Иванов В.И (1)

версионная эффективность и множитель, учитывающий ослабле­ ние излучения, изменяются в одну и ту же сторону с увеличени­ ем энергии фотонов, что еще больше увеличивает ЭЗЧ. Умень­ шить ЭЗЧ в этих условиях можно выбором такого эффективно­ го атомного номера сцинтиллятора, при котором отношение ،xfemz/UftmB изменялось бы с изменением энергии излучения в дру­

гую сторону. Ранее было показано (§ 19), что для веществ, эф­ фективный атомный номер которых больше, чем у воздуха, отно­ шение nkmz/nkme уменьшается с повышением энергии фотонов в области преобладания фотоэффекта.

Атомный номер обычных органических сцинтилляторов мень­ ше, чем воздуха. Отсюда следует, что органические сцинтиллято­ ры сами по себе обладают ЭЗЧ вследствие ослабления излуче­ ния в сцинтилляторе, изменения конверсионной эффективности и невоздухоэквивалентности по атомному номеру. Все три при­ чины увеличивают ЭЗЧ и не могут компенсировать друг друга.

Изменение чувствительности дозиметра с органическим сцинтил­ лятором при уменьшении энергии фотонов ниже 200 кэВ мо­ жет достигать десятков процентов. Конверсионную эффектив­

ность для неорганических сцинтилляторов можно считать посто­

янной во всем энергетическом диапазоне фотонного излучения

(до 3 МэВ). ЭЗЧ для них в соответствии с формулой (39.5) оп­ ределяется только двумя причинами: эффективным атомным но­

мером и ослаблением излучения. Эффективный атомный номер неорганических сцинтилляторов значительно больше, чем возду­ ха. Это приводит к тому, что отношение цьт/цитв уменьшается с ростом энергии излучения. Влияние на ЭЗЧ отношения IMmz/gÄmB частично компенсируется эффектом ослабления излу­ чения. Однако эффективный атомный номер неорганических

сцинтилляторов столь велик, что ЭЗЧ практически полностью оп­ ределяется отношением Цктг/ц^тв', изменение чувствительности дозиметра с неорганическим сцинтиллятором оказывается даже большим, чем с органическим сцинтиллятором.

Удачный способ компенсации ЭЗЧ в сцинтилляционных дози­ метрах заключается в использовании комбинированного сцинтил­ лятора, в котором применяется органический кристалл, покры­ тый тонким слоем тяжелого неорганического сцинтиллятора.

Добавочный слой тяжелого сцинтиллятора должен быть доста­ точно тонким, чтобы поглощать незначительную часть первично­ го излучения высокой энергии. По мере снижения энергии излу­ чения все большую долю в общем световыходе будет иметь не­ органическая добавка.

Рост чувствительности неорганического сцинтиллятора с по­

нижением энергии фотонов приведет к компенсации ЭЗЧ орга­ нической основы комбинированного сцинтиллятора. Таким обра-

зом, удается обеспечить практическое отсутствие ЭЗЧ вплоть до энергии в несколько десятков килоэлектрон-вольт.

При взаимодействии фотонного излучения со сцинтиллятором возможно многократное рассеяние фотонов в самом сцинтилля­ торе. Этот эффект не учтен при выводе формулы (39.5). Много­

кратное рассеяние создает добавочное поглощение энергии и не­ сколько изменяет энергетическую зависимость чувствительности дозиметра. Точный расчет многократного рассеяния чрезвычай­

но сложен и может быть произведен лишь для конкретных случа­ ев. Приближенно эффект можно учесть, если в формулу (39.5)

где Нт—толщина сцинтиллятора в массовых единицах.

дозиметров практически несущественно.

Оценим измеряемую мощность дозы в токовом режиме. Коли­ чественное соотношение между выходным током и мощностью до­ зы можно получить из формулы (39.4), если учесть, что 1 Р экс­ позиционной дозы соответствует поглощению в воздухе при нор­

фотона, эВ; Рх — мощность экспозиционной дозы, Р/с. Минимальное измеряемое значение анодного тока определяет­

ся флюктуациями темнового тока ФЭУ. Темновой ток наиболее распространенных фотоумножителей составляет 10-8—10~7 А. В благоприятных условиях можно измерить ток, составляющий одну сотую темнового, т. е. порядка 10~1٠ А. Предположим, что 25 % фотонов, возникающих в сцинтилляторе, достигают фото­ катода, квантовая эффективность которого 10 %. При этих усло­ виях на каждые 40 фотонов, образованных в сцинтилляторе, бу­ дет испущен один фотоэлектрон и £=1/40.

