книги из ГПНТБ / Полупроводниковые детекторы в дозиметрии ионизирующих излучений

•годного повторителя напряжение через усилитель постоянного тока подается на вход пороговой системы, состоящей из баланс­ ного компаратора и нормализатора. В тот момент, когда напря­ жение на емкости достигает 4 мв, компаратор вырабатывает им­ пульс, запускающий нормализатор. Импульс нормализатора через дозирующую цепочку обратной связи (диоды Д { и Д2,

Усилитель-преобразовательIканала

Рис. 8.3. Функциональная схема дозиметра ДБМ-1.

емкость С0.с) подается на емкость С„х и перезаряжает ее на по­ стоянную величину. Далее цикл повторяется вновь. Чем больше величина входного тока, тем чаще перезаряжается емкость Свх и тем выше частота срабатывания нормализатора. Благодаря жесткой обратной связи через С0.с, данная система аналого-ча­ стотного преобразования постоянного тока обладает высокой стабильностью. Воспроизводимость измерений не хуже ±2% . Динамический диапазон преобразования токов ІО-9—10_6 а, при этом выходная частота составляет 10 г ц — 10 кгц. Для измере­ ния дозы импульсы с аналого-частотного преобразователя посы­ лают на пересчетный прибор. Интенсиметр дозиметра имеет три поддиапазона: 0—10; 10—100; 100—1000 padjMun, которые пере­ ключаются автоматически.

В дозиметре с миниатюрным детектором использованы р—і—/г-детекторы диаметром -3 и высотой 3 мм в фотовольтаи­ ческом режиме работы. Ток детектора измеряется микроампер­ метром типа М-95. С помощью такого детектора можно прово­ дить измерения в полях с большими градиентами доз [99]. Это позволило исследовать дозные поля некоторых рентгеновских и гамма-установок.

Дозные поля изучали и при использовании решетчатых и клиновидных фильтров, создающих сильно неравномерные поля.

160

С помощью аналогичного детектора изучали распределение по­ глощенных доз длинноволнового излучения в облучаемом теле экспериментальных животных.

Переносный дозиметр для регистрации ß-частиц рентгенов­ ского и у-излучений разработал Джонс [325]. Дозиметр состоит из миниатюрного кремниевого р—п-детектора ('S = 4 мм2), за­ рядово-чувствительного и импульсного усилителей, дискримина­ тора и трехдекадного логарифмического интенсиметра (детектор используется в режиме счета импульсов).

Дозиметр обеспечивает измерение мощности дозы от ОД до 100 рад/ч. Недостатком прибора является большой ход с жест­ костью: чувствительность увеличивается вдвое при облучении у-квантами радия по сравнению с чувствительностью к рентге­ новскому излучению с энергией Е = 80 кэв.

Существенно большую чувствительность по сравнению со всеми предыдущими дозиметрами с ППД имеет дозиметр, раз­ работанный этим же автором, с применением пропорционального детектора с усилением около 50 [161]. Прибор переносного типа, обеспечивает измерение мощности дозы от уровня естест­ венного фона до 20 рад/ч в интервале энергий от 30 кэв до 1,25 Мэв. Погрешность измерения за счет хода с жесткостью не превышает ±10%- Питание ППД регулируется в пределах 500— 1500 в.

Существуют и другие дозиметры с малогабаритными детек­ торами для целей лучевой терапии. Рассмотрим дозиметр с ар- сеиидо-галлиевым детектором [79], выполненным в виде цилинд­ рической основы п-типа и р-слоя по поверхности. Цилиндриче­ ский р — /г-переход расположен на глубине 10 мкм. Такое распо­ ложение перехода не только уменьшает зависимость от ориен­ тации, но и в некоторой степени ход с жесткостью детектора. По­ следнее определяется двойным вкладом в фототок, который да­ ют высокоэнергетические кванты излучения по сравнению с низ­ коэнергетическими. Внешний размер детектора: диаметр 2,5 мм, длина 10—25 мм.

