Приборы и техника эксперимента, 2021, № 3, стр. 98-105

2.1. Характеристики детекторов и считывающего оборудования. Характеристики облучения при аттестационных испытаниях

Отличительной особенностью детекторов ТЛД-К является чрезвычайно широкий диапазон линейности дозовой характеристики при определении доз от 10^–4 Гр до 1 кГр [16, 17]. Современная отечественная т.л.-аппаратура без использования регулировки напряжения на фотоэлектронных умножителях не обеспечивает такой большой диапазон изменения интенсивностей. В связи с этим рассматриваются два варианта применения детекторов: первый – для индивидуального дозиметрического контроля и контроля окружающей среды, включая контроль в диагностической медицине (при дозах от 10^–4 до 1 Гр); второй – для регистрации больших доз, включая определение поглощенных доз при импульсных воздействиях высокой плотности и интенсивности (0.1 Гр–10 кГр). Работа с большими дозами потребовала соответствующей настройки т.л.-установки ДТУ-01М, которую мы использовали в своих исследованиях (уменьшение напряжения на фотоумножителях, снижение скорости нагрева и увеличение температурного диапазона регистрации кривой термовысвечивания). Рабочий пик на кривой т.л. при скорости нагрева 4 К/с находится при 440 К. Расширение температурного диапазона регистрации т.л. позволило зарегистрировать при более высокой температуре (~600 К) пик т.л., при использовании которого в дозиметрии диапазон определения доз предполагается расширить до 10 кГр, однако это требует дополнительной проверки [15, 17, 18].

Основные характеристики детектора ТЛД-К приведены в табл. 1. Элементный анализ и состав материала описаны в [18].

На рис. 1 приведены энергетические зависимости интенсивности т.л. для детекторов разных типов, полученные на основе как собственных исследований, так и литературных данных [12, 17]. Следует отметить, что условия регистрации данных, приведенных на рис. 1, для разных систем разные. Детекторы ТЛД-500 и ТЛД-100 облучались в кассетах, а детекторы на основе стекла – без кассет.

Рис. 1.

Энергетические зависимости интенсивности т.л. относительно сигнала, регистрируемого при облучении изотопом ⁶⁰Co, для детекторов разных типов, облучаемых в кассетах и без кассет: 1 – детектор ПСТ (алюмофосфатное стекло); 2 – детектор ТЛД-100 (LiF) в кассете; 3 – детектор ТЛД-500 (Al₂O₃) в кассете; 4 – детектор ТЛД-К.

На рис. 2 приведены результаты выполненного нами сравнения оптических спектров поглощения детекторов разных типов.

Рис. 2.

Спектры поглощения детекторов разных типов: 1 – ТЛД-К; 2 – ТЛД-500 (Al₂O₃); 3 – ТЛД-100 (LiF).

Детекторы на основе стекла в у.ф.-области непрозрачны и, как и детекторы на основе Al₂O₃, обладают сильным диффузным рассеиванием. В некоторых случаях удобно использовать дозиметр в виде прессованных порошковых таблеток. При работе с порошкообразным дозиметрическим материалом важную роль играет размер зерна порошка. На рис. 3 приведена зависимость интенсивности сигнала т.л. для порошка детекторного материала ТЛД-К от его размерности при нормированной массе навески. Видно, что лучший выход т.л. наблюдается при радиусе зерна 0.5 мм, именно такой и выбрана толщина детектора. При меньших размерах зерна, в связи с возрастанием роли поверхности, выход падает, при больших размерах выход также падает до достижения постоянной величины.

Рис. 3.

Зависимость выхода т.л. порошкообразного материала детектора ТЛД-К от диаметра зерна порошка.

Для т.л.-детекторов одним из определяющих свойств является способность сохранять информацию при их хранении после облучения. У всех исследованных детекторов спад интенсивности т.л. со временем (фединг) обнаруживается в первую минуту после облучения. У детекторов на основе Al₂O₃ и SiO₂ фединг за первые сутки после облучения может достигать 30% (рис. 4), а спустя сутки, годовая потеря информации не превышает 20%. Наилучшую способность сохранять информацию, по-видимому, имеет детектор на основе LiF, хотя и у него в первые сутки наблюдается фединг. Для детекторов ТЛД-500 при оценке фединга необходимо учитывать их сильную светочувствительность.

Рис. 4.

а – спад интенсивности т.л. после облучения (фединг) детектора ТЛД-К; б – фединг детектора ТЛД-К в логарифмическом масштабе, круглыми точками отмечены 10 мин и 1 сут после облучения.

