Детектор ионизирующего излучения

и 717679 О П И С А Н ИЕ ИЗОБРЕТЕН Ия Союз СоветскихСоциалистическихРеспублнк К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(51)М. Кл, О 01 Т 1/11 1 веудврствеввй кемитет СССР ао аелам изобретении и открытииОпубликовано 25.02.80. Бюллетень М 7 Дата опубликования описания 28,02,80 И. Х, Шавер и В. Г. Кронгауз(71) Заявитель Ордена Ленина физико-технический институт им. А, Ф, Иоффе АН СССР(54) ДЕТЕКТОР ИОНИЗИРУЮШЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ Изобретение относится к технике измерения параметров ионизирующего излучения, в частности к индивидуальной дозиметрии рент. геновского, 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 (ТЛД). 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. ТЛДдетекторы имеют малые габариты и вес, работоспособны в широком диапазоне доз 1.Большинство используемых для регистрации рентгеновского и гамма-излучений ТЛД- детекторов, например, на основе Са 804, СаРЬЕ, Ь 2 В 40 т, М 9 Е, Му 3 04, ВгВ, Яг 804 Ва 804, в той или иной степени удовлетворяют требованиям высокой чувствительности к рентгеновскому и гамма-излучению и длительной сохраняемости дозимстрической информации. Высвечиваемая каждым из таких детекторов светосумма характеризует дозу, поглощенную материалом детектора, Однако, для решения большинства доэиметрических задач требуется определить дозу, погло.щенную не детектором, а конкретным объе Отом облучения, например мягкой биологичес.кой тканью, костной тканью и т.п. Для этого необходимо, чтобы детск 1 ор имел регламен.тированную зависимость чувствительности от энергии рентгеновского или гамма. излучения, 15т,е. энергетическая зависимость чувствитель.ности должна быть аналогична энергетической зависимости массового коэффициента поглоще.ния энергии излучения объектом облучения, Например, для определения доз, поглощенных мягкой биологической тканью, необхо.димо обеспечить тканеэквивалентность детек.тора, что, в частности, достигается близостью эффективных атомных номеров материала717679 , . 4ких фильтров, поглощающих низкоэнергетн.ческую область спектра фотонного излучения,Однако, такой способ имеет серьезныенедостатки: увеличение габаритов, веса, стоимости детектора, уменьшение нижнего предела5регистрируемых энергии излучения и наличие угловой зависимости чувствительности,Последнее может быть устранено за счет использования сферических фильтров, но приводит кеще большему увеличению габаритов, веса иЬоимости детектора. 3детектора и мягкой биологической ткани,В настоящее время в ТЗШ используется крайне ограниченный круг материалов для ткане.эквивалентных детекторов, что связано, прежде всего, с ограниченным выбором тканеэквивалентных неорганических основ и удачных ихактиваторов, Так, из перечисленных выше материалов лишь люминофоры на основеОР, БВ 4 О 7 и Вео имеют эффективные атомиые номера, близкие к ткани, Однако, этилюминофоры имеют невысокую чувствительность, а наиболее популярные из них ОР и1.1 аВаО 7 имеют нелинейную дозовую зависи.мость.В отличие от ТЛД-детекторов в широко 5известных сцинтилляционных детекторах успеш.но йспользувтся как органические, так инеорганические материалы, с помощью которых могут быль.решены многие задачи регла.ментированной регистрации различьх видов эои различных энергий ионизирующего излуче.ния 2.Однако, большие габариты и вес не позволяют применять сцинтилляционные дозиметрыдля индивидуальной, клинической дозиметриии во многих экспериментах, Применение жеорганических материалов в ТЛД, как правило,невозможно из-за неустойчивости их люминес.центных свойств к температурному воздей.