Глава 6

СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ МЕТОД ДОЗИМЕТРИИ ФОТОННОГО

ИЗЛУЧЕНИЯ

§ 37. Принцип метода

Принципиальная схема сцинтилляционного дозиметра пока­зана на рис. 36. Излучение, взаимодействуя с веществом сцин­тиллятора, образует в нем электроны, которые, поглощаясь в сцинтилляторе, создают вспышки света. Свет через световод на­правляется на фотокатод фотоэлектронного умножителя (ФЭУ). Из фотокатода выбиваются фотоэлектроны, и усиленный элек­тронный ток попадает на анод. Каждому электрону, поглощен­ному в сцинтилляторе, соответствует импульс тока в анодной цепи ФЭУ, следовательно, измерению может подлежать как среднее значение анодного тока, так и число импульсов тока в единицу времени. В соответствии с этим различают токовый и счетчиковый режимы сцинтилляционного дозиметра.

Для целей дозиметрии необходимо установить связь между анодным током /ф (токовый режим) или скоростью счета п_сч (счетчиковый режим) и мощностью дозы в образцовом веществе Р_о٠ Существует определенная аналогия между сцинтилляци­онным и ионизационным методами дозиметрии: в обоих случаях можно различать токовый и счетчиковый режимы. Как и в иони- 126

Рис. 36. Принципиальная схема сцинтилляционного дозиметра:

сцинтиллятор; 2 — светопровод; ة - фотокатод; ي — ДИНОДЫ; 5-анод ФЭУ; 5 - делитель

напряжения

зационном дозиметре, ток в сцинтилляционном дозиметре COOT- ветствует поглощенной энергии излучения, а скорость счета — плотности потока фотонов.

$ 38. ДОЗИМЕТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СЦИНТИЛЛЯТОРОВ

Различный механизм высвечивания органических и неоргани- ческих сцинтилляторов определяет различие их основных харак- теристик: конверсионной эффективности, зависимости конверси- онной эффективности от энергии заряженных . частиц, спектр аль- ного состава и длительности сцинтилляций; для дозиметрии так- же важен эффективный атомный номер вещества сцинтилля- тора.

Конверсионная эффективность определяет ту часть потерян- ной в сцинтилляторе заряженной частицей энергии, которая пре- образуется в энергию световых фотонов. Если в сцинтилляторе в единицу времени поглощается энергия электронов дЕе и ИС- пускаются фотоны с общей энергией Еф, то конверсионная эф- фективность

П=£ф/Д£_е. (38.1)

В каждой сцинтилляции возникают фотоны, обладающие раз- личной энергией. Оптический спектр сцинтилляций практически не зависи-т от энергии заряженной частицы и определяется со- ставом вещества сцинтиллятора.

Если F(y)dv — число фотонов в спектре сцинтилляций, обла- дающих частотой от V до v+٥v, то средняя энергия фотонов, первоначально возникающих в сцинтилляционном процессе:

(Av) ф = ل hvF (v) dvل ا F (v)dv٠

где h — постоянная Планка.

Среднее число фотонов, возникающих в единицу времени при поглощении в сцинтилляторе энергии ЛЕ_е:

Пф=Еф/ (Av) ф=п д Ее/ (Av) ф. (38.2)

Рис. 37٠ Влияние типа заряженных частиц на конверсионную эффективность ،٩ сцинтиллятора из антрацена

Электроны٠ протоны? дейтроны

71, %

кт

80

во

⁴⁰а 5 10 15 ٢,МэВ

Рис. 38. То же, что на рис. 37, но сцинтиллятор ’из Na I (Tl)

ническими. Однако в дозиметрии важную роль играет эффектив- ный атомный номер вещества сцинтиллятора, и с точки зрения воздухоэквивалентности преимущества остаются за органически- ми сцинтилляторами.

٠ 3,. ТОКОВЫЙ РЕЖИМ сцинтилляционного .ДОЗИМЕТРА

На анод ФЭУ в единицу времени попадает tifygM электронов,' где ج-число фотоэлектронов на один испущенный световой фотон, а Л£ —коэффициент усиления ФЭУ. Эти Э'лектроны и оп- ределяют средний 'ТОК в анодной цепи умножителя. Использовав формулу (38.2)., получим для анодного тока

i$=eT\kEegM/\ (ftv) ф, (39.1)

где ج —заряд электрона.

Найдем поглощенную в единицу времени энергию ЛЕе в сцинтилляторе' объемом V, облучаемом в поле фотонного излу- чения. Примем, что 'Сцинтиллятор имеет цилиндрическую форму высотой Л и площадью торца 5. При распространении излучения нормально к плоскости торца

ش£،>== s ٢l٧٠exp(— p٠z*)ا]آ: عده—exp( —39.2) ,ل(م،ا)

9-6408

129

<⁵■³⁹) 'جآ٢٠

где а — постоянный коэффициент, не зависящий от энергии па- дающих фотонов.

