Отечественные рутениевые терапевтические источники бета-излучения_Тимофеев_Л.В

Сигнальный экземпляр

71

Функции отклика фотоумножителей в полях ионизирующих излучений

Впроцессе эксплуатации сцинтилляционных дозиметров проникающее ИИ может взаимодействовать не только с телом детектора, но и с отдельными частями фотоумножителя – фотокатодом, колбой, эмиттерами, что, естественно, может отрицательно сказаться на характеристиках дозиметров в целом. Подобная ситуация, например, возникает при использовании пластических сцинтилляторов для измерений в смешанных полях β, Х, γ – излучений, когда полностью поглощается бета-излучение, но сравнительно слабо – сопутствующие Х- и γ-излучения с Е≥20кэВ. В связи с этим возникает задача по снижению уровня излучения в позициях расположения ФЭУ.

Известны несколько способов уменьшения фона от радиации в сцинтилляционных дозиметрах. Однако предложенные способы, как правило, предполагают внесение дополнительных элементов в дозиметры, например, протяженных светопроводов и т.п. и практически не затрагивают конструкционных изменений самих ФЭУ.

По имеющимся в литературе сведениям можно установить некоторые закономерности поведения некоторых типов ФЭУ в рассматриваемых условиях. Основными источниками обратимых изменений, например, анодного тока ФЭУ под действием внешнего гамма-излучения могут быть электроны отдачи образующиеся вблизи фотокатода и нескольких первых эмиттеров, а также люминесценция стеклянной колбы и свечение Черенкова-Вавилова. При этом одни авторы учитывают лишь вторичную электронную эмиссию фотокатода, другие считают, что эффект на 70-90% обусловлен люминесценцией стекла колбы ФЭУ.

Внастоящее время реально создание малогабаритных сцинтилляционных дозиметров на основе новых типов ФЭУ. Наши эксперименты были спланированы с учетом этого факта и вышеизложенных соображений.

При использовании сцинтилляционных датчиков фотоэлектронные умножители (ФЭУ) могут подвергаться непосредственному воздействию ионизирующей радиации, увеличивающей уровень шумов (темновых токов) ФЭУ. Этот эффект зависит от конкретных условий измерений: типа регистрируемого и сопутствующего излучений, размеров сцинтиллятора, геометрии опыта, возможностей экранировки ФЭУ и т. д. Например, при решении таких задач, как регистрация нейтронов на фоне гамма-излучения или дозиметрия рентгеновского и бета-излучения с тканеэквивалентными сцинтилляторами, непосредственное воздействие на ФЭУ значительных потоков ионизирующей радиации определяет величину предельной чувствительности сцинтилляционного датчика.

Широкое использование при биологических исследованиях и в медицинской практике дозиметров со сцинтилляторами, которые по своему характеру взаимодействия с излучением эквивалентны биологической ткани [Л 1], тре-

72

Сигнальный экземпляр

бует специального рассмотрения вопроса о возможных путях улучшения их порога чувствительности. Такие сцинтилляторы слабо поглощают гаммаили рентгеновское излучение с энергиями Е>20 кэв, и в результате прямое или рассеянное излучение может взаимодействовать не только со сцинтиллятором, но

ис фотокатодом, веществом колбы и эмиттерами ФЭУ. При пользовании компактных датчиков, позволяющим измерять дозные поля бета и рентгеновского излучения, длина светопровода из полиметилметакрилата (плексиглас) должна быть порядка 10-15 мм, что обеспечивает практически полное поглощение бета-излучения всех радиоизотопов. При измерениях же рентгеновского излучения с эффективной энергией 20 кэв тканеэквивалентным сцинтиллятором в виде диска диаметром 3 и толщиной 1 мм, сочлененным через плексигласовый светопровод длиной 10 мм с ФЭУ-35, работающим в токовом режиме, отношение сигнала от сцинтиллятора к току, обусловленному непосредственным взаимодействием излучения с ФЭУ, равно единице.

Существует несколько способов обеспечения предельно низкого уровня радиации в области расположения ФЭУ [Л. 2]. Однако общей чертой этих, способов является то, что они совершенно не касаются каких-бы то ни было конструктивных изменений самих ФЭУ, а вносят дополнительные элементы в датчики, например длинные светопроводы, что значительно увеличивает размеры детектора и не всегда приемлемо.

Вряде работ [Л. 3, 4] предлагалось использовать фотоэлектронные умножители для непосредственной регистрации рентгеновского и гаммаизлучений. В этом случае необходимо знать, например, такие характеристики, как зависимость анодного тока ФЭУ от мощности дозы, хода с жесткостью, чувствительности и т. д.

Имеющиеся в литературе данные по воздействию рентгеновского и гаммаизлучений на ФЭУ устанавливают ряд закономерностей поведения в этих условиях некоторых промышленных типов ФЭУ: отечественных [Л. 4-6] и иностранных [JI. 3, 7].

Вработах (Л. 3, 5, 7] изучался эффект действия на ФЭУ излучения в диапазоне энергий 20-1 250 кэв. В частности было показано, что энергетическая зависимость этого эффекта для различных типов фотокатодов имеет приблизительно одинаковый характер, причем в диапазоне энергий 20-80 кэв наблюдается резкое повышение чувствительности.

