56 Носовский - Вопросы дозиметрии и радиационная безопасность на АЭС

В настоящее время в большинстве сцинтилляционных счетчиков используется йодистый натрий, активированный таллием. Химическая формула записывается как NaI(Tl). Добавки таллия позволяют увеличить световыход кристаллов при комнатной температуре. Когда при потерях энергии фотонов образовътаются фотоэлектроны, комптоновские электроны и электронно-позитронные пары, то в фосфоре они преобразуются в световую вспышку с длительностью около четверти микросекунды. Световые фотоны находятся в голубой области оптического спектра (длина волны около 4100 ангстрем или 410 нанометров). Из-за малого времени формирования вспышки счетчик может работать при больших скоростях счета. Интенсивность световой вспышки прямо пропорциональна энергии, потерянной фотоном в кристалле. Кристаллы NaI(TI) почти исключительно используются для регистрации гамма-излучения. Основная причина — его гигроскопичность. Кристалл поглощает влагу из окружающего пространства. Незащищенный кристалл NaI, оставленный на неделю без соответственной упаковки, разрушится, превратившись в мелкий порошок. Это означает, что кристалл должен быть всегда в герметичной упаковке, предотвращающей его контакт с содержащим влагу окружающим воздухом. Преимущественно кристаллы упаковываются в алюминиевый стакан, покрытый изнутри светоотражающим составом. Кристалл NaI(Tl) плотно помещается в стакан и закрывается стеклянным или кварцевым окном (рис 7.9). Металлический контейнер эффективно защищает кристалл от попадания в него α- или β-частиц.

Рис 7.9 Упакованный кристалл NaI(Tl).

Для того, чтобы получить спинтилляционный детектор, упакованный кристалл соединяется оптически с входным окном фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) — электронного прибора, преобразующего слабые световые вспышки в большой электрический сигнал. Работа ФЭУ поясняется на чертеже, показанном на рис.7. 10. Световые фотоны из сцинтиллятора (1) через светопровод попадают во входное окно ФЭУ. Внутренняя поверхность входного окна, покрыта материалом, который испускает электроны при попадании в него световых фотонов, называется фотокатодом. Электроны из фотокатода (2) через фокусирующую диафрагму (3) притягиваются к металлическим элементам (4), называемым динодами, благодаря приложенной снаружи разности потенциалов. Каждый ускоренный электрон, тормозясь в диноде, выбивает из него несколько вторичных электронов, которые благодаря специальной геометрии динода направляются на последующий динод

Рис 7 10 Принципиальная схема сцинтилляционного детектора

1.Сцинтиллятор

2.Фотокатод ФЭУ

3.Фокусирующая диафрагма

4.Диноды

5.Анод ФЭУ

6.Делитель напряжения

7.Выходное сопротивление

8.Усилитель

9.Пересчетный прибор

Поток электронов собирается на последнем диноде, называемом анодом (5). Питание ФЭУ осуществляется с помощью источника стабилизированного высокого напряжения с делителем (6). В цепь анода включается сопротивление нагрузки (7), на котором формируется импульс напряжения.

Количественной характеристикой процесса умножения электронов является коэффициент вторичной электронной эмиссии σ равный отношению числа выбитых из динода электронов к числу электронов падающих на его поверхность. Он зависит от материала и состояния поверхности динода, от энергии и угла падения электронов и может принимать значение от 5 до10. Если в ФЭУ имеется n динодов, для каждого из которых коэффициент вторичной электронной эмиссии σ, то коэффициент умножения ФЭУ определяется из соотношения

n

M = Π .αi. σi, (7.35) i=1

где αi — коэффициент, определяющий долю электронов попадающих с одного динода на другой. В фотоумножителях обычно имеется от 10 до 14 динодов и таким образом полное усиление (коэффициент усиления) может достигать 106.

В зависимости от измеряемой величины (среднее значение анодного тока или скорость счета импульсов тока) различают токовый и счетный режимы сцинтилляционного детектора.

Токовый режим сцинтилляционного счетчика. Рассмотрим зависимость анодного тока iф от мощности дозы при регистрации фотонного излучения. Средний ток на аноде ФЭУ можно рассчитать, используя формулу (7.32), из соотношения

(7.36)

где e — заряд электрона, g — число фотоэлектронов на один испущенный световой фотон, M — коэффициент усиления ФЭУ

Пусть на торцовую поверхность цилиндрического сцинтиллятора с площадью торца S и высотой h нормально падает пучок фотонов. Тогда поглощенная в единицу времени энергия En в сцинтилляторе

(7.37)

