книги из ГПНТБ / Полупроводниковые детекторы в дозиметрии ионизирующих излучений

где сравнивали кривые ослабления в воде, полученные с по­ мощью Nal(Tl) и антрацена.

Для у-квантов рассеянного излучения 137Cs кривые ослабле­ ния, полученные с помощью пластмассового сцинтиллятора в детектора с Nal(Tl), заметно различаются. Максимальная по­ грешность в определении Р но I и Np составляет ±14% .

Для изотопа 198Аи максимальная погрешность в определении Р по / и /Vр около 9%.

Дозные поля у-излучения 60Со в рассеивающей среде

Полупроводниковые детекторы на основе кремния и арсе­ нида галлия, в области энергии больше 200 кэв рентгеновского или у-излучения, практически не имеют хода с жесткостью. По-

этому их применяют для измерения -экспозиционной дозы рентгеновского или у-излучения этого диапазона энергий. Однако возможность их применения для определения экспозиционной или поглощенной дозы в рассеивающей среде требует специ­ ального рассмотрения. Это обусловлено тем, что на большой глубине доля рассеянного излучения с энергией меньше 200 кэв может оказаться такой большой, что сигнал на выходе детек­ тора уже не будет пропорционален мощности экспозиционной дозы.

По данным работы [296], фактор накопления для глубин 20 см превышает 2. Вместе с тем спектр рассеянного излучения

150

значительно сдвинут в область низких энергий [297], что приво­ дит к уменьшению эффективной энергии излучения на глубине.

В работе [298] измеряли дозы в рассеивающей среде с по­ мощью различных нетканеэквивалентных детекторов. В качестве фантома использовали набор плексигласовых пластин, в кото­ рые одновременно помещали кремниевый детектор с р—«-пере­ ходом в виде пластины объемом 1X1,5X0,08 см, комбиниро­ ванный детектор с кристал-

помещенных на различной глубине фантома. Фантом облучался

(кривая 3), причем максимальное значение I-Jh не превышает 1,2. Это означает, что эффективная энергия излучения 60Со в фантоме превышает 0,7 Мэв. Таким образом, на всех глубинах выполняется условие, при котором ток.на выходе кремниевого детектора /і = &іЯэ, где — постоянный коэффициент. Более того, поскольку в области энергии больше 400 кэв коэффициен­ ты перехода от рентгена к раду для мышечной и костной ткани практически не зависят от энергии кванта, это означает, что с помощью кремниевого детектора можно измерять поглощенную дозу (т. е. Іі = к2Рп, где k2— постоянный коэффициент).

Ввиду практической важности этих заключений были прове­ дены дополнительные эксперименты по сравнению показаний кремниевого детектора с показаниями эталонной ионизацион­ ной камеры и тканеэквивалентного люминесцентного детектора, помещенных на данной глубине внутри фантома.

6* 151

Результаты измерений приведены на рис. 7.12 и 7.13. Видно, что экспериментальные точки (см. рис. 7.12), полученные с помощью кремниевого детектора и ионизационной камеры, ло-

Рмс. 7.12. Зависимость показаний кремниевого детектора

Рис. 7.13. Зависимость показаний сцинтилляционного ткане­ эквивалентного детектора (кривая / ) , кремниевого детектора (кривая 2) и ионизационной камеры (кривая 3) от глубины.

жатся на одну кривую (за исключением точек, близких к по­ верхности), т. е. действительно Ii = k1P3. Коэффициент в

152

данном эксперименте выбран так, что ток на выходе кремние­ вого детектора равен току на выходе ионизационной камеры на глубине 5 см.

Из рис. 7.13 видно, что показания тканеэквивалентного сцннтплляциониого детектора также совпадают с показаниями кремниевого детектора на всех глубинах, за исключением точек, расположенных близко к поверхности. (Показания на выходах кремниевого и сцинтилляционного детекторов приравнивались в точке, находящейся на глубине 0,5 см от поверхности фан­ тома.) Совпадение экспериментальных точек, полученных с помощью тканеэквивалентного сцинтилляционного и кремние­ вого детекторов, подтверждает сделанный ранее вывод, что кремниевый детектор, несмотря на то что он не является тканеэквнвалентным, также измеряет величину, пропорциональную поглощенной дозе в ткани, т. е. действительно h = k2Pn. Расхож­ дение показаний этих детекторов при измерении в поверхност­ ных слоях обусловлено их различной толщиной. Сцинтилляционный детектор производит усреднение мощности дозы по боль­ шему объему.

