Файл: Полупроводниковые детекторы в дозиметрии ионизирующих излучений..pdf

Из числа специализированных дозиметров с использованием ППД рассмотрим дозиметр-свидетель бетатрона [322, 323] и до­ зиметр с миниатюрными детекторами [324].

Дозиметр-свидетель медицинского бетатрона типа ДБМ-1 предназначен для контроля дозы и мощности дозы излучений бетатрона Б5М-25 с максимальной энергией 25 Мэв.

Дозиметр ДБМ-1 обеспечивает измерение мощности дозы тормозного излучения в диапазоне от 10 до 500 рад/мин и элек­ тронного излучения от 10 до 1000 рад/мин. Дозиметр автомати­ чески выключает бетатрон (с погрешностью не более ±5% ) па достижении заданной дозы в пределах от 10 до 1000 рад.

В качестве детекторов тормозного излучения используют по­ лупроводниковые ДТИ-1 и ДТИ-2. Детектор ДТИ-2 расположен фиксированно внутри бетатрона в условиях больших интенсивно­ стей излучения, значительных электромагнитных помех и коле­ баний температуры. Поэтому в нем использованы арсенидогаллиевые ФЭП, имеющие лучшие эксплуатационные параметры,, чем кремниевые ФЭП. Детектор ДТИ-1 предназначен для внеш­ них измерений пучка излучения. Оба типа содержат по два по­ следовательно соединенных ФЭП, причем в ДТИ-1 между ними расположена пластина сцинтиллятора CsI(Tl) размером ЗХЮХЮ мм, находящаяся в оптическом контакте с ФЭП.

Особенность двухканального дозиметра типа ДБМ-1: приме­ нение аналого-частотного преобразователя с низким входным сопротивлением в сочетании с приведенными детекторами, что решило задачу одновременного измерения мощности дозы и дозы излучения в широком диапазоне. Функциональная схема ДБМ-1 приведена на рис. 8.3.

Принцип действия дозиметра основан на том, что ток детек­ тора заряжает конденсатор Спх, включенный в цепь сетки ка­ тодного повторителя, собранного на нувисторе Лі. С выхода ка-

159

•годного повторителя напряжение через усилитель постоянного тока подается на вход пороговой системы, состоящей из баланс­ ного компаратора и нормализатора. В тот момент, когда напря­ жение на емкости достигает 4 мв, компаратор вырабатывает им­ пульс, запускающий нормализатор. Импульс нормализатора через дозирующую цепочку обратной связи (диоды Д { и Д2,

Усилитель-преобразовательIканала

Рис. 8.3. Функциональная схема дозиметра ДБМ-1.

емкость С0.с) подается на емкость С„х и перезаряжает ее на по­ стоянную величину. Далее цикл повторяется вновь. Чем больше величина входного тока, тем чаще перезаряжается емкость Свх и тем выше частота срабатывания нормализатора. Благодаря жесткой обратной связи через С0.с, данная система аналого-ча­ стотного преобразования постоянного тока обладает высокой стабильностью. Воспроизводимость измерений не хуже ±2% . Динамический диапазон преобразования токов ІО-9—10_6 а, при этом выходная частота составляет 10 г ц — 10 кгц. Для измере­ ния дозы импульсы с аналого-частотного преобразователя посы­ лают на пересчетный прибор. Интенсиметр дозиметра имеет три поддиапазона: 0—10; 10—100; 100—1000 padjMun, которые пере­ ключаются автоматически.

В дозиметре с миниатюрным детектором использованы р—і—/г-детекторы диаметром -3 и высотой 3 мм в фотовольтаи­ ческом режиме работы. Ток детектора измеряется микроампер­ метром типа М-95. С помощью такого детектора можно прово­ дить измерения в полях с большими градиентами доз [99]. Это позволило исследовать дозные поля некоторых рентгеновских и гамма-установок.

Дозные поля изучали и при использовании решетчатых и клиновидных фильтров, создающих сильно неравномерные поля.

160

С помощью аналогичного детектора изучали распределение по­ глощенных доз длинноволнового излучения в облучаемом теле экспериментальных животных.

Переносный дозиметр для регистрации ß-частиц рентгенов­ ского и у-излучений разработал Джонс [325]. Дозиметр состоит из миниатюрного кремниевого р—п-детектора ('S = 4 мм2), за­ рядово-чувствительного и импульсного усилителей, дискримина­ тора и трехдекадного логарифмического интенсиметра (детектор используется в режиме счета импульсов).

Дозиметр обеспечивает измерение мощности дозы от ОД до 100 рад/ч. Недостатком прибора является большой ход с жест­ костью: чувствительность увеличивается вдвое при облучении у-квантами радия по сравнению с чувствительностью к рентге­ новскому излучению с энергией Е = 80 кэв.

Существенно большую чувствительность по сравнению со всеми предыдущими дозиметрами с ППД имеет дозиметр, раз­ работанный этим же автором, с применением пропорционального детектора с усилением около 50 [161]. Прибор переносного типа, обеспечивает измерение мощности дозы от уровня естест­ венного фона до 20 рад/ч в интервале энергий от 30 кэв до 1,25 Мэв. Погрешность измерения за счет хода с жесткостью не превышает ±10%- Питание ППД регулируется в пределах 500— 1500 в.

