4 курс / Лучевая диагностика / Физичеческие,_технич_и_некоторые_радиобиологические_и_мед_аспекты

бует специального рассмотрения вопроса о возможных путях улучшения их порога чувствительности. Такие сцинтилляторы слабо поглощают гаммаили рентгеновскоеизлучениесэнергиямиЕ>20кэВ,иврезультатепрямоеилирассеянное излучение может взаимодействовать не только со сцинтиллятором, но

ис фотокатодом, веществом колбы и эмиттерами ФЭУ. При пользовании компактных датчиков, позволяющим измерять дозные поля бета и рентгеновского излучения,длинасветопроводаизполиметилметакрилата(плексиглас)должна быть порядка 10-15 мм, что обеспечивает практически полное поглощение бе- та-излучения всех радиоизотопов. При измерениях же рентгеновского излучения с эффективной энергией 20 кэВ тканеэквивалентным сцинтиллятором в виде диска диаметром 3 и толщиной 1 мм, сочлененным через плексигласовый светопровод длиной 10 мм с ФЭУ-35, работающим в токовом режиме, отношение сигнала от сцинтиллятора к току, обусловленному непосредственным взаимодействием излучения с ФЭУ, равно единице.

Существует несколько способов обеспечения предельно низкого уровня радиации в области расположения ФЭУ [Л. 2]. Однако общей чертой этих, способов является то, что они совершенно не касаются каких-бы то ни было конструктивных изменений самих ФЭУ, а вносят дополнительные элементы в датчики, например длинные светопроводы, что значительно увеличивает размеры детектора и не всегда приемлемо.

Врядеработ[Л.3,4]предлагалосьиспользоватьфотоэлектронныеумножители для непосредственной регистрации рентгеновского и гаммаизлучений. В этом случае необходимо знать, например, такие характеристики, как зависимость анодного тока ФЭУ от мощности дозы, хода с жесткостью, чувствительности и т. д.

Имеющиеся в литературе данные по воздействию рентгеновского и гам- ма-излучений на ФЭУ устанавливают ряд закономерностей поведения в этих условиях некоторых промышленных типов ФЭУ: отечественных [Л. 4-6] и иностранных [JI. 3, 7].

Вработах (Л. 3, 5, 7] изучался эффект действия на ФЭУ излучения в диапазоне энергий 20-1 250 кэВ. В частности было показано, что энергетическая зависимостьэтогоэффектадляразличныхтиповфотокатодовимеетприблизительно одинаковый характер, причем в диапазоне энергий 20-80 кэВ наблюдается резкое повышение чувствительности.

Основными источниками обратимых изменений анодного тока могут быть: 1. электроны отдачи, появляющиеся около фотокатода и нескольких первых эмиттеров; 2. наведенная излучением люминесценция стеклянной оболочки.

Вработе [Л. 5] отмечалось, что чувствительность ФЭУ к рентгеновскому и гамма-излучениям обусловлена вторичной электронной эмиссией фотокатода,

исовершенно не учитывалась возможная люминесценция стекла. Напротив, авторы работы [Л. 7] утверждают; что 70-90% анодного тока ФЭУ, возникающего под действием излучения, обусловлено люминесценцией.

Вотличие от приведенных выше работ, объектом исследования которых

110

Сигнальный экземпляр

являлись обычные серийные типы ФЭУ, в настоящей работе проведено исследование радиационных характеристик специального типа ФЭУ (ФЭУ-69А), отличающегося пониженной чувствительностью к воздействию рентгеновского и гамма-излучений. При разработке этого ФЭУ учитывались возможные механизмы взаимодействия ионизирующих излучений с его конструктивными элементами, а затем принимались меры к увеличению его «прозрачности» к действию излучений. Эффективность принятых мер видна из приводимых ниже результатов сравнительных измерений трех типов ФЭУ.

Особенности конструкции использованных типов ФЭУ

В качестве объекта исследования были выбраны три типа ФЭУ с одинаковыми габаритами (диаметром 23 мм), конструкцией катодной камеры и конфигурацией эмиттера (коробчатый с сеткой). Различия относились лишь к использованным материалам: фотокатода (Sb—Cs или Sb—К—Na [Cs]), эмиттера (Sb—Cs на Ni; Сu—Be) и входного окна колбы. Основные особенности исследованных типов ФЭУ сведены в таблице 1

ФЭУ-31 и ФЭУ-69 имели одинаковую колбу, различаясь лишь величиной эффективного атомного номера конструктивных элементов; ФЭУ-69 и ФЭУ-69А различались лишь конструкцией колбы

Методика измерений

Измерения проводились на рентгеновских аппаратах РУМ-3 (максимальное напряжение на трубке Um=200 кВ), «Дермамобиль» (Um=50кВ) и гамма-облучателе с радиоактивным изотопом 60Со (Eср. = 1 250 кэВ) типа ОКФО. При работе на РУМ-3 использовался широкий пучок излучения, расстояние между фокусным пятном и детектором излучения было 25 см. При измерениях на «Дермамобиле» детектор находился на расстоянии 5 см от края тубуса диаметром 5см. В табл. приведены условия и режимы рабо - ты на рентгеновских аппаратах для получения соответствующих эффективных энергий.

