книги из ГПНТБ / Полупроводниковые детекторы в дозиметрии ионизирующих излучений

суммирующий амплитуды импульсов. Если параллельно с изме-

N

рением 2 Ui регистрировать число импульсов N, то определяют

1

N

среднюю амплитуду импульса Нср= 2 UJN, которая пропор­

циональна средней энергии действующего в рабочем веществе детектора спектра (пропорциональна средней поглощенной энергии, приходящейся на один зарегистрированный фотон — Е I *). Тогда, если УѴР— число зарегистрированных частиц, то ве­ личину поглощенной энергии определяют по формуле

Число зарегистрированных импульсов Np зависит от эффек­ тивности детектора-—т).

Эффективность детектора v\= Np/N, где N — число фотонов, прошедших через поверхность входного окна детектора.

Чувствительность детектора ф определяют как отношение скорости счета п (т. е. числа зарегистрированных импульсов в единицу времени) к потоку частиц в том месте, где расположен детектор. Дозовую чувствительность — fc определяют как отно­ шение скорости счета п к мощности поглощенной дозы, измеряе­ мой в том же поле излучения, т. е. fc = n/P.

Светосила—отношение числа зарегистрированных импульсов к числу квантов, испущенных источником. Светосила зависит от взаимного расположения детектора и источника излучений.

Эффективность, чувствительность и светосила зависят от энергии кванта излучения.

Одна из наиболее важных дозиметрических характеристик — зависимость n/P=fc(Ev) , где п — скорость счета; Р — мощность дозы, а Е у — энергия кванта излучения. Эту характеристику называют также ходом с жесткостью детектора (в счетном режиме).

Временные характеристики детектора (разрешающее время и др.) определяются формой импульса тока (или напряжения), возникающего на выходе детектора после прохождения через него частицы. Форма импульса определяется физическими про­ цессами, происходящими в объеме детектора. ,

При работе детектора в счетном режиме большое значение имеет разрешающая способность регистрирующей импульсы схемы. При больших скоростях счета число случайных наложе­ ний импульсов во времени растет, что приводит к потерям в счете. Нарушается линейность выхода. При увеличении интен­ сивности излучения в а раз скорость счета увеличивается в

ß< a раз.

*Фотом может поглотиться и в стенке материала, окружающего де­ тектор.

20

Оценим погрешность, возникающую из-за просчетов. Пусть

где п ■—измеренная средняя скорость счета.

Полупроводниковый детектор может применяться для реги­ страции световых вспышек вместо фотоэлектронного умножи­ теля. Кремниевый детектор с р—я-переходом при комнатной температуре может зарегистрировать вспышку околю 2-104 фото­ нов. На образование одной пары носителей в детекторе, состоя­ щем из сцинтилляционного кристалла CsI(Tl) толщиной 2 мм и кремниевого фотоэлемента с р—я-переходом, расходуется при­ мерно в шесть раз меньше энергии, чем на образование одного фотоэлектрона в сцинтилляционном счетчике, т. е. около 50 эв [6]. Поэтому применение полупроводниковых детекторов вместо фотоэлектронных умножителей представляется перспективным.

§ 1.5. ЗАВИСИМОСТЬ ДОЗОВОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ОТ ЭНЕРГИИ КВАНТА ИЗЛУЧЕНИЯ

Пропорциональный детектор

Для определения дозовой чувствительности любого пропор­ ционального детектора необходимо прежде всего определить величину поглощенной в рабочем объеме детектора энергии. В некоторых случаях необходимо также знать распределение пог­ лощенной энергии в рабочем объеме. Это обусловлено тем, что коэффициенты собирания носителей * заряда (а следовательно, и величина сигнала) зависят от пространственного распределения энергии в объеме детектора. Доза значительно меняется по мере проникновения излучения в детектор. Это изменение сильно за­ висит от энергии излучения. Поглощенная доза может или увеличиваться, или уменьшаться с глубиной.