Существуют и другие дозиметры с малогабаритными детек­ торами для целей лучевой терапии. Рассмотрим дозиметр с ар- сеиидо-галлиевым детектором [79], выполненным в виде цилинд­ рической основы п-типа и р-слоя по поверхности. Цилиндриче­ ский р — /г-переход расположен на глубине 10 мкм. Такое распо­ ложение перехода не только уменьшает зависимость от ориен­ тации, но и в некоторой степени ход с жесткостью детектора. По­ следнее определяется двойным вкладом в фототок, который да­ ют высокоэнергетические кванты излучения по сравнению с низ­ коэнергетическими. Внешний размер детектора: диаметр 2,5 мм, длина 10—25 мм.

Малые размеры полупроводниковых детекторов и относитель­ ная простота регистрации их сигналов в токовом режиме рабо­ ты позволяет разрабатывать многоканальные изодозографиче- * ские системы; например, система емкостью 50 каналов [353], со­ стоящая из детекторов в виде кремниевых ФЭП со средней дозо-

Кроме детекторов, расположенных в фантоме, система содержит коммутатор, подключающий поочередно детекторы к усилителю постоянного тока; схему сравнения сигнала с выхода усилителя с опорным; блок индикации. Последний подключается к выходу схемы сравнения с помощью второго коммутатора, синхронизо­ ванного с первым. В качестве элементов индикации использовали тиратроны МХТ-90. Аппаратурные погрешности установки не

161

превышают 2%, погрешности из-за детекторов — не более 5—6%. Для регистрации излучения в прямом пучке часто использу­ ют также стандартные полупроводниковые диоды, обладающие

ром (чувствительная поверхность 25 мм2) используется для скен-

Радиометры с миниатюрными р—і—/г-детекторами более чув­ ствительны и успешно конкурируют с миниатюрными счетчика­ ми Гейгера — Мюллера при изотопной диагностике опухолей, расположенных за глазом или в головном мозге. Так, детектор

в таком радиометре меньше 50 кэв при напряжении смещения 5—100 в, что ниже энергий ß- и у-излучений, обычно используе­ мых в изотопной диагностике.

Примером уникального применения Si (Li)-детекторов (на­ ружный диаметр 2 мм) является регистрация активности фос­ фора 32Р в тканях головного мозга крысы с помощью вживлен­ ного детектора без нарушения основных функций животного [329]. Система соединена тонким гибким кабелем с усилителем, устройством для обработки данных, питанием.

Перспективны для медицинских целей радиометры с лавин­ ными детекторами, отличающимися высоким значением соотно­ шения сигнала к шуму для всех видов ионизирующих излучений. Это позволяет осуществлять медицинские методы, основанные на регистрации излучений низких энергий (Еу < 20 кэв), притом не требуется охлаждения детекторов для уменьшения шу­ мов [330].

Радиометром с лавинным детектором диаметром 3 мм можно регистрировать источник иизкоэнергетического излучения (изо­ топа железа 55Fe; Еу= 5,9 и 3,31 кэв) активностью 1 мккюри, расположенный в ткани на глубине 3 мм. Регистрация излуче­ ний с низкой энергией, т. е. с сильным поглощением, позволяет четко определить локализацию источника излучения и тем са­ мым область с повышенным накоплением изотопа.

Контрольно-измерительная аппаратура с лавинным детекто­ ром позволяет определять места включения плутония в откры-

164

тых ранах перед оперативным вмешательством и во внутренних органах тела. Это производят регистрацией рентгеновского из­ лучения плутония с энергиями Еу< 20 кэв.

Чувствительная поверхность лавинного детектора при этом составляет 0,07 см2, фон при работе с пороговой системой на ос­ нове электрометра и туннельного диода не превышает естест­ венный. Эффективность счета составляет 12—15% Для квантов- с £у = 17 кэв при емкости на входе усилителя 250 пф и коэффи­ циенте усиления детектора около 40.

§ 8.3. РАДИАЦИОННЫЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Рассмотрим принцип работы и данные таких приборов на примере измерения высокого напряжения (Uoм — максимальное значение) в рентгеновском аппарате.

Радиационные приборы для измерения напряжения можно разделить на приборы, не требующие градуировки, и приборы,, градуировка которых производится на устройствах с известной величиной напряжения. Для определения [/2м с помощью при­ боров первого типа находят минимальную длину волны (А,Мин) в спектре излучения рентгеновской трубки или величину напря­ жения на первичной обмотке высоковольтного генераторного уст­ ройства (Uі), соответствующую потенциалу скачка поглоще­ ния на /С-уровне (Uui) элемента, из которого изготовлен исполь­ зуемый при измерениях фильтр.

Величину А.МІШопределяют спектрометрами рентгеновскогоизлучения, в частности с полупроводниковыми детекторами диф­ фузионно-дрейфового типа [332]. Применение этих детекторов по­ зволяет повысить точность измерений. Подробному рассмотре­ нию вопросов спектрометрии посвящена обширная литература [333, 334].

Для определения U2м с помощью приборов второго типа на­ ходят величину Uь соответствующую потенциалу возбуждения /С-уровня, одновременной регистрацией излучения за фильтром и рассеянного излучения, либо измерением только рассеянного излучения или излучения за двумя дифференциальными фильт­ рами [335—340].

В первом случае U2M= Ukz для данного фильтра находят по максимуму кривой зависимости отношения сигналов двух детек­ торов от U|.

В работе [340] описана конструкция комбинированного де­ тектора, состоящего из двух поверхностно-барьерных детекторов, находящихся в оптическом контакте с люминофором. На один из детекторов излучение попадает от фильтра с атомным номером z, на второй с атомным номером 2+1. Фильтры явля­ ются «дифференциальной» парой, т. е. подобраны таким обра­

165