Люминесцентный дозиметр для индивидуальной дозиметрии ионизирующего излучения Советский патент 1993 года по МПК G01T1/11 

Изобретение относится к области дозиметрии ионизирующего излучения, а именно - к люминесцентной индивидуальной дозиметрии для контроля хронического и острого облучения персонала, работающего с источниками ионизирующего излучения.

В соответствии с медико-биологическими требованиями в индивидуальной дозиметрии персонала при работе с

источниками ионизирующего излучения диапазон доз должен перекрывать более, чем 6 порядков: от рад при контроле хронического облучения до (3-5) х 103 рад и более при контроле острых облучений. При этом потери дозиметрической информации (фединг) за 1-6 месяцев не должны превышать 10%.

Для решения задач индивидуальной дозиметрии фотонного излучения наиболее

со

широко используют термолюминесцентные дозиметры 1. Основные узлы таких дозиметров: детектор на основе термолюминофора, блок стимуляции, фотоприемник и измерительный блок, Принцип работы дозиметра состоит в следующем. В процессе об- лучения термолюминофор запасает информацию в виде светосуммы, освобождение которой осуществляют за счет термической стимул .. Возникающая термостимулированная люминесценция пропорциональна дозе облучения. Световой поток регистрируют фотоприемником (как правило, ф.э.у.), выходной сигнал которого с помощью аналого-цифрового преобразователя,микропроцессора, самопишущего потенциометра или другого аналогичного устройства может быть представлен в любой приемлемой форме индикации в единицах экспоненционной, поглощенной или эквивалентной дозы.

Известен дозиметр ИЛКг{2. Это - первый люминесцентный (и, вероятно, единственный фотостимулированный} дозиметр для индивидуальной дозиметрии ионизирующего излучения. Он выбран.нами за прототип, т.к. совпадает с предлагаемым изобретением по основным признакам и по назначению;. ./

Дозиметр ИЛК включает детектор, блок стимуляции, фотоприемник и измерительный блок.

Детектор выполнен на основе вспышеч- ного люминофора SrS:Eu,Sm. (Это - прессованная таблетка диаметром 16 мм и толщиной 1,5 мм, запаянная в стеклянную оболочку, которая, в свою очередь, упакована в алюминиевый контейнер со съемной крышкой. Энергетическая зависимость чувствительности люминофора SrS:Eu, Sm очень большая: при 110 кэВ чувствительность в 40 раз выше, чем при Со. Поэтому детектор помещается в фильтр-корпус из свинца толщиной 1,3 мм. Вес детектора 40 г.

Блок стимуляции состоит из лампы накаливания, ИК-фильтра и набора ослабляющих нейтральных фильтров.

Фотоприемником вспышки является ф.э.у. Измерение дозы осуществляется по максимальному отклонению стрелочного прибора, установленного на выходе электрометра, связанного с ф.э.у.

Диапазон измерения экспозиционной дозы 5-10 3-103Р.

Фединг люминофора, используемого в этом дозиметре, наименьший по сравнению с другими известными вспышечными ИК- люминофорами. Тем не менее он составляет 20% за 12 дней хранения облученного образца. Этот недостаток усугубляется зависимостью фединга от дозы.

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

Высвечивание с целью подготовки детектора к повторному применению осуществляется в термостате при температуре 300°С в течение 2 часов. Однако даже высвеченный таким образом образец после хранения в темноте в течение 2-3 суток частично восстанавливает способность вспыхивать под действием ИК-света. Это свидетельствует о перекачке носителей с очень глубоких ловушек на рабочие уровни и вносит дополнительную ошибку в измерение дозы.

Показано, что кратность считывания информации с облученного детектора невелика: 2-3 раза и то лишь для доз больше 0,5Р. Это объясняется тем, что за время изменения (около 0,5 мин) лишь при слабой интеи .сивности ИК-стимуляции может, высвечиваться небольшая часть светосуммы, и повторная информация может быть близка к первоначальной. Но это не применимо при измерении малых доз, т.к. чувствительность дозиметра становится .. недостаточной.

К сожалению, при очевидных достоинствах (и недостатках, вполне объяснимых, учитывая выбор ИК-стимулированного люминофора и уровень развития техники того времени, когда работа 2 проводилась) метод фотостимулированной люминесцентной дозиметрии не получил развития.

