ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 19.02.2019
Просмотров: 5809
Скачиваний: 1
171
естественно, чтобы полуширина пиков амплитудного распределения
сигналов на выходе детектора, обусловленных воздействием
моноэнергетического излучения, была минимальной, т. е. детекторы
обладали хорошим амплитудным разрешением.
Спектрометр
с
линейным
энергетическо–амплитудным
преобразованием в простейшем случае, следовательно, должен
содержать пропорциональный детектор и амплитудный анализатор, в
состав которого входят устройство, сортирующее сигналы с
детектора по каналам в зависимости от значения их амплитуд, и
устройство, измеряющее число сигналов в каждом канале (или их
относительную долю) и представляющее данные о полученном
амплитудном
распределении
(рисунок
12.2).
Подобные
спектрометры получили наибольшее распространение.
Для полного поглощения энергии частиц и квантов в
чувствительном объеме детектора детектирующие устройства
должны обладать определенными параметрами. Различие во
взаимодействии с веществом заряженных частиц, нейтронов и
квантов электромагнитного излучения приводит к различию в этих
параметрах, а также в структурных схемах модификации
спектрометров.
Дискретный про-
порциональный
детектор
Амплитудный анализатор
Сортирующее
устройство,
АЦП
Измерительное
устройство
f(A)
φ(A)
f(E)
Рисунок 12.2 – Структурная схема спектрометра с линейным
энергетическо–амплитудным преобразованием
Непосредственно ионизирующее излучение–заряженные частицы
(электроны, протоны, более тяжелые ионы), двигаясь в веществе,
постепенно тратят свою энергию на ионизацию и возбуждение
атомов, расположенных вдоль траектории частиц. При полном
пробеге частиц в детектирующем элементе суммарная потеря
энергии на ионизацию и возбуждение атомов равна первоначальной
кинетической энергии частицы. Таким образом, для линейного
энергетически–амплитудного преобразование должны быть выбраны
детекторы с такой толщиной и плотностью чувствительного объема,
172
которые обеспечивают полное торможение измеряемых частиц.
Наибольшие значения энергий заряженных частиц, для которых этот
метод приемлем, определяются разумными размерами детекторов и
составляют несколько мегаэлектронвольт; минимальные значения
определяются соизмеримостью потерь энергии во входном окне или
защитном слое детектора с начальной энергией частиц Е.
В спектрометрах косвенно ионизирующего излучения –
электромагнитного излучения и нейтронов, построенных по
рассматриваемому методу, необходимо обеспечить полную передачу
энергии от нейтронов или квантов, образуемым вторичным
частицам, и затем полное поглощение энергии этих частиц в
чувствительном объеме детектора. Кванты электромагнитного
излучения теряют свою энергию не постепенно, как заряженные
частицы, а в одиночных актах взаимодействия в результате
независимых
элементарных
процессов
(фотопоглощения,
комптоновского рассеяния, образования пар и др.). Только при
фотопоглощении практически вся энергия γ-кванта передается
одному из атомных электронов вещества детектора. При комптон–
эффекте моноэнергетическими γ-квантами образуются электроны с
непрерывным распределением энергии от нуля до
2
2
max
2
2
c
m
E
E
E
e
,
а часть энергии E
γ
уносится рассеянными квантами. Наконец, при
регистрации γ-квантов с E
γ
> 1,022 МэВ возможно образование пары
электрон–позитрон, суммарная энергия которых отличается от
значения E
γ
на величину 1,022 МэВ.
Таким образом, при соизмеримых вероятностях всех указанных
процессов передача энергии от γ-кванта заряженным частицам не
однозначна. Распределение энергии этих частиц содержит фотопик
(Е
е
E
γ
), протяженное комптоновское распределение и парный пик.
При аннигиляции позитрона с атомным электроном вещества
детектора возникают два γ-кванта, каждый с энергией 0,511 МэВ.
Если один из этих квантов поглощается в детектирующем элементе,
возникает
полупарный пик в распределении, смещенный
относительно фотопика на 0,511 МэВ.
В тех случаях, когда преобладает вероятность фотопоглощения γ-
квантов, имеет место однозначность соответствия между энергией E
γ
и амплитудой выходного сигнала с детектора. Структурная схема
такого спектрометра γ-излучения, наиболее распространенного из
приборов этой группы, аналогична приведенной на рисунке 12.2. В
173
таких спектрометрах, называемых часто спектрометрами полного
поглощения, необходимо выбором размеров детектора, плотности
вещества, геометрией расположения препарата относительно
чувствительного объема детектора обеспечить превалирующее
фотопоглощение (или прямое, или комптоновское рассеяние с
последующим фотопоглощением рассеянного кванта). Достигнутый
эффект
численно
характеризуют
относительной
фотоэффективностью: отношением площади фотопика к суммарной
площади
энергетического
распределения,
соответствующего
моноэнергетическим γ-квантам. Величина фотоэффективности
зависит от энергии E
γ
. Практически такие спектрометры позволяют
проводить измерение энергии γ-квантов вплоть до энергии 2–3 МэВ.