где µen — линейный коэффициент поглощения энергии фотонов в веществе сцинтиллятора, µ — линейный коэффициент ослабления фотонов в сцинтилляторе, I — плотность потока энергии падающих фотонов. Интегрирование проведено по высоте сцинтиллятора в предположении, что энергетический состав излучения существенно не изменяется Мощность поглощенной дозы связана с плотностью потока энергии фотонов соотношением

(7.38)

где µen,m,в — массовый коэффициент поглощения энергии в воздухе. Решая совместно уравнения (7.36) и (7.37), получим выражение, определяющее энергетическую зависимость чувствительности сцинтилляционного дозиметра (ход с жесткостью) работающего в токовом режиме

(7.39)

где V и рz — объем и плотность сцинтиллятора соответственно

Выразив через постоянный множитель а параметры, не зависящие от энергии первичного излучения и считая постоянным значение η к,

(7.40)

Из выражения (7.40) видно, что ход с жесткостью будет отсутствовать лишь для тонких (µZ h « 1) воздухоэквивалентных (µen,m,Z = µen,m,в ) сцинтилляторов. С ростом толщины сцинтиллятора будет увеличиваться и ход с жесткостью, особенно в низкоэнергетичной области первичных фотонов. Так, с уменьшением энергии фотонов ниже 100 кэВ, чувствительность дозиметрического детектора с органическим сцинтиллятором может изменяться на десятки процентов, что делает его практически непригодным для использования

Для неорганических сцинтилляторов чувствительность, наоборот, увеличивается в области низких энергий.

Снижения хода с жесткостью можно добиться, используя комбинированный сцинтиллятор,

вкотором применяется органический кристалл, покрытый тонким слоем тяжелого неорганического сцинтиллятора. Рост чувствительности неорганического сцинтиллятора с понижением энергии приведет к компенсации снижения чувствительности органической части и наоборот. При удачном подборе параметров органического и неорганического

сцинтилляторов можно обеспечить практическое отсутствие зависимости чувствительности от энергии вплоть до нескольких десятков килоэлектронвольт.

Главное преимущество сцинтилляционньгх счетчиков перед газонаполненными являет-

ся их значительно большая эффективность при регистрации гамма-излучения. Это связано с

двумя факторами: плотностью и атомным номером вещества чувствительной области детектора. Плотность кристалла NaI равна 3,7 г/см3, в то время как плотность газов нахо-

дится вблизи 0,001 г/см3. Таким образом, на пути гамма-излучения оказывается в несколько тысяч

раз больше атомов, что сильно увеличивает вероятность взаимодействия.

Счетный режим сцинтилляционного счетчика. В этом режиме каждая сцинтилляцион-

ная вспышка вызывает один импульс тока в анодной цепи ФЭУ. Если размеры сцинтиллятора

больше пробега электронов, то практически каждый электрон, созданный первичным излучением в сцинтилляторе, создает вспышку, которая вызывает электрический импульс.

Таким образом, скорость счета импульсов nсч если не точно равна числу электронов, освобождающихся в единицу времени в объеме сцинтиллятора, то пропорциональна этому числу.

Принимая, что каждое взаимодействие первичных фотонов со сцинтиллятором дает один электрон, для цилиндрического кристалла получим число электронов, высвобождаемых

вединицу времени:

где Eγ — средняя энергия фотонов в спектре первичного излучения.

Используя соотношение между интенсивностью излучения и мощностью дозы (7.38) и полагая, что скорость счета импульсов равна скорости высвобождения электронов в сцинтилляторе, получаем

Формула (7.42) определяет чувствительность и ход с жесткостью сцинтилляционного дозиметра в счетном режиме. Кривая зависимости чувствительности от энергии фотонов, определяемая уравнением (7.42), не имеет горизонтального участка, и ход с жесткостью будет значительным в любом диапазоне энергий.

Сравним чувствительность сцинтилляционного дозиметра в счетном режиме и газоразрядного счетчика. Полагая µz · h « l, вместо соотношения (7.42) получим

где V — объем сцинтиллятора. Для газоразрядного счетчика имеем из выражения (7.21)

где Sсч — площадь поверхности газоразрядного счетчика; εсч — эффективность регистрации фотонов.

Из соотношений (7.43) и (7.44) получим отношение чувствительности сцинтилляционного счетчика к газоразрядному:

(7.45)

Площадь боковой поверхности цилиндрического газоразрядного счетчика связана с его объемом Vсч соотношением

где dсч — диаметр газоразрядного счетчика. Приняв равными объемы газоразрядного и сцинтилляционного счетчиков, получим

(7.47)

Для сцинтиллятора NaI(Tl) при энергии фотонов 1 МэВ, dсч = 1 см, εсч = 1 % расчет дает δ = 5,5. Это свидетельствует о том, что чувствительность по мощности дозы сцинтилляционного счетчика в несколько раз превосходит чувствительность газоразрядного счетчика. Очевидно,

что значительная энергетическая зависимость чувствительности сцинтилляционных счетчиков требует особой осторожности при их использовании в дозиметрии.