Основной задачей изобретения является разработка люминесцентного дозиметра с характеристиками, соответствующими медико-биологическим требованиям при контроле хронического и острого облучения персонала, работающего с источниками ионизирующего излучения, с возможностью многократного считывания информации о дозе с помощью однократно облученного чувствительного, элемента детектора.

На фиг. 1 приведена блок-схема дозиметра, где: блок стимуляции 1, детектор с чувствительным элементом 2, фотоприемник 3, измерительный блок 4; на фиг. 2 - спектральные характеристики люминофора Саа-х-у BsOgChxEu, yLi и полупроводникового лазера на основе GaP, где: спектр стимуляции люминофора 5, спектр стимулированной (и спонтанной) люминесценции люминофора 6, спектральная характеристика лазера 7, спектр возбуждения спонтанной люминесценции люминофора 8; на фиг. 3 кривая термовысвечивания люминофора Ca2-x-yB509CI:xEu, .

Из рассмотрения свойств термолюминесцентных дозиметров ясно, что для решения поставленной задачи метод термостимулированной люминесценции не пригоден, причем, основная причина заключается именно в термическом воздействии на чувствительный элемент детектора этих

дозиметров. Следовательно, необходимо, прежде всего, использовать иной способ стимуляции. Таким альтернативным способом является оптическая (фото-)стимуляция, т.е. высвечивание запасенной светосуммы (освобождение заполненных основных уровней захвата) светом.

Таким образом, решение поставленной задачи может быть достигнуто при использовании чувствительного элемента детектора на основе люминофора с оптической стимуляцией в видимой и ближней УФ-об- ласти спектра, т.е. с энергетической глубиной ловушек 2-5 эВ.

На стабильность параметров чувствительных элементов термолюминесцентных дозиметров оказывает влияние не столько нагрев во время считывания (это, как правило, кратковременное воздействие с максимальной температурой около 300°С) сколько их межцикловая термообработка (это значительно более длительная и высокотемпературная процедура). И в дозиметре ИЛК используется межцикловая термообработка. Более того, не только воздействие ИК-светом, но даже термообработка, предложенная в работе 2,. как выяснили авторы этой работы, не дают полного стирания запасенной информации, что приводит к неопределенности измеренного значения дозы при повторном использовании чувствительного элемента. Как было отмечено, причиной этого является наличие очень глубоких ловушек, которые не освобождаются полностью в процессе межцикловой обработки.

Таким образом, с этой точки зрения необходимо применять люминофор-основу чувствительного элемента с возможностью полного оптического девозбуждения. Под полым девозбуждением мы подразумеваем такое стирание запасенной информации, которое обеспечивает наличие остаточной светосуммы, эквивалентной дозе не более 10 рад, при измерении дозы с помощью элемента, подвергшегося девозбуждению и хранившегося в темноте при комнатной температуре в условиях, исключающих его облучение в течение трех суток. Возможность полного оптического девозбуждения имеется либо у люминофоров без сверхглубоких уровней захвата, что практически не реально, либо если имеющиеся сверхглубокие уровни эффективно освобождаются под действием света видимой области спектра, либо при малом значении кинетического фактора, т.е. малого значения отношения вероятности захвата к вероятности рекомбинации.

Очевидно, что стирание информации может быть осуществлено с помощью какого-либо специального отдельного устройства с источником видимого света или под действием рассеянного дневного света, но с практической точки зрения наиболее удобно, чтобы возбуждение осуществлялось тем

же источником, который используется для стимуляции, в той же геометрии, что и при измерении дозы. Уровень люминесценции, эквивалентной дозе не более 10 рад, от чувствительного элемента, подготовленноQ го к повторному применению, обеспечивает дополнительную погрешность измерения минимальной детектируемой дозы, не превышающую 10%.

Линейность зависимости интенсивноt- сти стимулированной люминесценции от дозы в диапазоне 10 3-104 рад обусловлена медико-биологическими требованиями, предъявленными к индивидуальным дозиметрам. С точки зрения возможности детекQ тирования малых доз и, в частности, обеспечения нижнего предела дозы 10 рад, именно фотостимуляция способна обеспечить высокое отношение сигнал:шум. Физическая причина, обусловливающая это достоинство, заключается в том, что началь5 мая интенсивность фотостимулированной люминесценции строго пропорциональна интенсивности стимулирующего света, а высокая интенсивность последнего легко достигается импульсной фотостимуляцией.