. Рабочий объем детектора обычно окружен стенками, тол­ щина и материал которых различны. В стенках возникают вто­ ричные электроны, вызванные фотоэффектом, комптоновский рассеянием и эффектом образования пар. Плотность потока вторичных электронов увеличивается с глубиной х от нуля вбли­ зи поверхности стенки до максимальной величины Фе на глубине, равной пробегу хе электрона с энергией, близкой к энергии па­ дающего фотона. Если толщина стенки превышает хе, то плот­ ность потока электронов начинает убывать с глубиной как плотность потока Фѵ фотонов. На глубине х> хе отношение

* В сцинтилляционном и комбинированном детекторах коэффициент со­ бирания света также зависит от распределения поглощенной энергии излуче­ ния в рабочем объеме детектора.

21

Фе/Фѵ становится постоянным (устанавливается электронное равновесие). Стенку толщиной хе называют равновесной. Де­ тектор может измерять поглощенную дозу в веществе, из кото­ рого он изготовлен, если толщина стенки равна (или больше) равновесной, а массовые коэффициенты поглощения энергии в этом веществе и в материале стенки одинаковы.

Предположим, что толщина стенки равновесная. Пусть в этих

же, что массовый коэффициент поглощения энергии Цппине изме­ няется с глубиной. Тогда, в результате поглощения излучения в слое h,

где t — время облучения.

Аналогичное выражение можно написать для любого дру­

щение первичного излучения в рабочем объеме камеры невели­

ед. СГСЭ. Учитывая, что некоторая доля энергии расходуется на тормозное излучение (1.12), получается, что для энергии фо­

0,5 Мэв поправка составляет меньше 1%.

Из (1.46) видно, что отношение P-JPв для тонкого детектора, когда Цпт2-А < 1, равно РгІРь= DZ/DB= Цптг/рптв, что совпадает с (1.26).

Если толщина детектора достаточна для практически полно­ го поглощения излучения, то p.nmz-Aj>l, и, воспользовавшись (1.46), получим

Энергию Д£/і, поглощенную в тонком слое /г в условиях электронного равновесия, можно определить непосредственно

оо

Если считать, что цптг не зависит от х, а интенсивность излучения (учитывается только однократное рассеяние) умень­ шается с глубиной по закону

где р.,„г — массовый коэффициент ослабления, то

llmz

Из (1.44), полагая ЦшпвЛ^І, получаем £'пв = 5^/0р.птв-/г или

D B = J о^Цптв-

Ход с жесткостью получим из (1.50):

Формулы (1.46) и (1.51) часто применяются для оценки хо­ да с жесткостью пропорционального детектора в том случае, если сигнал на выходе детектора не зависит от распределения поглощенной энергии в объеме детектора. В действительности такая зависимость имеется как у ППД, так и детекторов дру­ гих типов. В ППД это обусловлено тем, что коэффициенты со­ бирания носителей, а иногда и величина рабочего объема за­ висит от распределения поглощенной .энергии. Поэтому форму­ лами (1.46) и (1.51) следует пользоваться только в том случае, когда распределение носителей, в объеме детектора или не из­ меняется при изменении энергии кванта, или не влияет на вели­ чину фотопроводимости (см. гл. 3).

лучения приведена на рис. 1.5,а. На рис. 1.5,6 показан вклад различных взаимодействий в полный коэффициент ослабления. Из рис.1.5,а видно, что для материалов с 2Эф>2в03д в области малых энергий дозовая чувствительность детектора уменьшает­ ся. Поглощение в стенках, играющее большую роль при малых энергиях, может привести к более сильному падению чувстви­ тельности с уменьшением энергии (пунктирная линия на рис. 1.5,а).

23

Счетный режим

Если каждый образовавшийся в рабочем объеме детектора электрон регистрируется, то, согласно (1.40), число импульсов іѴр на выходе детектора равно

где значение Еш взято из (1.43).

