методы и средства исслед и аттестации бета-источников для медицины

Л.В. Тимофеев

140

//СИГНАЛЬНЫЙ ЭКЗЕМПЛЯР//

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИССЛЕДОВАНИЯ И АТТЕСТАЦИИ БЕТА-ИСТОЧНИКОВ ДЛЯ МЕДИЦИНЫ

Рис. 9. Кривые «хода с жёсткостью» для нескольких типов фотоумножителей

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,чтооткликисследованныхтиповфотоумножи­ телей 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 фото-

141

Л.В. Тимофеев

катода 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(слюдаспециальная)приводитксущественному(до2÷12раз) росту отношения сигнал/шум в полях рентгеновского­ и гаммаизлучения (на примере ФЭУ-69А). В исследованных диапазонах

(ΔД= 2...7000 сГр/час; Еэфф, х= 40...90кэВ) нагрузочные характеристики (Iа =1(Д) ) линейны. Экспериментально определен «ход

с жесткостью» для трех различных­ типов ФЭУ в эперестическом диапазоне 20 кэВ...1250 кэВ. Предложен комбинированный способсниженияфонарадиациивместерасположенияфотоумножителя 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 параметрамЗТИБИразличныхтипов, Аналогичные установкиСОД-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» в течение... лет эксплуатировалась на заводе «ЗМРП».

5.4.Способ снижения фона радиации

вместе расположения ФЭУ

Впроцессе измерений γ- и рентгеновского излучений сцинтилляционными приборами прямое или рассеянное излучение может взаимодействовать не только со сцинтиллятором, но и с

142

//СИГНАЛЬНЫЙ ЭКЗЕМПЛЯР//

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИССЛЕДОВАНИЯ И АТТЕСТАЦИИ БЕТА-ИСТОЧНИКОВ ДЛЯ МЕДИЦИНЫ

фотокатодом, веществом колбы и динодами фотоэлектронного усилителя (ФЭУ). Рентгеновские или γ -кванты, взаимодействуя с материалами ФЭУ, могут создать дополнительный (сверх тока сцинтиллятора) ток ФЭУ.

«Эффект фотокатода» в диапазоне энергий 20-1500 kev изучался в работах М. И. Арсаева, Н. Е. Сулимовой, Grawes и Koch, Zagorites и Lee. В этих работах было показано, что «ход с жесткостью»имеетприблизительноодинаковыйхарактердляразличных типовфотокатодов,причемвдиапазонеэнергий20-80kevнаблю- дается резкое повышение чувствительности. Зная чувствительность фотоумножителя к рентгеновскому и γ -излучению, можно оценить вклад эффекта фотокатода в величину общего тока системы сцинтиллятор ‒ фотоумножитель. В принципе с помощью эффекта фотокатода можно скомпенсировать «ход с жесткостью» сцинтиллятора и т. д. Однако в большинстве случаев необходимо обеспечить предельно низкий уровень радиации в области расположения ФЭУ.

Вцелях уменьшения эффекта фотокатода предлагалось использовать фотоумножители с небольшими размерами фотокатодов (Amrik S. Chhabra). Эта рекомендация часто оказывалась невыполнимой по тем или иным причинам. Избежать эффекта фотокатода можно также путем выведения фотоумножителя из поля облучения с помощью соответствующего светопровода.

Вэтом случае увеличиваются размеры детектора, что также не всегда приемлемо. В работе Hegewald рассмотрены принципиальные схемы описанных в литературе вариантов конструкций сцинтилляционных датчиков, уменьшающих «эффект фотокатода». Однако предложенные способы усложняют конструкцию датчиков.

Вцелях уменьшения «эффекта фотокатода» мы применили свинцовое стекло, поместив его между сцинтиллятором и фотокатодом. Относительно тонкие слои этого стекла предохра-

143

Л.В. Тимофеев

няют фотокатод от попадания на него «мягкого» рентгеновского

иγ -излучений и в то же время практически не поглощают свет от сцинтиллятора.

Радиолюминесценциястеколподдействиемрентгеновского

иγ ‒ излучений сильно зависит от процентного содержания в них свинца. Свечение это можно свести к минимуму, если выбрать соответствующую марку стекла. Кроме того, можно применить светофильтр. Радиационная стойкость стекол достаточно высока.

