СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ МОЩНОСТИ ДОЗЫ В ТКАНЕЭКВИВАЛЕНТНОМ МАТЕРИАЛЕ ПРИ ГАММА-НЕЙТРОННОМ ОБЛУЧЕНИИ Российский патент 1995 года по МПК G01T3/00 

Изобретение относится к технической физике, а точнее к дозиметрии. Наиболее эффективно изобретение может быть использовано для определения мощности дозы, поглощенной фантомом при импульсном облучении быстрыми нейтронами и сопутствующим гамма-излучением.

Известны калориметрический, химический, ионизационный и твердотельный, а также экстраполяицонный способы определения поглощенной энергии реакторного излучения по показаниям набора детекторов нейтронов [1]
Общим недостатком этих способов является низкая точность определения вклада составляющих поля излучения. Недостатком экстраполяционного метода является низкая точность экстраполяции показаний детекторов к значению поглощенной дозы, особенно для водородсодержащих материалов.

Известен также экстраполяционный способ определения поглощенной в тканеэквивалентном материале дозы, основанный на регистрации показаний пороговых детекторов нейтронов ²³⁹Pu, ²³⁷Np, ²³⁸U, ³²S(n,p)³²P, размещенных в экране из ¹⁰В [2]
Недостатком этого способа также является низкая точность определения дозы нейтронов в тканеэквивалентном материале под воздействием нейтронов неопределенного спектрального состава.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ измерения мощности дозы в тканеэквивалентном материале при гамма-нейтронном облучении, по которому твердотельную ионизационную камеру с водородсодержащим диэлектрическим наполнителем между электродами облучают импульсом гамма-нейтронного излучения, измеряют сигнал, первый максимум которого опережает, а второй совпадает с максимумом импульса излучения, и судят о мощности дозы, поглощенной в тканеэквивалентном материале [3]
Недостатком этого способа является низкая точность определения мощности дозы ввиду неопределенности вклада нейтронов и гамма-излучения в каждый момент времени.

Цель изобретения повышение точности.

Цель достигается способом измерения мощности дозы в тканеэквивалентном материале при гамма-нейтронном облучении, заключающемся в том, что на электроды твердотельной ионизационной камеры, в которой межэлектродный промежуток заполнен водородсодержащим диэлектриком, подают электрическое напряжение питания, облучают импульсом гамма-нейтронного излучения и измеряют временную зависимость сигнала с двумя максимумами, по которому судят о мощности дозы, поглощенной в тканеэквивалентном материале, одновременно измеряют временную зависимость сигнала детектора быстрых нейтронов, экстраполяцией переднего фронта второго максимума сигнала твердотельной ионизационной камеры функцией, пропорциональной сигналу детектора нейтронов, выделяют сигналы, максимум первого из которых опережает, а максимум второго совпадает с максимумом импульса излучения, по значению первого сигнала на переднем фронте в интервале времени, в котором временная зависимость первого сигнала пропорциональна временной зависимости сигнала детектора, и второму сигналу твердотельной ионизационной камеры определяют мощности дозы нейтронов и гамма-излучения, по которым судят о мощности дозы при гамма-нейтронном облучении.

Способ осуществляется в следующей последовательности.

На электроды твердотельной ионизационой камеры, в которой межэлектродный промежуток заполнен водородсодержащим диэлектриком, внешним источником подают напряжение питания. Облучают импульсом гамма-нейтронного излучения и измеряют временную зависимость сигнала, первый максимум которого опережает, а второй совпадает с максимумом импульса излучения. Одновременно измеряют временную зависимость сигнала и динамического детектора быстрых нейтронов. Экстраполяцией переднего фронта второго максимума сигнала твердотельной ионизационной камеры функцией, пропорциональной временной зависимости сигнала детектора нейтронов, выделяют сигналы, максимум первого из которых опережает, а максимум второго совпадает с максимумом импульса излучения. По значению первого сигнала на переднем фронте в интервале времени, в котором временная зависимость первого сигнала пропорциональна временной зависимости сигнала детектора, и второму сигналу твердотельной ионизационной камеры определяют мощности дозы нейтронов и гамма-излучения, по которым судят о мощности дозы в тканеэквивалентном материале при гамма-нейтронном облучении.