0 При фотостимуляции ограничением интенсивности стимулирующего света сверху является либо разогрев люминофора до температуры, способной термически освобождать носители с рабочих уровней захва5 та, либо индуцирование нелинейных (например, двухквантовых) переходов, но оба эти ограничения не актуальны для предлагаемого люминесцентного дозиметра при используемых коротких и маломощных имQ пульсов стимулирующего света. Возможность детектирования больших доз вплоть до 10 рад обеспечивается отсутствием при этих дозах насыщения дозовой характеристики применяемого люминофора.

В дополнение к рассмотренному выше влиянию сверхглубоких ловушек на возможность полного девозбуждения чувствительного элемента, отметим, что и с точки зрения линейности дозовой характеристики наличие сверхглубоких ловушек нежела0 тельно, т.к. они могут отсасывать носители, освобождаемые во время считывания с рабочих уровней, что может уменьшать интенсивность люминесценции, а главное - может вызывать нелинейность.

5 Фединг не более 10% за месяц хранения при комнатной температуре также обусловлен медико-биологическими требованиями. предъявляемыми к индивидуальным дозиметрам. Малый фединг практически означает, что рабочие уровни захвата термически

5

устойчивы и что более мелкие ловушки не влияют на интенсивность и кинетику фото- стимулированной люминесценции. Первое условие обеспечивается достаточно большой (Ј 2 эВ) энергетической глубиной рабо- чих уровней захвата в используемом люминофоре. Второе условие может быть выполнено лишь при отсутствии мелких уровней. Реальное влияние мелких ловушек в фотостимулированной люминесцентной дозиметрии можно назвать ложным федингом, который проявляется в том, что измеренное значение дозы в первый момент после облучения больше истинного и падает со временем до тех пор, пока не достигнет истинного значения.

Опыт показывает, что фотостимулируе- мый люминофор, у которого интенсивность люминесценции от мелких и сверхглубоких ловушек составляет не более 5-10% от всей светосуммы (метод контроля - измерение кривой термовысвечивания люминофора) -при соблюдении других рассмотренных ус- ловий, способен обеспечить фединг не более 10% за месяц хранения, а также ранее обсуждаемые свойства: линейность дозо- вой характеристики и возможность полного оптического девозбуждения.

Блок стимуляции, генерирующий световые импульсы в видимой области, обеспечивает высокую интенсивность стимуляции и, следовательно, высокую интенсивность стимулированной люминесценции, поскольку, как отмечено ранее, вторая прямо пропорциональна первой. Длительность импульса стимуляции ограничена снизу значением времени жизни центра люминесценции, причем, технический предел времени измерения практически совпадает с физическим пределом, который в зависимости от природы центра .составляет 10-10 с для известных люминофоров. Верхний предел длительности импульса стимуляции не может быть однозначно определен. Реально при измерении дозы осуществляется

усреднение результата по нескольким соседним импульсам стимулированной люминесценции с условием, что каждое п 1 -ое измерение отличается от измерения на величину, много меньшую основной погрешности метода.

Основой блока стимуляции является полупроводниковый лазер. Это ограничение связано, прежде всего, с тем, что именно при использовании полупроводникового лазера мо.жно не принимать в расчет излуче- ние 2ой и более высоких гармоник, т.е. излучения, которое может вызывать спонтанную люминесценцию люминофора и тем самым может увеличить фон нерадиционно- го происхождения.

Q ,-

5

0 5 Q

5

0

5

Требования, предъявляемые к спектральной характеристике лазера, объясняется, с одной стороны, необходимостью соответствия спектра излучения лазера спе ктру стимуляции люминофора, т.е. лазер должен излучать в видимой области, и его спектр излучения должен перекрываться с полосой спектра стимуляции люминофора. Чем больше соответствие этих спектральных полос, тем выше эффективность стимуляции. С другой стороны, перекрытие спектра излучения лазера (т.е. реального стимулирующего излучения) с полосой стимулированной люминесценции люминофора должно быть минимальным для минимизации фонового сигнала от рассеянного лазерного излучения. Поэтому введено ограничение: степень перекрытия спектральной характеристики лазера с полосой стимулированной люминесценции люминофора должна обеспечить излучение, эквивалентное дозе не более рад, т.е. на уровне, не превышающем 10% от значения минимальной измеряемой дозы.

