4

3. Фотографическая дозиметрия

Фотографический метод дозиметрии ионизирующих излучений достаточно распространенный метод индивидуальной дозиметрии и метод измерения пространственных дозных распределений в различных средах (объектах).

Фотографическая пленка (дозиметрическая) состоит из тонкой полистироловой подложки, покрытой с одной или с двух сторон эмульсией с внедренными в неё микрокристаллами (зернами) галогенидов серебра (бромистого, йодистого или хлористого серебра); размер зерен – кристаллитов AgBr, AgСl – 0,3 ÷ 2 мкм. Фиксирующее вещество эмульсии фотопленки состоит из твердого коллоидного раствора желатина в воде.

При прохождении заряженных частиц через фотографическую эмульсию ионизационные потери энергии вдоль трека могут создавать “скрытое изображение”, обусловленное активацией зерен – кристаллитов галогенидов. При поглощении энергии ионизирующего излучения в эмульсионном слое с диспергированными кристаллитами электроны могут быть освобождены из атомов и захвачены атомами серебра (излучение конвертирует ионы Ag+ в атомы Ag – в скрытое (латентное) изображение). Совокупность треков формирует почернение эмульсии, которое проявляется при последующей химической обработке. Атомы серебра создают области затемнения на пленке; степень этого почернения соответствует дозе облучения.

Чтобы зерно фотоэмульсии обладало способностью к проявлению, необходимо определенное число взаимодействий с ним ионизирующих частиц. Для каждого типа частиц существует некоторая минимальная величина энергетических потерь, при которой частица регистрируется эмульсией (часть потерянной в зерне энергии идет на образование скрытого изображения). Число проявленных зерен зависит от типа частицы, удельной потери энергии и способа проявления эмульсии. Почернение фотопленки при равной интегральной дозе зависит от энергии ионизирующих частиц.

Фотографическая эмульсия может экспонироваться в течение продолжительного времени, т.е. система представляет интегральный детектор. Почернение пленки приблизительно пропорционально произведению интенсивности падающего на пленку иони-

441

зирующего излучения на продолжительность облучения (экспозиция).

Химическая процедура проявления инициирует в активированном кристаллите процесс практически полного восстановления атомов Ag:

AgBr + [H] → Ag + HBr.

Химическая реакция закрепления обеспечивает вывод из эмульсии неактивированных атомов серебра:

AgBr+2Na2A2O3 → Na3Ag(A2O3)2 + NaBr.

Процесс измерения уровня оптической плотности почернения S пленки после облучения заключается в определении значений I и I0

– интенсивностей света (в частности, определенной длины волны), прошедшего через облученную пленку и без пленки соответственно:

где a – средняя площадь экспонированного зерна и n – их число на единице поверхности пленки; далее определяется величина, которая называется оптической плотностью и является мерой поглощенной в пленке дозы:

С учетом (13.70) и (13.71) соотношение для оптической плотности S выражается следующим образом:

Если флюенс Φ заряженных частиц в эмульсии считать равномерным по толщине пленки, то в этом случае отношение числа экспонированных зерен n к полному числу зерен N в необлученной пленке

и оптическая плотность на основании соотношений (13.72) и (13.73) может быть определена следующим соотношением:

Флюенс Φ заряженных частиц пропорционален дозе облучения. Диапазон измеряемых величин S составляет 0,1 ÷ 4. На рис.

13.18 показаны типичные представления зависимостей оптической плотности от величины дозы (сенситометрические кривые):

442

Для измерения оптической плотности почернения облученных пленок используются фотометры: интенсивность светового пучка, прошедшего через пленку, измеряется фотоэлементом или фотодиодом.

В общем, зависимость формы кривой оптической плотности от значений дозы определяется средними размерами микрокристаллов галогенидов серебра, их распределением по размерам, собственной чувствительностью зерен и характеристик ионизирующего излучения.

Существует ряд полуэмпирических моделей, в некоторой степени отражающих связь между оптической плотностью и дозой.

Предполагается, что распределение числа экспонированных излучением зерен на единицу поверхности пленки соответствует пуассоновскому распределению (малая вероятность взаимодействия частицы с зерном, большое количество зерен) и определяется образованием К экспонированных зерен, испытавших по меньшей мере n воздействий ионизирующих частиц:

где N – полное число зерен на единицу поверхности эмульсии,

m – среднее число частиц, провзаимодействующих с зернами на единице поверхности пленки;

a – эффективная площадь зерна;

ε – коэффициент, определяющий вероятность в результате столкновения частицы с зерном инициировать скрытое изображение. Уравнение (13.76) может быть преобразовано к виду:

Очевидно, что среднее число столкновений пропорционально дозе: m ~ D и k·D= ε а m, где k- коэффициент, определяемый в процессе измерений. Оптическая плотность почернения

S = 0, 4343 а K

(13.78)

Максимально возможная плотность почернения

Smax = 0, 4343 а N ; (13.79)

предполагая, что все зерна имеют одинаковую чувствительность

Соотношение (13.80) определяет зависимость оптической плотности от дозы при различном числе активирующих столкновений j ионизирующих частиц с зерном эмульсии. Если n = 1, то при однократном столкновении

При малых дозах к·D ‹‹ 1 уравнение (13.81) в приближении линейного разложения экспоненты

гдеa = k S1max , т. е. зависимость является линейной; аналогичное приближение для уравнения (13.82):

гдеb = k 2 Smax / 2 и зависимость является квадратичной.

При совместном учете однократных и двойных столкновений имеет место соотношение смешанного типа:

ся на основании соответствующей обработки измеренных сенситометрических зависимостей. На рис. 13.19 показаны зависимости оптической плотности от дозы для двух различных типов дозиметрических пленок.