ствию. 30Наиболее близким является детектор ионизирующего излучения на основе люминофора,например, СаГ, . Мп (фтористый кальций активированный марганцем 31.Эти детекторы имеют высокую чувствитель. 35ность к рентгеновскому и гамма. излучению,удобный для считьванин спектр термолюминес1 енции, линейную в широком диапазоне зависи. мость выхода термолюминесценции от дозьизлучения и способны длительно сохранять за.пасеннуо светосумму,Основным недостатком детектора на основеСаЕ,: Мп является невозможость регламентированной регистрации ионизирующего излучения различных видов и различных энергий, чтосвязано со следующим.1. СаР, : Мп (как и большинство неорганических материалов) имеет большую энергетическую зависимость чувствительности (большой"ход с жестостью"), Это приводит к тому,что при постоянном значении экспозиционнойдозы ренттеновского и гамма-излучения пока.зания детектора сильно завйсят от спектрарентгеновского и гамма. излучения, Так чувствительность СаР: Мп к излучению с энергией, равной 30 кэВ, в 15 раз вьппе, чем к .излучению с энергиеи равной 1,25 МзВ.Этот ход с жесткостью может быть частич.но скорректирован с помощью металличес 2. СаРа: Мп (как и все люминофоры,в состав которых не входят элементы с высоким сечением захвата тепловых нейтронов)имеет невысокую чувствительность к тепло-,вым нейтронам,3, СаГ,; Мп (как и все неорганическиелюминофоры) имеет очень низкую чувст.вительность к быстрым нейтронам.4. Детектор на основе Сакэ: Мп (каки подавляющее большинство ТЛИ-детекторов)не позволяет осуществлять избирательное детектирование в смешанных полях.Кроме того, детектор на основе СаР,:Мп(как и любой ТЛД-детектор) не позволяетосуществить определение качества ренттеновского и гамма-излучения.Цель предлагаемого изобретения - получение грегламентированной регистрации излучений раз.личных видов и различных энергий, в частности, получение детекторов, обладающих регламентированной зависимостью чувствительностиот энергии рентгеновского и гамма-излучений(например, тканеэквивалентных детекторов),и способных детектировать нейтроны н нейтронных и смешанных гамма-нейтронныхполях.Целью изобретения является также получение возможности с помощью одного детектора, кроме информации о дозе рентгеновского и гамма. излучения, определятьсреднюю энергию спектра излучения,Поставленная цель достигается тем, чтодетектор выполнен в виде сочетания сцинтиллируощего материала (сцинтиллятора) ре.гистрируемого .излучения с люминофором,обладающим спектром возбуждения термолюмйнесценции, перекрьвающимся со спектромизлучения сцинтиллятора.Регламентированная зависимость чувствительности детектора от энергии ренттеновского .и гамма. излучения достигается тем, что в ка .честве сцинтиллятора используется материал,обладающий регламентированной зависимостъю.световыхода от энергии излучения, а в качестве люминофора - материал, обладающий любой энергетической зависимостью выхода термолюминесценции, но имеющий различные пики717679 20 25 30 5термовысвечивания при возбуждении ионизирующим излучением н излучением сцинтилля. тора, Это дополнительное требование, предъявУляемое 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 гребо О вания регламентированный отклик достигается независимо от эффективности передачи энергии, й считывание осуществляется по разным пикам термовысвечивания. Один пик характеризует светосумму, запасенную за счет собствен ного поглощения люминофором ионизирую. щего излучения (нерегламентированный отклик) а другой - светосумму, запасенную за счет поглощения люминофором излучения сцинтиллятора (регламентированный