СПОСОБ ДОЗИМЕТРИИ ГАММА-, РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЙ И ЭЛЕКТРОННЫХ ПОТОКОВ Российский патент 1996 года по МПК G01T1/00 

Изобретение относится к дозиметрии электромагнитных и коpпускулярных излучений и может быть использовано, в частности, для индивидуальной дозиметрии персонала, работающего с источниками радиации, в технической дозиметрии, когда необходима информация о поглощенной дозе на поверхности или в приповерхностных слоях облученного объекта, в научных исследованиях, когда необходимо эффективно выделять дозу непроникающего (короткопробежного) излучения.

Важнейшая задача дозиметрии определение дозы излучения в различных средах и особенно в тканях живого организма. Для этой цели используют различные расчетные и экспериментальные методы. В последние годы быстрое развитие получили методы дозиметрии, основанные на использовании физических явлений, происходящих в твердых телах под действием ионизирующих излучений. К их числу относятся, например, методы, основанные на радиофото-, радиотермолюминесценции, термостимулированной экзоэмиссии, на эффекте радиационно-стимулированного изменения концентрации носителей заряда в полупроводниках с p-n-переходом и т. п. Соответственно на основе различных твердотельных материалов разработаны фото- и термолюминесцентные детекторы, термоэлектронные и полупроводниковые детекторы, обладающие разнообразными эксплуатационными возможностями и технико-экономическими показателями. Так, основанные на эффекте свечения при нагреве облученных твердых тел (кристаллофосфоров) термолюминесцентные детекторы (ТЛД) [1] могут использоваться при повышенных температурах (в зависимости от температурного положения характеристического максимума), обладают достаточно высокой чувствительностью ко многим видам ионизирующим излучений (в зависимости от материала). Однако термолюминесцентная дозиметрия малочувствительна к непроникающим короткопробежным излучениям, не позволяет оценить дозу, поглощенную в тонких поверхностных слоях.

В отличие от ТЛД термоэлектронные детекторы ионизирующих излучений [2] в которых чувствительным является тонкий поверхностный слой (толщиной до 1000 А), могут быть использованы для дозиметрии в тонких поверхностных слоях и короткопробежных излучений. Однако данный метод характеризуется высокой нестабильностью результатов измерений и не позволяет варьировать глубину чувствительного слоя, что представляет большой интерес в радиологии, в частности для дозиметрии кожного покрова и подкожных тканей человека и животных. Кроме того, считывание дозиметрической информации в данном случае достаточно сложно, так как требует нагрева детектора, что может вызывать необратимые изменения свойств поверхности и нарушать точность показаний при повторном измерении.

Наиболее близким техническим решением, выбираемым в качестве прототипа, является способ измерения дозы γ-излучения, основанный на измерении сдвига резонансной частоты пьезокварцевых резонаторов на объемных акустических волнах (ОАВ) [3] Пьезорезонатор изделие акустоэлектроники, используемое в устройствах стабилизации и узкополосной фильтрации частот и представляющее собой пьезокристалл определенной кристаллографической ориентации (среза) с нанесенными на него двумя металлическими электродами. Работа резонатора основана на использовании прямого или обратного пьезоэффекта и ее эффективность определяется параметрами материала, типом среза пьезокристалла, расположением электродов. Дозиметрия с использованием кварцевых резонаторов основана на описанном в [3] эффекте сдвига резонансной частоты, происходящем после облучения g-лучами в диапазоне 50 10 кГр кварцевых резонаторов. Измерение частотных характеристик резонаторов технически хорошо отработано, легкодоступно и сравнительно недорого. В то же время данным способом нельзя измерить дозу ионизирующего излучения, поглощенную в тонком слое биологических тканей или твердотельных материалов, что бывает необходимо в кожной дозиметрии, а также в технической дозиметрии для оценки поглощенной дозы в приповерхностных слоях облучаемого объекта. Кроме того, данный способ непригоден для дозиметрии излучения малой проникающей способности.

Задачей, решаемой изобретением, является дозиметрия различных видов ионизирующих излучений в тонких поверхностных слоях биологических тканей, конденсированных сред и твердотельных материалов с варьированием толщины слоя, в котором необходимо измерить поглощенную дозу излучения.

