Радіобіологія фул вершин (передмовалесс, вступлесс етс. едишн)

130

У камері Вільсона (рис. 6.8) використовується явище конденсації перенасиченої водяної пари на іонах, які утворилися вздовж сліду зарядженої частинки, що пролетіла крізь камеру. Якщо камеру Вільсона розмістити в магнітному полі, то частинки з різними зарядами та масою будуть рухатися по різним траєкторіям. Це дає можливість визначити характеристики частинки.

Рис. 6.8. Камера Вільсона

Сцинтиляційний метод. У деяких речовин, які названі сцинтиляторами (від лат. scintillatio – мерехтіння), під дією іонізуючих випромінювань виникають короткочасні слабкі спалахи світла. Ці речовини здатні поглинати енергію випромінювання таким чином, що їх молекули переходять у збуджений стан, а після повернення в основний стан – випромінюють поглинену енергію у вигляді світлових фотонів. Один з найчутливіших методів їх реєстрації – це використання фотоелектронних помножувачів (ФЕП). Цей прилад поєднує властивості фотоелементу та підсилювача електричного струму з великим коефіцієнтом підсилювання (106 - 109). Він складається з фотокатоду, аноду та динодів (емітерів), які покриті сурм’яно-цезієвою сумішшю або виготовлені зі спеціальних сплавів алюмінію, магнію і сірки, що мають великий коефіцієнт вторинної емісії електронів. Вся система ФЕП розміщена в скляному балоні з високим ступенем розрідження, що необхідно для збереження фотошару і динодів, а також для відносного вільного руху електронів.

В сцинтиляційному детекторі ФЕП працює в імпульсному режимі. Під дією світлового імпульсу, який виникає в сцинтиляторі, з фотокатода за рахунок фотоефекту „вибиваються” електрони, які фокусуються електричним полем і направляються на перший динод,

131

при цьому вони прискорюються до енергії, яка достатня для „вибивання” вторинних електронів з наступного діноду. Таким чином, лавина електронів зростає від катода до аноду, що приводить до перетворення слабких світлових спалахів, які виникають в сцинтиляторі, в реєструємі електричні імпульси.

Весь сцинтиляційний детектор (сцинтилятор, світловод і ФЕП) розміщуються в світлонепроникному кожусі, щоби не потрапляло до нього стороннє світло. Він захищений також від зовнішнього електромагнітного поля, яке може порушити фокусування електронів.

Сцинтиляційні детектори мають значно вищу ефективність реєстрації іонізуючих випромінювань (до 90%, а інколи для високоенергетичного β-випромінювання і більше). Також вони мають високу роздільну здатність, яка залежить від характеристик сцинтилятору. Так, при реєстрації α-частинок вона може досягати 10- 5 с, β-частинок і γ-квантів – 10-8 с.

По складу сцинтилятори діляться на неорганічні та органічні, а по агрегатному стану – твердотільні, пластичні, рідкі та газові. Схема будови твердотільного сцинтиляційного детектора наведена на рис.6.9:

Іонізуюча

частинка

Світло

Фотокатод Фотопомножувач

Світловод Фотопомножувач

Сцинтилятор

Рис. 6.9. Сцинтиляційний детектор.

132

З неорганічних твердотільних сцинтиляторів для реєстрації γ- випромінювання найчастіше використовують монокристали натрію йодистого які активовані талієм – NaI(Tl). Атоми активатора вводять у кристалічну гратку NaI для зменшення енергетичного бар’єру виникнення явища сцинтиляції, що підвищує ефективність детектора. Для реєстрації γ-випромінювання використовують також монокристали кальцію вольфрамату (СаWО4). За своїми розмірами вона можуть мати діаметр від сантиметрів до десятків сантиметрів.

Для реєстрації нейтронів використовують, як правило, сцинтилятори з літію йодистого, що активований цинком – LiI(Zn), який розміщують в центрі гідрогенвмісного поглинача (плексигласу). В твердотільних неорганічних сцинтиляційних детекторах для реєстрації α-частинок та осколків ділення використовують сцинтилятори на основі цинку або кадмію сульфіду, активованого аргентумом – ZnS(Ag) або CdS(Ag). Цинк або кадмій сульфід становлять собою мілкі кристалики, які наносять тонким шаром на скляну підложку, оскільки тільки шари таких кристаликів прозорі для світлового випромінювання. Неорганічні сцинтилятори мають відносно великий час висвітлювання (приблизно 10-6 – 10-9 с), що робить великим „мертвий” час детектора.

Значно менший час висвітлювання мають органічні та газові сцинтилятори – 10-8 – 10-9 с. Серед органічних сцинтиляторів використовують монокристали антрацену (С14Н10), стиблена (С14Н12), n-терфініла (С13Н13) та ін., ряд пластмас на основі полістиролу і полівінілтолуола.