Для определения оптимальной толщины свинцовых стекол мы оценили ослабление рентгеновского излучения в стеклах ТФ-1 (плотность 3,86 г/смЗ) и ТФ-5 (плотность 4,77 г/смЗ). Измерения проводили на рентгеновских аппаратах РУМ-3 (максимальное напряжение на трубке 200 kV и «Дермамобиль» (50 kV). В качестве детектора использовали дозиметр со сцинтиллирующей пластмассойNE-102 в виде цилиндра диаметром 10 мми высотой12мм,окруженнойсбоковплексигласом(JI.В.Тимофееви В.В. Бочкарев). Сцинтиллятор был сочленен с ФЭУ-35, работающим в токовом режиме. При работе на рентгеновском аппарате РУМ-3 пучок излучения ограничивали свинцовой прямоугольной диафрагмой размером 2х3 см. Расстояние между фокусным пятном и детектором устанавливали равным 25 см. При фильтре 0,5 мм Сu+1 мм А1 и напряжениях 160-200 kVэффективная энергия излучения равнялась 70-80 kev, а при фильтре 1 мм А1 и напряжениях 100-140 kV составляла 29-33 kev.

Приизмеренияхнааппарате«Дермамобиль»детекторнаходился на расстоянии 1 см от цилиндрического тубуса диаметром 2 см. В качестве фильтра использовали алюминий толщиной 1 мм. Для данного фильтра и напряжения на трубке 50 kV эффективная энергия рентгеновского излучения составляла приблизительно 18-20 kev. Эффективную энергию определяли с помощью сферической тонкостенной териленовой камеры от конденсатора дозиметра типа КД-1М.

144

//СИГНАЛЬНЫЙ ЭКЗЕМПЛЯР//

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИССЛЕДОВАНИЯ И АТТЕСТАЦИИ БЕТА-ИСТОЧНИКОВ ДЛЯ МЕДИЦИНЫ

Результаты измерений представлены на рис. 1.) Из приведенных графиков видно, что для ослабления на 2-3 порядка электромагнитного излучения с энергией приблизительно 80 kev не- обходимовсего10-20ммсвинцовогостекла,адля20kev‒1,5мм. Для одной и той же кратности ослабления толщина стекла ТФ-5 оказывается в 1,5-2 раза меньше, чем ТФ-1. С целью определения толщины стекол для электромагнитного излучения с энергией, большей 100 kev, можно пользоваться расчетными данными (JI. М. Михайлов и 3. С. Арефьева ). Например, для ослабления на 2 порядка γ -излучения с энергией 200 kev необходимо всего 39 мм стекла ТФ-5.

Характер зависимости пропускания света от длины волны изучали на спектрофотометре SP-700 в диапазоне длин волн 3300-6600 А, т.е. в интервале максимальной чувствительности многих широко используемых фотоумножителей. Результаты измерений для стекол толщиной 10 мм представлены (на рис. 2) По оси абсцисс отложены значения обратных длин волн, по оси ординат ‒ пропускание в процентах. Из графиков видно, что стекла ТФ-1 и ТФ-5 практически одинаково ослабляют световой поток. Нарис.3приведенспектрсвечениясцинтиллятораNE-102толщи- ной 1 мм, возбужденного ультрафиолетовым излучением и спектр свечения после прохождения стекла ТФ-5 толщиной 10 мм. Сигналослабляетсяприблизительнона30%.Измеренияпроводилина спектрометре ИСП-51 с фотоэлектрической приставкой ФЭП-1. Световой поток от лампы ДКсШ-200 фильтровался УФС-1, в результате чего «вырезался» интервал длин волн, 2400-4000 А.

Исследовалось свечение стекол ТФ-1 и ТФ-5 как под действием света в интервале длин волн 2400-4000 А, так и под действием рентгеновского излучения в диапазоне энергий приблизительно 10-80 kev. Полученные в одинаковых условиях спектры свечения стекло ТФ-1 и ТФ-5 толщиной 10 мм каждая представлены на рис. 4 (кривые 1 и 2 соответственно). Отношение интен-

145

Л.В. Тимофеев

сивностей свечения стекол ТФ-1 и ТФ-5 при возбуждении свечения световым потоком оказалось приблизительно равно 7,5. При возбуждении рентгеновским излучением (Еэфф-20 kev) это отношение равнялось 10.

В связи с тем что: 1) по характеру пропускания света стекла ТФ-1 и ТФ-5 в широком интервале длин волн практически идентичны, 2) защитные свойства стекла ТФ-5 значительно лучше, чем у ТФ-1, и 3) свечение на выходе стекла ТФ-1 по интенсивности приблизительно на порядок больше, чем свечение ТФ-5, в дальнейшем изучались лишь характеристики стекол марки ТФ-5.