Основными источниками обратимых изменений анодного тока могут быть: 1. электроны отдачи, появляющиеся около фотокатода и нескольких первых эмиттеров; 2. наведенная излучением люминесценция стеклянной оболочки.

Вработе [Л. 5] отмечалось, что чувствительность ФЭУ к рентгеновскому и гамма-излучениям обусловлена вторичной электронной эмиссией фотокатода,

исовершенно не учитывалась возможная люминесценция стекла. Напротив, авторы работы [Л. 7] утверждают; что 70-90% анодного тока ФЭУ, возникающего под действием излучения, обусловлено люминесценцией.

Вотличие от приведенных выше работ, объектом исследования которых

73

являлись обычные серийные типы ФЭУ, в настоящей работе проведено исследование радиационных характеристик специального типа ФЭУ (ФЭУ-69А), отличающегося пониженной чувствительностью к воздействию рентгеновского и гамма-излучений. При разработке этого ФЭУ учитывались возможные механизмы взаимодействия ионизирующих излучений с его конструктивными элементами, а затем принимались меры к увеличению его «прозрачности» к действию излучений. Эффективность принятых мер видна из приводимых ниже результатов сравнительных измерений трех типов ФЭУ.

Особенности конструкции использованных типов ФЭУ

В качестве объекта исследования были выбраны три типа ФЭУ с одинаковыми габаритами (диаметром 23 мм), конструкцией катодной камеры и конфигурацией эмиттера (коробчатый с сеткой). Различия относились лишь к использованным материалам: фотокатода (Sb—Cs или Sb—К—Na [Cs]), эмиттера (Sb—Cs на Ni; Сu—Be) и входного окна колбы. Основные особенности исследованных типов ФЭУ сведены в таблице 1.

ФЭУ-31 и ФЭУ-69 имели одинаковую колбу, различаясь лишь величиной эффективного атомного номера конструктивных элементов; ФЭУ-69 и ФЭУ69А различались лишь конструкцией колбы

Методика измерений

Измерения проводились на рентгеновских аппаратах РУМ-3 (максимальное напряжение на трубке Um=200 кВ), «Дермамобиль» (Um=50кВ) и гамма-облучателе с радиоактивным изотопом 60Со (Eср. = 1 250 кэВ) типа ОКФО. При работе на РУМ-3 использовался широкий пучок излучения, расстояние между фокусным пятном и детектором излучения было 25 см. При измерениях на «Дермамобиле» детектор находился на расстоянии 5 см от края тубуса диаметром 5см. В табл. приведены условия и режимы работы на рентгеновских аппаратах для получения соответствующих эффективных энергий.

74

Все ФЭУ, использованные в данной работе, работали при напряжении, соответствующем интегральной анодной чувствительности 10 А/лм. Сравнение радиационной чувствительности ФЭУ-69 и ФЭУ-69А в области эффективных энергий Еэфф рентгеновского излучения от 21 до 90 кэВ (т. е. в области повышенной чувствительности ФЭУ к излучению) проводилось при различных мощностях доз: приблизительно от 1000 до 7000 р/ч.

Результаты измерений

Результаты измерений для Еэфф=40 и 90 кэв представлены на рис. 1 и 2. На этих рисунках легко различаются два семейства кривых: верхние кривые относятся к трем ФЭУ-69, а нижние - к ’ФЭУ-69А (для четырех экземпляров). Аналогичные кривые были получены и для других энергий рентгеновского излучения: 21, 59 и 65 кэв. Во всех случаях наблюдалась линейная зависимость анодного тока ФЭУ от мощности дозы. Из приведенных графиков видно также, что при одинаковой мощности экспозиционной дозы ток ФЭУ-69 значительно больше, чем ток ФЭУ-69А, причем отношение токов зависит от эффективной энергии рентгеновского излучения. Если обозначить значение отношения анодного тока ФЭУ-69 к току ФЭУ-69А при облучении их рентгеновским излучением с равной экспозиционной дозой через , то результаты измерений можно представить в виде плавной кривой, выражающей зависимость значения от эффективной энергии рентгеновского излучения (рис. 3, кривая 1). Из этой кривой видно, что в области энергий Еэфф=21÷90 кэв при замене ФЭУ-69 на ФЭУ-69А с оди-

75

наковой интегральной анодной чувствительностью ток, обусловленный непосредственным взаимодействием рентгеновского излучения с материалом ФЭУ, уменьшается в 5-12 раз.