Для удовлетворения требований, предъявляемых к чувствительному элементу люминесцентного дозиметра, нами синтезирован люминофор Caz-x-yBsOgCI: хЁи, yLi, где величины х и у удовлетворяют следующим условиям: х 5-10 , у , со следующими основными свойствами:

1)Люминофор обладает способностью к оптической стимуляции, более конкретно: к стимуляции светом видимой области спектра. Облученный ионизирующим излучением чувствительный элемент на основе этого люминофора имеет спектр стимуляции в виде широкой полосы с максимумом при 550 нм (кривая 5 фиг, 2).

2)Спектр стимулированной люминесценции люминофора расположен в видимой области. Освещение облученного чувствительного элемента светом в пределах полосы спектра стимуляции вызывает стимулированную люминесценцию с максимумом при 430 нм (кривая 6 фиг. 2).

3)Люминофор обладает способностью к полному оптическому девозбуждению. Освещение облученного чувствительного элемента стимулирующим светом способно стереть запасенную информацию до уровня, эквивалентного дозе 10 рад. Экспериментально установлено, что этот уровень сохраняется и после выдержки девозбуж- денного элемента в течение 1-3 суток в свинцовом домике с толщиной стенок 20 см.

4)Люминофор имеет линейную зависимость интенсивности стимулированной люминесценции от дозы в диапазоне 10Ј3-104 рад.

5)Потери дозиметрической информации при хранении облученного чувствительного элемента в темноте при комнатной температуре не более 10% за месяц.

6)Кривая термовысвечивания люминофора имеет основной пик (соответствующий рабочим ловушкам) при 250°С и 2 дополнительных пика при 90°С (соответствующий мелким ловушкам) и при 300°С (соответствующий глубоким ловушкам); суммарная све- тосумма в дополнительных пиках не превышает 10% от общей светосуммы (фиг.

3).

7)Время жизни центра люминесценции люминофора 10 с.

Для удовлетворения требований, предъявляемых к блоку стимуляции, выбран блок стимуляции с генерированием излучения с длительностью импульса не менее 1 мкс на основе полупроводникового фосфи- догэллиевого лазера со следующими основными свойствами:

1)Спектр излучения лазера - узкая полоса в видимой области с максимумом при 566 нм (кривая 7 фиг. 2); эта полоса полностью располагается внутри полосы спектра стимуляции люминофора Ca2-x-yB50gCI:xEu,

VLI.

2)Лазер способен обеспечить мощность излучения влмпульсе не менее 1 мВт.

3)Спектральная характеристика лазера (кривая 7 фиг. 2) в малой степени перекрывается с полосой стимулированной люминесценции (кривая б фиг. 2). Экспериментально установлено, что такая степень перекрытия обеспечивает фоновый сигнал, эквивалентный дозе не более 10 рад.

4)В излучении лазера отсутствует вторая гармоника. В случае значимого излучения второй гармоники, его максимум при 283 нм располагался бы внутри полосы спектра возбуждения спонтанной люминесценции люминофора (кривая 8 фиг. 2), а, т.к. спектр спонтанной люминесценции совпадает со спектром стимулированной люми- несценции (кривая 6 фиг. 2), отделить первый от второго невозможно.

Кроме того в заявляемом дозиметре достигается постоянство характеристик детектора при многократном его использовании за счет отказа от термического воздействия на чувствительный элемент в процессе считывания и межцикловой обработки. Также в качестве чувствительного элемента может быть использован широкий круг материалов на основе сочетания неорганических и органических веществ.

Пример конкретной реализации. Люминесцентный дозиметр для индивидуальной дозиметрии ионизирующего излуче- ния состоит из детектора 2, блока

стимуляции 1 фотоприемника 3 и измерительного блока 4.