Таким образом, расхождение показаний детекторов объяс­ няется тем, что в поверхностных слоях поглощенная доза резко изменяется с глубиной. Экспериментальные точки, полученные с помощью тонкостенной ионизационной камеры с толщиной вход­ ного окна около 3 мг/см2, ложатся на ту же кривую на рис. 7.13, за исключением точек, расположенных близко к поверхности. Это расхождение обусловлено поглощением излучения в алюми­ ниевом электроде воздушной камеры (показания кремниевого детектора, покрытого алюминиевой фольгой, совпадают с пока­ заниями ионизационной камеры).

Проведенные эксперименты позволяют сделать вывод о том, что кремниевый детектор целесообразно применять для исследо­ вания дозных полей в поверхностных слоях тканеэквивалент­ ного вещества. Отношение дозы в максимуме к дозе на поверх­ ности равно 4,5. Это отношение значительно превышает вели­ чины, полученные в работах других авторов [299], что обуслов­ лено отсутствием поглощенных слоев перед полупроводниковым детектором, находящимся на поверхности, и малой протяжен­ ностью чувствительного слоя кремниевого детектора. Отметим, что система из двух кремниевых детекторов, один из которых закрыт фильтром, позволяет быстро оценивать вклад электро­ нов в дозу, создаваемую у-нзлучением (или толщину по­ глотителя, расположенного между гамма-источником и детек­ торами) .

Отношение показаний таких детекторов изменяется от 1 (тол­

оценки качества у-излучения 60Со может найти практическое применение.

153

ГЛАВА 8

ДОЗИМЕТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ И УСТРОЙСТВА

СПОЛУПРОВОДНИКОВЫМИ ДЕТЕКТОРАМИ

§8.1. ДОЗИМЕТРЫ

Дозиметры с однородными детекторами

Первым дозиметром с полупроводниковым однородным де­ тектором был дозиметр Фюрстенау [301] с селеновым фоторе­ зистором, сопротивление которого изменялось под воздействием

излучения.

После разработки удобного способа получения монокристал­ лов сернистого кадмия [302] были предложены дозиметры с CdS-монокристаллом в качестве детектора. Эти дозиметры имели дозовую чувствительность 0,1—0,3 мка/(р/ч) при нижнем пороге измеряемых мощностей доз около 50 мр/сек и инерци­ онности несколько минут. Обзор дозиметров на основе CdS для рентгеновского и у-излучения дан в [34, 303].

На основе другого метода получения радиационночувстви­ тельных кристаллов CdS (метода возгонки) был создан дози­ метр у-излучения [304] с дозовой чувствительностью на два порядка большей (20 м т / (р/н) и нижним порогом при измере­ нии мощностей до 0,5 мр/сек (напряжение питания составляло 10 в темновой ток 0,1 мка).

Активация монокристаллов CdS примесями серебра и хлора [305] значительно увеличивает чувствительность их к ионизи­ рующему излучению и улучшает кинетику фотопроводимости. Это позволило создать дозиметр с миниатюрным детектором диаметром 0,1—0,2 мм, помещенным в зонд [306]. Особенностью дозиметра являлось наличие светового контроля чувствитель­ ности детектора к ионизирующему излучению с помощью ми­ ниатюрной эндоскопической электролампочки, расположенной с монокристаллом в зонде. Второй детектор содержит два мо­ нокристалла CdS, что позволяет определить эффективную энергию квантов излучения внутри фантома

В связи с тем что кристаллы CdS могут изменять чувстви­ тельность при воздействии атмосферных условий, в некоторых дозиметрах используются вакуумированные или герметизиро­ ванные сернисто-кадмиевые датчики, причем предварительно кристаллы подвергают формовке под действием тока в вакууме.

В дозиметре, описанном в работе [307], монокристаллы за­ паковывали в стеклянную колбу и формовали до и после упа­ ковки.

155

Герметизация детектора была применена в первом промыш­

зонд п соединен с источником постоянного напряжения и изме­ рительным прибором. У кристаллов CdS, обладающих большой чувствительностью к излучению, инерционность велика, поэтому в пульт дозиметра был встроен радиоактивный препарат радия, которым необходимо облучать детектор в течение 30 мин перед измерениями. Это усложняет работу с прибором.