Малые размеры полупроводниковых детекторов и относитель­ ная простота регистрации их сигналов в токовом режиме рабо­ ты позволяет разрабатывать многоканальные изодозографиче- * ские системы; например, система емкостью 50 каналов [353], со­ стоящая из детекторов в виде кремниевых ФЭП со средней дозо-

Кроме детекторов, расположенных в фантоме, система содержит коммутатор, подключающий поочередно детекторы к усилителю постоянного тока; схему сравнения сигнала с выхода усилителя с опорным; блок индикации. Последний подключается к выходу схемы сравнения с помощью второго коммутатора, синхронизо­ ванного с первым. В качестве элементов индикации использовали тиратроны МХТ-90. Аппаратурные погрешности установки не

161

превышают 2%, погрешности из-за детекторов — не более 5—6%. Для регистрации излучения в прямом пучке часто использу­ ют также стандартные полупроводниковые диоды, обладающие

ром (чувствительная поверхность 25 мм2) используется для скен-

Радиометры с миниатюрными р—і—/г-детекторами более чув­ ствительны и успешно конкурируют с миниатюрными счетчика­ ми Гейгера — Мюллера при изотопной диагностике опухолей, расположенных за глазом или в головном мозге. Так, детектор

в таком радиометре меньше 50 кэв при напряжении смещения 5—100 в, что ниже энергий ß- и у-излучений, обычно используе­ мых в изотопной диагностике.

Примером уникального применения Si (Li)-детекторов (на­ ружный диаметр 2 мм) является регистрация активности фос­ фора 32Р в тканях головного мозга крысы с помощью вживлен­ ного детектора без нарушения основных функций животного [329]. Система соединена тонким гибким кабелем с усилителем, устройством для обработки данных, питанием.

Перспективны для медицинских целей радиометры с лавин­ ными детекторами, отличающимися высоким значением соотно­ шения сигнала к шуму для всех видов ионизирующих излучений. Это позволяет осуществлять медицинские методы, основанные на регистрации излучений низких энергий (Еу < 20 кэв), притом не требуется охлаждения детекторов для уменьшения шу­ мов [330].

Радиометром с лавинным детектором диаметром 3 мм можно регистрировать источник иизкоэнергетического излучения (изо­ топа железа 55Fe; Еу= 5,9 и 3,31 кэв) активностью 1 мккюри, расположенный в ткани на глубине 3 мм. Регистрация излуче­ ний с низкой энергией, т. е. с сильным поглощением, позволяет четко определить локализацию источника излучения и тем са­ мым область с повышенным накоплением изотопа.

Контрольно-измерительная аппаратура с лавинным детекто­ ром позволяет определять места включения плутония в откры-

164

тых ранах перед оперативным вмешательством и во внутренних органах тела. Это производят регистрацией рентгеновского из­ лучения плутония с энергиями Еу< 20 кэв.

Чувствительная поверхность лавинного детектора при этом составляет 0,07 см2, фон при работе с пороговой системой на ос­ нове электрометра и туннельного диода не превышает естест­ венный. Эффективность счета составляет 12—15% Для квантов- с £у = 17 кэв при емкости на входе усилителя 250 пф и коэффи­ циенте усиления детектора около 40.

§ 8.3. РАДИАЦИОННЫЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Рассмотрим принцип работы и данные таких приборов на примере измерения высокого напряжения (Uoм — максимальное значение) в рентгеновском аппарате.

Радиационные приборы для измерения напряжения можно разделить на приборы, не требующие градуировки, и приборы,, градуировка которых производится на устройствах с известной величиной напряжения. Для определения [/2м с помощью при­ боров первого типа находят минимальную длину волны (А,Мин) в спектре излучения рентгеновской трубки или величину напря­ жения на первичной обмотке высоковольтного генераторного уст­ ройства (Uі), соответствующую потенциалу скачка поглоще­ ния на /С-уровне (Uui) элемента, из которого изготовлен исполь­ зуемый при измерениях фильтр.

Величину А.МІШопределяют спектрометрами рентгеновскогоизлучения, в частности с полупроводниковыми детекторами диф­ фузионно-дрейфового типа [332]. Применение этих детекторов по­ зволяет повысить точность измерений. Подробному рассмотре­ нию вопросов спектрометрии посвящена обширная литература [333, 334].

Для определения U2м с помощью приборов второго типа на­ ходят величину Uь соответствующую потенциалу возбуждения /С-уровня, одновременной регистрацией излучения за фильтром и рассеянного излучения, либо измерением только рассеянного излучения или излучения за двумя дифференциальными фильт­ рами [335—340].