Поставленная задача решается использованием в качестве дозиметров кварцевых резонаторов на поверхностных акустических волнах (ПАВ) с определенной резонансной частотой f_o, выбранной из условия f_o с/l, где с скорость ПАВ, а l толщина слоя, в котором хотят определить поглощенную дозу. Предлагаемое решение основано на установленной авторами заявки функциональной зависимости сдвига резонансной частоты и некоторых других рабочих характеристик (например, добротности Q и коэффициенте передачи K_и) ПАВ-резонаторов от дозы рентгеновского, гамма- и электронного излучения. При этом поскольку рабочей областью кварцевого пьезоэлемента, формирующей все рабочие параметры ПАВ-резонаторов, является приповерхностный слой глубиной порядка рабочей длины поверхностной волны, то и изменение рабочих характеристик (f_o, Q, K_и и др.) в результате облучения определяется радиационными изменениями, происходящими в этом рабочем слоем, т. е. дозой ионизирующего излучения, поглощенной в нем. Таким образом, рабочая частота резонатора определяет глубину дозиметрически контролируемого слоя вещества (глубина слоя ≈ 1/f_o).

В случае регистрации рентгеновского и гамма-излучения в состав пьезокварца (чувствительного элемента детектора) должны входить ионы Al⁺³ и щелочных металлов (например, Na⁺, Li⁺), В этом случае воздействие ионизирующего излучения вызывает радиационно-стимулиpованную диффузию щелочных ионов-компенсаторов, что способствует перестройке имеющихся в кварце электронно-дырочных центров в приповерхностном слое кристалла. Изменение зарядового состояния центров приводит к изменению упругих констант пьезокварца, вызывая тем самым изменение резонансной частоты и других рабочих характеристик ПАВ-резонатора.

Иной механизм изменения рабочей частоты ПАВ-резонатора действует при облучении высокоэнергетическим корпускулярным излучением, например МэВ-электронами. Воздействие такого типа излучения создает в кварцевой подложке структурные дефекты, концентрация которых определяется дозой облучения. Изменение дефектной структуры приводит к изменению пьезосвойств кварца и, как следствие, к изменению рабочих характеристик детектора, в частности его резонансной частоты.

Для реализации предложенного решения, исходя из потребности в дозиметрическом контроле поверхностного слоя определенной толщины l, выбирают ПАВ-резонатор с резонансной частотой f_o c/l, где с скорость поверхностной акустической волны. По окончании облучения измеряется его резонансная частота . О дозе облучения судят по сдвигу частоты .

Рассматривая преимущества использования для дозиметрического контроля ПАВ-резонаторов по сравнению с резонаторами на ОАВ, выбранными в качестве прототипа, следует отметить, что ПАВ-резонаторы отличает прежде всего более широкий диапазон рабочих частот, более высокая механическая прочность и меньшая вибрационная чувствительность. Перечисленные особенности дают определенные преимущества для технического воплощения заявляемого способа дозиметрии и повышения его чувствительности.

Пример 1. Дозиметрия поглощенной дозы рентгеновского излучения (Е ≈ 30 кэВ).

На рис. 1 приведены дозовые зависимости изменения резонансной частоты при облучении рентгеновским излучением кварцевых ПАВ-резонаторов. Кривая 1 соответствует ПАВ-резонатору (f_o 375 МГц), пьезопластина которого изготовлена из электроочищенного кварца (отсутствуют примеси щелочных металлов), а кривая 2 резонатору (f_o 400 МГц), изготовленному из кварцевого сырья, содержащего ионы Al и щелочных металлов.

Из рисунка видно, в случае применения неэлектроочищенного пьезокварца в диапазоне дозы 0 2•10⁴ Гр наблюдается линейная зависимость сдвига частоты Δf_o от дозы облучения. В то время как при использовании электроочищенного кварца изменение резонансной частоты в исследуемом диапазоне доз практически не наблюдается, что объясняется отсутствием радиационно-стимулированной диффузии щелочных ионов и перестройки существующих электронно-дырочных центров. Новые радиационные дефекты в кварце при воздействии рентгеновского излучения не возникают. Сравнение кривых 1 и 2 показывает также, что возможно варьирование чувствительности (Δ(Δf_o/ΔD) предлагаемых дозиметров на ПАВ-резонаторах путем регулирования количества примесей.

Пример 2. Дозиметрия поглощенной дозы γ-излучения (E ≈ 2,5 МэВ).