Рис. 1.5. Зависимость отношения р-птг/р-птв для материалов с

Ход с жесткостью определим из (1.52) и (1.46):

Средняя энергия действующего спектра Еі связана с средней энергией кванта излучения Еу выражением

24

Некоторая доля электронов попадает в детектор из стенок. Поэтому Nv больше числа поглощенных в рабочем объеме де­ тектора фотонов. Разница растет с увеличением энергии фото­ нов. Это одна из причин отклонения экспериментальных зави­ симостей от рассчитанных по формулам (1.53) и (1.56).

§. 1.6. МЕТОДЫ ИЗМЕНЕНИЯ ЗАВИСИМОСТИ ДОЗОВОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ДЕТЕКТОРА ОТ ЭНЕРГИИ КВАНТА ИЗЛУЧЕНИЯ

Методы изменения спектральных характеристик удобно раз­ делить на два класса: к первому относятся методы, связанные с изменением свойств детектора излучения (например, изменение его геометрических размеров, толщины стенок, чувствительной

ция импульсов по амплитуде, по форме, отбор совпадающих во времени импульсов и т. д.)

Наибольшее распространение в дозиметрии получили методы изменения характеристик детектора, относящиеся к первому классу.

Изменение толщины и материала стенки

Ионизация в объеме детектора при регистрации рентгенов­ ского или у-излучения создается заряженными частицами, воз­ никающими, во-первых, в стенках (оболочке) детектора и, вовторых, в его рабочем объеме. Если толщина стенок меньше пробега вторичных частиц, то некоторая их доля попадает’ в рабочий объем детектора из окружающей среды. Изменяя материал и толщину стенок (с помощью дополнительных фильт­ ров), можно изменять характеристики детектора в широких пределах.

Рассмотрим наиболее характерные случаи. Для простоты

этом случае, если толщина стенки равна нулю, ток на выходе де­ тектора пропорционален поглощенной в окружающем веществе энергии. Если толщина стенки больше пробега вторичных ча­

25

стиц (равновесная стенка), то ток на выходе детектора пропор­ ционален энергии, поглощенной в стенке. По существу в этом случае спектральная характеристика детектора определяется материалом стенок: если стенки тканеэквивалентны, то ток на выходе детектора пропорционален поглощенной в ткани дозе,

свойствами среды, толщиной и материалом стенок и свойства­ ми рабочего вещества детектора.

Аіетод изменения характеристик детекторов с помощью' до­ полнительных фильтров целесообразно применять, если эф­ фективная энергия квантов исследуемого излучения находится правее максимума кривой PJP0=f(E). Положение максимума кривой ҢЕ) зависит от атомного номера вещества детектора и для детекторов из Si и CdS лежит в области ДЭф>30 кэв. В этой области энергий применение фильтров позволяет сущест­ венно уменьшить ход с жесткостью. Так, например, применяя составной фильтр (перпекс, свинец и медь толщиной 4; 0,3 и 0,14 мм соответственно), авторы работы [7] уменьшили ход с же­

жесткостью были применены в работе [8]. Возможности сниже­ ния хода с жесткостью кремниевых р—і—«-детекторов приме­ нением дополнительных фильтров с различным атомным номе­ ром (алюминий, люцнт, золото, свинец) рассмотрены в работе

[9].

С помощью фильтров можно изменять спектральную харак­ теристику любого детектора и в том числе комбинированного.

Комбинация нескольких веществ в рабочем объеме детектора

Этот метод нашел широкое применение в основном в люми­ несцентной дозиметрии рентгеновского и у-излучений [10, 11].

Комбинируя один или несколько люминофоров с различны­ ми 2Эф, можно изменять спектральную характеристику (ход с жесткостью) полученного детектора в широких пределах. Поскольку свечение компонент смеси складывается, спектраль­ ная характеристика детектора лежит между спектральными ха­ рактеристиками составляющих его компонент.

Аналогичные методы применяют при сочетании люминофо­ ров с ППД. Спектральная характеристика такого детектора оп­ ределяется свойствами ППД и люминофора, а также их взаим­ ным расположением в пучке исследуемого излучения.