Детектор представляет собой светозащит- ную кассету с чувствительным элементом. Кассета выполнена из тканеэквивалентного пластика и имеет гнездо для чувствительного элемента. Съемная крышка кассеты выполнена из того же пластика толщиной 1 г/см2. Чувствительный элемент-прессован4) ная таблетка из люминофора Cai.996B509CI:0,003Eu, 0,001 Li. Размеры таблетки: диаметр 5 мм, толщина 1 мм.

Блок стимуляции состоит из полупроводникового фосфидогаллиевого лазера, ис,- точника питания лазера, светофильтра, ОС-13 и генератора прямоугольных импульсов Г5-54. Блок стимуляции обеспечивает регулируемую мощность в импульсе 1-10 мВт с длительностью с, а также возможность непрерывного излучения лазера.

Фотоприемник - ФЭУ-85 с питанием от стабилизированного источника БНВ-95 предназначен для детектирования фотости- мулированной люминесценции. Фотоприемник расположен в темновой камере,

5 перед его фотокатодом размещен комбинированный светофильтр СЗС-22 и ФС-7 и затвор.

Измерительный блок состоит из усилителя постоянного тока УПТ, источника его

0 питания и интегратора И-02. Дополнительно измерительный блок может включать аналого-цифровой преобразователь и пересчетный прибор ПС02-5. Регистрирующие приборы измерительного блока откалибро5 ваны в единицах поглощенной дозы (рад).

Устройство работает следующим образом. Кассету с необлученными или полностью высвеченным чувствительным элементом вставляют в темновую камеру,

Q при этом съемная крышка кассеты сдвигается в сторону. Включают источники питания лазера, ф.э.у. и измерительного блока. Через 15 минут открывают затвор ф.э.у. и измеряют фоновое значение (),

г. обусловленное темновым током ф.э.у., рассеянным излучением от лазера и остаточным сигналом чувствительного элемента. Если чувствительный элемент действительно полностью девозбужден и отсутствуют какие-либо неисправности, то значение

0 не превышает (1-2) х рад.

Закрывают затвор ф.э.у., выключают источник питания лазера и вынимают кассету из темновой камеры, при этом съемная 5 крышка кассеты механически становится на свое место, закрывая чувствительный элемент.

Облучают детектор от контрольного источника Cs дозой, например, рад. Затем снова вставляют кассету в темновую

камеру, включают источник питания лазера и регистрируют начальное показание интегратора (Dc).

Значение дозы облучения (D) определяют из выражения:

О Dc-Оф .

Для подготовки к повторному применению детектора выдерживают этот режим стимуляции (для стирания информации) до спада показания интегратора до значения (1-2) х 10 рад, что свидетельствует о полном девозбуждении чувствительного элемента.

Как отмечено выше, регистрирующие приборы измерительного блока откалибро- ваны в радах, В процессе калибровки детекторы последовательно облучали дозами 1 х х10п и 3 х 10П рад, где п -значения -3, -2 и т.д.. вплоть до +4. При этом никакого отклонения от линейности зависимости показаний от дозы не обнаружено.

Для определения сохраняемости запасенной информации о дозе 6 партий детекторов были облучены дозой 1 рад. Через 3 часа после облучения осуществляли стимуляцию одиночным импульсом лазерного излучения (с запуском через Г5-54) в режиме с, 1 мВт и регистрировали значение дозы. Затем проводили стирание информации с контролем значения Оф не более 2 х 10 рад и снова облучали все 6 партий детекторов дозой 1 рад, Все эти облученные партии помещали в свинцовую защиту, исключающую случайное дополнительное облучение детекторов и хранили при комнатной температуре. Через каждые 5 суток одну из партий извлекали из свинцовой защиты и измеряли, как описано ранее. Сравнение результатов измерений до и после выдержки показало, что фединг по всем партиям не превышает 10%.

В обычной дозиметрической практике персонал, которому выдаются детекторы, работает, как правило, в радиационных полях, характеризующихся непостоянной мощностью дозы. Поэтому реальные значения поглощенной дозы могут значительно отличаться даже для персонала одной контролируемой группы. Если у оператора, про- изводящего измерения, возникают сомнения относительно степени достоверности зарегистрированного значения дозы, либо имеются другие причины: неисправность оборудования, сбои в электропитании и т.п., информация о дозе может быть считана многократно. Например, при дозе 1 рад стимуляция пятью последовательными импульсами длительностью 10 с при мощности 1 мВт дает практически одинаковые результаты: доза, регистрируемая в пятом

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

импульсе, отличается от дозы, регистрируемой в первом, не более, чем на 2%.

