии нейтронов различной энергии необходимо либо знать энергетический спектр, либо со­здать такую комбинацию нескольких детекторов, каждый из ко­торых являлся бы дозиметром для определенной энергетической группы. На рис. 58 показан вариант такого комбинированного дозиметра. В качестве детектора, в котором возникают следы повреждения, служит пластик. Делящиеся материалы — ²³⁵и, ²³⁷Ир и ²³⁸и. Пластинки из делящегося материала находятся в контак-

203.

Рис. 58. Трековый дозиметр с пластико- вым детектором

те с пластиком, поверхность которого разделена на четыре участ­ка. Каждому участку соответствует определенная комбинация делящегося вещества и поглотителя. Регистрируется число треков в каждом участке детектора. Можно так подобрать толщину и материал поглотителя для соответствующего делящегося ну­клида, что каждый участок регистрирует треки, связанные с ней­тронами определенной энергетической группы исходного спектра. По четырем значениям числа регистрируемых треков удается найти не только суммарную эквивалентную дозу, но и вклад в дозу отдельных энергетических групп нейтронов. Подобные до­зиметрические спектрометры могут иметь различные модифи­кации.

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.

Для технических толстослойных эмульсий след минимальной длины, состоящий из трех зерен, образуется нейтронами, энергия которых не менее 0,25 МэВ. Этим определяется нижний энерге٠ тический порог метода. При наличии тепловых нейтронов протоны могут возникать в реакции ¹⁴Ы(п, р)¹⁴С. Протоны, образующиеся при захвате тепловых нейтронов, имеют энергию 0,63 МэВ. Если регистрировать следы, длина которых соответствует энергии про­тонов больше 0,6 МэВ, то число зарегистрированных следов бу­дет характеризовать поток только быстрых нейтронов. При упру­гом рассеянии моноэнергетические нейтроны могут создавать про­тоны любой энергии — от нуля до энергии нейтрона, поэтому часть следов быстрых нейтронов не будет зарегистрирована. Расчеты показывают, что нейтроны с энергией 1 МэВ создают 50 % протонов отдачи с энергией менее 0,6 МэВ. Это означает, что если не регистрировать протоны, возникающие в результате захвата тепловых нейтронов, то половина провзаимодействовав- ших нейтронов с энергией 1 МэВ также не будет зарегистриро­вана. Для энергии 2 МэВ число незарегистрированных следов уменьшается до 10 %, а для нейтронов с энергией 5 МэВ со­ставляет только 3 %.

Фотодозиметр отвечает своему назначению, если число заре­гистрированных следов пропорционально тканевой дозе незави- 204

симо от энергии нейтронов. Приближенно это удается обеспечить в ограниченном энергетическом интервале покрытием эмульсии специальными фильтрами.

Чувствительность метода для быстрых нейтронов характери- зуется следующими цифрами, при облучении ядерных фотопла- стинок Я-2 НИКФИ нейтронным излучением полониево-берил- лиевого источника при флюенсе 2,6٠0 нейтр./см2 число реи стрируемых треков протонов отдачи на 1 см2 пластинки составляет около 2000. Число фоновых следов на необлученной пластинке обычно не превышает 80 на 1 см2. Погрешность метода ядерных эмульсий для быстрых нейтронов определяется зависимостью чув- ствительности от энергии нейтронов и фактического содержания водорода в эмульсии. Суммарная погрешность определения дозы может доходить до 200٥/٥.

Применение ядерных фотоэмульсий для дозиметрии медлен- ных 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 ؟излуче- НИЯ 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 оло- вянного. В кассету одновременно помещают пакетики с ядер- ной фотоэмульсией и обычной фотопленкой. Для обычной фо- топленки при наличии -тепловых нейтронов оптическая ,плотность под кадмиевым фильтром будет выше, чем под оловянным, так как эффективное сечение реакции (п, آ) для олова зна- чительно меньше, чем для кадмия, а фотографическое действие обусловлено излучением, возникающим в фильтре. Но в ядер- ной фотоэмульсии при наличии тепловых нейтронов число про- тонных следов под кадмиевым фильтром.будет меньше, чем под оловянным. При отсутствии тепловых нейтронов фотоэффект в обычной пленке обусловлен только ؟излучением, а в ядерной эмульсии —только быстрыми нейтронами. При этом эффект в каждом случае под кадмиевым и оловянным фильтрами будет одинаковым.

Таким образом, дозу излучения можно оценить по почер- нению обычной фотопленки под оловянным фильтром, дозу быст- .рых 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 возможно- стями как по энергетическому диапазону, и .видам контроли- руемых излучений, так и по числу решаемых дозиметрических задач. Универсальность подобных дозиметров обеспечивается при- -205

менением различных по толщине и сорту материалов фильтров и пленок.

Твёрдотельный 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. На пузырек действуют два рода сил: давление жидкости р и сила поверхностного натяжения, экви­валентная давлению р_Пов=2(т/٢, где а—коэффициент поверх­ностного натяжения, г — радиус сферического микропузырька. В равновесном состоянии давление насыщенных паров в пузырь­ке ро=р+Рпов, и ему соответствует равновесный радиус пу­зырька г_о=2с٢/(ро—р). Если образуется пузырек с радиусом г<٧о, то он исчезает, схлопывается. Пузырек с радиусом г>г٠ быстро растет, что приводит к взрывообразному вскипанию всей капли жидкости, в пределах которой этот пузырек возник. В ре­зультате образуется газовый пузырек достаточно больших раз­меров (1 мм и более), хорошо различимый невооруженным глазом. 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.

Для данного полимера условия, при которых возникает ми­кропузырек с размерами больше равновесного с последующим вскипанием жидкой капли, определяются локально переданной веществу энергией и физическими свойствами рабочей жидкости. 206