книги из ГПНТБ / Полупроводниковые детекторы в дозиметрии ионизирующих излучений

Отметим, что в области энергии электронов от 0,3 и до

где dEi — энергия, поглощаемая веществом вблизи траектории частицы на пути dx. Поэтому всегда

можно пренебречь, если энергия заряженных частиц не превы­

. Поглощенная доза от немоноэнергетических электронов вы­

где dEm/dx — средние потери на ионизацию и возбуждение.

10

Эффективные и средние значения величин

Эффективное значение величины характеризует взаимодей­ ствие сложных объектов: излучения сложного спектрального состава с веществом или вещества сложного состава с излуче­ нием. Средние значения величин численно характеризуют рас­ пределения (спектры).

Эффективный коэффициент ослабления интенсивности (пере­ дачи энергии, поглощения) немоноэнергетического излучения —

'есть коэффициент ослабления такого моноэнергетического излу­ чения, интенсивность которого в данном слое вещества ослаб­ ляется во столько же раз, что и интенсивность немоноэнергети­ ческого излучения. При этом энергию кванта моноэнергетиче­ ского излучения называют эффективной энергией.

Эффективным атомным номером сложного вещества назы­ вают атомный номер такого условного простого вещества, для которого коэффициент передачи энергии излучения, рассчитан­ ный на один электрон среды, такой же, что и для данного слож­ ного вещества.

Средняя энергия спектра определяется из выражения

Согласно [2] для замедленных в веществе вторичных электро­ нов* с энергией, не превышающей критическую:

* Спектр вторичных электронов в состоянии равновесия с пучком фото­ нов с энергией Еу.

11

§ 1.2. ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДЕТЕКТОРОВ В ДОЗИМЕТРИИ

Высокая дозовая чувствительность, определяемая как отно­ шение ЦРэ, где / — ток на выходе детектора, а Рэ— мощность экспозиционной дозы, позволяет применять ППД для измере­ ния малых уровней радиации. В расчете на одинаковую падаю­ щую энергию число генерируемых носителей заряда в полупро­ водниковом детекторе примерно в ІО'1 раз больше, чем в иони­ зационной камере такого же объема, что позволяет сконструи­ ровать необходимые для некоторых практически важных задач детекторы малых размеров. Однако, несмотря на это, полупро­ водниковые детекторы до настоящего времени не нашли широ­ кого применения в дозиметрии. Это в значительной степени обусловлено тем, что дозовая чувствительность детектора сильно зависит от энергии кванта ионизирующего излучения, т. е. де­ тектор имеет большой «ход с жесткостью». Последнее сущест­ венно затрудняет применение ППД для дозиметрии рентгенов-, ского и у-излучения различного спектрального состава. Боль­ шой ход с жесткостью ППД следствие его нетканеэквивалент­ ности (эффективный атомный номер ППД существенно отли­ чается от 2Эф ткани или воздуха). Поэтому применение ППД в дозиметрии ионизирующих излучений неразрывно связано с развитием методов определения поглощенной дозы с помощью нетканеэквивалентных детекторов. Следует отметить, что боль­ шая эффективность детекторов по отношению к рентгеновско­ му и у-излучениям является следствием их нетканеэквивалент­ ности (чем больше гЭф, тем больше эффективность).

§ 1.3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОГЛОЩЕННОЙ (ЭКСПОЗИЦИОННОЙ) ДОЗЫ С ПОМОЩЬЮ ДЕТЕКТОРОВ, ИМЕЮЩИХ ХОД С ЖЕСТКОСТЬЮ

Во многих областях науки требуется количественная оцен­ ка радиационного эффекта, возникающего в облучаемой сис­ теме под действием излучения. О величине этого эффекта мож-

12

но судить только по тем изменениям, которые возникают в сис­ теме в результате ее облучения. Изменение состояния системы характеризуется изменением состояния ее выхода. Так, изме­ нение состояния ППД под действием излучения характеризует­ ся изменением показаний прибора, подключенного к выходу де­ тектора.

Изменение состояния выхода назовем сигналом (откликом). Система может иметь несколько выходов, и тогда для оценки совокупности радиационных эффектов необходимо измерять сиг­ налы на всех выходах.

В некоторых практически важных случаях (как, например, при определении биологического эффекта) сигнал на выходе данной системы не может быть измерен непосредственно с по­ мощью измерительных приборов. Тогда величину этого сигнала оценивают с помощью другой системы. Рассмотрим возмож­ ности применения для этой цели системы, состоящей из одного или нескольких полупроводниковых детекторов. Задача форму­ лируется так: необходимо определить сигнал у, возникающий на выходе системы 1 в результате ее облучения, если известен сигнал а на выходе полупроводникового детектора.