В дозиметре с монокристаллом CdS, разработанном пред­ приятием «Вакутроник» (ГДР) [309], уменьшение инерционно­ сти достигается расположением радиоактивной фольги непосред­ ственно в детекторе рядом с кристаллом. При этом на расстоя­ нии 4 см от детектора уровень мощности дозы не превышает предельно допустимый.

Необходимо отметить, что большую инерционность CdS нельзя относить только к недостаткам ППД на основе этого материала. Наоборот, если использовать ППД с очень боль­ шим временем установления тока (несколько десятков секунд или минут), то в начальный период облучения величина тока будет пропорциональна мощности дозы облучения.

Описанный принцип работы положен в основу интегрирую­ щего дозиметра.

Дозиметрические устройства создавали и на поликристалли-

Помимо сернистого кадмия для дозиметрии используют по­ ликристаллический селенистый и теллуристый кадмий CdSe и CdTe [312]. В частности, было показано, что селенистый кадмий (CdSe) обладает большой чувствительностью и лучшей кине­ тикой, чем сернистый. Последнее относится и к трехсернистой сурьме (Sb2S3). Это позволило разработать дозиметры с исполь­ зованием детекторов из указанных материалов [313]. В дози­ метре рентгеновского и у-излучений используют два поликристаллических детектора на основе Sb2S3 сферической формы диаметром около 5 мм.

Диапазон измеряемых мощностей доз 5—200 р/мин. Время установления показаний прибора не превышает 1 мин, дрейф нуля схемы 0,2 мка/мин.

Отметим, что дозиметры с однородными детекторами ус­ пешно используются там, где необходимы детекторы весьма малых размеров, например: при внутриполостных измерениях во время лучевой терапии [314—317], при получении дозиметри­ ческой информации одновременно со многих точек объекта (мно­ гоканальный фантом — дозиметр, контроль радиохимических процессов) [318].

156

Дозиметры с неоднородными детекторами

В СССР одним из первых дозиметров с полупроводниковым детектором был дозиметр [319] с закисью меди (Си20). Детек­ тором служила пластинка закиси меди с напыленным золотым электродом размером 20X30 мм, помещенная в вакуум в стек­ лянный баллон (вакуум ІО-3—ІО-4 ,мм рт. ст.). Ток измеряли

Рис. 8.1. Детекторы дози м етра «Кремний-1»:

к л а д к а ; 4 — к о р п у с д е т е к т о р а : 5 — с о е д и н и т е л ь н ы е п р о в о д а : 6 — с ц и н т и л л я т о р C s l ( Т І) ; 7 — с в е т о п р о н и ц а е м а я п е р е го р о д к а ; 8 —

1

гальванометром с чувствительностью ІО-9—10-10 аідел при входном сопротивлении RBX^ 1 ком. Чувствительность дози­ метра составила ІО-8—ІО-9 аі(рімин). Дозиметр имел большой ход с жесткостью. Поэтому были построены градуировочные кривые для зависимости показаний гальванометра от мощности дозы для фильтров рентгеновского излучения различной тол­ щины и из различных материалов. Это позволяло определять по показаниям гальванометра мощность дозы излучения.

С промышленным выпуском кремниевых фотопреобразовате­ лей связано появление дозиметров, в которых эти приборы служат детекторами излучений. Характерные данные дозимет­ ров этого типа рассмотрим на примере дозиметров «Кремний-1» и «Кремний-3» [320, 321]. Основной детектор (рис. 8.1, а) дози­

157

метра «Кремний-1» предназначен для измерений в прямом пуч­ ке; в нем используются два кремниевых ФЭП типа ФКД-3 (размером каждый 10X10x0,6 мм). Один ФЭП для уменьше­ ния хода с жесткостью закрыт оловянным фильтром с отвер­ стиями, оставляющими открытой около 40% чувствительной поверхности ФЭП. При этом в диапазоне энергий 25—125 кэв ход с жесткостью составляет ±5%- Второй ФЭП не закрыт фильтром и предназначен для определения эффективной энер­ гии квантов излучения. Ток каждого ФЭП поочередно измеря­ ется микроамперметром типа М-95 с Двх = 4,7 ком. По показа­ ниям прибора, соединенного с ФЭП, закрытого фильтром, опре­ деляют мощность экспозиционной дозы в месте нахождения детектора, а по отношению показаний прибора, соединенного с одним и вторым ФЭП, по графику определяют эффективную энергию излучения.

