Романцов В.П., Романцова И.В., Ткаченко В.В. Сборник лабораторных работ по Дозиметрии и защите от ионизирующего излучени

зации поля излучения в точке, совпадающей с центром шарового фантома МКРЕ (шара диаметром 30 см из тканеэквивалентного материала с плотностью 1 г/см3). Результаты контроля радиационной обстановки используют для оценки возможной дозы внешнего облучения.

При индивидуальном дозиметрическом контроле за значение эффективной дозы внешнего облучения принимают значение операционной величины индивидуального эквивалента дозы

HP(10). Индивидуальный эквивалент дозы HP(d) равен эквива-

ленту дозы на глубине d (мм) под рассматриваемой точкой на поверхности плоского тканеэквивалентного фантома МКРЕ. Использование фантома в этом случае позволяет напрямую обеспечить учет возмущения реального поля излучения человеком. Параметр d определяет применение операционной для оценки нормируемой величины:

-при d = 10 мм величины H*(10) и HP(10) соответствуют эффективной дозе внешнего облучения;

-при d = 3 мм величины H*(3) и HP(3) соответствуют эквивалентной дозе внешнего облучения хрусталика глаза;

-при d = 0.07 мм величины H*(0.07) и Hр(0.07) соответствуют

эквивалентной дозе внешнего облучения кожи.

При правильном использовании индивидуального дозиметра годовая эффективная доза внешнего облучения принимается равной индивидуальному эквиваленту дозы HP(10), зафиксированному средствами индивидуальной дозиметрии за календарный год. Правильное использование означает следующее. Если необходимо определить, например, эквивалентную годовую дозу в хрусталике глаза (и сравнить ее с нормируемым значением эквивалентной дозы в табл. 5), то индивидуальный дозиметр должен иметь толщину поглотителя 3 мм и помещаться в области глаз. В таблице 6 приведены параметры индивидуальных дозиметров и места их расположения при ИДК (индивидуальном дозиметрическом контроле).

Если известен энергетический состав -излучения, то в качестве операционной величины при контроле радиационной обстановки наряду с амбиентным эквивалентом дозы H*(10) может быть экспозиционная доза – базовая дозиметрическая величина, надежно определяемая существующими дозиметрами. Экспози-

31

ционная доза – характеристика поля фотонного излучения; при фиксированной энергии через поле (Х) можно найти флюенс Ф (формула (21)), далее, используя эффективную дозу, рассчитанную для единичного флюенса (табл. 4), определить эффективную дозу внешнего облучения для стандартного человека, помещенного в данное поле. В таблице 4 приведены уже рассчитанные значения эффективной дозы в переднее-задней геометрии Е(ПЗ), связанные с соответствующим значением экспозиционной дозы Х. Они представлены в виде отношения Х/Е(ПЗ), поэтому для определения искомого значения эффективной дозы в заданной точке r нужно полученное в измерениях значение Х разделить на отношение Х/Е(ПЗ), взятое для соответствующего значения энергии .

Таблица 6 Соответствие между нормируемыми и операционными величинами

при ИДК внешнего облучения

Контролируемой величиной для ИДК внутреннего облучения является поступление I радионуклида за определенный период контроля. Ожидаемую эффективную дозу внутреннего облучения можно определить с помощью формулы

зовый коэффициент, означающий ожидаемую дозу внутреннего облучения при ингаляционном поступлении 1 Бк радионуклида U, Зв/Бк. Значения дозовых коэффициентов были рассчитаны МКРЗ исходя из специальных моделей миграции радионуклидов

32

в организме человека. Их значения приведены в нормах НРБ99/2009.

Измеряемой же величиной при ИДК внутреннего облучения является активность радионуклида в теле человека или его органах либо активность в выделениях или других пробах биологического происхождения. Переход от измеренной величины (активности) к контролируемой (поступлению активности в тело человека), а затем к ожидаемой эффективной дозе внутреннего облучения осуществляется с учетом характера предполагаемого поступления и модели выведения радионуклида в соответствии со специально разработанными методическими указаниями.