Вклад люминесценции свинцового стекла можно уменьшить, применив для этих целей светофильтры, например ФС-7, Как видно из рис. 4, максимум свечения стекла ТФ-5 толщиной 10 мм соответствует приблизительно длине волны в 5000 А. Максимум свечения, например, сцинтилляционной пластмассы находится в области 4200 А, т.е. на 800 А левее в шкале длин воли. На рис. 2 приведены кривые пропускания света для светофильтра ФС-7 толщиной 2 мм (кривая 3) и 0,3 мм (кривая 2). Таким образом светофильтр ФС-7 должен сильно ослаблять свечение свинцовых стекол и значительно меньше ‒ свечение сцинтиллятора. Спектр 3 на рис. 3 получен после прохождения света через 10 мм стеклаТФ-5и0,3ммсветофильтраФС-7.Светофильтруменьшил интенсивность сигнала в 1,8 раза. Спектр 3 на рис. 4 − свечение стекла после светофильтра; интенсивность снизилась в 5 раз. Таким образом, применение светофильтра ФС-7 толщиной 0,3 мм уменьшает относительный вклад в полезный сигнал свечения стекла в 2,8 раза, для светофильтра толщиной 2 мм − в 4 раза. Естественно, светофильтры можно применять лишь в том случае, если полезный сигнал достаточно велик и не возникает трудностей его регистрации.

Под действием ионизирующего излучения свинцовые стекла темнеют. Например, для стекла ТФ-5 толщиной 12,5 мм при

146

//СИГНАЛЬНЫЙ ЭКЗЕМПЛЯР//

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИССЛЕДОВАНИЯ И АТТЕСТАЦИИ БЕТА-ИСТОЧНИКОВ ДЛЯ МЕДИЦИНЫ

облучении его в дозе 2000 rad (Со60) интегральное пропускание ухудшается на 10%, при толщине 2 мм ‒ на 3%. Со временем прозрачность стекол восстанавливается, причем скорость восстановления на свету в 3-5 раз выше, чем в темноте. При /больших дозах, например 5X105 rad, пропускание для длины волны 4100 А падает до 0,6% и за 30 дней восстанавливается до 80% (рис. 5).)

Из сказанного следует, что предпочтительнее использовать стекло марки ТФ-5.

Рис.1. Ослабление рентгеновского излучения в стеклах ТФ-1 и ТФ-5

147

Л.В. Тимофеев

Рис. 4. Спектры свечения стекол ТФ-1 и ТФ-5

Рис.2 Спектры пропускания

1 – стекла ТФ-1 кресты – экспериментальный данные для стекла ТФ-5; 2 – светофильтра ФС-7 толщиной 0,3 мм; 3 – светофильтра

ФС-7 толщиной 2мм

Рис.5. Восстановление пропускания света стеклом ТФ-5 после облучения (хранение на свету)

а - сразу после облучения; б - через 2 дня; в - через 3 дня; г - через 4 дня; д - через 5 дней; е - через 7 дней; ж - через 9 дней; з - через 11 дней; и - через 30 дней после облучения

148

//СИГНАЛЬНЫЙ ЭКЗЕМПЛЯР//

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИССЛЕДОВАНИЯ И АТТЕСТАЦИИ БЕТА-ИСТОЧНИКОВ ДЛЯ МЕДИЦИНЫ

Рассмотримвкачествепримерасцинтилляционныйдетектор диаметром 3 мм я толщиной 1 мм, сочлененный со светопроводом из плексигласа длиной 12 мм (достаточной, чтобы поглотить β-излучение практически всех широко используемых радиоактивных изотопов) и фотоэлектронным умножителем ФЭУ-35, диаметр фотокатода которого составляет приблизительно 30 мм. При измерении этим дозиметром дозного поля рентгеновского излучения с эффективной энергией 20 kev отношение сигнала от сцинтиллятора к току, обусловленному взаимодействием излучения с материалами ФЭУ, равно приблизительно единице. Если между светопроводом и фотокатодом поместить свинцовое стекло ТФ-5 толщиной 10 мм (для 20 kev достаточно и 1 мм) «эффект фотокатода» становится практически равным нулю, свечение свинцового стекла составляет 0,1%, а светопровода ‒ 0,3% полезного сигнала.

Таким образом, применение свинцового стекла между сцинтиллятором и фотокатодом обладает рядом преимуществ: 1) позволяет уменьшить эффект фотокатода на 2‒3 порядка при ослаблении полезного сигнала на 10‒30%; 2) дает возможность конструировать малогабаритные датчики, ибо толщина свинцового стекла составляет всего несколько миллиметров; 3) устраняет возникновение различных вторичных эффектов в ФЭУ под действием излучения (ускорение старения и т.д.).

5.4.2.Комбинированный способ снижения шумового сигнала ФЭУ

С целью повышения избирательности измерительного устройства предложен комбинированный способ снижения (подавления) шумового сигнала фото умножителя от радиации

Для уменьшения воздействия радиации на конструкционные элементы­ ФЭУ между детектором и окном фото умножителя помещается фильтр из СС. Т.к. для большинства ФЭУ максимум «чувствительности» их материалов (стекло, первые диноды)соот-

149