Применение сцинтилляторов для детектирования других видов излучений.

Сцинтипляционные счетчики применяются для регистрации заряженных частиц, γ- излучения.

быстрых и медленных нейтронов. Сцинтилляторы ZnS, активированные серебром или медью, применяют в виде монокристаллического порошка с толщиной слоя 25 — 50 мг/см2

(из-за низкой прозрачности для собственного излучения) для регистрации тяжелых частиц, обладающих малым пробегом в кристалле. Конверсионная эффективность сернистого цинка

очень высока и достигает 28 % при возбуждении α-частицами. Сцинтиллятор CdS(Ag) может быть выращен в виде небольшого полупрозрачного монокристалла. Применяют его для регистрации α-частиц.

Для исследования γ-излучения лучшим щелочно-галоидным сцинтиллятором является NaI(Tl) из-за большого фото-выхода. Световой выход сцинтиллятора NaI(Tl) линейно зависит от энергии β-частиц, протонов и дейтронов, а для α-частиц эта зависимость нелинейна.

Световой выход уменьшается с увеличением плотности ионизации. Йодистый цезий по своим сцинтиллирующим свойствам аналогичен йодистому натрию. Зависимость световыхода

органических сцинтилляторов (антрацен, стильбен) от энергии тяжелых заряженных частиц (протонов, дейтронов и α-частиц) нелинейная.

Сцинтилляторы CaWO4 и CdWO4 используют в виде мелких кристаллов (из-за сложности выращивания монокристаллов) для регистрации тяжелых частиц.

Монокристаллы LiI, LiI(Tl) применяют для регистрации нейтронного излучения. Содержание водорода в органических сцинтилляторах позволяет использовать их для регистрации быстрых нейтронов. Особенно широко для этой цели применяется стильбен.

С целью практического удобства для регистрации нейтронов используют датчики, которые позволяют одним детектором регистрировать нейтроны всех энергий от тепловых до быстрых (включая промежуточные) в соответствии с их коэффициентом качества, то есть в единицах эквивалентной дозы.

Такой датчик состоит из водородсодержащего замедлителя (как правило плексиглас) оптимальных размеров, в центре которого расположен детектор тепловых нейтронов (сернистый цинк с добавкой солей бора или лития), а на поверхности — сцинтиллятор быстрых нейтронов. Сцинтилляции от быстрых нейтронов передаются по светопроводу к фотокатоду ФЭУ.

Промежуточные нейтроны после замедления регистрируются детектором тепловых нейтронов, тепловые — непосредственно.

Применение фотодиода в качестве ФЭУ. Наряду с традиционными детекторными сборками типа сцинтиллятор — ФЭУ (С-ФЭУ) для регистрации ионизирующих излучений применяются сцинтиэлектронные детекторы излучений (СЭЛДИ) нового поколения типа сцинтиллятор — фотодиод (С-ФД). Детектор С-ФД по сравнению с конструкцией С-ФЭУ имеет существенно более широкую область применения что обусловлено следующими эксплуатационными преимуществами.

•широкий динамический диапазон (108 — 1012), те возможность регистрации мощности дозы излучений от уровней ниже фонового (1 мкбэр/час) до 104 — 106 бэр/час,

•энергетический диапазон не менее 103 (10 кэВ — 10 МэВ),

•миниатюрность (объем 0,5 — 2 см3), простота конструкции, надежность эксплуатации,

•отсутствие необходимости в высоковольтном питании, нечувствительность к магнитным полям,

•высокая стабильность и воспроизводимость характеристик.

Отмеченные преимущества обеспечили применение детекторов СЭЛДИ в дефектоскопических системах, использующих принцип компьютерной томографии, в приборах контроля багажа и ручной клади, для регистрации мощности дозы излучения медицинских рентгенодиагностических аппаратов. Высокая чувствительность и надежность детекторов СЭЛДИ позволила создать на их основе приборы контроля радиационной обстановки, прошедшие испытания в аварийной зоне Чернобыльской АЭС.

Конструкция сцинтиэлектронного детектора излучений представлена на рис 7.11

Рис 7 11 Конструкция СЭЛДИ

1 — светозащитный слой

2 — сцинтиллятор (ZnSe CdS, BGO CWO),

3 — отражающе-защитное покрытие,

4 — оптический контакт,

5 — кремниевый фотодиод,

6 — вывод

Использование фотодиодов позволяет применять детекторы как в токовом, так и в импульсном режиме.