На фиг. 1 изображена твердотельная ионизационная камера с водородсодержащим диэлектриком в межэдектродном промежутке; на фиг.2 изображены осциллограммы сигналов твердотельной ионизационной камеры с полиэтиленовым диэлектриком между электродами, полученные при различных напряжениях питания под воздействием импульсного излучения различной мощности, и показаны временные зависимости плотности потока и флюенса быстрых нейтронов в импульсе ядерного реактора; на фиг. 3 временные зависимости сигналов твердотельной ионизационной камеры с полиэтиленовым диэлектриком при напряжении питания минус 250 В, полученные при флюенсах нейтронов 2,1 ˙ 10¹³ (18), 1 ˙ 10¹³ (19), 0,52 ˙ 10¹³ (20), 0,26 ˙ 10¹³см^-2 (21) за импульс ядерного реактора с открытой активной зоной из обогащенного урана, и временные зависимости плотности потока и флюенса нейтронов на переднем фронте импульса; на фиг.4 зависимости сквозной (о) и поляризационной (Δ) электропроводностей полиэтилена от угла падения излучения на электроды твердотельной ионизационной камеры результаты расчета; на фиг.5 показана зависимость сквозной электропроводности, нормированной на единицу мощности дозы гамма-излучения, от отношения мощностей доз, создаваемых в полиэтилене нейтронами и гамма-излучением; на фиг.6 изображены зависимости нормированной на единицу мощности дозы нейтронов плотности поляризационных токов в полиэтиленовом диэлектрике твердотельной ионизационной камеры при различных напряженностях электрического поля в межэлектродном промежутке от флюенса нейтронов в импульсе ядерного реактора; на фиг.7 изображена зависимость нормированной на единицу мощности дозы гамма-излучения плотности поляризационных токов в полиэтиленовом диэлектрике твердотельной ионизационной камеры от отношения мощностей доз, создаваемых в полиэтилене нейтронами и гамма-излучением.

Твердотельная ионизационная камера (фиг.1) представляет собой систему плоскопараллельных электродов 1, 2 из меди толщиной 0,05 мм, разделенных между собой и охранными электродами 3 слоем полиэтиленового диэлектрика 4 толщиной 0,33 мм. На электрод 1 внешним источником 5 подается электрическое напряжение питания, а электрод 2 является сигнальным. Для повышения чувствительности при незначительном увеличении размеров электродная система составлена из четырех секций, соединенных параллельно и установленных одна за другой. Крайние охранные электроды отделены от корпуса 6 слоями полиэтилена толщиной 3 мм, обеспечивающими электронное равновесие под воздействием гамма-квантов. Общая площадь сигнального электрода 2, соединенного с регистратором, равна 141 см, электрическая емкость 1,7 нФ.

Перед сборкой электроды отожгли и протравили в концентрированном растворе азотной кислоты в целях удаления оксидной пленки и загрязнений. После этого электроды, сопряженные полиэтиленовой пленкой, прокатили под давлением 1-10 кПа при температуре, близкой к температуре плавления полиэтилена, и обеспечили плотный контакт металла с диэлектриком. Сборку поместили в прямоугольный алюминиевый корпус 6 с толщиной стенки 4 мм, задняя крышка которого одновременно выполняет функцию прижима и не позволяет расслаиваться конструкции при длительной эксплуатации в условиях лаборатории. Электрические вводы в корпус 6 осуществили стандартными разъемами марки СР 50-73ФВ при помощи медных проводников, припаянных к электродам.

В качестве твердотельной ионизационной камеры могут быть использованы некоторые металлодиэлектрические конструкции с водородсодержащими диэлектриками, например коаксиальные кабели с полиэтиленовой изоляцией.

