Климанов Дозиметрия ионизируюшчикх излучениы 2015

Видно, что по мере роста толщины максимум ЭЗЧ перемещается в сторону больших энергий, а его значение уменьшается. При энергиях выше 200 кэВ кривые сливаются, и отношение тока к мощности дозы в эталонном материале выходит на плато, равенство единице означает, что значения нормализованы, например, по

ной мере идеализированы. Если используются поверхностнобарьерные ППД, то толщина окна вместе с золотым напылением меньше 30 нм. Поэтому в окно будут попадать электроны неизвестного «материала−родителя». Если перед окном стоит пластина Si, или Al, или Mg, то при достаточной её толщине можно чувствительный объём рассматривать как заполненную веществом полость, причём отношение тормозных способностей можно смело принять за единицу. Такой детектор действительно измерял бы мощность дозы в кремнии.

Если экран перед окном сделать из тканеэквивалентного пластика, то ППД приблизится к требуемому дозиметру, но всё же его

511

На рис. 14.11 приведены зависимости тока короткого замыкания ППД с шириной чувствительной области 300мкм при использовании алюминиевых экранов различных толщин [8].

5.4. Использование ППД с обратным смещением в дозиметрии

При подаче обратного смещения на ˗ ˗˗переход растёт ширина

ласть – ˗ перехода, кроме ˗ ˗ ˗детекторов, определяется суммой длин диффузии и шириной ˗ ˗перехода. Обычно длина диффузии достигает сотен мкм и по размеру превышает или сопоставима с шириной обеднённой области. Одновременно растёт и темновой рекомбинационный ток и ухудшается отношение сигнал/фон. Вместе с тем в ˗ ˗ ˗ детекторах необходимо применять источники

512

внешнего питания с тем, чтобы время пролёта носителей через – слой было меньше среднего времени до рекомбинации, т. е. времени жизни носителей.

Пусть неосновными носителями будут электроны. Тогда

=должно быть меньше τ. В противном случае ухудшится

эффективность собирания носителей. Обычно эффективность оценивается по формуле:

Аналогично оценивается эффективность собирания зарядов из обеднённой области других типов ППД.

При данном включении ППД обычно измеряют количество импульсов, превышающих по амплитуде импульсы темнового тока.

Энергия, соответствующая среднеквадратической величине от теплового шума, оценивается по формуле:

зования пары носителей, для кремния ~ 3,5 эВ.

При подстановке констант, получаем для Si− ППД

ш,Т = 1,4√ , кэВ.

Наряду с тепловым шумом выделяют дробовый, генерационнорекомбинационный, и «избыточный» шум. Эквивалентная энергия этих шумов около 10 кэВ. Общий энергетический эквивалент шума

ш ≈ т + др + г р + изб ≈ 10 ÷20 кэВ.

Скорость счёта шумовых импульсов зависит от порога дискриминации последующей измерительной схемы ( д):

где τи − постоянная времени измерительной схемы.

Напряжение обратного смещения выбирают, исходя из максимального отношения сигнал/шум. Обычно этому условию удовлетворя-

ет 40 – 100 кэВ.

513

С ростом уровня дискриминации уменьшается скорость счёта импульсов, вызванных гамма-излучением.

Пусть на торцовую поверхность ППД падает мононаправленный поток фотонов с энергией , и пусть толщина обеднённой области или i – слоя превосходит пробег фотоэлектронов в несколько раз. Тогда с учётом порога дискриминации получим оценку скорости

нотонно уменьшается.

Если отношение скорости счёта к мощности дозы для 60Со принять за единицу, то для энергий 20÷40 кэВ это отношение возрастает до 40 даже до 200 (в зависимости от толщины чувствительного слоя). Поэтому импульсный режим работы ППД долгое время считался неприемлемым для использования в дозиметрии.

Учёные японской фирмы ALOKA [9] разработали универсальный индивидуальный дозиметр на базе унифицированных Si−

514

ППД (мультиплекс). Первоначально прототип мультиплексного детектора содержал 3 ППД для регистрации γ-излучения в диапазоне энергий от 20 кэВ до 1,25 МэВ. При этом на выходе прибора получали эквивалент дозы как бы за экранами из тканеэквивалентного материала толщиной 10, 3, 0,07 мм. Авторы использовали один ППД без фильтра (за пластмассовым корпусом дозиметра толщиной 3 мм), а другие были снабжены тонкими титановым и свинцовым фильтрами. Титановый фильтр ослаблял в два раза скорость счёта фотонов с энергией 30 кэВ, а свинцовый – 150 кэВ. Чувствительность по дозе трёх детекторов приведена на рис. 14.12.