111

Все ФЭУ, использованные в данной работе, работали при напряжении, соответствующем интегральной анодной чувствительности 10 А/лм. Сравнение радиационной чувствительности ФЭУ-69 и ФЭУ-69А в области эффективных энергий Еэфф рентгеновского излучения от 21 до 90 кэВ (т. е. в области повышенной чувствительности ФЭУ к излучению) проводилось при различных мощностях доз: приблизительно от 1000 до 7000 р/ч.

Результаты измерений

Результаты измерений для Еэфф=40 и 90 кэВ представлены на рис. 1 и 2. На этих рисунках легко различаются два семейства кривых: верхние кривые

относятся к трем ФЭУ-69, а нижние - к ’ФЭУ-69А (для четырех экземпляров). Аналогичные кривые были получены и для других энергий рентгеновского излучения: 21, 59 и 65 кэВ. Во всех случаях наблюдалась линейная зависимость анодноготокаФЭУотмощностидозы.Изприведенныхграфиковвиднотакже, что при одинаковой мощности экспозиционной дозы ток ФЭУ-69 значительно больше, чем ток ФЭУ-69А, причем отношение токов зависит от эффективной энергии рентгеновского излучения. Если обозначить значение отношения анодного тока ФЭУ-69 к току ФЭУ-69А при облучении их рентгеновским излучением с равной экспозиционной дозой через ⱪ, то результаты измерений можно представить в виде плавной кривой, выражающей зависимость значения ⱪ от эффективной энергии рентгеновского излучения (рис. 3, кривая 1). Из этой

кривой видно, что в области энергий Еэфф=21÷90 кэВ при замене ФЭУ-69 на ФЭУ-69А с одинаковой интегральной анодной чувствительностью ток, обу-

словленный непосредственным взаимодействием рентгеновского излучения с материалом ФЭУ, уменьшается в 5-12 раз.

Как уже отмечалось выше, ФЭУ успешно может быть использован для непосредственной (без сцинтиллятора) регистрации радиоактивного излучения.

112

Сигнальный экземпляр

В связи с этим особый интерес представляет зависимость анодного тока ФЭУ от энергии излучения при одинаковом значении мощности дозы. Эта зависимость изучалась для трех типов умножителей: ФЭУ-31, ФЭУ-69 и ФЭУ-69А в диапазоне а энергий рентгеновского излучения 21-90 кэВ и для энергии гам- ма-излучения1250кэВ(Со60).Результатыизмеренийприведенынарис.4-8,На рис. 4=6 представлены кривые изучаемой зависимости при условии, что ток ФЭУ при облучении его гамма-излучением Со60 принят равным единице. Каждая кривая представляет отдельный экземпляр ФЭУ. На рис. 7 приведены три аналогичные кривые, каждая из которых представляет собой среднюю кривую для семейства ФЭУ из пяти-семи экземпляров каждого типа. Из этих графиков видно, что максимум чувствительности для ФЭУ-31 с Sb-Cs- фотокатодом и эмиттерами приходится на Еэфф=43 кэв, умножители ФЭУ69 с мультищелочным фотокатодом и сплавными (Cu-Be) эмиттерами имеют максимум в районе 60-70 кэВ, а ФЭУ-69А - в районе 50 кэВ. На рис. 11 представлены кривые “хода с жесткостью”.

Все экспериментальные точки приведены к значению мощности экспозиционной дозы 1000 Р/ч, анодная интегральная чувствительность ФЭУ

Σа=10 А/лм.

Как уже отмечалось выше, при взаимодействии излучения с материалом ФЭУ возникает ток, обусловленный свечением стекла возникновением вторичной электронной эмиссии. Для установления относительного вклада этих двухпроцессовбылипроделаныследующиеопыты.НаторецФЭУ-69Анакла- дывались стекла той же марки и тех же размеров, что и торцовое стекло ФЭУ69. Облучение производилось широким пучком рентгеновского излучения (Еэфф=65 кэв), направленным перпендикулярно фотокатоду. Комбинируя стекла и слои черной бумаги, можно было оценить вклад свечения стекол в общий «эффект ФЭУ», который для данных условий опыта составил примерно 60%.

Для уменьшения «эффекта ФЭУ» под действием излучения мы изготовили два ФЭУ-69, фотокатод которых был нанесён на специальное стекло. В результатеанодныйток,обусловленныйвзаимодействиемсФЭУ,уменьшилсяпо сравнению с обычными ФЭУ-69 при облучении их рентгеновским излучением с энергией 21-90 кэв в 2-3 раза (рис. 3, кривая 2).

113

Рис. 31. Комплект рисунков

114

Сигнальный экземпляр

Рис. 32. Кривые “хода с жёсткостью” для нескольких типов фотоумножителей

ВЫВОДЫ

ИсследованходсжесткостьюсерийныхФЭУтрехтипов.Результатыисследований 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.