отклик),Регистрация. доз рентгеновского и гамма. излучейия, поглощенных мягкой биологичес кой тканью, достигается тем, что в качестве айнтиллятора используется материал, иМеющий эффективный атомный номер, близкий к эффективному атомному номеру биологической ткани (тканеэквивалентный сцинтиллятор). Широкие возможности достижения поставленной цели с помощью сочетания тканеэквивалентного сцинтиллятора с люминофоромобусловлены большим выбором органическихоснов для такого сцинтиллятора (антрацен,нафталин, сцннтиллирующие пластмассы и тд) Эффективная регистрация нейтронов в ней- З 5тронных и смешанных гамма-нейтронных поляхдостигается тем, что в качестве сцинтиллятора используется материал, обладающий эффективным световыходом при воздействии40нейтронов той или иной энергетической об: ласти, а в качестве люминофора - материал,имеющий отдельный пик термовысвечивания. :при возбуждении излучением сцинтиллятора,Это дополнительное. требование, предъявляе.мое к люМинофору актуально при избира 45тельном детектировании нейтронов в смешанных гамма-нейтронных полях, Широкие. возмбжности достижения поставленной целис помощью сочетания нейтронных сцийтилля.торов с люминофором обусловлены как пали 5, 50чием высокоэффективных сцинтилляторов тепловых нейтронов, таких как 2 п 8; АЯЛтак и большим выбором органических Водородсодержащих основ для сцинтюшяторовбыстрых нейтронов. В качестве уииверсав.ного люминофора для предлагаемых детекторов может использоваться активированныйсульфид стронция,6Определение качества рензтеновского игамма-излучений достигается тем, что в качестве сцинтиллятора используется воздухоэквивалентный материал, т,е. материал, име- /ющий близкую к воздуху энергетическуюзависимость массового коэффициента поглощения энергии фотонного излучения, Клюминофору, работающему в сочетании с та.ким сцинтиллятором, предъявляется то жедополнительное требование, что и при регла 1ментированной регистрации доз фотонногоизлучения, В качестве люминофора можетиспользоваться,активированиый сульфид стронция.На чертеже представлены кривые термовысвечивания (КТВ) люминофора ЗгЗ: Зв,ТЬ;,где 1 - облученного рентгеновским или гамма.излучением;11 - облученного рентгеновским (или гамма.излучением или смешанным гамма-нейтронным излучением) в сочетании сосцинтиллятором;1 И - облученного тепловыми,или быстрыминейтронами в сочетании со сцинтилля.тором.На представленных КТВ: 1 - ниэкотемпера.турный пик; 2 - высокотемпературный пик,Для получения тканеэквивалентного детек.тора рентгеновского и гамма-излучения выбранкомбинированный тканеэквивалентный сцинтиллятор на основе антрацена, Антрацен можетнепосредственно выполнять функции ткане.эквивалентного материала, однако, его эффективный атомный номер несколько меньше, чем у мягкой биологической ткани, чтоприводит. к некоторой нетканеэквивалентностив ниэкоэнергетической части спектра фотонного излучения. Для достижения полной тканеэквивалентности использован известный метод компенсации. Такой материал являетсяэффективным тканеэквивалентным сцинтиллятором; энергетическая зависимость свето.выхода аналогична энергетической зависимости массового коэффициента поглощенияэнергии излучения мягкой биологическойтканью. Спектр излучения сцинтиллятора наоснове антрацена имеет максимум при445 нм,В качестве люминофора - аккумулятора этого свечения выбран сульфид стронция, активированиый самарием и тербиемЗгЗ: Зпз ТЬ,Этот люминофор обладает свойством возбуждения термолюминесценцин как под дей.ствием рентгеновского и гамма-излучения,лтак и под действием излучения выбранного,сцинтиллято па.679 7 717Как показано на чертеже, светосумма, запасенная люминофором Яг 8;.