Для минимизации погрешностей лучший режим работы будет обеспечен, если измерения проводить через такое же, как и при калибровке, время после облучения ~1–3 дня. При необходимости проведения измерений после облучения раньше вышеуказанного времени необходимо вводить соответствующий коэффициент на фединг. При облучении детектора ТЛД-К высокими дозами выявляется высокотемпературный (~600 К) пик т.л., фединг для которого меньше. Этот пик т.л. в принципе позволяет расширить пределы регистрации детектора в сторону больших доз и уменьшить неопределенность, вызванную федингом.

После регистрации детектором больших доз необходим более глубокий, чем обеспечиваемый стандартным блоком, отжиг детекторов перед повторным использованием – выдержка при температуре 720 К в течение нескольких часов.

Так как световыход люминесценции играет важную роль при измерениях т.л., нами изучены спектры фотолюминесценции и поглощения в диапазоне длин волн от 210 до 840 нм. Результаты приведены на рис. 5 и опубликованы в работе [18]. Согласно рис. 5, наблюдается короткая люминесценция с временем затухания τ ≤ 1 мкс и максимумом в области 360–400 нм и слабая длительная люминесценция с τ ~ 100 мкс с максимумами на длинах волн 500 и 700 нм. Вклады этих составляющих в т.л. с учетом времени высвечивания могут быть сравнимы.

Рис. 5.

а – спектры поглощения (1), возбуждения (2) и люминесценции (3) детектора ТЛД-К при воздействии импульсов возбуждения длительностью 1 мкс; б – спектр люминесценции детектора ТЛД-К спустя 500 мкс после воздействия вышеуказанных импульсов.

Аттестационные испытания детекторов проводились в МНИРРИ, ВНИИМ и Environmental Measurements Laboratory (U.S. Department of Energy) в диапазоне доз 10^–5–10 Гр. Для аттестационной градуировки детекторов использовались следующие источники излучения: тормозное излучение 50 кВ (2 мм Al), 100 кВ (2 мм Al), 200 кВ (2 мм Cu); γ-излучение от образцовых облучателей ЛУЧ-1 (⁶⁰Co) и УПГД-1М (¹³⁷Cs и ⁶⁰Co); рентгеновское излучение с эффективной энергией 35–130 кэВ от образцового облучателя УЭД 50-250 с образцовым полем фонового воздействия источников ¹³⁷Cs, ⁶⁰Co, ²⁴²Am. Использовалась аттестованная дозиметрическая аппаратура ДТУ-01М, “Викторин-2800” Riso TL/OSL Reader TL-DA-15A. При аттестационных испытаниях проверка возможности регистрации более высоких доз не проводилась. В связи с этим в данной статье приводятся результаты таких исследований.

Работа по исследованию возможности регистрации детектором больших доз проводилась в стационарных условиях облучения проникающей радиацией (⁶⁰Co). Влияние высоких значений доз при их высоких мощностях исследовалось при возбуждении детекторов импульсами протонов и низкоэнергетических электронов нано- и пикосекундной длительности. Мощные импульсные источники возбуждения позволяют в макрообъеме образца реализовать плотности возбуждения, сравнимые с таковыми в треках тяжелых частиц, т.е. моделировать труднореализуемые другим путем рекомбинационные процессы в треках, что чрезвычайно удобно для отработки специальных дозиметрических задач [5].

2.2. Результаты дозиметрии проникающего излучения при стационарном облучении большими дозами

Дозиметрический отклик детекторов ТЛД-К в области высоких доз при относительно невысоких мощностях дозы, ~1–3 Гр/с, изучался после их облучения в боковых и центральном каналах радиохимической установки МХР-γ-20 (⁶⁰Co) и аналогичной ей установки в Санкт-Петербургском технологическом университете. Это позволило зарегистрировать дозовую зависимость в диапазоне от 1 Гр до 100 кГр (рис. 6). Согласно рисунку, до дозы 1.5 кГр наблюдается линейная зависимость интенсивности сигнала т.л. в рабочем дозиметрическом пике от дозы облучения, при дозах ~2 кГр – выход на насыщение, а выше 6 кГр – небольшое падение интенсивности сигнала.

Рис. 6.

Зависимость интенсивности т.л. (дозы) для детектора ТЛД-К в рабочем дозиметрическом пике от дозы при стационарном облучении ⁶⁰Со (мощность дозы ~ 3 Гр/с).

