Детектор ионизирующего излучения Советский патент 1980 года по МПК G01T1/11 

(54) ДЕТЕКТОР ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ

1

Изобретение относится к технике иэмерения параметров ионизирующего излучения, в частности к индивидуальной дозиметрии рентгеновского, гамма и нейтронного излучений и предназначено для регистрации поглощенных доз рентгеновского, гамма-излучения и потоков нейтронов в промышленности, медицине, радиобиологии и различных физических экспериментах с использованием источников ионизирующего излучения.

Известны детекторы на основе люминофоров для термолюминесцентной дозиметрии (ТДЦ). Принцип работы таких детекторов состоит в том, что аккумулированная в люминофоре в виде захваченных на дефектах электронов и дырок энергия ионизирующего излучения преобразуется при нагревании в энергию люминесценции. ТЛД - детекторы имеют малые габариты и вес, работоспособны в широком диапазоне доз 1 .

Большинство используемых для регистрации рентгеновского и гамма-излучений ТЛДдетекторов, например, на основе CaS04,CaFj LiF, , MgFj, MgiSiOn, SrS, SrS04 ,

BaSO4, в той или иной степени удовлетворяют требованиям высокой чувствительности к рентгеновскому и гамма-излучению и длительной сохраняемости дозиметрической информации. Высвечиваемая каждым из таких детекторов светосумма характеризует дозу, поглощенную материалом детектора. Однако, для решения большинства дозиметрических задач требуется определить дозу, поглощенную не детектором, а конкретным объе том облучения, например мягкой биологической тканью,костной тканью и т.п. Для этого необходимо, чтобы детектор имел регламентированную зависимость чувствительности от энергии рентгеновского или гамма-излу гения, т.е. энергетическая зависимость чувствительности должна быть аналогична энергетической зависимости массового коэффициента поглощения энергии излучения объектом облучения. Например, для определения доз, поглощенных мягкой биологической тканью, необходимо обеспечить тканеэквивалентность детектора, что, в частности, достигается близостью эффективных атомных номеров материала детектора и мягкой биологической ткани. В настоящее время в ТЛД используется крайд не ограничет1ый крут материалов для тканеэквивалентных детекторов, что связано, прежде всего, с ограниченнь1М B&i6opoM тканеэквивалентных неорганических основ и удачных их активаторов. Так, из перечисленных выше материалов лишь люминофоры на основе LiF, Li; 84 07 и ВеО имеют эффективные атомные номера, близкие к ткани. Однако, эти люминофоры имеют невысокую чувс1витедьность, а наиболее популярные из них LiF и Li2B407 имеют нелинейную дозовую зависимость. .. . ....,,, . В отлжше от ТЛД-детекторов в Широко известных сцинтиллядионных детекторах успеш но Используются как оргааические, так и неорганические материалы, с помощью, которых могут быть .решены многие задачи регламентированной регистрации различных видов и различнь Х энергий ионизирующего излучения 2. Однако, большие габариты и вес не позволяют применять сцишилляционные дозиметры для индивидуальной, клинической дозиметрии и во многих экспериментах. Применение же органических материалов в ТЛД, как правило, невозможно из-за неустойчивости их люминесцентных свойств к температурному воздействию.. 11аиболее близким является детектор ионизирующего излуче{шя на основе люминофора, например, CaFj : (фтористый кальций акт вированный марганцем 3. Эти детекторы имеют высокую чувствительность к рентгеновскому и гамма-излучению, удобный для с№гывайия спектр термотоминес Ценции, линейную в широком диапазоне зависи мость вь.1хода термолюминесцендии от дЬзы излучения я способны длительно сохранять запасенную светосумму. Основным недостатком детектора на основе Сар2 : Win является невозможность регламенти рованной регистрации ионизирующего излучения различных видов и различньк энергий, что связано со следующим. 1. Сар2 : Мп (как и больш1ШС1ВО неорганических материалов) имеет большую энергети ческую зависимость чувствительности (большой , ход с жесткостью). Это приводит к тому, что при постоянном значении экспозипдонной дозы рентгеновского и гамма-излучения показания детектора сильно зависят от спектра рентгеновского и гамма-излучения. Так- чувствительность Сар2 : Йп к излучению с эйе,ргйей, равной 30 кэВ, в 15 раз вьппе, чем и . излучению с энергией равной 1,25 МэВ. Этот ход с жесткостью может быть частично скорректирован с помощью металлических фильтров, поглощающих низкоэнергетиескую область спектра фотонного излучения. Однако, такой способ имеет серьезные недостатки: увеличение габаритов, веса, стоиости детектора, уменьшение нижнего предела регистр1фуемыхэнергий излучения и налиие угловой зависимости чувствительности. оследнее может быть устранено за счет испольования сферических фильтров, но приводит к ще большему увеличению габаритов, веса и йоимости детектора. 2. CaFj : Ип (как и все люминофорь, в состав которых не входят элементы с высоким сечением захвата тепловых нейтронов) имеет невысокую чувствительность к тепловым нейтронам. 3.CaFj : Мп (как я все йеоргайические люминофоры) имеет очень шзкую чувствительность к быстрым нейтронам. 4.Детектор на основе CaFj : Мп (как и подавляющее большинство ТЛД-детекторов) не позволяет осуществлять избирательное детектирование в смеиганных полях.