В первом случае U2M= Ukz для данного фильтра находят по максимуму кривой зависимости отношения сигналов двух детек­ торов от U|.

В работе [340] описана конструкция комбинированного де­ тектора, состоящего из двух поверхностно-барьерных детекторов, находящихся в оптическом контакте с люминофором. На один из детекторов излучение попадает от фильтра с атомным номером z, на второй с атомным номером 2+1. Фильтры явля­ ются «дифференциальной» парой, т. е. подобраны таким обра­

165

зом, что ослабляют излучение одинаково во всем спектре, за исключением интервала энергий, соответствующего потенциалам LJіі2 и Uk{z+i). Детекторы включены встречно, так что измеряемая разность токов быстро увеличивается, как только U2„ достигает значения Uh2.

Недостаток всех рассмотренных выше способов измерения ІІ2м — длительность и трудоемкость, ограниченный верхний пре­ дел измерения U2м, необходимость стабилизации питающей сети.

Радиационные приборы, требующие предварительной градуи­ ровки, позволяют определять не только максимальную величину напряжения, но и его мгновенные значения. Между интенсивно­

где У* — интенсивность фильтрованного излучения; сс2— коэф­ фициент пропорциональности, зависящий от гщ, тока трубки и размерности U2, пі\ — показатель степени, зависящий от фильт­ рации излучения; пг2— показатель степени, зависящий от вели­ чины тока рентгеновской трубки и ее типа.

Показатель степени т,\— 2 для нефильтрованного излучения

идостигает б—8 при использовании фильтров большой толщины

ис высоким г. Показатель степени т2 изменяется от 0 до 2 в зависимости от тока трубки. Практически в режиме просвечива­

ния 0,2^.'т2^0,5, в режиме снимков при токе трубки 100 ма т2Ä : 1.

В качестве детекторов рентгеновского излучения используют диффузионно-дрейфовые [342] или комбинированные на основе кремниевых ФЭП в сочетании со сцинтиллятором CsI(Tl). Этот детектор обеспечивает регистрацию формы кривой интенсивно­ сти рентгеновского излучения подачей сигнала непосредственно на вход осциллографа практически на всех режимах работы диагностических рентгеновских аппаратов (рис. 8.4).

Измерение производят следующим образом. При известной форме кривой тока значения U2 находят с помощью графиче­ ских измерений на осциллограммах интенсивности. Если форма кривой тока не известна, регистрируется форма кривой интен­ сивности при двух измерениях с различными фильтрами (7фі и /фг). Фильтры подбираются таким образом, чтобы у зависимо­ стей /фі = М £/2) и /$2 = fi(n 2) были различные значения показа­ телей степени т { в формуле (8.1). В дальнейшем графически строят кривую зависимости отношения / фі/7ф2 от U2 при двух этих измерениях. Величину U2 определяют на основании полу­ ченной зависимости по градуировочной кривой. Эта градуиро­ вочная кривая /фі/ / ф 2— получается на аппарате со сгла­ женным напряжением при постоянном токе трубки.

Основное преимущество обоих рассмотренных радиационных способов измерения напряжения — достаточно высокая точность

166

3.Волков H. Г., Ляпидевский В. К. «Приборы іі техника эксперимента», 1968, № 5, с. 86.

4.Волков Н. Г., Ляпидевский В. К. «Приборы и техника эксперимента», 1966, № 6. 93.

5.Van der Ziel A. Noise, N. Y., 1954.

11.Вершинина С. П. п др. «Атомная энергия», 1969, 26, 341.

12.Швар Лотар. Авторское свидетельство № 161816 (ГДР), 1960.

13.Козлов В. А., Денисенко О. Н., Ильичев Б. В. «Мед. радиология», 1970, ЛЬ 4, 61.

20.Кронгауз А. Н., Ляпидевский В. К., Деев Ю. С. «Ж. эксперим. и теор. физ.», 1957, 32, 1012.

21.Амброзяк А. Конструкция и технология полупроводниковых фотоэлек­ трических приборов. М., «Советское радио», 1970, с. 392.

22.Вавилов В. С., Ухин Н. А. Радиационные эффекты в полупроводниках и полупроводниковых приборах. М., Атомиздат, 1969, с. 311.

23.Киреев П. С. Физика полупроводников. М., «Высшая школа», 1969.