Наиболее характерны временные зависимости сигналов изображенной на фиг.1 твердотельной ионизационной камеры, полученные при облучении серией последовательных импульсов излучения ядерного реактора с интервалом в сутки, показаны на фиг.2 позициями 7-15, последовательность которых совпадает с последовательностью импульсов излучения. Флюенс нейтронов в облучениях 7-14 составлял около 2 ˙ 10¹², а в облучении 15 около 1,1 ˙ 10¹³ см^-2. Напряжение питания устанавливали 0 (7), минус 50 (8), минус 50 (9), минус 100 (10), минус 250 (11), минус 250 (12), минус 50 (13), 0 (14) и минус 800 В (15). Временные зависимости плотности потока и флюенса быстрых нейтронов в этих облучениях обозначены позициями 16 и 17 соответственно. Множитель при J обозначает коэффициент усиления осциллографического регистратора. Видны следующие основные закономерности формирования сигналов твердотельной ионизационной камеры с полиэтиленовым наполнителем.

Стабилизированный предварительным облучением сигнал 7 твердотельной ионизационной камеры при нулевом напряжении на электродах вызван в основном неравновесным переносом быстрых вторичны электронов, возникающих под воздействием сопутствующего гамма-излучения, и изменяется во времени подобно временной зависимости мощности дозы гамма-излучения.

При разности потенциалов между электродами не более 1 кВ сигнал 8 приобретает ярко выраженную "двугорбую" форму в результате суперпозиции двух сигналов, максимум первого из которых опережает, а максимум второго совпадает с максимумом импульса излучения. В следующем облучении 9 изменяется только первый сигнал, который при неизменных условиях периодического облучения тоже может стабилизироваться.

С увеличением разности потенциалов между электродами в последующих облучениях 10-12 аналогично, как и при уменьшении флюенса излучения за импульс при одинаковых разностях потенциалов между электродами в каждом облучении, возрастает амплитуда первого сигнала относительно второго, а временной промежуток между максимумами сокращается (см. также фиг.3).

Последовательное облучение при снижающей разности потенциалов приводит к появлению сигнала противоположной полярности и при снижении в следующем облучении разности потенциалов в два раза и более по сравнению с предыдущим результирующие сигналы 13, 14 приобретают двуполярную форму.

При напряжении питания около 1 кВ и выше сигнал приобретает "одногорбую" форму 15, приблизительно подобную временной зависимости мощности излучения.

Следует отметить, что предварительное облучение твердотельной ионизационной камеры с короткозамкнутыми электровводами дозой около 1 ˙ 10³ Гр и выше в радиационной установке с изотопными источниками ⁶⁰Со снимает зависимость формы сигнала от условий хранения и предыстории облучения в ядерном реакторе.

Возникновение сигнала в твердотельной ионизационной камере связано с образованием в рабочем материале свободных и связанных с положительно заряженным ионом электронов. Распределенные по объему диэлектрика свободные электроны двигаются под воздействие внешнего электрического поля без ограничивающего влияния локальных электрических полей поляризационной природы и обуславливают ток сквозной проводимости. Движение связанных зарядов ограничено некой малой областью пространства вблизи материнского иона и создает поляризационный ток, максимум которого может опережать максимум импульса излучения.

При условии выполнения соотношения Брэгга-Грея в твердотельной ионизационной камере гамма-излучения ядерных реакторов создает равномерную по объему ионизацию рабочего материала, а энергия, передаваемая нейтронами, распределяется неоднородно, наибольшая плотность приходится на треки протонов отдачи.

Электропроводность диэлектрика внутри стволов треков вызвана воздействием нейтронов, а за пределами треков воздействием в основном гамма-излучения. Следовательно, плотность тока сквозной проводимости i_cпри квазистационарном гамма-нейтронном облучении связана со скоростью генерации свободных электронов протонами отдачи g_n и быстрыми вторичными электродами g соотношением
g_п(E_п)σ_t(E_п)f(E_п)V(E_п, ϑ)dE_п+ (1)
где μ₁, μ₂ и τ₁, τ₂ подвижность и время жизни свободных электронов внутри и за пределами стволов треков соответственно; е заряд электрона; Е_о напряженность внешнего электрического поля;, (Ψ) средние проекции длины пробегов протонов отдачи на направление электрического поля при направлении распространения нейтронов, совпадающем и составляющем угол Ψ с направлением электрического поля соответственно; σ_t(E_n) полное сечение рассеяния нейтронов на ядрах водорода; ϕ_n плотность потока нейтронов; f(E_n) плотность распределения нейтронов по энергиям; Еn энергия нейтронов; V(E_n, Ψ) средний эффективный объем стволов треков; n_я количество ядер водорода в единице объема диэлектрика.