Кроме того, Д1гтектор на ос1яовё CaFarMn (как и любой ТЛД-детектор) не позволяет осуществить определение качества рентгеновского и гамма-излучения. Цель предлагаемо1Ч) изобретения - получение t регламентированной регистрации излучений различных видов и различных энергий, в частности, получе а1е детекторов, обладающих регпйментированной зависимостью чувствительности от энергии рентгеярвского и гамма-излучешй (Hanpsmepj тканеэквивалентных детекторов), и стзсобных детектировать нейтроны в нейтрошшх и смешанных гамма-нейтронных полях. . Целью изобретения является также получение возможности с помощью одного детектора, кроме информации о дозе рентгеновского и гамма-излучения, определять среднюю энергию сцектра излучения. Поставленная цель достигается тем, что детектор выполнен в виде сочетания сциятиллирующего материала (сцинтиллятора) регистрируемого .излучения с люминофором, обладаюидим спектром вбзбуждения термолюмйиесценции, перекрывающимся со спектром излучения спинтюшято ра.... Регламентированная зависимость чувствительности детектора от энергии рентгеновского и гамма-излуче достигается тем, что в кэ- : чесгве сцинтиллятора испрльзуется материал, обладающий регламентированной зависимостью. световыхода от энергии излучения, а в качестве люминофора - материал, обладаюищй любой энергетической зависимостью выхода tepMOлюлетнесценции, ко имеющий различные пики термовысвечивания при возбуждении ионизирующим излучением и излучением сцинтиллятора. Это дополнительное требование, предъявляемое к люминофору, обусловлено тем, что в случае запасания носителей заряда на одних и тех же уровнях захвата регламентированный отклик детектора может быть получен лишь при большой эффективности передачи энергии от сцинтиллятора к люминофору. В случае же выполнения этого дополнительного требования регламентированный отклик достигается независимо от эффективности передачи энергии, и считывание осуществляется по разным пикам термовысвечивания. Один пик характери зует светосумму, запасенную за счет собствен ноге поглощения люминофором иотазирующего излучения (нерегламентировакный откли а другой - светосумму, запасенную за счет поглощения люминофором излучения сцинтиллятора (регламентированный отклик). Регистрадия доз рентгеновского и гаммаизлучения, поглощенных мягкой биологической тканью. Достигается тем, что в качестве айгатиллятора используется материал, И1иек 1ОДЙ эффективный атомный номер, близкий к эффективному атомному номеру биологи. ческой ткани (тканеэквивалентный сцинтилля тор). Широкие возможности достижения поста Ленной цели с помощью сочетания тканеэквивалентного сцинтиллятора с люми{и фором обусловлены большим выбором органических основ для такого сщ1нтиллятора (антрацен, нафталин, сцинтиллирующие пластмассы и т.д) Эффективная регистранля нейтронов в нейтронных и смещанных гамма-нейтронных пол достигается тем, что в качестве сщгатиллягора используется материал, обладающий эффективным световыходом при воздействия нейтронов той или иной энергетической об: ласти, а в качестве люминофора - материал, имеющий отдельный пик термовысвечивания ; при возбуждешш излучением cцинtиллятopa. Это )Е10полнительное требование, предъявляемое к люлШнофору актуально при избирательном детектированная нейтронов в смешанных гамма-нейтронных полях. Широкие : возмбжности достижения поставленной цели с помощью сочетания нейтронных сцийтйлляторов с люминофором обусловлены как налк чием высокоэффективных сцинтйлляторбв ten ловых нейтронов, таких как 2nS :,Ag,B, так и большим выбором органических водородсодержащих основ для сцинтилляторов быстрых нейтронов. В качестве унийерсального люминофора для предлагаемых детектО ров может использоваться активированный сульфид стронция. Определение качества рентгеновского и гамма-излучений достигается тем, что в каестве сцинтиллятора используется воздухоэквивалентный материал, т.е. материал, име- / ющий близкую к воздуху . энергетическую зависимость массового коэффищ ента поглощения энергии фотонного излучения. К люминофору, работающему в сочетании с таким сцинтиллятором, предъявляется то же дополнительное требование, что и при регламентированной регистрации доз фотонного излучения. В качестве люминофора может использоваться активированный сульфид стронция. На чертеже представлены кривые термовысвечивання (КГБ) люминофора SrS : Sm, Tb:, где I - облученного рентгеновским или гаммаизлучением;II - облученного рентгеновским (или гаммаизлучением или смещанным гамма-нейтронным излучение л) в сочетании со сцинтиллятором; И1 - облуггенного тепловыми хИЛи быстрыми нейтронами в сочетании со спинтиллятором. На представле1тых КГБ: 1 - низкотемпературный пик; 2 - высокотемпературный пик. Для получения тканеэквивалентного детектор рентгеновского и гамма-излз чения выбран комбинированный тканеэквиваленткый сцинтиллятор на основе антрацена. Антрацен может непосредственно выполнять функции тканеэквивалентного материала, однако, его эф- i фективный атомный номер несколько меньще, чем у мягкой биологической ткани, что приводах к некоторой нетканеэквивалентности в низкоэнергетической части спектра фотонного излучения. Для достижения полной тканеэквивалентносги использован известный метод компенсации. Такой материал является эффективным тканеэквивалентным сцинтиллятором: энергетаческая зависимость свето- . выхода аналогична энергетической зависимости массового коэффициента поглощения энергии излучения мягкой биологической тканью. Спектр излучения сцинтиллятора на основе антрацена имеет максимум при 445 им. В качестве люминофора - аккумулятора этого свечения выбран сульфид стронЦйя, активированный самарием и тербием SrS : Sm-Tb. Этот люминофор обладает свойством возбуждения термолюминесценцик как под действием рентгеновского и гамма-излучения, так и под действием излучения выбранного, сцинтиллятора.