Помимо спектрометров, основанных на фотопоглощении,
существуют другие гамма–спектрометры, в которых усложнением
структурной схемы обеспечивается однозначность между энергией
E
γ
и амплитудным распределением. В одном из таких устройств,
спектрометре комптоновских антисовпадений, для достижения
однозначного соответствия между энергетическим спектром γ-
квантов и распределением амплитуд сигналов исключают из
регистрации
импульсы,
обусловленные
квантами,
которые
претерпели комптоновское рассеяние и покидают чувствительный
объем детектора. Для этого в спектрометр помимо основного вводят
дополнительный детектор, окружающий по возможности более
полно основной детектор. Сигналы с обоих детекторов поступают на
устройство временного отбора, пропускающее для последующего
анализа только те импульсы с основного детектора, которые не
сопровождаются
срабатыванием
дополнительного
детектора,
регистрирующего рассеянные кванты.
174
13 Методы дозиметрии
13.1
Термолюминесцентные дозиметры
13.2
Фотографический метод дозиметрии
13.1 Термолюминесцентные дозиметры
В дозиметрии ионизирующих излучений находят широкое
применение термолюминесцентные дозиметры (ТЛД).
Термолюминесценция основана на испускании света при
нагревании предварительно облученного неорганического кристалла,
называемого термолюминофором. При поглощении энергии
излучения как центрами люминесценции, так и основным веществом
люминофора появляются свободные электроны, захватываемые
электронными ловушками, а центры люминесценции ионизируются.
Этот процесс называется запасанием светосуммы. Освобождение
электронов из ловушек при нагревании кристалла приводит к
рекомбинации свободных электронов с дырками на центрах
люминесценции. Энергия, выделившаяся при рекомбинации,
переводит центр в возбужденное состояние, при этом возникает
термолюминесценция.
Термолюминесценткые
фосфоры
характеризуются
кривой
термического высвечивания (КТВ) с максимальным пиком при
определенной температуре и несколькими менее выраженными
пиками, устранить которые не всегда удается (рисунок 13.1).
W
t
макс
W
t
Рисунок 13.1 Кривая термического высвечивания (КТВ)
Быстрый нагрев и охлаждение при снятии КТВ могут создать
новые структурные дефекты и изменить дозиметрические свойства
175
термолюминофора, поэтому при многократном применении
кристалла
необходимо
ограничивать
скорость
изменения
температуры.
Максимум на кривой термовысвечивания (рисунок 13.1)
появляется вследствие одновременного действия двух процессов:
освобождения зарядов при нагревании и опустошения уровней
захвата, т. е. с ростом температуры количество электронов,
освобожденных с уровней захвата и переходящих в зону
проводимости, возрастает, и интенсивность люминесценции
увеличивается. Однако при термовысвечивании уровни с
электронами опустошаются, и запас электронов в ловушках
снижается, поэтому, несмотря на рост температуры, количество
электронов в зоне проводимости уменьшается, что приводит к
уменьшению интенсивности люминесценции.
Мерой поглощенной дозы D ионизирующего излучения может
служить как плотность потока энергии термолюминесценции,
пропорциональная площади термопика – интегральный метод, так и
амплитуда наибольшего термопика – пиковый метод.
Интегральный метод в индивидуальной дозиметрии используется
при незначительном спаде показаний во времени (фединг), этому
требованию удовлетворяют фосфоры с t
макс
= 200°С, и при
отсутствии малых пиков на КТВ. Погрешность метода составляет 5
% в широком диапазоне измерения доз излучения.
Пиковый метод проще интегрального. Он не зависит ни от
времени, прошедшего от момента облучения до измерения, ни от
затухания
низкотемпературных
пиков.
Этот
метод имеет
преимущество при измерении малых доз излучения. Погрешность
метода 8%.
Если энергетический выход термолюминесценции η определяется
соотношением:
η= Е
ф
/Е
п
=Е
ф
/M
D,
(13.1)
где
Е
ф
–энергия,
высвечиваемая
фосфором;
Е
п
–энергия,
поглощенная фосфором; М–масса фосфора; D–поглощенная доза
фосфором, то дозовая характеристика имеет вид:
φ
W
=aφ
W
η
D
(13.2)
или
S
c
=a
s
η
D
(13.3)
где a
s
и a
φW
,–постоянные коэффициенты; φ
W
–максимальная
интенсивность термопика; S
c
–интегральная светосумма свечения.