§ 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 тканеэкви- валентном веществе оценивается величиной порядка 1 мГр в год. Пределы безопасности эквивалентной дозы, регламентируемые нормами радиационной безопасности, в зависимости от катего-. рии облучаемых лиц (например, профессиональные работники, все население и т. п.) находятся в диапазоне от фоновых значе- НИЙ до нескольких сантизивертов в год. При аварийных, ситуа- 14* 211

циях может возникнуть необходимость в определении дозы по­рядка 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 необходи­мость создания радиационных полей, обеспечивающих дозы по­рядка 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 ионизирую­щего излучения могут возникать продукты радиолиза, накопле­ние 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, про­текающих 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 нели­нейные эффекты взаимодействия излучения с веществом, сущ­ность которых можно пояснить следующим образом.

Пусть измеряемый сигнал дозиметрического детектора про­порционален поглощенной энергии в его чувствительном объеме. В заданном поле излучения поглощенная энергия пропорцио­нальна числу актов взаимодействия излучения с веществом. Обозначим п концентрацию атомов вещества детектора, взаи­модействие излучения с которыми определяет поглощенную энер­гию. Примем, что каждый атом, испытавший взаимодействие, выбывает из рассмотрения; концентрация атомов как бы ме­няется под действием излучения. Обозначим V число актов взаи­модействия за некоторый интервал времени на единицу объема детектора. Очевидно, число актов взаимодействия за единицу времени равно скорости «исчезновения» атомов детектора:

٥٢/،//=—йп/сИ. (66.1)

При плотности потока частиц ф и сечении взаимодействия о

с1у/сН=—Офп. (66.2)

212

Из уравнений (66.1) и (66.2) несложно получить следующую формулу, связывающую частоту взаимодействий с временем t\ dv jdt=oq ٠ riQ exp (—o٦pZ), (66.2a)

где n₀ — начальная концентрация атомов среды. Интегрируя урав­нение (66.2а) от 0 до получаем число актов взаимодействия за некоторое время

v=no[l—exp (—с٢ф،) ]. (66.3)

Если бы концентрация атомов среды не изменялась под дей­ствием излучения, полное число взаимодействий v₀ за время t определялось бы формулой

٢о=фс٢п_оЛ (66.4)

Отношение v/vo может служить количественной мерой нелиней­ного эффекта

_؛؛_ _ l-exp(-rf) (₆₆ 5)

Из формулы (66.5) видно, что при малом времени облучения (малые дозы) или при малой плотности потока (слабая интен­сивность) нелинейный эффект мал. Такая же зависимость и от эффективного сечения взаимодействия. Отсюда вывод: в интен­сивных 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 реагирую­щих 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 пропор­циональна поглощенной дозе в диапазоне 10⁴—10⁷ Гр при мощ­ности 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 изме­рении концентрации свободных радикалов в твердых веществах.

В последующих параграфах рассмотрены закономерности некоторых ионизационных и зарядовых детекторов в интенсив­ных радиационных полях.

213