Как показано на чертеже, светосумма, запасенная люлшнофором SrStSm, Tb только за счет собственного поглощения ионизирующго излучения, характеризуется, в основном, низкотемпературным пиком IKT&t; Анализ КТВГ показал, что часть светосуммы, запасенной люминофором за счет собственного поглощения ионизирующего излучения (S) и вьюеченной в высокотемпературном пикЪ .2 (ЗгУ является постоянной и равной 6% от части -общей светосуммы, вьквеченной в низкотемпературнсул пике 1 (Si).

При облучении рентгеновским или гаммаизлучением тканеэквивалентного детектора, состоящего из сочетания выбранного сцинтилятора с люминофором SrS : Sm, Tb, последний запасает светосумму, высвечиваемую в виде двух сравниваемых пиков КТВП, из которых низкотемпературный пик 1 характеризует светосумму (S), запасенную за счет собственного поглощения люлтнофором ионизирующего излучения, а высокотеМ пературный пик 2 характеризует, и основном светосумму (Sa), запасенную люминофором за счет энергии, переданной ему тканеэквивалентным сцинтиллятором.

J Исходя из анализа КТВГ, для светосумм S-2 (КТВГГ) справедливо следующее выражение:

Sj - 0,06 S, .(1)

Эксперименты показали, что светосумма 8,как и ожидалось, резко возрастает с уменьшением энергии фотонного излучения

(Е).

Так, при Еу 80 кэв S примерно в 30 раз выше, чем при ,25 Мэв (при постоянной экспозиционной дозе). В то же время при этих условиях Sj незначительно изменяется в щироком диапазоне энергий , следуя энергетической зависимости массового коэффициента поглощения энергии излучения мягкой биологической тканью.

ДХля получения детектора, с помощью которого определяется средняя энергия (качество) рентгеновского и гамма-излучения, выбра комбинированный воздухоэквивалентный сцинтиллятор на основе стильбена (аналогично прведенному в предъщущем примере комбинированному тканеэквивалейтному сцинтиллятору). Спектр излучения сцинтиллятора на основе стильбена имеет максимум при 410 нм.

В качестве люминофора - аккумулятора этого свечения выбран сульфид стронция, активированный самарием и тербием SrS : Sm-Tb.