Характеристика деяких твердотільних сцинтиляторів наведена в табл. 6.2.

Органічні твердотільні, а особливо рідинні сцинтилятори, знайшли найбільше застосування для реєстрації β-випромінювання.

Один із разновидів в реєстрації іонізуючого випромінювання твердотільними сцинтиляторами – це так званий „рахунок в криниці”, коли скляний або пластмасовий флакон, який містить зразок (як правило в рідкому стані), що закритий кришкою, вводять крізь отвір у середину кристалу, що є сцинтилятором. В цьому випадку досягається максимальна реєстрація випромінювання, яке покидає межі зразка по всі боки.

В біологічних дослідженнях найпоширенішими є рідинні сцинтиляційні детектори, які мають відносно велику ефективність реєстрації β-випромінюючих радіонуклідів 14С, 32Р, 35S, 45Са, а також, що особливо важливо, низькоенергетичного 3Н. В цьому методі зразок розчиняють або суспендують у розчиннику, який є рідким

133

сцинтилятором. Випромінювання радіонукліду, яке виходить за межі зразка, взаємодіє з молекулами розчинника, що викликає їх збудження. При повернені цих молекул в основний стан поглинута енергія випромінюється у вигляді світлових фотонів. Як розчинниксцинтилятор використовують, як правило, толуол, n-ксилол, 1,4- диоксан, або спеціальні суміші. Саме ці органічні рідини здатні до явища сцинтиляції при взаємодії з β-випромінюванням. Завдяки використанню рідинних сцинтиляторів досягається максимальний контакт зразку з сцинтилятором.

Таблиця 6.2. Характеристика деяких твердотільних сцинтиляторів

Примітка: світловий вихід χ, який пропорційний сцинтиляційній ефективності (частці перетворення енергії зарядженої частинки в енергію фотонів), для неорганічних сцинтиляторів ZnS(Ag) і LiI(Eu) надано відносно NaI(Tl), а органічних – відносно атрацена.

Світло сцинтиляції реєструється ФЕП, як правило декількома, які охоплюють флакон з сцинтиляційною рідиною, що містить радіоактивний зразок. Промислові серійні ФЕП мають максимум

134

чутливості при довжині хвилі приблизно 430 нм, в той же час область флуоресценції розчинників, які звичайно використовуються, значно короткохвильова. Для збільшення ефективності реєстрації світла, яке випромінюється розчинником, до нього додають відносно невелику кількість так званого первинного флуоресценту (флуорофору). Найчастіше в його якості використовується 2,5- дифенілоксазол (ПОП), котрий поглинає фотони, що випромінює розчинних, і також сам випромінює (флуоресціює) у більш довгохвильовій області. Однак флуоресценція ПОП реєструється ФЕП все ж таки недостатньо ефективно. Тому вже до суміші розчинника і ПОП додають ще один флуоресцент (вторинний) – 1,4-ди-[2-(5- фенілоксазол)]-бензол (ПОПОП). Фотони, які випромінюються ПОП, поглинаються ПОПОП, і в свою чергу ця речовина випромінює фотони в області максимальної чутливості ФЕП. Оскільки ПОП і ПОПОР містяться в сцинтиляційній рідині в дуже малих кількостях, вони практично не поглинають енергію β-випромінювання радіонукліду, а функціонують як перетворювачі довжини хвилі фотонів, що випромінюються збудженими молекулами розчинника.

Крім ПОП і ПОПОП, існують інші флуоресценти, які використовуються залежно від розчинника і необхідної ефективності реєстрації β-випромінювання. Так, наприклад, 2-феніл-5-(4’-дифеніл)- 1,3,4-оксазол відразу випромінює світло довжини хвилі, яка ефективно реєструється ФЕП.

Існує велика кількість сцинтиляційних рідин, склад деяких з них, які випускаються вітчизняними виробниками, наведено в табл. 6.3:

Таблиця 6.3. Склад деяких сцинтиляційних рідин, які випускаються промисловістю

Існують також спеціальні сцинтиляційні рідини, які дозволяють вводити у них певну кількість води, яка є розчинником для більшості біологічних зразків, або міститься в них у великій кількості. Справа в тому, що вода, як і розчинний оксиген, кислоти, солі тощо, є хімічним гасником, який здатний поглинати частину енергії випромінювання

135

без явища сцинтиляції, а також поглинати фотони, які випромінюються збудженими молекулами розчинника чи флуоресцентів. Рідинні сцинтилятори на основі толуолу практично не змішуються з водою. Однак, якщо до толуольного сцинтилятору додати поверхнево-активну речовину (наприклад, емульгатор тритон Х-100), то в таку суміш можна ввести до 15% води і діаметр крапель води буде не більше 0,1 мкм, що дозволяє їх покинути навіть низькоенергетичному β-випромінюванню 3Н, для якого середня довжина пробігу у воді складає 0,5 мкм.

