Сцинтилляционный метод дозиметрии

Метод основан на регистрации вспышек света, возникающих в некоторых веществах, называемых сцинтилляторами, под действием ионизирующего излучения.

Сцинтилляционный дозиметр (счетчик) состоит из детектора, который под действием излучения испускает фотоны видимого света; фотоэлектронного умножителя, который преобразует световой сигнал в электрический; электронных регистрирующих приборов.

Принципиальная схема сцинтилляционного дозиметра (счетчика) показана на рис. 10.6.

При взаимодействии g-излучения с веществом сцинтиллятора в нем образуются электроны, которые, поглощаясь в сцинтилляторе, создают вспышки света (сцинтилляции). Сцинтилляция – кратковременная (от 10^-9 до 10^-4 с) световая вспышка, возникающая в веществах под действием ионизирующих излучений. Свет через световод направляется на фотокатод фотоэлектронного умножителя (ФЭУ). Из материала фотокатода выбиваются фотоэлектроны, которые разгоняются электрическим полем и умножаются за счет выбивания вторичных электронов на динодах. Количество пришедших на анод электронов определяется коэффициентом умножения ФЭУ, который составляет величину 10⁵ – 10⁶.

Каждому электрону, поглощенному в сцинтилляторе, соответствует импульс тока в анодной цепи ФЭУ. Следовательно, измерению может подлежать как среднее значение анодного тока i_a, так и число импульсов тока в единицу времени n_cч. В соответствии с этим различают токовый и счетчиковый режимы сцинтилляционного детектора.

Рис. 10.6. Принципиальная схема сцинтилляционного
дозиметра (счетчика):

1 – сцинтиллятор, 2 – световод, 3 – фотокатод ФЭУ,
4 – диноды, 5 – анод ФЭУ, 6 – делитель напряжения

Для целей дозиметрии устанавливают связь между анодным током i_а или скоростью счета n_сч и мощностью поглощенной дозы в воздухе . Эта связь во многом определяется типом используемого сцинтиллятора.

В качестве сцинтилляторов для регистрации ионизирующих излучений применяются неорганические и органические вещества. По агрегатному состоянию сцинтилляторы подразделяются на твердые, жидкие и газообразные.

Важнейшими характеристиками сцинтилляторов являются их плотность (для эффективного поглощения g-излучения), спектр люминесценции (для соответствия области максимальной чувствительности ФЭУ), конверсионная эффективность (отношение энергии фотонов световой вспышки к поглощенной энергии ионизирующего излучения) и время высвечивания (для увеличения временного разрешения детектируемых частиц).

Свечение в сцинтилляторе обусловлено как основным веществом, так и вводимыми в сцинтиллятор примесями-активаторами.

Из неорганических сцинтилляторов наибольшее распространение получили NaI, CsI, активированные таллием, а также ZnS, активированный серебром.

Можно вырастить большие кристаллы NaI, достигающие
10 – 15 см в диаметре, которые хорошо поглощают g-излучение. Йодид натрия очень гигроскопичен, поэтому его защищают от влажности с помощью кожуха, который к тому же предотвращает попадание внешнего света. Этот кожух не будет препятствовать детектированию g-излучения в силу его высокой проникающей способности. Высокая эффективность регистрации этих сцинтилляционных детекторов (десятки процентов по сравнению с несколькими процентами для газоразрядных счетчиков), а также высокое энергетическое (8 – 12%) и временное разрешение (~10^-7 с) способствовало использованию счетчиков со сцинтилляторами для целей g-спектрометрии.

Сульфид цинка в виде очень тонких детекторов успешно используется для регистрации a-частиц при наличии высокого b- или g-фона.

При введении в неорганические сцинтилляторы соединений бора или лития возможно детектирование тепловых нейтронов за счет ядерных реакций ¹⁰B(n,a)⁷Li или ⁶Li(n,a)³Н.

Органические сцинтилляторы (антрацен, стильбен, толан и др.) по своему составу близки к составу биологической ткани. Их отличительными особенностями являются самое короткое время высвечивания (~10^-9 с) и низкое по сравнению с неорганическими сцинтилляторами значение конверсионной эффективности. Применяются органические сцинтилляторы для a- и b-спектрометрии и радиометрии, а также детектирования быстрых нейтронов (по ядрам отдачи) и тепловых нейтронов (за счет введения в сцинтиллятор соединений бора или лития).

Пластмассовые сцинтилляторы представляют собой твердые растворы органических сцинтилляторов в полистироле, поливинилтолуоле, плексигласе и других органических полимерных веществах. В качестве примесей-активаторов используются стильбен, нафталин и др. Наиболее широкое применение пластмассовые сцинтилляторы в сочетании с неорганическими сцинтилляторами нашли в дозиметрии g-излучения, а также в b-радиометрии и спектрометрии.

Жидкие сцинтилляторы являются растворами некоторых органических веществ, например, паратерфенила в органических растворителях – толуоле, ксилоле и др. Применяются они при a-радиометрии и спектрометрии, b-радиометрии. При измерениях жидкая радиоактивная проба смешивается с жидким сцинтиллятором, чем достигается 100-процентная эффективность регистрации a- и b-частиц.

Газовые сцинтилляторы (ксенон, криптон, аргон, азот) применяют в специфических случаях, например, при радиометрии радиоактивных газов.

Особый интерес вызывает использование сцинтилляционных детекторов для дозиметрии g-излучения. В токовом режиме зависимость чувствительности детектора по мощности дозы i_a/ от энергии g-излучения определяется составом сцинтиллятора.

Сцинтилляторы имеют эффективный атомный номер либо меньше, чем у воздуха (органические сцинтилляторы), либо значительно больше (неорганические сцинтилляторы), поэтому они обладают существенной энергетической зависимостью чувствительности в области энергий ниже 150 – 250 кэВ. Удачный способ компенсации энергетической зависимости чувствительности детектора заключается в использовании комбинированного сцинтиллятора, в котором неорганический сцинтиллятор в мелкодисперсном виде внедрен в органический. На практике это реализуется внедрением в сцинтиллирующую пластмассу 0.4% ZnS(Ag), чем достигается уравнивание эффективных атомных номеров комбинированного сцинтиллятора и воздуха. Для детекторов с такими сцинтилляторами зависимость чувствительности i_a/ от энергии g-излучения не превышает ± (10 – 15)% в диапазоне энергий от 0.03 до 3.0 МэВ.

Счетчиковый режим работы сцинтилляционного детектора, в основном, используется для целей радиометрии и спектрометрии. Кривая зависимости чувствительности детектора n_cч/ от энергии g-излучения не имеет горизонтального участка, поэтому некомпенсируемая энергетическая зависимость чувствительности ограничивает применение сцинтилляционных детекторов в счетчиковом режиме для целей дозиметрии лишь измерением излучений с определенным спектральным составом.