Оценим чувствительность воздухоэквивалентного сцинтилля­ тора массой 1 г и плотностью 1 г/см3 при условии р٠<1. Ко­ эффициент усиления ФЭУ примем А1=106, что в действительно­

сти характерно для многих умножителей. Значение ١٢ лежит в

132

ем сцинтиллятора 7=1 см3. Подставив принятые значения в формулу (39.7), получим

Отсюда при токе ٥٠ф=10-10 А измеряемая мощность дозы

Рх8-٥2,3٠10؛ Р/с. Если предположить, что в ионизационной ка­ мере можно измерить ток 10~14 А, то минимальная мощность до­ зы, измеряемой камерой объемом 1 см3 при нормальном давле­ нии, составит приблизительно 3-10-5 Р/с, т. е. в 1000 больше То­

го, что измерил бы сцинтилляционный дозиметр. Высокая чувст­ вительность— важное преимущество сцинтилляционного метода

перед ионизационным.

Верхний предел измерения сцинтилляционным дозиметром ограничен анодным током ФЭУ порядка 10_6 А. При более вы­

соком токе наблюдается «усталость» фотоумножителя. Для на­

шего примера это дает Рх=2,3٠10~4 Р/с. Можно расширить пре­

дели измерения в сторону больших значений мощности дозы,

если уменьшить эффективность сцинтиллятора и коэффициент

усиления ФЭУ.

٠<счетчиковый РЕЖИМ сцинтилляционного ДОЗИМЕТРА

Пусть Леч — число импульсов в единицу .времени, регистрируемое на выходе фотоумножителя. Каждая сцинтилляционная 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 Леч 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 Криста'лла получаем число электронов, высвобождаемых в единицу времени:

са равна скорости высвобождения электронов в сцинтилляторе,

получаем

Формула (40.2) определяет чувствительность и эзч сцинтил-

ляционного дозиметра в счетчиковом режиме, кривая зависимости чувствительности от энергии фотонов, определяемая уравне­

133

тип 1

ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ МЕТОДЫ ДОЗИМЕТРИИ

§ 41. ОПТИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ В ЛЮМИНОФОРАХ

В последние годы быстрое развитие получили методы дози­ метрии, основанные на использовании физических явлений, про­ исходящих в твердых телах под действием ионизирующих излу­ чений. Эта область в зарубежной практике стала !называться до­ зиметрией с помощью твердых тел (solid state dosimetry). Хотя имеется большое число твердых веществ, реагирующих различ­ ным образом на воздействие излучений, к указанной области до­ зиметрии обычно относят методы, основанные на явлениях ра­

диофотолюминесценции, радиотермолюминесценции и применении полупроводниковых детекторов. Сюда не относят методы, осно­ ванные на применении сцинтилляционных счетчиков.

Следуя установившейся практике, под люминесцентными ме­ тодами дозиметрии мы будем понимать методы, основанные

только на радиофотолюминесценции и радиотермолюминесценции. Сущность метода заключается в том, что образованные в лю­ минофоре под действием ионизирующего излучения носители заряда (электроны и дырки) локализуются в центрах захвата, вследствие чего происходит накопление поглощенной энергии, которая может быть затем освобождена при дополнительном воз­ буждении. Дополнительное возбуждение может быть вызвано либо освещением люминофора определенным участком спектра

света, либо нагревом. Наблюдаемые при этом оптические эффек٠ ты могут служить мерой поглощенной энергии. Примерами та­ ких эффектов могут быть собственно люминесценция, окрашива­ ние люминофора, деградация люминесценции (уменьшение лю­

минесценции, которой обладает необлученный люминофор).

Не всякая локализация носителей заряда приведет к наблю­ даемым оптическим эффектам. Они возникают тогда, когда за­

хват электронов и дырок приводит к созданию оптически актив­ ных центров (например, центров окраски). В табл. 5 систематизи­ рованы возникающие в люминофоре центры и соответствующие им оптические эффекты, которые могут быть полезны в дозимет­ рии.

Хотя явление люминесценции известно с древних времен, ме­ ханизм его был изучен лишь в XX в. Решающее значение в раз­ витии теории люминесценции имели работы советских ученых С. И. Вавилова и В. Л. Левшина.

Дозиметрические методы, основанные на явлениях люминес­ ценции, были предложены в 50-х годах. Особое внимание перво­ начально было сосредоточено на термолюминесцентном методе,

вразвитие которого существенный вклад внесли советские ученые

В.В. Антонов-Романовский, Ч. Б. Лущук, И. Б. Кеирим-Маркус.