Рідинні сцинтилятори на основі диоксану дозволяють вводити в

них до 23% води, але цей розчинник є менш ефективним сцинтилятором, ніж толуол. Для збільшення ефективності диоксану до нього додають сублімований нафталін, а для підвищення його розчинності – спирти або етери. Склад деяких сцинтиляційних рідин, до яких можна додати певну кількість води, наведено в табл. 6.4:

Таблиця 6.4. Склад деяких сцинтиляційних рідин, до яких можна додати певну кількість води

136

високоенергетичного β-випромінювання 32Р відбувається у всіх наведених сцинтиляційних рідинах майже з 100% ефективністю.

Осади і нерозчинні речовини в сцинтиляційних рідинах можна диспергувати (від лат. dispergere – розсіювати, розсипати) й іншими методами. Останнім часом, зокрема, використовується ультразвукова обробка суміші зразка з сцинтиляційною рідиною.

Сучасні сцинтиляційні детектори побудовані таким чином, що величина (амплітуда) електричних імпульсів після ФЕП пропорційна інтенсивності світла випромінювання сцинтилятору, а вона, в свою чергу, пропорційна енергії випромінювання радіонукліду. Таким чином, величина електричних імпульсів пропорційна енергії випромінювання. Це дає можливість за використання аналізатора амплітуди імпульсів одночасно визначати в одному зразку декілька радіонуклідів. Для них повинен бути один і той же вид опромінення, різна енергія, але її відмінність повинна бути не великою. Це обумовлено тим, що ефективність реєстрації випромінювання декількох радіонуклідів повинна бути подібною.

Найбільш розповсюдженими є двоканальні сцинтиляційні детектори, які дозволяють визначення двох радіонуклідів в одному зразку.

Схема двоканального сцинтиляційного детектора наведена на рис. 6.10.

Рис 6.10. Основні елементи двоканального сцинтиляційного детектора:

1 – флакон з радіоактивним зразком; 2 – ФЕП; 3 – схема співпадіння; 4 – „лінійний” помножувач; 5 – „логарифмічний” помножувач; 6 - дискримінатор нижнього рівня; 7 – дискримінатор верхнього рівня; 8 – лічильник числа імпульсів; 9 – цифродрукуючий пристрій.

До складу аналізатора амплітуди імпульсів входить дискримінатор (від лат. discriminato – розрідження) нижнього і верхнього рівнів, які дозволяють реєструвати електричні імпульси тільки між певними значеннями амплітуди (електричної напруги). Діапазон, який

137

визначається конкретними значеннями амплітуди імпульсів називається каналом. Сучасні сцинтиляційні детектори мають 512, 1024, 2048 і навіть більше каналів.

Завдяки наявності дискримінаторів можна не реєструвати космічне та сонячне випромінювання, енергія якого більша за максимальну енергію випромінювання радіонуклідів.

Під дією електричної напруги, яка прикладена до діодів, можливе „виривання” електронів і виникнення лавиноподібного ефекту від них таким же чином, як і від тих, що „вибиваються” з фотокатоду ФЕП за дії сцинтиляційних фотонів. Виникає так званий „тепловий шум” ФЕП. Для його зменшення в конструкції сцинтиляційних детекторів використовується схема співпадіння. Це такий електронний пристрій, який на виході пропускає один сигнал (імпульс), якщо на нього одночасно або майже одночасно (за час менше 10-9 с для сучасних схем співпадіння) приходить два сигнали. „Тепловий шум” ФЕП – це, як правило, одночасні імпульси, якщо використовувати два або інше парне число ФЕП, то вони прийдуть на схему співпадіння як окремі у часі і не будуть пропущені нею. В той же час більша частка частинок (γ-квантів) випромінювання здатна викликати майже одночасно появу декількох сцинтиляційних фотонів, оскільки у них для цього достатня енергія. Ці імпульси схема співпадіння сприйме як одночасні і на виході пропустить як сигнал.

Для підсилення електричних імпульсів після ФЕП використовують як „лінійний”, так і „логарифмічній” помножувачі. На виході останнього амплітуда імпульсів пропорційна логарифму їх амплітуди на вході. Це трансформує амплітудні спектри випромінювання таким чином, що вони стають компактнішими, стисненими, а число імпульсів при цьому не змінюється. Саме це і дає можливість виставлення нижнього рівня реєстрації без суттєвого зменшення числа зареєстрованих імпульсів від випромінювання. В той же час завдяки цьому не реєструється частка „теплового шуму” ФЕП, який відповідає низькоенергетичному, не здатному викликати явище сцинтиляції випромінюванням.