Аналогичная зависимость наблюдалась и при облучении тормозным излучением линейного ускорителя электронов “Электроника” с начальной энергией электронов 5 МэВ (мощность дозы до 10 Гр/с).

После получения соответствующей градуировки при помощи детекторов ТЛД-К проводилось изучение распределения дозного поля γ-установки (⁶⁰Сo) “Исследователь”, ОАО “НИИПП”, г. Томск.

Во всех экспериментах для обеспечения более высокой надежности результатов исследования облучалось не менее четырех детекторов каждой дозой облучения. После каждого облучения большими дозами проводился глубокий отжиг детектора либо использовались новые детекторы. Дозы облучения определялись независимым способом по известной мощности дозы и с использованием временных зависимостей.

2.3. Результаты дозиметрии при высокоинтенсивном возбуждении электронами

Для изучения воздействия электронов при высоких плотностях облучения использовались ускорители конструкции Месяца–Ковальчука (максимальная энергия ускоренных электронов 0.35 МэВ, длительность импульса ∼10 нс, плотность тока пучка от 0.1 до 10 кА/см²) и Месяца–Шпака с разрядником-обострителем для получения более коротких импульсов (длительность электронного импульса ~150 пс, плотность тока в пучке от 1 до 100 кА/см², максимальная энергия ускоренных электронов 0.2 МэВ). Форма импульса ускорителя наносекундного диапазона определялась прямым осциллографированием токового импульса ускорителя. Энергия пучка электронов, падающих на образец, измерялась колориметрическим методом с использованием датчика ИМО-2. Заряд электронного пучка, падающего на образец, измерялся цилиндром Фарадея.

При изменении амплитуд импульсов ускорителей в диапазоне 4 ⋅ 10^–9–2 ⋅ 10^–7 Кл/см² удалось зарегистрировать линейную зависимость интенсивности т.л. от интенсивности воздействия потока электронов. При выбранном режиме невысоких амплитуд импульса и варьировании дозы числом импульсов наблюдается линейная зависимость интенсивности т.л. и от числа импульсов облучения.

При воздействии импульсов наносекундной длительности со средней амплитудой 5 ⋅ 10^–8 Кл/см² (доза за импульс при этом ~0.3 кГр) дозовое насыщение наступает уже после трех-четырех импульсов (рис. 7а).

Рис. 7.

а – зависимость поглощенной детектором ТЛД-К дозы от амплитуды импульса при воздействии импульсами электронов с τ ~ 10 нс; б – зависимость интенсивности сигнала т.л. в рабочем пике (поглощенная доза) (1) и высокотемпературном пике (2) от амплитуды импульса в при воздействии импульсами электронов с τ ~ 10 нс.

Мощность дозы в импульсе при амплитуде импульса 2 ⋅ 10^–7 Кл/см² (доза ~1000 Гр) составляет ~10¹¹ Гр/с. Максимальные интенсивности т.л. и дозы, при которых наблюдается насыщение сигнала, сравнимы с интенсивностями при стационарном режиме облучения ⁶⁰Со (см. рис. 4). Это позволяет заключить, что пучок электронов является достаточно расфокусированным, по крайней мере, на площади детектора 3 × 3 мм², а практический пробег электронов при энергии 350 кэВ в материале детектора сравним с толщиной детектора. Энергетический спектр ускоренных электронов оценивался путем микрофотометрирования слоя реперных кристаллов, окрашенных возбуждающим импульсом. При регистрации т.л.-сигнала в области насыщения основного дозиметрического пика в высокотемпературной области фиксируется более слабый пик, линейность от дозы для которого выполняется примерно до доз 10 кГр (см. рис. 7б).

Таким образом, при возбуждении импульсами электронов (350 кэВ) наносекундной длительности характер зависимости интенсивности сигнала детектора ТЛД-К от поверхностной плотности заряда за импульс и числа импульсов сохраняется аналогичным стационарному режиму возбуждения проникающим излучением. Плотности возбуждения при этом на много порядков выше, чем при стационарном возбуждении, мощность дозы достигает 10¹¹ Гр/с. Как и при регистрации излучения при стационарном возбуждении, верхний предел дозы, регистрируемой детекторами ТЛД-К в рабочем пике при воздействии наносекундными импульсами электронов, ограничен величиной ~2 кГр. Однако за счет использования высокотемпературного пика предел регистрации дозы может быть увеличен на порядок.