Природа сигнала у целиком определяется свойствами систе­ мы 1 и ее выхода. Сигнал у может быть равен поглощенной до­ зе в ткани, если система 1 — радметр; экспозиционной дозе, если система 1 — нормальная ионизационная камера, наконец, сигнал у может быть пропорционален любому другому радиа­ ционному эффекту.

Характер сигнала а определяется физическими свойствами полупроводникового детектора, его схемой включения и режи­ мом работы. Отметим, что в любом случае на выходе детектора измеряется ток / (токовый режим), число импульсов N (счет-

N

ный режим), или сумма амплитуд импульсов

1

Особое значение для дозиметрии имеют системы 'с линейны­ ми выходами. Выход является линейным при выполнении сле­ дующих условий: если потоку излучения Фі соответствует сос­ тояние выхода аь а излучению Ф2— состояние а2, то Фі + Ф2 соответствует а\ + а2\ излучению аФ соответствует состояние вы­ хода аа, где а — положительное число.

Другое важное свойство системы — это вид зависимости ве­ личины поглощенной в рабочем объеме детектора энергии Еп от

стема. Обратное не' всегда справедливо. Действительно, если детектор регистрирует N частиц, то для определения Еп требует­ ся знать энергию, потерянную каждой частицей.

Задача дозиметрии — определение величины поглощенной энергии и ее распределения в данном объеме. Для решения этой задачи необходимо применение пропорционального детектора.

■13

Наибольший практический интерес представляет определе­

другую величину. Введение коэффициента, связывающего вели­ чину поглощенной дозы в ткани с дозой в веществе детектора, не решает задачи, так как этот коэффициент зависит от спек­ трального состава излучения. Такие же трудности возникают при определении с помощью ППД экспозиционной дозы.

Если вид излучения и его спектральный состав Ф (£) из­

бой довольно трудоемкую операцию, в некоторых случаях прак­ тически неосуществимую. Поэтому в настоящее время делают­ ся попытки найти более простые характеристики излучения (например, эффективную энергию кванта излучения) и с их по­ мощью определять поглощенную дозу.

Вместе с тем существуют причины принципиального харак­ тера, указывающие на нецелесообразность экспериментального определения спектрального состава излучения для дозиметрии. Действительно, операция определения спектра включает в себя измерение сигналов на выходах многоканальной системы (спек­ трометра). После этого по совокупности сигналов на выходах спектрометра восстанавливают спектр исследуемого излучения. Затем, зная спектр излучения, вычисляют сигналы (пропорцио­ нальные дозе или другой величине) на выходе другой системы.

Очевидно, что из этой цепи можно исключить операцию оп­ ределения спектра и найти сигналы а.\, а2, ..., ап (в частном слу­

деление спектрального состава излучения) такая постановка за­ дачи обоснована тем, что в дозиметрии представляет интерес именно результат действия излучения на данную систему, а не само излучение.

Рассмотрим эту задачу на примере системы с двумя выхода­ ми [3]. Пусть сигналы на выходе детекторов равны ßi и а2. Вы­ берем условия эксперимента так, чтобы при изменении энергии кванта излучения (Е\, Е2,...,Е6) во всем исследуемом диапазоне

14

дозы Р. При этих условиях под действием моноэнергетического излучения конец вектора А (аи а2, Р) опишет кривую £i, Е2, ...,Ее, лежащую в плоскости ai = const. На рис. 1.2, а про­ ведено соответствующее построение (кривая Ей Е2,..., £ 6— это градуировочная кривая).

Следует отметить, что для излучений с произвольным спек­ тральным составом (£ ,< £ г < £ б ) вектор А проходит внутри об-

Рис. 1.2. Векторное представление сигналов от, а2 и а3 и градуировочный график для определения Р3 по отношению с2/пі (б). .Пунктирные линии соответствуют излучению со сложным спектральным составом.

ласти, ограниченной кривой £ ь Е2,...,Е6 и прямой £ і—Е6. (Из­ лучение с любым спектральным составом является суммой моноэнергетических излучений, а вектор суммы всегда находится между составляющими векторами.) Таким образом, по изме­ ренным значениям а,\ и а2 можно определить максимальное и минимальное значения величины Р. На рис. 1.2,6 приведен гра­ дуировочный график, позволяющий по измеренным значениям

тем меньше погрешности в определении Р. Если точки £ ь £ 2,..., Е6 ложатся на прямую, то погрешность метода отсутствует, при этом

где си и а2— коэффициенты.

Заметим, что вектор А (аь а2, Р) полностью характеризует действие излучения на систему, состоящую из трех детекторов, на выходах которых измеряются сигналы аи а2, Р. Вектор, ком­

15

понентами которого являются сигналы на выходах детекторов, можно в соответствии с принятой в колориметрии терминоло­ гией назвать цветом излучения [4]. Для системы с линейными выходами, при изменении интенсивности излучения, точка, ха­ рактеризующая состояние системы, перемещается по прямой, вы­ ходящей из начала координат.