Применение сцинтилпяционных детекторов в гамма-спектроскопии. На аноде ФЭУ формируется импульс напряжения, амплитуда которого пропорциональна интенсивности световой вспышки, попавшей на фотокатод, а значит и энергии, потерянной в кристалле фотоном.

Так как амплитуда выходного импульса пропорциональна энергии гамма-излучения, то сцинтилляционные детекторы можно использовать для гамма-спектроскопии. В этом процессе

импульсы от ФЭУ сортируются по амплитуде прибором, называемым многоканальным амплитудным анализатором импульсов. Накопленная информация о количестве импульсов каждой амплитуды затем выводится на дисплей или распечатывается в виде амплитудного спектра. Вид такого спектра от гамма-источника с фотонами одной энергии показан на рис 7.12.

Энергия гамма-линии может быть измерена по положению фотопика (отметка E на рисунке). Этот пик так назван в связи с реакцией, приведшей к его образованию. Калибровка энергетической шкалы производится по измерениям спектров известных источников.

Рис 7 12 Амплитудное распределение сцинтилляционного детектора.

Энергетическое разрешение сцинтилляционного счетчика также иллюстрируется на рисунке. Оно определяется как ширина пика на полувысоте (∆Ε на рис.7.12) деленная на энергию E и умноженная на 100%. Разрешение сцинтилляторов с кристаллом NaI обычно равно 7 — 9% при энергии гамма-излучения 662 KэB(137Cs). Это важный параметр гаммаспектрометра, так как он определяет насколько близко по энергии две гамма-линии могут быть отчетливо зарегистрированы как два раздельных пика вместо одного широкого пика. Энергетическое разрешение очень важно, когда регистрируется излучение неизвестного излучателя, т.к. фотоны, разница энергий которых меньше чем ∆Ε, не будут различаться. К сожалению, энергетическое разрешение сцинтилляционных детекторов с NaI(Tl) не достаточно для многих применений в радиационной защите.

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ МЕТОД

Общим признаком полупроводников является величина их электропроводности, которая занимает промежуточное место между электропроводностью металлов и

С точки зрения зонной теории полупроводниковыми свойствами обладают такие вещества, ширина запрещенной зоны у которых не превышает 2 — 3 эВ. У диэлектриков запрещенная зона значительно шире, у металлов она практически отсутствует.

Полупроводник в качестве детектора ионизирующих излучений выступает как аналог ионизационной камеры, чувствительным объемом которой является твердое тело. Под действием ионизирующего излучения в полупроводнике образуется свободные носители заряда. Если к полупроводнику, находящемуся в поле ионизирующего излучения, приложить разность потенциалов, то по изменению проводимости полупроводника можно делать вывод о наличии и интенсивности ионизирующего излучения.

Использование твердого тела в качестве чувствительного объема позволяет за счет более высокой плотности вещества (примерно в 1000 раз) увеличить энергию, поглощенную в единице чувствительного объема. Кроме того, энергия, необходимая на образование одной пары ионов соответствует ширине запрещенной зоны, то есть примерно на порядок ниже, чем в газовых ионизационных камерах.

Таким образом в одном и том же поле излучения ионизационный эффект в полупроводниковом детекторе будет примерно в 104 раз выше, чем в ионизационной камере, то есть полупроводниковые детекторы обладают высокой чувствительностью даже при малом чувствительном объеме.

Другой важной особенностью полупроводниковых детекторов по сравнению с газовыми является высокая подвижность носителей заряда. Так например, у кремния при комнатной температуре подвижность отрицательных носителей заряда (электронов) равна 1300 см2/В.с, а положительных носителей заряда (дырок) — 500см2/В.с. Для сравнения подвижность носителей заряда в воздухе при нормальных условиях около 1 см2/В.с. Высокая подвижность носителей заряда определяет малое время собирания электрических зарядов на электроды, и как следствие, высокую разрешающую способность детектора. Кроме того, малое время собирания существенно снижает вероятность рекомбинации положительных и отрицательных зарядов, а большая подвижность зарядов при прочих равных условиях обеспечивает большой ионизационный ток. В расчете на одинаковый ионизационный эффект полупроводниковый детектор требует на несколько порядков меньшего электрического напряжения, чем газовый.

Однако все сказанное относится к случаю, когда полупроводник находится при абсолютном нуле температуры. В этом случае валентная зона, образованная энергетическими уровнями внешних валентных электронов, заполнена полностью, а зона проводимости не содержит свободных электронов, то есть полупроводник является изолятором, и наложение внешнего электрического поля не приведет к появлению в нем электрического тока.

В реальных условиях, вследствие сравнительно малой ширины запрещенной зоны, электроны в полупроводнике могут переходить из валентной зоны в зону проводимости