Для измерений в фантомах разработан изотропный много­ пластинчатый детектор с наружным диаметром 6 мм (см. рис. 8.1, в).

Поглощенные дозы длинноволнового рентгеновского излуче­ ния измеряются комбинированным детектором полного поглоще­ ния (см. рис. 8.1,6), содержащим кремниевый ФЭП п сцинтил­ лятор CsI(Tl) диаметром 20 и высотой 15 мм. Детектор отгра­ дуирован по нормальной ионизационной камере.

Дозиметр «Кремний-3» предназначен для определения лучевых нагрузок на обследуемых при рентгенодиагностических исследованиях (измерение экспозиционных доз и мощностей доз). Диапазон измеряемых доз составляет 0,1—50 р и мощно­ стей доз 0,5—500 рімин. Диапазон энергий рентгеновского излу­ чения ДЭф=20ч-60 кэв. Детектор дозиметра состоит из двух параллельно включенных кремниевых ФЭП в виде дисков диа­ метром 40 и толщиной 0,8 мм, заключенных в светонепроницае­ мый кожух. Детектор соединен со стандартным баллистиче­ ским гальванометром типа М-197/1. Принципиальная схема до­ зиметра показана на рис. 8.2.

Для расширения диапазона линейной зависимости показаний прибора от мощности дозы и дозы в схему прибора включен кон­ денсатор С. Показания баллистического гальванометра пропор­ циональны количеству электричества, прошедшего через рамку гальванометра Р, если время протекания тока т,- меньше 1/3 по­ стоянной времени гальванометра, и пропорциональны току, если время протекания тока ті больше 2—3 постоянных времени галь­ ванометра. У баллистического гальванометра М-197/1 постоян­ ная времени равна 13 сек. Поэтому при времени действия из­ лучения на детектор меньше 4 сек прибор измеряет дозу излу­ чения, при времени более 30 сек — мощность дозы излучения. Эти случаи как раз имеют место в рентгенодиагностике: при рентгенографии время действия излучения обычно меньше 4 сек, при рентгеноскопии почти всегда больше 30 сек.

158

Из числа специализированных дозиметров с использованием ППД рассмотрим дозиметр-свидетель бетатрона [322, 323] и до­ зиметр с миниатюрными детекторами [324].

Дозиметр-свидетель медицинского бетатрона типа ДБМ-1 предназначен для контроля дозы и мощности дозы излучений бетатрона Б5М-25 с максимальной энергией 25 Мэв.

Дозиметр ДБМ-1 обеспечивает измерение мощности дозы тормозного излучения в диапазоне от 10 до 500 рад/мин и элек­ тронного излучения от 10 до 1000 рад/мин. Дозиметр автомати­ чески выключает бетатрон (с погрешностью не более ±5% ) па достижении заданной дозы в пределах от 10 до 1000 рад.

В качестве детекторов тормозного излучения используют по­ лупроводниковые ДТИ-1 и ДТИ-2. Детектор ДТИ-2 расположен фиксированно внутри бетатрона в условиях больших интенсивно­ стей излучения, значительных электромагнитных помех и коле­ баний температуры. Поэтому в нем использованы арсенидогаллиевые ФЭП, имеющие лучшие эксплуатационные параметры,, чем кремниевые ФЭП. Детектор ДТИ-1 предназначен для внеш­ них измерений пучка излучения. Оба типа содержат по два по­ следовательно соединенных ФЭП, причем в ДТИ-1 между ними расположена пластина сцинтиллятора CsI(Tl) размером ЗХЮХЮ мм, находящаяся в оптическом контакте с ФЭП.

Особенность двухканального дозиметра типа ДБМ-1: приме­ нение аналого-частотного преобразователя с низким входным сопротивлением в сочетании с приведенными детекторами, что решило задачу одновременного измерения мощности дозы и дозы излучения в широком диапазоне. Функциональная схема ДБМ-1 приведена на рис. 8.3.

Принцип действия дозиметра основан на том, что ток детек­ тора заряжает конденсатор Спх, включенный в цепь сетки ка­ тодного повторителя, собранного на нувисторе Лі. С выхода ка-

159