Рис. 14.12. Чувствительность трех ППД фирмы ALOKA: без экрана (с тонкой пластмассовой стенкой), с титановым и свинцовым экранами

По показаниям трёх ППД с помощью микропроцессора, содержащего в памяти специальную программу (ноу хау фирмы), прибор

515

способен воспроизвести дозу и эквиваленты доз γ-излучения с погрешностью 5 % в диапазоне энергий фотонов 20 ÷ 1250 кэВ. Результирующие кривые приведены на рис. 14.13.

В последующих модификациях к γ-детекторам был добавлен ППД для дозиметрии β-излучения. Эквивалент дозы за 70 мкм ткани с высокой точностью измерялся при максимальной энергии β - спектра более 200 кэВ. Для β - спектра 14C ( = 156 кэВ) прибор занижал дозовый эквивалент на 25 %. Чувствительность достигала 180 отсчётов на 1 мкЗв. Для определения вклада сопутствующего γ - излученияприменяли традиционную отсечку потока β-частиц с помощью пластмассового фильтра толщиной несколько миллиметров.

Рис. 14.13. Дозовые чувствительности дозиметра ALOKA после обработки результатов измерений внутренним контроллером: указаны эквиваленты толщин биологической ткани: 1 см – соответствует индивидуальному эквиваленту дозы при облучении всего человека, 3 мм – хрусталика глаза, 70 мкм – кожи

516

5.5. Применение ППД как заместителей

ионизационных камер

Несмотря на высокую точность воспроизведения зависимости ; (10); (3); (0,07) от энергии фотонов, трёхдетекторный метод использования ППД имеет ограничения по энергетическому интервалу из-за искусственности метода обработки .

Проигрывая на чувствительности, тонкие ППД в определённых условиях могут конкурировать с ионизационными камерами. Действительно, чувствительная область может быть тонкой и стать аналогом полости ионизационной камеры для фотонов с достаточно высокой энергией. В этом случае будет применим принцип Брэгга ̶Грея. Поскольку необходимо измерять дозу в мягкой биологической ткани, детектор должен быть помещён в соответствующую среду. Низкая чувствительность предопределила место использования ППД как заместителей ионизационных камер – это медицинская физика. Одна из международных фирм выпускает целую линейку полупроводниковых детекторов, многоканальный измерительный пульт, имеющий в своём составе микропроцессор, память и набор программ по обработке данных. ППД изготовлены из ̴˗Si и имеют форму диска. Эффективная толщина чувствительного объёма 2,5 мкм, площадь детектора 1 мм2. Рекомендуемый диапазон мощностей доз 0,05÷10 Гр/мин. Сравним с мощностью дозы, которую получил бы профессионал, работая 1700 часов в год − 2·10-7 Гр/мин. Ещё раз убеждаемся, что ППД в токовом режиме не подходят для целей радиационной безопасности. Упомянутые здесь детекторы располагаются на коже в местах, соответствующих органам, в которых нужно максимально точно знать дозу. Чувствительность ППД в зависимости от типа лежит в пределах (240 ÷ 450) нКл/Гр. Стенки ППД изготовлены из пластика.

Для измерения дозы в максимуме глубинного распределения используют фронтальные насадки: для фотонов – 0,5 г/см2 плексигласа; для тормозного излучения, создаваемого электронным пучком ускорителей на (1÷5) МВ, − 1 г/см2 титана; для (6÷13) МВ – 2 г/см2 свинца. Для определения дозы от электронов с энергиями 4÷30 МэВ используют экран из плексигласа (ПММА) толщиной 0,12 г/см2. Ток утечки на низких диапазонах составляет 5·10-14 А.

517

Эти данные приведены в качестве примера, использование титана и свинца в качестве насадок оправдано из-за уменьшения габаритных размеров (плотность свинца в 10 раз больше, чем у плексигласа). С другой стороны, будет ли доза за свинцовым экраном равна максимальной дозе в ткани? Например, для энергии фотонов 6 МэВ коэффициент истинного поглощения в ткани равен 0,018 см2/г, а в свинце – 0,028 см2/г пробег электронов с той же энергией 3,06 г/см2 и 1,9 г/см2 соответственно. Только тщательный расчёт глубинных доз поможет подобрать материал и толщину экрана.

Отечественная промышленность выпустила «прострельные» детекторы, у которых обеднённая область простирается на всю толщину полупроводникового материала, т. е. от переднего золочения до тыльного алюминиевого контакта, толщиной 20 см. Такие детекторы обозначаются маркой ДКПО− ⁄ . Габаритный диаметр у всех одинаков, а размер рабочих площадей колеблется от 25 до 299 мм2. Толщина чувствительной области (20÷200) мкм. Обратный ток не более (0,3÷0,8) мкА.

5.6. Возможность применения ППД для дозиметрии нейтронного излучения

Вопросы дозиметрии нейтронов будут рассмотрены в 15 и 16 главах. Здесь же кратко остановимся на использовании кремниевых ППД для измерения дозы нейтронов (кермы, индивидуального эквивалента дозы).