Изложенный метод позволяет применять для определения по­ глощенной (экспозиционной) дозы высокоэффективные ППД, обладающие большим ходом с жесткостью. Для этого необхо­ димы детекторы* с различной энергетической зависимостью дозовой чувствительности от энергии.

§ 1.4. ТОКОВЫЙ И ИМПУЛЬСНЫЙ РЕЖИМЫ РАБОТЫ

Предположим, что детектор облучается источником с неиз­ менной во времени интенсивностью В этом случае среднее по времени значение сигнала постоянная величина. Допустим так­ же, что выход линейный, а детектор пропорциональный. Случаи, когда эти условия не выполняются, будут оговорены особо.

При регистрации одной частицы на выходе детектора появ­ ляется импульс, амплитуда которого пропорциональна энергии, поглощенной в рабочем объеме детектора. Если частота следо­ вания импульсов не очень велика**, то каждый импульс может

пульсов). Такой режим работы называют режимом счета им­ пульсов.

При увеличении интенсивности излучения увеличивается ве­ роятность наложения во времени отдельных импульсов (см. рис.1.3,6): несколько импульсов могут быть зарегистрированы как один. Возникают просчеты. Это приводит к нарушению ли­ нейной связи между числом частиц, прошедших через детектор, и числом зарегистрированных импульсов.

Дальнейшее увеличение интенсивности излучения приводит к тому, что регистрация отдельных частиц (из-за наложения им­ пульсов во времени) становится невозможной (см..рис. 1. 3,б). В этом случае применяют токовый режим работы. На выходе детектора регистрируется среднее значение тока I, который яв­ ляется суммой отдельных импульсов тока, создаваемых регист­ рируемыми частицами. Флуктуации тока (шумы) зависят от

*Число детекторов может быть и больше двух. При увеличении числа детекторов точность в определении Р, как правило, растет.

**Средний промежуток времени между двумя импульсами больше дли­

тельности импульса.

16

излучения I/P—f(E), или ход с жесткостью. Значительный ходе жесткостью препятствует применению детектора с одним выхо­ дом в качестве дозиметра.

Спектральную характеристику I/P=f(E) можно эксперимен­ тально определить, измеряя Р при неизменном значении тока I на выходе детектора или ток / на выходе детектора, при неиз­ менном значении Р. Отметим, что первый способ (/ = const) поз­ воляет определить спектральную характеристику не только ли­ нейного, но и нелинейного выхода.

Временные характеристики детектора, работающего в токо­ вом режиме, проявляются только при изменении интенсивности измеряемого излучения. При включении ( и выключении) излу­ чения ток не сразу достигает стационарного значения. Время нарастания и время спада характеризуют временем, в течение которого ток изменяется в два раза по сравнению с установив­

Режим счета импульсов

При регистрации частицы на выходе детектора появляется импульс, пропорциональный энергии, поглощенной в рабочем объеме детектора. При регистрации кванта рентгеновского или у-излучения с энергией Еу величина поглощенной в рабочем объеме детектора энергии (а следовательно, и амплитуда им­ пульса на выходе детектора) зависит от нескольких факторов. Она может быть равна (пропорциональна) энергии кванта Еу, если образовавшийся фотоэлектрон полностью теряет свою энер­ гию в рабочем объеме, и существенно меньше Еу, если регист­ рируется комптоновский электрон. Это приводит к тому, что при регистрации фотонов с энергией Еу на выходе детектора появ­ ляются импульсы различной амплитуды, причем максимальная амплитуда Пмакс= аЕу, где а — коэффициент пропорционально­ сти.

Наиболее общей характеристикой детектора является функ­ ция отклика G(Ey, U). Если Еу= const, то G(EyU) — это вероят­ ность того, что частица с энергией Еу даст на выходе детектора импульс с амплитудой U. Подключив к выходу детектора мно­ гоканальный анализатор импульсов, можно получить распреде­ ление амплитуд импульсов — спектр, характеризующий функцию

18

Это спектральная характеристика канала*. Спектральную ха­ рактеристику канала в счетном режиме можно определить из­ мерением скорости счета при изменении энергии кванта и по­ стоянном потоке квантов или измерением потока квантов, ос­ тавляющего неизменной скорость счета. Отметим, что последний способ позволяет определять спектральную характеристику и нелинейного канала **.

Рис. 1.4. Спектральные характеристики каналов и формы линии.

Формы линий для различных Еу можно определить, если известны спектральные характеристики каналов, и наоборот (рис. 1. 4).

Для определения полной энергии Еп; поглощенной в рабочем объеме детектора, можно не определять амплитудный спектр. Действительно', поглощенная энергия Ец равна

19