В области насыщения интенсивности т.л.-сигнала рабочего пика поверхностный заряд составил ~2 ⋅ 10^–7 Кл/см², что при толщине слоя облучения ~0.025 см позволяет оценить величину предельной дозы как $D~$ ~ 1000 Гр.

При использовании в качестве источника возбуждения электронов с максимальными энергиями 200 кэВ пикосекундной длительности мы сталкиваемся с поглощением электронов только частью объема детектора, поскольку пробег электронов в материале детектора меньше его толщины (0.05 см), а пучок является сильно сфокусированным с диаметром пятна ~1.1–1.3 мм.

Истинная поглощенная доза D₀ и пропорциональная ей интенсивность т.л.-сигнала при неравномерном поглощении может быть представлена следующим выражением:

Таким образом, в случае малой проникающей способности излучения (меньше толщины детектора) интенсивность т.л.-сигнала детектора занижается на коэффициент, определяемый соотношением между толщиной детектора и проникающей способностью излучения. В этом случае могут наблюдаться меньшие интенсивности т.л.-сигнала, т.е. как бы меньшие дозы, выход на насыщение сигнала при этом будет сохраняться при тех же значениях амплитуд импульса. Применение коэффициента (1), учитывающего различие объема (толщины) детектора и облучаемой области, обеспечит адекватную дозиметрию.

На рис. 8 приведена зависимость интенсивности т.л. в двух пиках от амплитуды импульса в широком диапазоне изменения параметров пучка, полученная при облучении импульсами электронов с τ ~ 150 пс и энергией ≤200 кэВ. Сравнение рис. 7а и 8 показывает, что коэффициент “сшивки” составляет ~10.

Рис. 8.

Зависимости интенсивностей т.л.-сигнала, регистрируемого детектором ТЛД-К в рабочем (1) и высокотемпературном (2) пиках при воздействии импульсами электронов с τ ~ 150 пс, от амплитуды импульса электронов.

В диапазоне изменения переданного заряда 2 ⋅ 10^–9–2 ⋅ 10^–7 Кл/см² при пико-, наносекундном возбуждении наблюдается линейная зависимость интенсивности т.л. в основном пике как от числа импульсов облучения, так и от амплитуды импульса. До значения 5.2 ⋅ 10^–6 Кл/см² сохраняется линейность выхода т.л. для высокотемпературного пика.

Проведенные исследования показали возможность использования детекторов ТЛД-К даже для регистрации дозы достаточно слабопроникающего излучения при высоких интенсивностях и плотностях потока в пучке. Оценить поглощенную дозу по рабочему пику детектора можно до дозы 1 кГр, а по высокотемпературному – до 10 кГр.

2.4. Результаты дозиметрии при импульсном возбуждении протонами с начальной энергией 175 МэВ

Возможность дозиметрии протонного воздействия изучалась при облучении протонами высоких энергий на синхротроне отдела медицинской физики ИТЭФ (длительность импульса 100 нс, доза в импульсе от 0.05 до 0.5 Гр, начальная энергия частиц 175 МэВ). Мощность дозы при облучении протонами варьировалась в пределах 5 ⋅ 10⁵–5 ⋅ 10⁶ Гр/с. Детектор имел слой половинного ослабления 0.122 г/см².

На рис. 9 приведены результаты, полученные при облучении протонами высоких энергий. До доз 100 Гр зависимость носит линейный характер и практически совпадает с зависимостями, приведенными выше для проникающего излучения. Облучение более высокими дозами, к сожалению, не проводилось.

Рис. 9.

Поглощенная детектором доза в зависимости от дозы, полученной при облучении протонами с начальной энергией 175 МэВ.

На рис. 10 приведена зависимость нормированной поглощенной дозы от энергии протонного излучения. При облучении детекторы размещались внутри фантома из оргстекла на различных глубинах, что соответствовало изменению энергии протонов от 175 до 10 МэВ.

Рис. 10.

Зависимость поглощенной дозы, отнесенной к дозе облучения на поверхности фантома, от глубины r расположения детектора в фантоме.

При изменении энергии протонов от 175 до 10 МэВ при торможении в фантоме увеличение интенсивности т.л.-сигнала (поглощенной дозы) в конце пути протонов коррелирует с изменением чувствительности при облучении γ- и рентгеновским излучением в области низких энергий (ход с жесткостью). При энергиях ниже 10 МэВ пробеги протонов в материале детектора становятся меньше толщины детектора, что требует дополнительных поправок на пробег.