Пропорциональность i_c значению Е_о в интервале 3 ˙ 10² 3 ˙ 10⁴В/см проверили по амплитуде второго сигнала твердотельной ионизационной камеры в импульсном поле излучения ядерного реактора с откpытой активной зоной из обогащенного урана. Согласно результатам этих измерений радиационная составляющая сквозной электропроводности полиэтилена, нормированная на единицу мощности дозы гамма-излучения при соотношении составляющих поля излучения ядерного реактора 5,9 ˙ 10¹¹ см^-2 ˙ ГР^-1, с доверительной вероятностью 0,95 равна (5,1 ± 0,5) ˙ 10^-16с/(Ом ˙ см ˙ Гр).

Зависимости радиационных составляющих сквозной (o) и поляризационной (Δ) электропроводностей от угла падения излучения показаны на фиг.4. Видно, что измеренная зависимость сквозной электропроводности подобна рассчитанной методом Монте-Карло зависимости (Ψ)/ в полиэтилене под воздействием нейтронов, испускаемых ядерным реактором. Радиационная составляющая поляризационной электропроводности, измеренная по величине тока на переднем фронте первого сигнала в интервале времени, в котором временная зависимость этого сигнала подобна временной зависимости показаний детектора плотности потока нейтронов, практически не зависит от угла падения нейтронов на твердотельную ионизационную камеру.

При трековом механизме формирования электропроводности полиэтиленового диэлектрика под воздействием импульсного излучения ядерных реакторов сквозной электропроводности σ_c пропорционально мощности излучения. Зависимость σ_c от мощности дозы гамма-излучения P в интервале 1 ˙ 10⁴ 5 ˙ 10⁵ Гр/c измерили при напряжении питания твердотельной ионизационной камеры минус 250 В, при этом плоскости электродов ориентировали перпендикулярно направлению распространения излучения. Коэффициент пропорциональности между σ_c и p рассчитанный по результатам этих измерений при соотношении составляющих поля излучения с доверительной вероятностью 0,95 равен (4,9 ± 0,4) ˙ 10^-16 с/(Ом ˙ см ˙ Гр).

Из этих измерений и формулы (1) следует, что σ_c связана с плотностью потока нейтронов ϕ_n и p соотношением
σ_c= πb²n_яϕ_п(E_п)σ_t(E_п)f(E_п)(E_п, ϑ)dE_п+ A_γP(Ψ)/,
где b эффективный радиус треков протонов отдачи; σ₁(E_o) электропроводность внутри стволов треков протонов отдачи. Полагая, что σ₁(E_o) пропорциональна мощности дозы, создаваемой протонами отдачи внутри стволов треков, σ_c удобно связать с мощностью дозы Р_n и p , создаваемой соответственно нейтронами и гамма-излучением в полиэтилене, соотношением
σ_с= (A_пP_п+A_γP_γ)(Ψ)/, (2) где А_n, A постоянные коэффициенты.

Зависимость σ_c/p от P_n/p измеренная по амплитуде второго максимума сигнала твердотельной ионизационной камеры при напряжении питания минус 250 В, показана на фиг.5. В этих измерениях соотношение составляющих поля излучения изменяли экранами из полиэтилена или свинца различной толщины, устанавливаемыми между твердотельной ионизационной камерой и активной зоной импульсного ядерного реактора, а электроды твердотельной ионизационной камеры ориентировали перпендикулярно направлению распространения излучения. Из фиг. 5 определили, что с погрешностью 13% А_n 1,1 ˙ 10⁷ с/(Ом ˙ см ˙ Гр) и A = 2,4 ˙ 10^-16с/(Ом ˙ см ˙ Гр) при доверительной вероятности 0,95.