На рис. 2 приведены дозовые зависимости сдвига резонансной частоты при g-облучении в диапазоне 0 1,5•10⁷ Гр двух различных типов ПАВ-резонаторов: кривая 1 изготовлен из электроочищенного кварца, f_o 617 МГц; кривая 2 изготовлен из неэлектроочищенного кварца f_o 400 МГц. Испытанные резонаторы также имеют существенно различный характер зависимости Df_o-Dγ. У резонатора из электроочищенного кварца частоты незначительно уменьшается в интервале доз до 10⁴ и практически не изменяется при дальнейшем увеличении гамма-дозы. В отличие от этого резонансная частота ПАВ-резонатора с f_o 400 МГц существенно изменяется во всем исследуемом диапазоне доз: наблюдается линейная зависимость сдвига частоты Δf_o от дозы Dγ.

Пример 3. Дозиметрия электронных потоков.

На рис. 3 представлены дозовые зависимости изменения резонансной частоты (Df_o), добротности (ΔQ) и коэффициента передачи (ΔK_и) ПАВ-резонатора (f_o 617 МГц, электроочищенный кварц) при облучении высокоэнергетическими (10 МэВ) электронами в диапазоне 10¹³ 5•10¹⁶ эл•см^-2. Связь флюэнса электронов Ф и сдвига резонансной частоты (рис. 3, кривая 1) может быть описана линейной зависимостью. Зависимость ΔQ-Ф и ΔK_и-Ф имеют более сложный характер (рис. 3, кривые 1 и 3 соответственно) и стремятся к насыщению при дозе 5•10¹⁶ эл•см^-2.

Таким образом, приведенные примеры показывают, что изменение при облучении таких рабочих характеристик ПАВ-резонаторов, как резонансная частота, добpотность и коэффициент передачи, определяется дозой облучения и может быть использовано в дозиметрии электромагнитных и корпускулярных излучений, как для измерения радиационных потоков, так и для оценки дозы, поглощенной в поверхностных слоях облучаемых объектов. При этом использование в качестве детекторов ПАВ-резонаторов дает возможность регистрации и оценки дозы непроникающих, короткопробежных излучений (например, мягкого рентгеновского излучения), поскольку толщина поверхностного слоя пьезоэлемента, чувствительного к воздействию такого излучения, соизмерима с длиной поверхностной акустической волны, т. е. слой, в котором происходит поглощение энергии излучения, и является ответственным за формирование таких рабочих характеристик ПАВ-резонаторов как f_o, Q и K_и. В то же время совместное применение детекторов на объемных и ПАВ-резонаторах в смешанных полях излучений позволит разделить дозы проникающих (резонатор на объемных акустических волнах) и непроникающих короткопробежных излучений (ПАВ-резонатор).

Кроме того, преимуществом предлагаемого способа является возможность регулирования глубины дозиметрически контролируемого слоя подбором резонатора с определенной резонансной частотой. Следует также отметить, что расширения дозиметрических возможностей ПАВ-резонаторов (тканеэквивалентность, регулирование чувствительности, варьирование толщины дозиметрически контролируемого слоя и др.) можно добиться применением в качестве пьезоактивного элемента различных пьезоэлектрических материалов (сегнетоэлектрических кристаллов, поляризованной керамики, пленочных пьезоэлектриков и др.), а также использованием различных кристаллографических срезов пьезоэлектрических монокристаллов.

Использование: дозиметрия электромагнитных и коpпускулярных излучений (в т. ч. индивидуальная дозиметрия). Сущность изобретения: в качестве детектора излучений предложено использовать пьезоэлектрические резонаторы на поверхностных акустических волнах, сдвиг резонансной частоты которых определяется дозой облучения. При этом выбор конкретного типа резонатора и, соответственно, исходной резонансной частоты определяет толщину чувствительного к излучению слоя. Изобретение позволяет оценить дозу, поглощенную в поверхностных слоях облучаемых объектов, варьировать толщины поверхностного слоя, чувствительного к излучению, осуществлять дозиметрию короткопробежных излучений. 1 с. и 2 з. п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ дозиметрии гамма-, рентгеновского излучений и электронных потоков, включающий использование в качестве детектора пьезоэлектрического резонатора, по сдвигу частоты которого определяют дозу, отличающийся тем, что в качестве резонатора используют резонатор на поверхностных акустических волнах (ПАВ-резонатор) с рабочей частотой, определяемой из соотношения
f_o c/l,
где f_o рабочая частота, Гц;
c скорость поверхностной акустической волны, м/с;
l толщина слоя, в котором измеряется поглощенная доза, м. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для выделения корпускулярной компоненты смешанных радиационных потоков используют ПАВ-резонатор с пьезоэлементом из электроочищенного кварца. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что для регистрации электромагнитного излучения используют ПАВ-резонатор с пьезоэлементом, изготовленным из кварца, содержащего примеси Al и/или щелочных металлов.