Вгп, ТЬ только за счет собственного поглощения ионизирующе. го излучения, характеризуется, в основном, иизкотемпературным пиком 1 КГВГ; КТВГ показал, что часть общей светосуммы, запасенной люминофором эа счет собственно. го поглощения ионизирующего излучения (В) и высеченной в высокотемпературном пике .2 (В является постоянной и равной 6% от части общей светосуммы, высвеченной в низкотемпературнсу пике 1 (8).Приоблучении рентгеновским или гамма. излучением тканеэквивалентного детектора, состоящего из сочетания выбранного сцинти. лятора.с люминофором ВгЯ: .Яп, ТЬ, последний запасает светосумму, высвечиваемую в виде двух сравниваемых пиков КТВ 11, из которых ннэкотемпературный пик 1 характеризует светосумму (8), запасенную за счет собственного поглощения люминофором ионизирующего излучения, а высокотем пературный пик 2 характеризует, и основномсветосумму (В,), запасенную люминофором эа счет энергии, переданной ему тканеэкви. валентным сцинтиллятором., Исходя иэ анализа КТВГ, для светосумм 8, (КТВГГ) справедливо следующее выраже. ние:В, = Я, - 0,06 В, (1)Эксперименты показали, что светосумма З, как и ожидалось, резко возрастает с уменьшением энергии фотонного излучения (Фа)Так, при Е= 80 кэв Я, примерно в 30 раз выше, чем при Е,=1,25 Мэв (при постоянной экспозиционной дозе). В то жевремя при этих условиях В, незначительно изменяется в широком диапазоне энергий Еу, следуя энергетической зависимости мас. сового коэффициента поглощения энергии излучения мягкой биологической тканью. Для получения детектора, с помощью кото.рого определяется средняя энергия (качест.во) рентгеновского и гамма. излучения, выбранкомбинированный воздухоэквивалентный сцинтиллятор на основе стильбена (аналогично при.веденному в предыдущем примере комбини.рованному тканеэквивалентному сцинтиллятору), Спектр излучения сцинтиллятора на осно.ве стильбена имеет максимум при 410 нм.В качестве люминофора - аккумулятораэтого свечения выбран сульфид стронция,активированный самарием и тербием -ВгЯ: ЯвТЬ,По аналогии с изложенным в предыдущемпримере, при облучении рентгеновским илигамма-излучением детектора, состоящего из сочетания выбранного воздухоэквивалентногь сцинтиллятора с люминофором ЗгЗ 18 а, ТЬ, последний запасает светосумму, высвечиваемую в виде двух сравнимых пиков КТВГГ,иэ которых низкотемпературный пик 1 характе.риэует светосумму (8,), запасенную за счет собственного поглощения люминофором иони.зирующего излучения, а высокотемпературныйпик 2 характеризует,в основном, светосумму 10 (8), запасенную люминофором за счет энергии, переданной ему воздухоэквивалентным1сцинтнллятором, Светосумма 8, определяетсятем же выражением, что и в примере 1.Поскольку светосумма 8, пропорциональна массовому коэффициенту поглощения энергии коэффициенту Яг 81 Зп, ТЬ / (Я//Ъ )ЗгВ: Ят, ТЬ,а светосумма 8, пропорциональна массовому коэффициенту поглощения энергии воздухом - ( Р(О ) эн,возд, а за о висимость отношения (1/Э )эн ЗгЗЗв, ТЬ(,Р )эн,воэд, определяется иэ общественныхвыражений или иэ таблиц, очевидно, что вели.чина отношения 8,/8, определяет среднюю-.энергию рентгеновского и гамма-излучения,Для получения детектора тепловых нейтронов выбран высокоэффективный сцинтиллятортепловых нейтронов - сульфид цинка, активированный серебром с добавлением бора -ЕпВАц, В.Спектр излучения сцинтиллятора ЕпВ . А 9, Вимеет максимум при 450 нм.В качестве люминофора - аккумулятораэтого свечения выбран сульфид стронция, акти-.вированный самарием и тербием - ЗгЯ,Зв, ТЬ.35 При облучении тепловыми нейтронами детек.