В момент образования треки протонов отдачи представляют собой квазинейтральную структуру с равными значениями плотности положительных и отрицательных зарядов. Под воздействием внешнего электрического поля, создаваемого источником питания в межэлектродном промежутке твердотельной ионизационной камеры, происходит разделение связанных зарядов, которое сопровождается их рекомбинацией в треках, т.е. треки протонов отдачи поляризуются и в полиэтиленовом диэлектрике возникают поляризационные токи. При квазистационарном облучении плотность поляризационного тока i_р в каждый момент времени t связана со скоростью накопления связанных зарядов в единице объема диэлектрика dn_p (x,t)/dt соотношением
i_p= (x,t)P(E_o)dx= σ_p(E_o, d)E_o(t) (3) где d расстояние между электродами; Р(Е_o) доля зарядов, избежавших рекомбинации; σ_p поляризационная электропроводность диэлектрика в межэлектродном промежутке.

Зависимости нормированной на единицу мощности дозы от нейтронов плотности поляризационных токов в полиэтиленовом диэлектрике твердотельной ионизационной камеры при напряженностях электрического поля в межэлектродном промежутке 3 ˙ 10² (22)= 7,6 ˙ 10² (23), 7,6 ˙ 10³(24), 1,2 ˙ 10⁴ (25) и 2,4 ˙ 10⁴ В/см (26) от флюенса нейтронов в импульсе ядерного реактора показаны на фиг. 6. Из этой фигуры видно, что изменение плотности связанных зарядов при облучении описывается уравнением Риккати:
g_p-χg_пγn2p

Предположив, что Е_о постоянно по объему диэлектрика, из соотношения (3) следует
σ_p(E_o, d)E_o(t) eVN_т(d) P(E_o), (5) где V относительный объем, занимаемый стволами треков; [n_p(t)/dt] среднее значение [dn_p(x,t)/dt] Nт(d) число треков протонов отдачи в диэлектрике.

Процесс поляризации водородсодержащего диэлектрика при импульсном облучении удобно рассматривать по переднему фронту импульса во временном полуинтервале, в котором скорость накопления связанных зарядов равна скорости их образования и пропорциональна временной зависимости мощности нейтронного излучения, измеряемой детектором быстрых нейтронов (фиг.3) В этом временном полуинтервале, следуя выражениям (4) и (5), σ_po связана с P_n соотношением
σ_po(E_o,d) A_pdP(E_o)P_n / E_o (6) где А_р коэффициент.

По своей структуре треки протонов отдачи представляют цилиндрическими объемами с избыточным положительным зарядом, окруженными облаками электронов, расположенных на некотором расстоянии по соответствующим цилиндрическим слоям. Отсюда P(E_o) p₁ + p₂(E_o), где р₁и р₂ определяют зависящую и независящую от Е_о долю зарядов, избежавших рекомбинации. В предположении произвольного вида зависимости Е по объему треков значения р₂(Е_о) в полиэтиленовом диэлектрике описываются соотношением
p₂(E_o) p_o[1 exp(Q_i)/Q_o)]Q_o/Q_i, (7) где Q_o εε_o E_o; Q_i n_obe; n_o начальная средняя плотность распределения зарядов противоположного знака в треках; εε_o диэлектрическая проницаемость; р_о вероятность образования нестабилизированного связанного электрона внутри цилиндрического объема трека с избыточным положительным зарядом.

По результатам измерения σ_po при различных значениях Е_о в импульсном поле гамма-нейтронного излучения определили, что с погрешностью 15% и доверительной вероятностью 0,95 значение σ_poописываются соотношениями (6), (7) при р_о 0,6; Q_i= 7,81 ˙ 10^-10Кл/см²; р₁ 0,4; А_р 2,93 ˙ 10^-11 Кл/(см³ ˙ Гр).