135

Таблица 5. Оптические эффекты, возникающие в люминофорах под воздействием ионизирующих излучений

новы для развития методов дозиметрии ионизирующих излучений: радиофотолюминесценция и радиотермолюминесценция.

Материалы, представляющие интерес в качестве дозиметриче­ ских люминофоров, являются твердыми изоляторами с широким диапазоном оптической прозрачности. В качестве примера можно

указать щелочно-галогенидные соединения (МаС1, ЫР и т. п.), обладающие простым составом и кристаллической структурой. Они состоят из двух взаимопроникающих кубических решеток,

содержащих щелочные и галогенидные ионы.

136

Рис. 39. Структурные дефекты беспримесного кристалла:

а — идеальный кристалл; б — кристалл с ионными вакансиями; в — ионы в промежуточном положении: г — <ловушки> в кристалле

Идеальный кристалл состоит из чередующихся положительных щелочных и отрицательных галогенидных ионов (рис. 39,а). Ре­ альные кристаллы, однако, содержат различные структурные де­ фекты. Один из возможных дефектов щелочно-галогенидных кри­ сталлов—отсутствие положительных и отрицательных ионов (вакансий) в тех местах, где они должны были бы быть в идеаль­ ном кристалле (рис. 39,6). Эти вакансии случайным образом расположены в кристаллической решетке, ٠и в чистом кристалле чис­

ло положительных и отрицательных вакансий равно между собой.٦ Последнее вытекает из условия, что кристалл в целом является

электрически нейтральным.

Другим видом возможных дефектов является смещение поло٠ жительных или отрицательных ионов из нормального положения

в кристаллической решетке и закрепление их в необычном проме­ жуточном положении. В этом случае ион оставляет соответствую­

щую вакансию (рис. 39,в).

Наличие подобных дефектов приобретает особое значение при

действии на кристалл ионизирующего излучения. Проиллюстри­

руем это следующим примером (рис. 38,г). Вакансии галогенидного иона создают область локализованного положительного заряда, так как отрицательный ион, который нормально должен занимать место вакансии, отсутствует и окружающие положительные ще­ лочные ионы оказываются не полностью нейтрализованными. Под действием ионизирующего излучения в кристалле возникают сво٦ бодные электроны, один из которых может оказаться вблизи ва٦

137

кансии галогенидного иона. Под действием кулоновских сил этот

электрон может быть «захвачен» вакансией.

Аналогично этому галогенидный ион, смещенный со своего нор­ мального положения, создает область локализации избыточного отрицательного заряда. После того как ионизирующее излучение освобождает электрон в кристалле, образованные положительные дырки могут перемещаться в пределах кристалла. Находясь вбли­

зи промежуточно расположенного галогенидного иона, дырка мо­ жет быть притянута и удержана кулоновскими силами.

В приведенном ؛примере мы исходим из того, что дефекты в кристаллической решетке существовали до облучения кристалла, и результатом облучения явилось образование электронов и ды­

рок, которые могут быть захвачены дефектами. Однако важно за­ метить, что ионизирующее излучение само может образовывать подобные дефекты в кристалле (вакансии и смещение ионов).

Вакансию с захваченным электроном можно рассматривать как систему, обладающую разрешенными дискретными энергети­

ческими уронями, между которыми возможны переходы, соответ­ ствующие испусканию или поглощению квантов энергии. Такие системы будем ،называть центрами.

Поглощение светового фотона может перевести электрон из основного состояния на более высокий возбужденный уровень и даже вырвать его из «ловушки».

Центры, образованные в результате захвата дефектами решет­ ки электронов и дырок, влияют на оптические свойства кристал­ лов. Например, центр, состоящий из электрона, захваченного га- логенидно-ионной вакансией, способен поглощать часть спектра видимого света и тем самым изменять цвет кристалла. Такие цент­ ры часто называют /7-центрами — центрами окраски.

Специфические центры с захваченными дырками — так называ­ емые Я-центры— образуются в результате облучения щелочногалогенидных кристаллов при очень низких температурах. Полоса

поглощения Я-центра находится вблизи ультрафиолетовой об­

ласти.

Переход центра из возбужденного состояния в основное может происходить без излучения ,(безрадиационный переход), с испуска­ нием света (люминесценция) или путем комбинации этих двух процессов. Так, если стабильные /7-центры создаются ионизирую­ щим излучением, то они могут проявлять себя как центры люми­

несценции при возбуждении светом определенной частоты. Это явление и называется радиофотолюминесценцией. Таким образом,

радиофотолюминесценция происходит тогда, когда под действием ионизирующего излучения в кристалле создаются новые центры фотолюминесценции.