Таким образом, общий ущерб, нанесенный человеку воздействием радиации, определяется годовой эффективной дозой, представленной в виде суммы индивидуального эквивалента дозы внешнего облучения (показывает индивидуальный дозиметр) и ожидаемой эффективной дозой внутреннего облучения, рассчитываемой по содержанию радионуклидов в теле человека. Индивидуальная эффективная доза, определяемая таким образом, называется «приписываемой», поскольку индивидуальная доза облучения работника принимается равной дозе облучения «стандартного (условного) человека», который находился бы в тех же производственных условиях и выполнял те же работы с источником, что и данный индивид. Персональная доза конкретного человека, в отличие от индивидуальной, зависит от многих факторов: массы человека, его роста, возраста, пола, состояния здоровья, от конфигурации поля излучения не только в точке расположения дозиметра, но и по всему телу и т.п. и может быть оценена только в рамках множества допущений.

33

РАБОТА № 1. ГРАДУИРОВКА СЦИНТИЛЛЯЦИОННОГО ГАММА-ДОЗИМЕТРА И ОЦЕНКА МОЩНОСТИ ЭФФЕКТИВНОЙ ДОЗЫ

СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ МЕТОД ДОЗИМЕТРИИ

Принцип действия. Сцинтилляционный метод в настоящее время является одним из наиболее распространенных методов регистрации ионизирующих излучений. Широкое применение сцинтилляционных детекторов обусловлено прежде всего высокой эффективностью регистрации -излучения (при определенных условиях эффективность регистрации может приближаться

стве случаев фотоны поглощаются в этом же веществе вблизи места своего образования, т.е. обычное вещество непрозрачно для собственного излучения. Сцинтилляторы вещества, в которых спектр поглощения сдвинут относительно спектра испускания в сторону меньших длин волн. Это дает возможность некоторым световым квантам выйти из сцинтиллятора и быть зарегистрированными (т.е. сцинтиллятор прозрачен для собственно-

34

го излучения).

Энергия светового излучения сцинтиллятора в фотоэлектронных умножителях (ФЭУ) преобразуется в импульсы электрического тока. Объединение сцинтиллятора и ФЭУ позволяет регистрировать очень короткие, очень слабые по интенсивности вспышки света.

Класс веществ, способных быть сцинтилляторами, обширен. Так, сцинтилляторами могут быть вещества в любом агрегатном состоянии твердом, жидком, газообразном. Свойства сцинтиллятора, в основном, определяются механизмом высвечивания в нем. По своим свойствам выделяются две группы сцинтилляторов: неорганические кристаллы и органические соединения.

Неорганические сцинтилляторы всегда кристаллы. Для объяснения процесса высвечивания неорганических сцинтилляторов привлекают зонную теорию твердых тел. Люминесценция (образование световой вспышки) в кристаллах возможна при наличии так называемых примесных уровней, расположенных в запрещенной зоне. Испускание света происходит при переходе электрона (или дырки) на один из таких уровней, называемых центрами люминесценции. Для увеличения световыхода в кристаллы добавляют специальные примеси активаторы. Это повышает плотность центров люминесценции, увеличивая тем самым вероятность захвата электронов и дырок на примесные уровни. Для кристаллов NaI и CsI лучшим активатором является таллий (Tl), для LiI – европий (Eu), для ZnS обычно применяют серебро (Ag).

Органические сцинтилляторы. Очень многие органические соединения обладают сцинтиллирующими свойствами. Большая часть органических сцинтилляторов относится к группе ароматических углеводородов, в состав которых входят бензольные кольца. Распространенные органические сцинтилляторы антрацен, стильбен, раствор терфенила в полистироле и др. Важное преимущество органических сцинтилляторов по сравнению с неорганическими меньшее время высвечивания ( ~ 10-9 10- 8 с). Высвечивание фотонов в органических сцинтилляторах обусловлено электронными переходами в возбужденных молекулах, т.е. люминесценция является свойством отдельной молекулы. Благодаря этому люминесцентный процесс не зависит от

35

агрегатного состояния сцинтиллирующего вещества, поэтому возможно неограниченное увеличение объема сцинтиллятора.

Все сцинтилляторы, и органические и неорганические, должны обладать определенными свойствами, необходимыми с точки зрения детектирования излучений. Прежде всего сцинтиллятор должен обладать высокой конверсионной эффективностью.

Конверсионная эффективность это отношение энергии световой вспышки к энергии, поглощенной в сцинтилляторе. Конверсионная эффективность сцинтилляторов находится в диапазоне 0,02 0,15. В идеальном сцинтилляторе не должна зависеть ни от природы, ни от энергии регистрируемых частиц в этом случае интенсивность световой вспышки будет пропорциональна только энергии, потерянной частицей в сцинтилляторе.