тора, состоящего из сочетания ЕпЯ,Ап,В слюминофором ЗгВ:Ят, ТЬ, последний запасает светосумму, высвечиваемую в виде одноговысокотемпературного пика термовысвечивания 4 О (КТВГГ 1), Низкотемпературный пик в этомслучае отсутствует, так как собственная чувст.вительность ЯгЯ: Зп, ТЬ к тепловым нейтронам мала, а высокотемпературный пик харак.теризует светосумму, запасенную люминофо.ром эа счет энергии, переданной ему сцинтиллятором, т,е. характеризует поток тепловыхнейтронов. При облучении этого детектора смешанным(гамма + тепловые нейтроны) излучениемлюминофор ЗгЯЯт, ТЬ запасает светосум.му, высвечиваемую в виде двух пиков КТВ 11,из которых низкотемпературный пик 1 харак.теризует светосумму (8,), запасенную за счетсобственного поглощения люминофором гаммаизлучения, а высокотемпературный пик 2 ха.1рактеризует, в основном, светосумму (82),запасенную люминофором за счет энергиипереданной ему сцинтиллятором, Светосумма55 9 717679 10Зэ определяется темже выражением, что и время, как используемый люминофор ЯгЯв примере 1, Тем не менее эта светосумма ; ЯП 1, ТЬ нетканеэквивалентен), достигаетсяхарактеризует поток тепловых нейтронов возможность определения качества рентгенов.лишь в случае небольшого гамма. фона, со ского и гамма-излучения (в то время какпровождающего нейтронное излучение, так 5 ни один отдельно взятый ТЛД-детектор не.как сцинтиллятор ЕпЯ , Ад, 8 чувствителен позволяет определить качество излучения),ие только к тепловым Нейтронам, но и к достигается возможность-детектирования нейгаммаизлучению, В случае большого гамма- тронов в нейтроиных и смешанных поляхфона, сопровождающего нейтронное излучение (в то время, как люминофор ВгЯ: Зе, ТЬ(этот случай соответствует условию Я,Ър 8), О практическй нечувствитейен к нейтронам),поток тепловых нейтронов характеризуется . Кроме того, с помощью детекторов по предлагаемому изобретению может быть получена хорошая сохраняемость дозньгетричесЯ 8 - 8ю 4кой информации, так как Основнаи инфоргде 8 - светосумма, запасенная люминофо мация в Яг 8.Яе, ТЬ содержится в высокором ЗгЗ; Ягп, ТЬ за счет свечения ЕОЯ:Ад,в,температурном пике термовысвечивания.обусловленного, в основном, чувствительностью Зффективность регистрации различных випоследнего к гамма.излучейию, и высвечива- дов и различных энергий ионизирующего иземая в высокотемпературиомЙике 2. Значениелучения зависит от конструкавных особен.8 относительно 8 может быть получено при 26 настей выполнения детекторов и, преждес 3 тилпятооблучении детектора гамма. излучением, при Всего, отспособа сочетании сцинтилэтом В 3," автоматически входит величина, 1: ра с люминофором (сплав, саек, механичес 0 Об Я кая смесь мелкодисперсных компонентов,1Для получения детектора быстрых нейтро оптический контакт между кристэялоаа сцин.нов выбран сцинтиллятор быстрых нейтронов, 5 тиллятора н люминофором и т,ц.). Опреде.Нолистирол с добавками 11-терфенила И:. ляющую роль в выборе сиоооба сочетанияРОРОР., играет химический состав компонентов иСпектр излучения сцинтиллятора имеет мак возможность их совместаого нагрева в просимум при 390-430 им, цессе термовысвечивания. Так, в соучае примеВ качестве люминофора. аккумулятора этого Зо нения в качестве сцинтийляторов органическихсвечения выбран сульфид стронция, аагтиви-материалов, образцы сцинтиллятора и люмино.роваиный самарием и тербиемЗгЗ;,Вгп, ТЬ, фора приводятся в контакт, совместно облуПри облучении быстрыми нейтронами де- чаются Н хранятся, а считыванию (нагреватектора, состоящего из сочетания выбранного нию и снятию термолюмииесцащии) подверга.