445

Различные типы пленок обеспечивают диапазон измерения доз

0,25 ÷ 400 сГр.

Основные положительные качества фотодозиметров: возможность измерений пространственных распределений доз (например, в 2D геометрии);

применение детекторов малых размеров; повторное считывание информации; большие площади измеряемых дозных полей;

линейность по дозе в определенном диапазоне облучения; К проблемным вопросам относятся следующие:

зависимость результатов измерений от процесса химической обработки (температура, время обработки, чистота растворов); требуется тщательный контроль процесса химической обработки облученных пленок для корректного воспроизведения результатов измерений;

446

существенная энергетическая зависимость чувствительности для фотонного излучения, особенно в низкоэнергетическом диапазоне (< 100 кэВ); возможная неоднозначность зависимости оптической плотности

от значений доз (эффект соляризации при больших дозах); уменьшение части активированных зерен за период времени до химической обработки.

Особый класс пленочных дозиметров составляют радиохромные пленки, которые имеют следующую конструкцию: между двумя полистироловыми пленками находится эмульсия, содержащая синтетический краситель. При облучении этой структуры ионизирующим излучением, обусловливающим определенное значение поглощенной энергии в детекторе, синтетический краситель полимеризуется и меняет окраску; количество полимеризованных молекул красителя определяет оптическую плотность окраски, которая пропорциональна поглощенной энергии. Для реализации процесса полимеризации требуются достаточно большие значения доз; дозиметры данного типа используются в основном в технологической дозиметрии и в медицинских исследованиях (лучевая терапия, где

диапазон измеряемых доз может составлять ~ 1 ÷ 100 Гр). Толщина пленки ~ 200 мкм, эмульсии – 10 ÷ 40 мкм. Измерения степени

изменения плотности цвета осуществляется с помощью спектрофотометра. На рис. 13.20 показана типичная зависимость оптической плотности радиохромнойпленки от дозыфотонного излучения.

447

Основные преимущества использования радиохромных пленок при решении дозиметрических задач следующие:

отсутствует процесс химической обработки после облучения, что обеспечивает фиксацию облученных структур и высокое пространственное разрешение при 2D-измерениях дозовых распределений; эффективный атомный номер близок к тканеэквивалентному

веществу для энергий фотонов более 100 кэВ; отсутствует чувствительность к видимому свету.

К недостаткам дозиметров относятся следующие факторы: чувствительность может изменяться в различных точках объёма детектора; существует зависимость от температуры во время и после облучения;

воздействие влажности и высоких температур.

Тонкие пленочные дозиметры могут обладать свойствами потоковых детекторов, т.е. оптическая плотность почернения будет соответствовать дозе облучения при любой ориентации пленки относительно углов падения на неё ионизирующих частиц; в частности,

448

это имеет место для полей быстрых электронов. На рис. 13.21 показана геометрия облучения параллельным пучком электронов с энергией Т0 и значением флюенса Φ(Т0), падающих на плоскость пленки под углом θ; толщина пленки d и площадь поверхности a.

Φ(T0), частицы

θ

d

l

Рис. 13.21. Геометрия облучения тонкой фотопленки

Поток частиц, пересекающих тонкую пленку практически без существенного рассеяния и потерь энергии ( Е << T0 и треки в пределах детектора прямолинейны), инициирует почернение величиной S. Значение S определяется поглощенной энергией Е, которую можно оценить следующим соотношением:

значение ограниченной тормозной способности LD (T0 ) учитывает

утечку из пленки энергии вторичных дельта–электронов; параметр зависит от толщины d. Величина l есть длина пути частицы в

эмульсии:

Число частиц N, пересекающих поверхность площадью s, равно:

С учетом соотношений (13.87) и (13.88) уравнение (13.86) преобразуется к виду:

Таким образом, дозиметр обладает свойствами потокового детектора (отсутствует угловая зависимость).

При больших углах θ пробеги частиц, имеющих конечное значение, могут полностью в нем поглощаться и, кроме того, увеличивается количество отраженных электронов (альбедо); эти факторы ограничивают корректность соотношения (13.89); степень нарушения потоковых характеристик зависит от энергии частиц и толщины фотоэмульсии.

4.Химическая дозиметрия

4.1.Общее рассмотрение

Химическая дозиметрия основана на измерениях количественных химических изменений, завершающих радиационноиндуцированные реакции под действием ионизирующего излучения в газах, жидкостях и твердых телах. Основным компонентом наиболее распространенных химических дозиметров является вода.

При поглощении энергии ионизирующего излучения в веществе проходят процессы, которые условно делят на три стадии: физическую, физико-химическую и химическую. Физическая стадия включает процессы передачи и поглощения энергии ионизирующего излучения (возбуждение и ионизация атомов вещества, образование ионов и возбужденных атомов); на физико ̵химической стадии происходят процессы перераспределения поглощенной энергии, протекают реакции заряженных и возбужденных частиц; на последнем этапе продукты радиолиза инициируют реакции ионов, электронов, свободных радикалов, а также их реакции с молекулами воды (радиолиз воды).

Жидкостные химические дозиметры обычно состоят из раствора, в котором в основном поглощается энергия ионизирующего излучения, и растворенного в нём малого количества химического компонента, который реагирует с радиационно – стимулированными образованиями, в результате чего формируются наблюдаемые далее химические изменения. В воде образуются стабильные радикалы H+, OH–, H2O, H2, O2, H2O2 и короткоживущие радикалы H•, HO•, H2O• (радиолиз воды); свободные радикалы, обладая высокой

450