Не все фотоны света, возникающие в сцинтилляционном процессе, достигают фотокатода фотоумножителя. Для уменьшения потерь световых фотонов и увеличения их числа, достигающего фотокатода, обычно стараются наружную поверхность сцинтиллятора сделать такой, чтобы фотоны отражались от нее обратно в детектор, а в месте соприкосновения сцинтиллятора с баллоном ФЭУ, наоборот, обеспечивался бы оптический контакт для уменьшения внутреннего отражения. Вероятность фотону света, образованному в сцинтилляторе, попасть на фотокатод называется коэффициентом светособирания (фотосбора) g; эта вероятность зависит от поглощения световых фотонов в сцинтилляторе, упаковке кристалла, отражателе и стеклянной колбе ФЭУ. Величина g находится в пределах 0,7 – 0,8, однако при использовании однородных оптически прозрачных сцинтилляторов совместно с эффективными рефлекторами удается получить эффективность светособирания порядка единицы.

Для обеспечения высокой разрешающей способности по времени длительность световой вспышки должна быть малой. Время высвечивания индивидуально для каждого типа сцинтиллятора и определяется средним временем жизни возбужденного состояния, из которого происходит испускание фотонов.

Детектор NaI(Tl) считается одним из самых лучших неорганических сцинтилляторов. Этот сцинтиллятор имеет самую высокую конверсионную эффективность (за исключением ZnS(Ag), но это мелкокристаллический, плохо прозрачный для собствен-

36

ного излучения порошок, кристаллы которого невозможно получить больших размеров) и малое по сравнению с другими неорганическими кристаллами время высвечивания. Кристаллы NaI(Tl) могут быть выращены огромных размеров (до 70-ти см в диаметре и такой же высоты), что позволяет регистрировать - излучение с высокой эффективностью. В таблице 1.1 приведены характеристики наиболее распространенных сцинтилляторов – неорганического NaI(Tl) и органического стильбена.

Таблица 1.1 Характеристики наиболее распространенных сцинтилляторов

Фотоэлектронный умножитель. Поскольку ФЭУ является неотъемлемой частью сцинтилляционного детектора, его параметры также должны удовлетворять некоторым условиям, необходимым для успешной регистрации излучений. Во-первых, спектральная чувствительность фотокатода ФЭУ должна соответствовать спектру частот света, излучаемого сцинтиллятором. Во-вторых, ФЭУ должны обладать высокой конверсионной эффективностью фотокатода, которая означает вероятность того, что фотон выбьет электрон из фотокатода. Конверсионная эффективность фотокатода обычно находится в диапазоне 0,05 – 0,15.

8 Под эффективным атомным номером сложного вещества в дозиметрии понимают атомный номер такого условного простого вещества, для которого коэффициент передачи энергии излучения, рассчитанный на один электрон среды, является таким же, как и для данного сложного вещества, т.е. одному грамму вещества передается одинаковое количество первичного излучения. Вещества, имеющие тот же эффективный атомный номер, что и воздух, называются воздухоэквивалентными веществами, а вещества, имеющие одинаковый эффективный атомный номер с биологической тканью – тканеэквивалентными.

37

Чтобы изготовить фотокатод, тонкий слой соединений сурьмы и цезия (или висмут-серебро-цезий) наносится изнутри на торцевую поверхность вакуумированной стеклянной колбы. Работа выхода9 для этих соединений мала, к тому же для этих соединений характерно наилучшее перекрытие их спектральной чувствительности со спектром испускания большинства сцинтилляторов.

Толщина фотокатода подбирается из следующих соображений. Световой выход с катода зависит от двух процессов поглощения фотонов в материале катода и выхода электронов из катода. Чем больше толщина фотокатода, тем больше фотонов в нем поглотится (средний пробег фотонов с ~ 4 эВ в сурьмяно-цезиевом фотокатоде ~ 10-5 см). Вероятность выхода электронов из фотокатода, наоборот, уменьшится при увеличении толщины фотокатода, т.к. она зависит от глубины, на которой был образован электрон в результате фотоэффекта. Поскольку пробег фотоэлектронов много меньше пробега фотона, из толстого фотокатода (в котором поглотится много света) выйдет мало электронов. Через слишком тонкий фотокатод фотоны пройдут без взаимодействияв этом случае образуется мало электронов, хотя и с большой вероятностью выхода. Поэтому конверсионная эффективность фотокатода зависит от толщины фотокатода (имеет максимум). Фотокатод должен быть полупрозрачным для света, и достигается это подбором толщины фотокатода.