Для Достаточно тонкого сцин'тиллятора, когда Hzkl, эзч полностью определяется отношением коэффициентов передачи энергии; ЭЗЧ будет отсутствовать, если сцинтиллятор воздухо- эквивалентен по эффективному атомному номеру. Для воздухо- эквивалентных сцинтилляторов, размеры которых не позволяют пренебречь ослаблением первичного излучения, эзч определяет- ся множителем [1—exp (—pzh)]/(pzh), монотонно убывающим от единицы до нуля с увеличением р,_zh от нуля до бесконечно- сти. С ростом энергии фотонов коэффициент ослабления Pz уменьшается, поэтому множитель в целом увеличивается и, еле- довательно, чувствительность дозиметра повышается.

До сих пор мы предполагали, что конверсионная эффектив- ность не зависит от энергии излучения. Для органических сцин- тилляторов это справедливо, если электроны имеют энергию сот- ни килоэлектрон-вольт, при более низких энергиях возможно уменьшение конверсионной эффективности. Таким образом, кон­

* Далее энергетическую зависимость сокращенно эзч.

чувствительности

будем именовать

130

(39.6)

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) вместо коэффициента ослабления подставить коэффициент передачи энергии. Тогда

،Ф

где Н_т—толщина сцинтиллятора в массовых единицах.

Численные оценки показывают, что влияние многократно- ،٠ го рассеяния фотонов на чувствительность сцинтилляционных 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-

условиях 7,1 ٠ 10^1٠ эВ/см³, а заряд электрона равен Кл. Заменив в формуле (39.4) конверсионную эффек-

по формуле (38.3), получим

мальных

¹⁹”٠10 1,6

тивность

р٠₂Л

(39.7)

где ،ф — анодный ток ФЭУ, А; V — объем сцинтиллятора, см³; ١٢—средний расход энергии на образование сцинтилляционного фотона, эВ; Р_х — мощность экспозиционной дозы, Р/с.

Минимальное измеряемое значение анодного тока определяет­ся 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 фото­катода, квантовая эффективность которого 10 %. При этих усло­виях на каждые 40 фотонов, образованных в сцинтилляторе, бу­дет испущен один фотоэлектрон и £=1/40.

Оценим чувствительность воздухоэквивалентного сцинтилля­тора массой 1 г и плотностью 1 г/см³ при условии р٠<1. Ко­эффициент усиления ФЭУ примем А1=10⁶, что в действительно­сти характерно для многих умножителей. Значение ١٢ лежит в пределах 15—70 эВ. Примем ١٢=50 эВ.

Так как, по предположению, сцинтиллятор воздухоэквива­лентный, отношение цдг/р*в равно отношению плотностей. Объ­

132

дели измерения в сторону больших значений если уменьшить эффективность сцинтиллятора усиления ФЭУ.

٠ < счетчиковый РЕЖИМ сцинтилляционного ДОЗИМЕТРА

Пусть Леч — число импульсов в единицу .времени, регистриру- емое на выходе фотоумножителя. Каждая сцинтилляционная вспышка вызывает один импульс тока в анодной цепи ФЭУ. Ес- ли размеры сцинтиллятора, больше пробега электронов, то прак- тически каждый электрон, созданный первичным излучением в сцинтилляторе,, создает вспышку, которая вызывает электриче- ский 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 Кри- ста'лла получаем число электронов, высвобождаемых в единицу времени:

الآ=ئ١ل—ехр(—М)]. (40.1)

где Еу — средняя энергия фотонов в спектре первичного излуче- НИЯ. Используя соотношение между интенсивностью излучения и мощностью дозы (39.3) и полагая, что скорость счета импуль- са равна скорости высвобождения электронов в сцинтилляторе, получаем

ع __ ДП-ехрН^Л (40 2)

0م Ет ь

Формула (40.2) определяет чувствительность и эзч сцинтил- ляционного дозиметра в счетчиковом режиме, кривая зависимо- сти чувствительности от энергии фотонов, определяемая уравне­

133

Псч у у-г

р٠ "Ё٦٧٠ктв

где تجآ — объем сцинтиллятора. Для газоразрядного счетчика име- ем (см. § 27)

(40.3)

Л'ы/Ро—«٠؟ч8сч/(٤٦>ЦАтв), (40.4)

где Зсч — площадь поверхности газоразрядного счетчика; е_сч — эффективность регистрации фотонов.

Из соотношений (40.3) и (40.4) получим отношение чувстви- тельности сцинтилляционного счетчика к газоразрядному:

а V ь

4هو ^есч

(40.5)

Площадь боковой поверхности цилиндрического газоразрядного счетчика связана с его объемом 04تجآ соотношением

5_сч=4Усч/٠с_Ч, (40.6)

где ٥сч — диаметр газоразрядного счетчика. Приняв равными объемы газоразрядного и сцинтилляционного счетчиков, получим

(40.7) آآ٠ه

Для сцинтиллятора N1 (Т1) при энергии ?-квантов 1 МэВ, ،?сч=1 СМ, 8сч=1 расчет дает 6=5,5. Это свидетельствует о том, что чувствительность по МОЩНОСТИ дозы сцинтилляционного счетчика в несколько раз превосходит чувствительность газораз- рядного счетчика. Однако значительная энергетическая зависи- мость чувствительности сцинтилляционных счетчиков требует особой предосторожности при их использовании в дозиметрии.