26

Суммирование сигналов с выходов детекторов

Сигналы от различных компонент составного детектора мож­ но регистрировать раздельно и затем суммировать. Сигнал на выходе системы детекторов

где щ — коэффициент (положительный или отрицательный), на который умножают показания /-го детектора.

Возможность не только складывать, но и вычитать сигналы позволяет расширить диапазон изменения спектральных харак­ теристик. Методу уменьшения хода с жесткостью, связанному с вычитанием сигналов, посвящена работа [12]. В работе [13] списана система, состоящая из двух полупроводниковых кремни­ евых фотоэлементов с р—/г-переходами. Общий недостаток та­ ких систем — зависимость показаний от ориентации в пучке излучений. Тем не менее метод компенсации хода с жесткостью суммированием сигналов перспективен.

V

Амплитудная и временная селекции

Любое нелинейное преобразование регистрируемого сигнала приводит к изменению спектральных характеристик детектора. В частности, к заметному изменению спектральных характери­ стик приводит дискриминация импульсов по амплитуде на вы­ ходе пропорционального детектора.

Возможность управления спектральными характеристиками детекторов в процессе регистрации излучений

Рассмотренный ранее метод суммирования компонент сигна­ ла позволяет изменять спектральную характеристику канала, изменяя коэффициент Оі в формуле (1.57), что легко осуществить обычными радиотехническими средствами. Точно так же можно изменять в процессе работы спектральные характеристики мето­ дом амплитудной или временной дискриминации.

Существуют и другие методы решения этой задачи. Наиболь­ ший интерес представляет возможность управления процессами люминесценции с помощью сильного электрического поля, кото­ рое может увеличивать свечение (эффект Гуддена — Поля [14]) или уменьшать, его (эффект Дашена [15]), или изменять кине­ тику свечения [16]. Изменение характеристик под действием электрического поля происходит не только в люминесцентных детекторах. Так, электрическое поле увеличивает рабочий объем детектора, и в частности рабочий объем детектора с р—п-пере-

27

ГЛАВА 2

ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В РАБОЧЕМ ОБЪЕМЕ ДЕТЕКТОРА

§ 2.1. ОБРАЗОВАНИЕ СВОБОДНЫХ НОСИТЕЛЕЙ

Регистрация любого вида излучения происходит в результате поглощения энергии этого излучения в рабочем объеме детек­ тора. При регистрации фотонов большой энергии в рабочем объеме детектора возникают фото- и комптоновские электроны,, а при энергии больше 1,02 Мэв и электрон-позитронные пары*. Образовавшиеся заряженные частицы теряют свою энергию на ионизацию, возбуждение среды и тормозное излучение. Некото­ рая доля энергии (малая по сравнению с ионизационными по­ терями) передается атомам вещества, приводя к возникновению радиационных дефектов.

В результате в рабочем объеме детектора образуется неко­ торое число избыточных носителей заряда — электронов и ды­ рок. Распределение их по энергиям точно не известно, однако есть данные, позволяющие считать, что энергия возникающих неравновесных электронов и дырок не превышает нескольких электронвольт.

За короткое время (около 10-11 сек) эти электроны и дырки в результате тепловых соударений снижают кинетическую энер­ гию до тепловой (термализуются). Время жизни носителей мно­ го больше этой величины, и поэтому усредненное по времени распределение по энергиям равновесных и неравновесных носи­ телей различается мало. В этом приближении можно считать, что генерация неравновесных носителей приводит только к из­ менению концентрации свободных равновесных носителей.

Тогда, если концентрация свободных электронов и дырок (равновесные носители) до облучения была равна соответствен­ но п и р, то при облучении (в стационарных условиях) концент­ рация электронов равна п + Ап, а концентрация дырок р + Ар. Неравновесные концентрации Д/г и Ар зависят от интенсивности излучения и времени жизни носителей.

Пусть излучение теряет в полупроводнике (изоляторе) энер­ гию Еп, при этом образуется N пар носителей. Тогда средняя энергия со, необходимая для образования одной пары носите­ лей, составит

29;