По аналогии с изложенным в предьщущем примере, при облучении рентгеновским или гамма-излучением детектора, состоящего из

отче ;ания выбранного воздухоэквивалентногь ооштиллятора с люминофором SrS { Sm, Tb, последний запасает светосум(лу, высвечиваемую в ввде двух Сравнимых пиков КТВГ Г,

из которых низкотемпературный пик 1 характеризует светосумму (Sj). запасенную за счет собственного поглощения люминофором ионизирующего излучения, а высокотемпературный пик 2 характеризует, в основном, светосумму

(За), запасенную люлйшофором за счет знергаи, переданной ему воздухозквивалентным сцинтиллятором. Светосумма Зг определяется тем же выражением, что и в примере 1. Поскольку светосумма Si пропорциональна массовому коэффициенту поглощения знерн пга коэффициенту SrS , Sm, Tb /(jU/p )дц SrS I Sm, Tb, a светосумма Sj пропорциональна массовому коэффидаенту поглощения энергии воздухом - )эн.возд.. а зависимость отнощения ( Ip )эн SrS. Sm, Tb (Мр )эн.возд. определяется из общественных выражений или из таблиц, очевидно, что величина отноще{шя Si/Si определяет среднююэнергию рентгеновского и гамма-излучения.

Дня получения детектора тепловых нейтронов выбран высокоэффективный сцинтшшятор тепловых нейтронов - сульфид цинка, активированный серебром с добавлением бора ZnS Ад, В.

Спектр излучения сцинтиллятора ZnS VAg, В имеет максимум при 450 нм.

В качестве люминофора - аккумулятора этого свечения выбран сульфид стронция, актиг вированный самарием и тербием - SrSiSm, Tb.

При облучении тепловыми нейтронами детек. гора, состоящего из сочетания ZnS.Ад,В с люминофором SrS.Sm, Tb, последний запасает светосумму, .вь свечиваемую в виде одного высокотемпературного пика термовысвечивания

(КТВГП). Низкотемпературный пик в этом случае отсутствует, так как собственная чувствительность SrS:Siti, Tb к тепловь1м нейтронам мала, а высокотемпературный пик характеризует светосумму, запасенную люминофором за счет энергии, переданной ему свдштил-; лятором, т.е. характеризует поток тепловь1Х нейтронов.