Влияние гамма-излучения и нейтронов на формирование σ_poполиэтилена определили по значениям тока на переднем фронте первого сигнала в интервале времени, в котором временная зависимость этого сигнала пропорциональна временной зависимости показаний детектора нейтронов. Соотношение составляющих поля излучения импульсного ядерного реактора в этих облучениях изменяли экранами из полиэтилена и свинца различной толщины. Результаты измерений показаны на фиг. 7. Из этой фигуры видно, что значения i_po пропорциональны P_n. Коэффициент пропорциональности К_ро с доверительность вероятностью 0,95 равен (1,4 ± 0,5) ˙ 10^-12 Кл/(см² ˙ Гр), что в пределах 40% согласуется со значением, рассчитанным по формулам (3), (6) и (7) при напряжении питания твердотельной ионизационной камеры минус 250 В.

Таким образом, следуя выражениям (2), (3) и (5), составляющие сигнала твердотельной ионизационной камеры, работающей с внешним источником питания, под воздействием излучения ядерного реактора, связаны с дозовыми характеристиками поля излучения соотношениями
по которым определяют значения Р_n и P в одном облучении. Здесь K_cn A_n ˙ E_o; K A ˙ E_o
Предложенный способ позволяет повысить точность определения мощности дозы, поглощенной в тканеэквивалентном материале под воздействием импульса гамма-нейтронного излучения, и снизить погрешность измерения твердотельными ионизационными камерами с диэлектрическим наполнителем до 30-40%

Использование: в дозиметрии при гамма-нейтронном облучении, точнее при определении мощности дозы, поглощенной фантомом. Сущность изобретения: способ измерения мощности дозы в тканеэквивалентном материале при гамма-нейтронном облучении заключается в том, что на электроды твердотельной ионизационной камеры, межэлектродный промежуток в которой заполнен водородсодержащим диэлектриком, подают электрическое напряжение питания, облучают импульсом гамма-нейтронного излучения и измеряют временную зависимость сигнала с двумя максимумами, по которому судят о мощности дозы, поглощенной в тканеэквивалентном материале, одновременно измеряют временную зависимость сигнала детектора быстрых нейтронов, выделяют составляющие сигнала, максимум первого из которых опережает, а максимум второго совпадает с максимумом импульса излучения, по значению первого составляющего сигнала на переднем фронте в интервале времени, в котором временная зависимость сигнала пропорциональна временной зависимости сигнала детектора, и второму составляющему сигналу твердотельной ионизационной камеры определяют мощности дозы нейтронов и гамма-излучения, по которым судят о мощности при гамма-нейтронном облучении. Разделение сигналов осуществляют экстраполяцией переднего фронта второго составляющего сигнала твердотельной ионизационной камеры функцией, пропорциональной сигналу детектора нейтронов. 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ МОЩНОСТИ ДОЗЫ В ТКАНЕЭКВИВАЛЕНТНОМ МАТЕРИАЛЕ ПРИ ГАММА-НЕЙТРОННОМ ОБЛУЧЕНИИ, заключающийся в том, что на электроды твердотельной ионизационной камеры, в которой межэлектродный промежуток заполнен водородсодержащим диэлектриком, подают электрическое напряжение питания и измеряют временную зависимость сигнала с двумя максимумами, по которому судят о мощности дозы, поглощенной в тканеэквивалентном материале, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, одновременно измеряют временную зависимость сигнала детектора быстрых нейтронов, выделяют составляющие сигналы, максимум первого из которых опережает, а максимум второго совпадает с максимумом импульса излучения, по значению первого составляющего сигнала на переднем фронте в интервале времени, в котором временная зависимость первого составляющего сигнала пропорциональна временной зависимости сигнала детектора, и второго составляющего сигнала твердотельной ионизационной камеры определяют мощности дозы нейтронов и гамма-излучения, по которым судят о мощности дозы при гамма-нейтронном облучении. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что разделение сигналов осуществляют электрполяцией переднего фронта второго составляющего сигнала твердотельной ионизационной камеры функцией, пропорциональной сигналу детектора нейтронов.