Спектр поглощения и испускания /7-центра иллюстрируется рис. 40. Спектр люминесценции, возникающей при возвращении /7-центра из возбужденного состояния в нормальное, показан штриховой линией. Заштрихованная область соответствует спект­ ру поглощения необлученного кристалла.

138

нем С. Ионизирующее излучение переводит электрон из валент­ ной заполненной зоны А в зону проводимости В. Затем электрон

захватывается ловушкой и переходит на уровень С. После захва­

та электрона ловушка превращается -в /,-центр с несколькими дискретными разрешенными уровнями энергии. При последующем возбуждении видимым светом электрон может занять один из верхних уровней /-центра (1—1', 2—2'). Обратный переход на основной уровень С (3—3') сопровождается люминесценцией.

Рассмотренный механизм радиофотолюминесценции в чистом

щелочно-галогенидном кристалле поясняет принцип работы ра­ диофотолюминесцентных дозиметров (ФЛД): при поглощении ионизирующего излучения образуются /-центры; концентрацию

центров, пропорциональную дозе, можно определить измерением

либо поглощения света, либо люминесценции.

На практике, однако, создание дозиметра на основе чистого кристалла, в котором центры люминесценции создавались бы за счет собственных дефектов, оказывается невозможным. Ни эффек­

тивность, ни воспроизводимость /-центров в чистом кристалле не соответствует дозиметрическим требованиям; кроме того, /-цент­

ры эффективны при очень низких температурах и люминесценция не может быть обнаружена при нормальной температуре; если производить измерение по поглощению света, то в самом акте измерения /-центры фактически разрушаются.

Таким образом, чистые щелочно-галогенидные соединения не годятся для применения в качестве дозиметрических систем. По­ ложение, однако, меняется, если щелочно-галогенидные соедине­

ния содержат определенные химические добавки в виде твердого

139

раствора. Ионы серебра Ag+, например, существенно .улучшают

люминесцентные свойства кристаллов.

До облучения кристалл, активированный серебром, прозрачен

для^ ультрафиолетового света. Следовательно, при освещении светом со спектром, близким к ультрафиолетовой области, не может возникнуть и люминесцентное возбуждение. После воздействия ионизирующим излучением возникают полосы поглощения вблизи ультрафиолетовой области, обусловленные образованными в ре-

зультате облучения центрами, содержащими атомы и ионы серебра. Последующее облучение ультрафиолетовым светом приводит к тому, что некоторые из этих центров вызывают видимую ЛЮминесценцию. Например, в кристалле NaCl с примесью ионов серебра возникают полосы поглощения с максимумом при 250, 280, 310, 340 и 440 нм. Последний 'ПИК соответствует центру, не даю-

щему люминесценции. Остальные обусловлены центрами, испускающими люминесцентное свечение с максимумом соответственно при 275, 435, 556 и (567 нм.

Помимо щелочно-галогенидных кристаллов радиофотолюминесцентными свойствами обладают активированные серебром фосфатные стекла, применяющиеся для целей дозиметрии. Природа центров и процессы, приводящие к люминесценции в стеклах, полностью еще не изучены.

-Дозиметрические стекла специфически реагируют на кратковременное воздействие ионизирующим излучением: сразу после облучения увеличивается интенсивность -радиофотолюминесцен- ции (эффект накопления), а затем наблюдается ее затухание. Кинетика процесса зависит от температуры, основного состава стекла и концентрации серебра в стекле. 'Типичные кривые показаны на'рис. 42. По О'СИ абсцисс отложено время, прошедшее после

кратковременного облучения ионизирующим излучением; по оси ординат — интенсивность люминесценции. Параметром служит температура, при которой хранится стекло от момента облучения до момента измерения люминесценции, причем интенсивность ЛЮ-

минесценции измеряют П'РИ комнатной температуре. Чем выше температура и выше концентрация серебра, тем быстрее наступает максимум ؛свечения 'После прекращения облучения.

Один из возможных вариантов объяснения этих кривых осно­

ван на следующих рассуждениях.

В необлученном стекле, активированном серебром, примесь серебра образует центры Р со своими локальными энергетически­

ми уровнями. Возможно также существование других локальных уровней /7, которые неэффективны в отношении создания люми­ несценции (рис. 43).

Ионизирующее излучение переводит электроны в зону прово­ димости (переход ،7). Часть этих электронов непосредственно за­ хватывается положительно заряженными атомами серебра или целыми агрегатами (переход г). Это приводит к созданию новых

центров ٠.

Часть электронов, попавших в зону проводимости, сначала за-

140