115

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Установлено, что отклик исследованных типов фотоумножителей ФЭУ при облученииихрентгеновскимизлучениемсэффективнойэнергией65кэВ,т.е.в интервале, близком максимальной чувствительности ФЭУ к фотонному излучению,примернона60%обусловленнаведеннойлюминесценциейстеклянной оболочки и на~40%, в основном электронами отдачи около фотокатода 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 (слюда специальная) приводит к существенному (до 2÷12 раз) росту отношения сигнал/шум в полях рентгеновского и гамма-излучения (на примере ФЭУ-

69А). В исследованных диапазонах (ΔД= 2...7000 сГр/час; Еэфф, х= 40...90кэВ) нагрузочные характеристики (Iа =1(Д) ) линейны. Экспериментально опреде-

лен «ход с жесткостью» для трех различных типов ФЭУ в эперестическом диапазоне20кэВ...1250кэВ.Предложенкомбинированныйспособсниженияфона радиациивместерасположенияфотоумножителясиспользованиемсвинцовых 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 параметрам ЗТИБИ различных типов, Аналогичные установки СОД-2 и СКД-З построены совместно с ВНИИНМ и ИФХАНСССРиэксплуатируютсявэтихучрежденияхприразработкеивпромышленном выпуске ЗТИБИ. Установка-аналог «Доза” в течение нескольких лет эксплуатировалась на заводе «ЗМРП».

116

Сигнальный экземпляр

3.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 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«ходсжесткостью»имеетприблизительноодинаковыйхарактердля различных типов фотокатодов, причем в диапазоне энергий 20-80 kev наблюдается резкое повышение чувствительности. Зная чувствительность фотоумножителя

крентгеновскому 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» сцинтиллятораит.д.Однаковбольшинствеслучаевнеобходимообеспечитьпредельно низкий уровень радиации в области расположения ФЭУ.

Вцелях уменьшения эффекта фотокатода предлагалось использовать фотоумножителиснебольшимиразмерамифотокатодов(AmrikS.Chhabra).Этарекомендация часто оказывалась невыполнимой по тем или иным причинам. Избежать эффекта фотокатода можно также путем выведения фотоумножителя из поля облученияспомощьюсоответствующегосветопровода.Вэтомслучаеувеличиваются 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 предохраняют фотокатод от попадания на него «мягкого» рентгеновского и γ -излучений и в то же время практически не поглощают свет от сцинтиллятора.

Радиолюминесценция стекол под действием рентгеновского и γ - излучений сильнозависитотпроцентногосодержаниявнихсвинца.Свечениеэтоможносвестикминимуму,есливыбратьсоответствующуюмаркустекла.Крометого,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 пластмассой NE-102 в виде цилиндра диаметром 10 мм и высотой 12 мм, окруженной с боков плекси-

117

гласом (JI. В. Тимофеев и 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 kV эффективная энергияизлученияравнялась70-80kev,априфильтре1ммА1инапряжениях100- 140 kVсоставляла 29-33 kev.

При измерениях на аппарате «Дермамобиль» детектор находился 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 50kVэффективнаяэнергиярентгеновскогоизлучениясоставлялаприблизительно 18-20kev.Эффективнуюэнергиюопределялиспомощьюсферическойтонкостен- ной териленовой камеры от конденсатора дозиметра типа КД-1М.

Результатыизмерений представленына рис.1.)Изприведенных графиков видно, что для ослабления на 2-3 порядка электромагнитного излучения с энергией приблизительно80kevнеобходимовсего10-20ммсвинцовогостекла,адля20kev - 1,5 мм. 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 расчетнымиданными(JI.М.Михайлови3.С.Арефьева).Например,дляослабления 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. На рис. 3 приведен спектр свечения сцинтиллятора NE-102 толщиной 1 мм, возбужденного ультрафиолетовым излучением и спектр свечения после прохождения стекла ТФ-5 толщиной 10 мм. Сигнал ослабляется приблизительно на 30%. Измерения проводили на 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 диапазонеэнергийприблизительно10-80kev.Полученныеводинаковыхусловиях спектры свечения стекло ТФ-1 и ТФ-5 толщиной 10 мм каждая представлены на рис.4(кривые1и2соответственно).Отношениеинтенсивностейсвечениястекол 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.

Всвязистемчто:1)похарактерупропусканиясветастеклаТФ-1иТФ-5вши-

118

Сигнальный экземпляр

роком 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 5000А.Максимумсвечения,например,сцинтилляционнойпластмассынаходится

вобласти 4200 А, т.е. на 800 А левее в шкале длин воли. На рис. 2 приведены кри- выепропусканиясветадлясветофильтраФС-7толщиной2мм(кривая3)и0,3мм (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 стекла ТФ-5 и 0,3 мм светофильтра ФС-7. Светофильтр уменьшил интенсивность сигнала в 1,8 раза. Спектр 3нарис.4-свечениестеклапослесветофильтра;интенсивностьснизиласьв5раз. 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

втом 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 облучении его в дозе 2000 rad (Со60) интегральноепропусканиеухудшаетсяна10%,притолщине2мм-на3%.Совре- менем 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. 33. Ослабление рентгеновского излучения в стеклах ТФ-1 и ТФ-5.

119