При облучении этого детектора смешанным (гамма + тепловые нейтроны) излучением люминофор SrS ; Sm, Tb запасает светосумму, вь1свечиваемую в виде двух пиков KTBII, из которых низкотемпературный пик 1 характеризует светосумму (S|), запасенную за счет собственного поглощения люминофором гаммаизлучения, а высокотемпературный пик 2 характеризует, в основном, светосумму (Sj), запасенную люминофором за счет энергии переданной ему сцинтиллятором. Светосумма Sj определяется тем же выражением, что и в примере 1. Тем не менее эта светосумма характеризует поток тепловых нейтронов лишь в случае небольшого гамма-фона, сопровождающего нейтронное излучение, так как сцинтиллятор ZnS . Ад, В чувствителен не только к тепловым Нейтронам, но н к гамма-излучению. В случае большого гаммафона, сопровождающего нейтронное излучение (этот случай cooTBiSTCTByeT условию Sj Sj), поток тепловых нейтро 1ов характеризуется : светосуммой: (. и $2 Sj - 82, тае Sj - светосумма, запасенная люминофором SrS ; Sm, Tb за счет свечения ZnS.Ag,B, обусловленного, в основном, чувствительностью последнего к гамма-излучьййю, и высвечива емая ъ высокотемпературном йике 2. Значени s отноЬительно В, может быть йолучено iq облучении детектора гамма-излучением, при этом в si автоматически входит вели1аша 0,06 S,. , V Для получения детектора быстрьтх йейтрЬ нов выбран СШ1НТИЛЛЯТОР быстрых {{ай1гроаоё, пЬлйстирол с добавками 11-терфенила и Рош, ; ;- - .; :. . ; -;. .:.. Спектр излучения сцинтиллятора имеет мак симум при 390-430 нм. В качестве люминофора-аккумулятора этого свечения выбран сульфид стронция, акщвнрованнь1Й самарием и тербием « SrS/&n, ТЬ При облучении быстрыми нейтрснаш де тектора, состоящего из сочеташш выбранного сцинтиллятора с люминофором SrS.Srn, Tb, последний запасает светосумму, высвечиваемую в виде одного вь1со готемпературного пика термовысвечивакия (КТВ ttl). Низкотемпературный пик в этом случае отсутсйу«т так как собственная чувствительность SrS : :: Sm, Tb к быстрьш нейтронам мала, а высокотемпературный пик характеушзует свето сумму, запасенную люминофором за счет эйф гии, переданной ему сцинтиллятором, т.е. характеризует поток быстрых нейтронов. При облучении детектора смешанным (гамма + быстрые Нейтроны) излучением по аналогии с изложенным в преш 1Дущем примере, поток быстрых нейтронов характери зуется светосуммой $2, определяемой либо выражением (1) при условии Si CS2, либо выражением (2) при условии Sj Sj, поскольку выбранный сцинтиллятор чувствителен не только к быстрым нейтронам, но и к гамма-излу книю. С помощью детекторов, выполненных в виде сочетания сцинтиллятора с люминофором достигается тканеэквивалентность (в то 910 время, как используемый люминофор SrS ; : Sm, Tb нетканеэквивалентен), достигается ВОЗМОЖНОСТЬ определения качества рентгеновского и гамма-излучения (в то время как ни один отдельно взятый ТДЦ-детектор не Позволяет определить качество излучения), достигается ВОЗМОЖНОСТЬ детектирования нейтронов в нейтронных и сК ёшаШйх полях (в то время, как люмвдофор SrS : Sm, Tb практически нечзгвствитйтён к нейтронам). Кроме того, с тюмбщбю детекторов по предлагаемому изобретеийго может быть полутона хорбшая сохранАемость дЬзй(е ричеС кой информации, так как основная информация в , ТЬ содержится в ймсокотемпературном гопсе термознсве«шваго Я, Эффективность регистрации рйзличных ендов и разли«йй1|х э«ергай ионизирующего нзлучения зависит от конструктивных особенностей вьшолнення детектбров к, прежде всего, от способа сочеташя сцинтиллятоfoi с люмиш ором (сплав, езек, механическая смесь мелкодисперных {С()в, (ягшческий контакт между крнетаялом сцинтиллятора н пюмийофором н тд.). Опреде 1яющуго роль в выбЬре со«йтаняя играет химический состав ктяпошегюв н возможность их совмесгаого вагрева в произессе термовысвечиванйя. Тгис, в свучк приме нения в качестве сщттийляторсв оргасшческих материалов, образцы свт1тиялятора я люминофора приводятся в контакт, совместйо облучаются k хранятся, а с«штываш5ш (нагреванию и снятию термояголтнесдаяадаи) подвергается лишь образец люмшюфк Возможность реглйментиро8.аш1ой регистрации ионизирующего излучешм разякгвдых видов и энергнй обусловлена тем, что в детекторах по предлагаемому изобретению осуществляется, по крайней мере, Истичное разделение функвди поглощения энергии ионизирую-щего излучения (эту функцию выполняет сщштаплятор) и функций запасания дозимет{жческой информации (эту функцию выполняет люлогаофор). При этом, в отличке от ТЛД-детекторов, к люминофору не предъявляется требований ни в отношении регламентированного поглощения ионизирующего излучения, ни в отношении эффективности запасания свётосуммы под действием этого излучения. Формулаизобретения 1. Детектор ионизирующего излучения на основе люминофора, отяичающийс я тем, что, с целью регламентированной

регистрации излучений различных видов, он выполнен в виде сочетания сцинтиллятора регистрируемого излучения с люминофором, обладающим спектром возбуждения термолюминесцешдаи, перекрывающимся со спектром излучения сцинтиллятора,

и гамма-излучения в качестве сцинтиллятора выбран материал, обладающий рептаментирошнной зависимостью световыхода от энергии рентгеновского и гамма-излучення, а в качестве люминофора - материал, имеюидай разточные пики термовысвечивания при возбукдеНИИ ионизирующим излучением и излучением сцинтиллятора.

3,Детектор по п. 1, о т л и ч а №

щ и и с я тем, что при регистрации нейтронов в нейтронных и смешанных гамма-нейтрон- ных полях, в качестве сцинтшшятора выбран материал j обладающий эффективным световьцсодом при воздействии нейтронов регистрируемой энергетической области, а в качестве

ЮО

lюмш oфopa - материал, имеющий отдель1Ш1Й пик термовысвечиванил при возбуждении излу шнием сщуггаллятора.

выбран Т1санеэквивалентный материал, а- в качестве люминофора - SrS.Sm, Tb.

средней энергии спектра рентгеновского и гамма-излучешш, в качестве сцинтиллятора выбран воздухо квйвалентный материал, а в качестве люминофора - SrS Sm, Tb.

Источники информации, принятые во ваимание при экспертизе

w. C. Tochilinf., vot. II, blew Jork and Lonфп Academic Press 1966, pp. 123-167. 3. Патент США Г 3282855, кл. 252-301,4, опублик. 1966..

ftOD

300