24.Лущик Ч. Б. «Изв. АН СССР. Серия физика», т. XXXV, № 7, 1971, 1305.

25.Антонов-Романовский В. В. Там же, с. 1290.

с. 1237.

28.Городецкий С. М., Григорьева Г. М., Измайлов А. А. и др. «Физика и техника полупров.», 1971, т. 5, вып. 7, с. 1463.

29.Галушка А. П., Конозенко И. Д. Радиационная физика неметаллических кристаллов. Т. Ill, Ч. 1, Киев, «Наукова думка», 1971.

30.Дирнли Д., Нортроп Д. Полупроводниковые счетчики ядерных излуче­ ний. М., «Мир», 1966.

31.Фотопроводимость. Сб. статен. Под ред. Коган Ш. М., М., «Наука», 1967.

32.Губанов А. И. Теория выпрямляющего действия полупроводников. М„ Фмзматгиз, 1956.

168

33.Бьюб Р. Фотопроводимость твердых тел. М., Изд-во иностр. лит., 1962.

34.Деев Ю. С. «Атомная энергия», 1959, 6, 458.

35.Роуз А. Основы теории фотопроводимости. М., «Мир», 1966, с. 192.

36. Волков Н. Г., Ляпидевский В. К. «Физика твердого тела», 1972, т. 14,

с. 1337—1341.

37.Рывкин С. М. Фотоэлектрические явления в полупроводниках. М., Фнзматгяз, 1963, 494.

38.Гурвич А. М. и др. «Труды ВНИИМИО», 1962, № 5, с. 40.

41.Вайнштейн Э. E., Старый И. Б., Цукерман В. Г. «Изв. С. О АН СССР»,

1961. № 7, 48.

45.Калугина Л. И., Павлова Г. С., Митин В. И. и др. «Физика и техника полупроводников», 1971, т. 5, вып. 9, 1836.

46.Рывкин С. М. и др. В кн.: Полупроводниковые приборы и их примене­ ние. Вып. 25. М„ «Советское радио», 1971, с. 267.

47. Афанасьев В. Ф. Поепринт № 246, Физико-технический институт, Л., 1970, с. 12.

48.Вавилов В. С. «Атомная энергия», 1970, т. 28, вып. 6, 505.

49.Пасынков В. В., Чиркин А. К., Шинков А. Д. Полупроводниковые при­ боры. М., «Высшая школа», 1966, с. 414.

50.Coche A., Siffert Р. In: Semiconductor Detectors, Amsterdam, North-Hol- land Publish Company, 1968, c. 103.

51.Рывкин С. M., Матвеев О. А., Строкан H. Б. Полупроводниковые счет­ чики ядерных частиц. Л.. «Знание», 1964, с. 40.

52.Cummerow R. L. Phys. Rev., 1954, 95, No. 1, 16.

53.Pfann W., Roosbroeck W. V. J. Appl. Phys., 1954, 25, 1422.

54.Васильев A. M., Захарчук О. В., Федосеева О. П. «Приборы и техника эксперимента», 1971, № 4, 74.

55.Новиков С. Р. и др. «Физика и техника полупроводников», 1970, т. 4, вып. 6, 1039.

56.Miller G. L, Gibson W. М. In: Nuclear Elektronics, Conference Proceeding Belgrade, Vienna, IAEA, 1961, 1, 140.

57.Scharf K-, Sparrow J. H. Journal of Research of the National Buregu of

Standards — A. Physics and Chemistry, 1964, 68A, No. 6, 683.

58. ' Шалабутов Ю. К. Введение в физику полупроводников. Л., «Наука», 1969.

59.Расчет и проектирование полупроводниковых приборов. М., Оборонгиз, 1961.

60.Buck Т. М. In: Semiconductors Nuclear — Particle Detectors and circuits,

Washington, NAS, 1969, 144.

65.Захарчук О. В., Ильин А. А. Федосеева О. П. «Физика и техника полу­ проводников», 1971, т. 5, вып. 2, с. 293.

66.Гаман В. И., Калыгина В. М., Агафонников В. Р. В кн.: Физика р—п- переходов. Рига, «Зинатме», 1966, 122.

67.Fowler F. J. Phys. Med. Biol., 1963, 8, No. 1, 1.

169