сцинтиллятора с люминофором ЗгЗЗгп, 1 Ъ, 35 ется лишь образец люминофорапоследний запасает светосумму, высвечнвае. Воэможность регламентированной регистрамую в виде одного высокотемпературного цни ионизирующего излучения различных ви.пика термовысвечивания (КТВ П 1). Низко- дов и энергий обусловлена тем, что в детек.температурный пик в этом случае отсутсвувт, торах по предлагаемому изобретению осущесттак как собственная чувствительность ЗгЗ , ав вляется, по крайней мере, частичное раздеЗт, ТЬ к быстрым нейтронам мала, аление функции поглощения энергии нониэирувысокотемпературный ник характеризует свато. ющего излучения (эту функцию выполняетсумму, запасенную люминофором за счет эиер- сцинтиллятор) и функций эапасания доэиметгии, переданной ему сцинтиллятором, т.е. ха- рической информации (эту функцию выполрактеризует поток быстрых нейтронов, 45 ияет люминофор). При этом, в отличие отПри облучении детектора смешанньщ ТЛЯ-детекторов, к люминофору не предъяв(гамма + быстрые нейтроны) излучением ляется требований ни и отношении регламен.по анало 1 ии с йзложенным в предыдущем тированного поглощения ионизирующего из.ения ни в отношении эффективностипримере, поток быстрых нейтронов характери- лучения, ни в отношении эффекти осзуется светосуммой 8, определяемой либо 5 а запаыния светосуммы под действием этоговыражением (1) при условии 8,Злибо излучения,выражением (2) при условии 8, Зэ, по., скольку выбранный сцинтиллятор чувствителен не только к быстрым нейтронам, но и.к Формула изобретениягамма. излучению,С помощью детекторов, выполненных в 1. Детектор ионизирующего излучения навиде сочетания сцинтиллятора с люминофо. основе люминофора, о т л и ч а ю щ и йром достигается тканеэквивалентность (в то с я тем, что, с целыа регламентированной717679 12 ПОКИПИ Заказ 9834/ одписно Пагент, г. Уж Проектн нч регистрации излучений различных видов, онвыполнен в виде сочетания сцинтилляторарегистрируемого излучения с люминофором,обладающим спектром возбуждения термо.люминесценции, перекрывающимся со спект.ром излучения сцинтиллятора.2. Детектор по п. 1, о т л и ч а ю щ и й.с я тем, что при регистрации рентгеновскогои гамма. излучения в качестве сциитилляторавыбран материал, обладающий регламентиро.ванной зависимостью световыхода от энергиирентгеновского и гамма. излучения, а в качест.ве люминофора - материал, имеющий различные пики термовысвечивания при возбужде.нин ионизирующим излучением и излучениемсциитиллятора,3. Детектор по п. 1, о т л и ч а ю .щ и й с я тем, что при регистращщ нейтро 1нов в нейтронных и смешанных гамма-нейтрон- и.ных полях, в качестве сцннтиллятора выбранматериал; обладающий эффективным свето.выходом при воздействии нейтронов регистрируемой энергетической области, а в качестве роминофора - материал, имеющий отдель.ный пик термовысвечивания при воэбужде.нии излучением сциутиллятора,4. Детектдр попп. 1 и 2, о т л и ч а ющ и й с я тем, что в качестве сцинтилляторавыбран тканеэквивалентный материал, а: вкачестве люминофора - Вг 8;Ве, ТЬ,5. Детектор по пп. 1 и 2, о т л и ч. а ющ и й с я тем, что, с целью определения10 средней энергии спектра рентгеновского игамма излучения, в качестве сцинтиллятора вы.бран воздухоэквивалентный материал, а в ка.честве люминофора - Вг 8: Вгп, ТЬ,Источники информации,1 з принятые во внимание при экспертизе1, Шварц Н. К. и др. Термолюминесцент.ная дозиметрия, Рига, "Зинатне", 1968, с. 186.2, Йетса, Ф.У. Всет 111 ат 1 оп ОетесТогс В кн.йаг 11 ат 1 оп Оовипетгу Еда. АЮх Р, Н. ЯоеаЬ20 Ж С; ТосЬ 111 пЕ, чо 1. И, Мею,1 ог 1 с апд 1 оп.доп а Асадев 1 с Ргезз, 1966, рр. 123 - 167,3, Патент США Яф 3282855, кл. 252 - 301,4,опублик. 1966.