После выхода с катода (энергия испускаемых с фотокатода электронов составляет ~ 1,6 эВ) электроны попадают в ускоряющее и фокусирующее поле, направляющее электроны на первый динод. Система динодов служит в ФЭУ для ускорения и умножения потока электронов. Диноды делаются из такого вещества, для которого число вторичных электронов (испускаемых) больше числа первичных электронов, падающих на динод. Отношение числа вторичных электронов к числу первичных называется коэффициентом вторичной эмиссии и обозначается буквой . Коэффициент вторичной эмиссии зависит от многих

9 Работа выхода – энергия, которую необходимо затратить на вырывание электрона с металлической поверхности. Так, для вольфрама, меди, молибдена работа выхода составляет ~ 4,4 эВ, для цезия на вольфраме – 1,36 эВ.

38

факторов: от материала динода и состояния его поверхности, от энергии падающих электронов, угла падения электронов и т.д. Изготавливаются диноды обычно из материалов сложного состава сплавов Al-Mg-Si или Сu-А1-Mg. Для этих соединений может достигать 5 – 7, наиболее вероятная энергия вторичных электронов, испускаемых динодом, составляет ~ 1,5 3,5 эВ.

Коэффициент усиления ФЭУ М, численно равный отноше-

нию числа электронов, пришедших на анод, к числу электронов, выбитых с фотокатода, можно оценить по формуле М = n , где nчисло динодов. Обычно число динодов в ФЭУ равно 10 12, а коэффициент усиления ФЭУ M = 105 108. Коэффициент вторичной эмиссии зависит от энергии электронов, падающих на динод. В свою очередь энергия электронов определяется разностью потенциалов между электродами ФЭУ (обычно на диноды подается напряжение ~ 100 В).

Каждому электрону, поглощенному в сцинтилляторе, соответствует импульс тока в анодной цепи ФЭУ. Следовательно, измерению может подлежать как среднее значение анодного тока ia, так и число импульсов тока в единицу времени nсч. В соответствии с этим различают токовый и счетчиковый режимы сцинтилляционного детектора.

Важнейшая характеристика детектора – чувствительность, т.е. его отклик на единицу измеряемой величины. В случае измерения мощности дозы чувствительность дозиметра определяется отношением измеряемого тока ia к определяемой величине

мощности поглощенной дозы в воздухе D . Это отношение во многом определяется типом используемого сцинтиллятора.

Чувствительность (в данном случае отношение ia/ D ) должна быть постоянной величиной – независимой от энергии -кванта, только тогда будет обеспечена однозначная связь между током ia и мощностью дозы D : ia = const D . Для сцинтилляционного дозиметра в токовом режиме чувствительность, или отношение

где е заряд электрона; конверсионная эффективность сцинтиллятора; g – коэффициент светособирания; М коэффициент усиления ФЭУ; h средняя энергия светового фотона, возникающего в сцинтилляторе; z, V, h плотность, объем и высота цилиндрического сцинтиллятора; z линейный коэф-

фициент ослабления -излучения в сцинтилляторе10; enZ ,m и

enB ,m массовые коэффициенты поглощения энергии излучения

всцинтилляторе и в воздухе (формула (17)).

Коэффициент усиления М и средняя энергия световых фотонов h от энергии первичного излучения не зависят. Принимая также постоянное значение конверсионной эффективности и светособирания g, можно ввести коэффициент a, объединяющий все входящие в выражение (1.1) величины, не зависящие (или слабо зависящие) от энергии:

Как видно из формулы (1.3), чувствительность дозиметра по мощности дозы не является постоянной величиной, а зависит от энергии регистрируемых -квантов. Это объясняется достаточно большой энергетической зависимостью входящих в фор-

мулу коэффициентов z, enZ ,m . Энергетическая зависи-

мость чувствительности сцинтилляционного дозиметра называется ходом с жесткостью. Для достаточно тонкого сцинтиллятора, когда zh 1, ход с жесткостью сцинтилляционного дозиметра в токовом режиме полностью определяется отношением массовых коэффициентов поглощения энергии в воздухе и в

10 Определение линейного коэффициента ослабления, его зависимость от энергии подробно описаны в работе № 5.

40