Как уже отмечалось выше, ФЭУ успешно может быть использован для непосредственной (без сцинтиллятора) регистрации радио-активного излучения. В связи с этим особый интерес представляет зависимость анодного тока ФЭУ от энергии излучения при одинаковом значении мощности дозы. Эта зависимость изучалась для трех типов умножителей: ФЭУ-31, ФЭУ-69 и ФЭУ-69А в диапазоне а энергий рентгеновского излучения 21-90 кэв и для энергии гаммаизлучения 1250 кэв (Со60). Результаты измерений приведены на рис. 4-8, На рис. 4=6 представлены кривые изучаемой зависимости при условии, что ток ФЭУ при облучении его гамма-излучением Со60 принят равным единице. Каждая кривая представляет отдельный экземпляр ФЭУ. На рис. 7 приведены три аналогичные кривые, каждая из которых представляет собой среднюю кривую для семейства ФЭУ из пяти-семи экземпляров каждого типа. Из этих графиков видно, что максимум чувствительности для ФЭУ-31 с Sb-Cs- фотокатодом и эмиттерами приходится на Еэфф=43 кэв, умножители ФЭУ69 с мультищелочным фотокатодом и сплавными (Cu-Be) эмиттерами имеют максимум в районе 60-70 кэв, а ФЭУ-69А - в районе 50 кэв. На рис……. представлены кривые “хода с жесткостью”.

Все экспериментальные точки приведены к значению мощности экспозиционной дозы 1000 р/ч, анодная интегральная чувствительность ФЭУ Σа=10 а/лм.

Как уже отмечалось выше, при взаимодействии излучения с материалом ФЭУ возникает ток, обусловленный свечением стекла возникновением вторичной электронной эмиссии. Для установления относительного вклада этих двух процессов были проделаны следующие опыты. На торец ФЭУ-69А накладывались стекла той же марки и тех же размеров, что и торцовое стекло ФЭУ69. Облучение производилось широким пучком рентгеновского излучения (Еэфф=65 кэв), направленным перпендикулярно фотокатоду. Комбинируя стекла и слои черной бумаги, можно было оценить вклад свечения стекол в общий «эффект ФЭУ», который для данных условий опыта составил примерно 60%.

Для уменьшения «эффекта ФЭУ» под действием излучения мы изготовили два ФЭУ-69, фотокатод которых был нанесён на специальное стекло. В результате анодный ток, обусловленный взаимодействием с ФЭУ, уменьшился по сравнению с обычными ФЭУ-69 при облучении их рентгеновским излучением с энергией 21-90 кэв в 2-3 раза (рис. 3, кривая 2).

76

Сигнальный экземпляр

излучением Со60.

77

Рис. 7 Усредненный ход с жесткостью для ФЭУ трех типов: ФЭУ-31, ФЭУ-69, ФЭУ-69А

Рис. 8 Ход с жесткостью анодного тока ФЭУ-31, ФЭУ-69, ФЭУ-69А при анодной чувствительности 10а/лм.

78

Сигнальный экземпляр

Рис 9. Кривые “хода с жёсткостью” для нескольких типов

фотоумножителей

79

Выводы

Исследован ход с жесткостью серийных ФЭУ трех типов. Результаты исследований могут быть широко использованы. При конструировании дозиметров ионизирующих излучений.

Выяснено, что применение во входных окнах колб ФЭУ специальных материалов дает существенный выигрыш в отношении сигнала к шуму ФЭУ в сильных полях рентгеновского и гамма-излучений.

Показано, что использование ФЭУ-69А дает возможность значительного увеличения отношения сигнала к шуму при работе в сильных полях ионизирующих излучений.

Заключение

Установлено, что отклик исследованных типов фотоумножителей ФЭУ при облучении их рентгеновским излучением с эффективной энергией 65 кэВ, т.е. в интервале, близком максимальной чувствительности ФЭУ к фотонному излучению, примерно на 60% обусловлен на веденной люминесценцией стеклянной оболочки и на~40%, в основном электронами отдачи около фотокатода и нескольких первых эмиттеров. Показано, что использование специальных ФЭУ стекла для нанесения фотокатода (Глуховской) уменьшает шум ФЭУ в полях фотонного излучения с эффективными энергиями 21÷90 кэВ в 2÷3 раза. Выяснено, что применение во входных окнах колб ФЭУ специальных материалов (слюда специальная) приводит к существенному (до 2÷12 раз) росту отношения сигнал/шум в полях рентгеновского и гамма-излучения (на примере ФЭУ-69А). В исследованных диапазонах (ΔД= 2...7000 сГр/час; ΔЕэфф, х= 40...90кэВ) нагрузочные характеристики (Iа =1(Д) ) линейны. Экспериментально определен «ход с жесткостью» для трех различных типов ФЭУ

вэперестическом диапазоне 20 кэВ...1250 кэВ. Предложен комбинированный способ снижения фона радиации в месте расположения фотоумножителя с использованием свинцовых стекол и светофильтров. Этот способ, примененный с модернизированными фотоумножителями обеспечивает работу систем фотоумножителя в нормальных условиях. С использованием результатов проведенных экспериментов создана установка с сцинтилляционным дозиметром типа СКД, предназначенная для аттестации с дозиметрическими параметрам ЗТИБИ различных типов, Аналогичные установки СОД-2 и СКД-З построены совместно с ВНИИНМ и ИФХАН СССР и эксплуатируются в этих учреждениях при разработке и в промышленном выпуске ЗТИБИ. Установка-аналог «Доза”

втечение... лет эксплуатировалась на заводе «ЗМРП».

80