Промышленность выпускает детекторы с герметично укреплёнными на поверхности ППД полиэтиленовыми радиаторами. В радиаторе рождаются протоны отдачи, которые частично попадают в ППД. При высоких энергиях нейтронов возникают ядра отдачи кремния и продукты реакций нейтронов с ядрами кремния. В частности, реакция 28Si(n, p)28Al с эффективным порогом около 5,5 МэВ и сечением 120 мбарн. Энергетическая зависимость эффективности регистрации протонов, выходящих из полиэтилена, близка к зависимости кермы (или поглощённой дозы) в ткани. Толщина чувствительной области не менее 200 мкм, что соответствует пробегу протона с энергией 1,1 МэВ. Из-за необходимости отсечки им-

518

пульсов от фотонов необходимо использовать в последующей электронной схеме дискриминатор с энергетическим порогом около 0,2 МэВ. Такие детекторы из-за низкой чувствительности работоспособны при плотности потока быстрых нейтронов более 100 см-2·с-1, что на порядок превышает среднегодовую допустимую плотность потока.

Упоминавшийся ранее дозиметр фирмы ALOKA [9] имеет в своём составе нейтронный детектор, однако его чувствительность по дозе не постоянна и изменяется в 6 раз в диапазоне 0,15÷15 МэВ.

Технология имплантации легирующих примесей позволяет создавать ППД большой площади. Такие ППД с полиэтиленовым радиатором с нормированными добавками атомов бора или лития позволят получить дозиметр эквивалента дозы, воспроизводящий нормативную ЭЗЧ с удовлетворительной погрешностью.

Контрольные вопросы

1.Пусть катод пропорционального счётчика имеет диаметр 5 см, длина рабочей части – 20 см. Счётчик наполнен этиленом до нормального деления. Оцените соотношение потерянных энергий про-

тоном с энергией 2 МэВ и электроном с энергией 1 МэВ. Известно, пробег протона – 6 мг/см2, электрона – 920 мг/см2, массовые тормозные способности протона – 0,19 (МэВ·см2)/мг, электрона –

1,9·10-3 (МэВ·см2)/мг.

2.Известно, что при низких энергиях фотонов ЭЗЧ возрастает. Как сгладить кривую дозовой чувствительности?

3.Газоразрядный счётчик облучили потоком фотонов с энергиями 59,5 и 662 кэВ. Что можно сказать о величинах импульсов?

4.Предложен набор сцинтилляторов: Na(I)Tl, LiI(Eu), стильбен и

пластик. Ваш выбор для создания ̶дозиметра?

5.Как выбирают необходимое высокое напряжение для питания делителя ФЭУ?

6.Почему токовый режим работы сцинтилляционного измерителя мощности дозы предпочтительнее импульсного?

7.Каков метод улучшения ЭЗЧ дозиметров, использующих пластические сцинтилляторы?

519

8.Какова должна быть толщина сцинтиллирующей пластмассы для дозиметра β-излучения? Известно, что удельные потери энер-

гии равны: для энергии электрона 20 кэВ – 13,5; 200 кэВ – 2,76; для 2 МэВ – 1,8 (МэВ·см2)/г. Пробеги, соответственно, равны 7,5·10-4; 4,25·10-2 и 1,0 г/см2.

9.Можно ли использовать стильбен для непосредственного измерения поглощенной дозы (кермы) нейтронов?

10.Будут ли амплитуды сигналов от электронов и протонов одинаковыми в сцинтилляционном детекторе с органическим сцинтиллятором?

11.Оцените заряд, созданный электроном с энергией 2 МэВ, бом-

13.Полупроводниковый детектор подсоединили к электрометрическому усилителю с входным сопротивлением 820 ГОм. Чему пропорциональны показания электрометра?

14.При импульсном режиме работы ППД его энергетическая чувствительность совпадает с зависимостью дозы в кремнии от энергии фотонов?

Список литературы

1.Херст Дж., Ритчи Р., Милле В. Дозиметрия быстрых нейтронов. В сб. «Дозиметрия ионизирующих излучений». Докл. иностр. учёных на международной конференции по мирному использованию атомной энергии. Женева 1955. М.: Гостехтеориздат , 1956.

2.Прайс В. Регистрация ядерного излучения. М.: ИИЛ, 1960.

3.Медведев М.Н. Сцинтилляционные детекторы. М.: Атомиздат, 1977.

4.Кухтевич В.И., Трыков О.А., Трыков Л.А. Однокристальный сцинтилляционный спектрометр (с органическим фосфором). М.: Атомиздат, 1971.

5.Орешкин П.Т. Физика полупроводников и диэлектриков. М.: Высшая школа,1977.

6.Смит Р. Полупроводники: Пер. с англ. - М.: МИР, 1981.

520