Використання схеми співпадіння та виставлення нижнього рівня реєстрації дозволяє знизити тепловий шум ФЕП з 105 імп/с до 35 імп/с.

Сучасні сцинтиляційні детектори, крім вказаних на рис. 6.10 пристроїв, містять також таймер для забезпечення часу роботи детектора, стандарт для визначення ефективності реєстрації випромінювання. Керування детектором і розрахунок ефективності проводиться ЕОМ.

138

Люмінесцентний метод. Деякі речовини, які здатні до люмінесценції (від лат. lumis світло та суфікс esrent, який означає слабку дію), здатні поглинати енергію іонізуючих випромінювань та її видавати у вигляді світового свічення після додаткового впливу тепла, опромінення ультрафіолетовим або видимим світлом тощо. Такі речовини називаються люмінофорами.

Врадіотермолюмінесцентних детекторах (РТЛД) явище люмінесценції викликається при нагріванні люмінофора, з яким провзаємодіяло іонізуюче випромінювання. Інтенсивність люмінесценції пропорційна дозі випромінювання, яку вимірюють по площі піків термолюмінесценції або по висоті головного максимального піка на кривій залежності інтенсивності люмінесценції від температури. Відпалювання термолюмінофора проводять при температурі біля 4000С, щоби повністю зруйнувати попередні центри люмінесценції. Це дозволяє багаторазово використовувати один і той же люмінофор, але треба враховувати, що після відпалювання можливе зменшення чутливості за рахунок укрупнювання центрів люмінесценції. Такі дозиметри зручні як індивідуальні для визначення доз нейтронного і γ-випромінювання.

Для РТЛД використовують ряд речовин, основні з яких: CaF2, LiF, CaSO4-Mn, CaSo4-Sm, алюмофосфатне скло, яке активоване Ag або MnO2. Серійні LiF-дозиметри типу КДТ-02 дають можливість вимірювати дозу в діапазоні 10-4 – 107Гр з втратою інформації менше 10% за рахунок федінга (від англ. fading – поступове ослаблення).

Дозиметри на основі алюмофосфатного скла (Al2O3·3P2O5) за вмістом приблизно 50%, MgO·P2O5 теж приблизно 50% і MnO2 біля 1% дозволяють вимірювати дози в діапазоні 5·10-3 – 10 Гр з похибкою до 15%. Діапазон 10 – 50 Гр є оцінюючим, оскільки похибка вимірювання значно збільшується при вимірі доз більше 10Гр.

Врадіофотолюмінесцентних детекторах (РФЛД) як люмінофори використовуються галогенні сполуки типу NaJ, LiF, фосфатне скло тощо, які активовані аргентумом (Ag). Під дією іонізуючого випромінювання створюються центри фотолюмінісценції, які містять аргентум. Наступне освітлення РФЛД ультрафіолетовим світлом викликає люмінісценцію, інтенсивність якої в діапазоні 10-2 – 10 Гр пропорційна дозі, потім (приблизно 3,5·102 Гр досягає максимуму і при подальшому збільшенню дози зменшується. Ці дозиметри можна використовувати неодноразово, але у них існує ефект нарощування інтенсивності люмінісценції після припинення опромінювання (ефект накопичення). В зв’язку з цим чутливість РФЛД необхідно відносити до певного моменту часу після опромінення. Деякі РФЛД зберігають

139

інформацію про дозу з вірогідністю 10% протягом декількох років після опромінення 2 год.

Напівпровідникові детектори. Ці детектори є різновидністю твердотільних детекторів, які становлять іонізаційну камеру (рис.

6.11).

Роль носіїв електричного заряду у напівпровідникових детекторів (НПД) виконують електрони і так звані „дірки”. Дія НПД основна на властивості напівпровідників проводити електричний імпульс, який викликається дією іонізуючих випромінювань. Найбільш розповсюдженими є НПД, де використовуються монокристалами германію і кремнію з літієм, або без нього.

Траєкторія

частинок

n-тип

p-тип

Батарея

Рис.6.11. Напівпровідниковий детектор.

Основні переваги цих детекторів – висока ефективність, малий „мертвий” час, а особливо – можливість виготовлення малих розмірів, оскільки товщина робочого шару напівпровідника вимірюється десятками або сотнями мікрометрів, а корисна площа складає біля 1см2. Суттєвий їх недолік – електропровідність НПД змінюється при нагріванні, яке виникає при взаємодії іонізуючих випромінювань з напівпровідником. Тому ці детектори необхідно охолоджувати рідким азотом.

Хімічні методи. Ці методи дозиметрії основані на врахуванні хімічних змін, які виникають у речовинах (наприклад, зміна кольору, виділення газу, осадження деяких колоїдів тощо) під дією іонізуючих випромінювань. Радіаційно-хімічний вихід (число утворених або