Таким образом, заявляемый люминесцентный дозиметр для индивидуальной дозиметрии ионизирующего излучения имеет характеристики, соответствующие медико-биологическим требованиям, предъявляемым к устройствам для контроля хронического и острого облучения персонала, работающего с источниками ионизирующего излучения.

Использование оптической стимуляции в видимой области спектра и оптически стимулированной люминесценции обеспечь - л- ет: возможность многократного считывания информации с одного облученного чувствительного элемента, простоту и надежность получения информации, простоту и экспрес- сность межцикловой обработки чувствительного элемента, постоянство свойств чувствительного элемента при многократном его применении, высокую точность измерения дозы, возможность получения высокого отношения сигнал:шум.

Кроме того, имеется возможность создания миниатюрного считывающего устройства с малой потребляемой мощностью (за счет использования малогабаритных полупроводниковых лазеров, миниатюрных источников питания и т.п.), а также широкие конструктореко-технологические возможности при разработке чувствительных элементов (они могут быть выполнены практически без ограничений по площади, толщине, конфигурации, по степени консолидации поликристаллов, по включению в их состав материалов, в том числе и органических).

Помимо основного назначения, заявляемый люминесцентный дозиметр может найти применение в дозиметрии окружающей среды, в клинической дозиметрии и в других видах радиационного контроля. Формула изобретения 1. Люминесцентный дозиметр для индивидуальной дозиметрии ионизирующего излучения, содержащий детектор с чувствительным элементом, блок стимуляции, фотоприемник и измерительный блок, отличающийся тем, что чувствительный элемент выполнен на основе люминофора со спектром стимуляции в видимой области, обладающего способностью оптического девозбуждения до уровня, эквивалентного 10 рад, блок стимуляции выполнен на основе импульсного полупроводникового лазера с энергией фотонов излучения, обеспечивающей оптическую ионизацию

основных центров захвата люминофора, с длительностью импульсов не менее времени жизни центра люминесценции люминофора, а степень перекрытия спектральной характеристики лазера с полосой стимулированной люминесценции люминофора характеризуется величиной, эквивалентной дозе не более 10 рад.

2. Дозиметр поп. 1,отличающий- с я тем, что в качестве люминофора использован Са2-х-уВбО9С :хЕи, yLI, где величины х

и у удовлетворяют условиям 510 , у .

,-5

х 5х

3.Дозиметр по п. 1,отличающий- с я тем, что в качестве люминофора использован Згг-гВбОэВггРЬ где величина z удовлетворяет условию 10 г .

4.Дозиметр по п. 1,отличающий- с я тем, что в качестве лазера использован

лазер на основе фосфида галлия с мощностью излучения не менее 1 мВт.

Использование: в области дозиметрии ионизирующего излучения, а именно - в люминесцентной индивидуальной дозиметрии для контроля хронического и острого облучения персонала, работающего с источниками ионизирующего излучения. Сущность изобретения: люминесцентный дозиметр содержит детектор с чувствительным элементом, блок стимуляции, фотоприемник и измерительный блок. Новым в указанном дозиметре является то, что чувствительный элемент детектора выполнен на основе люминофора со спектром стимуляции в видимой области, обладающего способностью оптического девозбуждения до уровня, эквивалентного дозе не более 10 рад, с линейной зависимостью интенсивности стимулированной люминесценции от дозы в диапазоне 10 - 10 рад и, с федингом не более 10 проц. за месяц хранения при комнатной температуре, блок стимуляции, генерирующий световые импульсы в видимой области с длительностью не менее времени жизни центра люминесценции упомянутого люминофора, выполнен на основе полупроводникового лазера со спектром излучения, перекрывающимся с полосой спектра стимуляций люминофора, а перекрытие спектральной характеристики лазера с полосой стимулированной люминесценции люминофора вызывает получение, эквивалентное дозе не более рад. 3 з.п. ф-лы, 3 ил. сл с ш со о о СО

9.1

Zoo

5оо

Чоо Гсч

Д

,г

оо

ч

Длк«/л Волны / НМ

too ZooЗоо

Температура- С 7V2 5