Сцинтилляционный метод дозиметрии

Известно, что при прохождении ионизирующего излучения через вещество возникает не только ионизация, но и возбуждение ато­мов и молекул среды. Как при ионизации, так и при возбуждении атомов и молекул вещества происходят переходы электронов с на­ружных оболочек атомов на внутренние. При таких переходах, сопровождающихся возвращением атомов из возбужденного состоя­ния в основное, возможны процессы испускания инфракрасного, видимого или ультрафиолетового излучения, а иногда и рентгенов­ского характеристического излучения (при возбуждении внутрен­них оболочек атома).

Сцинтилляционные методы регистрации излучений основаны на измерении интенсивности световых вспышек, возникающих в люминесцирующих веществах при прохождении через них ионизирующих излучений. Для регистрации световых вспышек используется фото­электронный умножитель (ФЭУ) с регистрирующей электронной схемой.

Вещества, испускающие свет под действием ионизирующего излучения, называются сцинтилляторами (фосфорами, флуорами, люминофорами). Однако известно, что среди твердых, жидких и газо­образных веществ материалы с хорошими люминесцирующими свойствами встречаются довольно редко. У подавляющего боль­шинства веществ энергия возбужденного атома переходит в энергию движения молекул или в тепло, так как благодаря взаимодействию соседних атомов и молекул среды энергия возбужденного атома передается соседним атомам и молекулам, прежде чем сможет про­изойти испускание излучения.

Впервые метод сцинтилляции был использован для визуального подсчета числа α-частиц с помощью спинтарископа, схематическое изображение которого показано на рис. 1.

Основным элементом спинтарископа является экран из сер­нистого цинка, на котором через лупу 3 можно наблюдать отдельные вспышки (сцинтилляции) от α - частиц, излучаемых радиоактивным препаратом, нанесенным на острие 2. Временная разрешающая способность глаз человека позволяет вести счет сцинтилляций на спинтарископе со скоростью не более 60 вспышек в 1 мин, вследствие чего этот прибор не нашел широкого применения на практике. С появлением устойчивых в работе фотоэлектронных умножите­лей сцинтилляционный метод стал широко применяться в дози­метрии.

Современный сцинтилляционный счетчик представляет собой комбинацию сцинтилляционного кристалла (сцинтиллятора) с ФЭУ. ФЭУ позволяют преобразовывать слабые световые вспышки от сцинтиллятора в достаточно большие электрические импульсы, которые можно зарегистрировать обычной несложной электронной аппаратурой. ФЭУ в некоторой степени можно сравнить с пропор­циональными счетчиками. В пропорциональных счетчиках для уве­личения импульса используется газовое усиле­ние, а в ФЭУ вторичная эмиссия электронов на динодах, приводящая к значительному усиле­нию электронного тока (коэффициент усиления фотоэлектронных умножителей), достигает .

Сцинтилляционные счетчики можно приме­нять для измерения числа заряженных частиц, γ- квантов, быстрых и медленных нейтронов; для измерения мощности дозы от β-, γ - и ней­тронного излучений; для исследований спектров γ - и нейтронного излучений.

Сцинтилляционный метод имеет ряд преиму­ществ перед другими методами. Прежде всего, это высокая эффективность для проникающих излучений (для γ -излучения — десятки процентов). Далее, малое время высвечи­вания сцинтилляторов (для неорганических кристаллов — порядка сек, для органических — сек). Это обеспечивает высокую временную разрешающую способность сцинтилляционных счетчиков или малое мертвое время счетчиков. Следовательно, представляется возможность производить измерения с короткоживущими изотопами.

Наконец, для ряда сцинтилляторов и для определенных излуче­ний существует пропорциональность между амплитудой светового импульса и энергией частицы, что удобно при использовании сцин­тилляционных счетчиков для спектрометрии ионизирующих излу­чений.

 

Механизм радиотермолюминесценции

Под радиотермолюминесценцией понимают такой процесс, при котором аккумулированная в кристалле энергия ионизирующего из­лучения преобразуется в энергию флюоресценции под действием теплового возбуждения.

Механизм радиотермолюминесценции можно объяснить на ос­нове представлений, изложенных в предыдущих параграфах.

Рассмотрим вначале чистый кристалл, обладающий дефектами. Под действием ионизирующего излучения создаются центры, об­условленные захватом электронов или дырок вакансиями (F и V на рис.). Затем под действием тепла электрон, локализованный в центре/⁷, может перейти в зону проводимости (переход 1). Блуждая по кристаллу, этот электрон может прорекомбинировать с дыркой, локализованной в центре V (переход 2); при этом возникает люми­несценция.

Переход 1 может быть вызван поглощением инфракрасной об­ласти света. В этом случае происходит оптически стимулированная люминесценция. Если глубина ловушек невелика, то освобождение электронов с уровней захвата и перевод их в зону проводимости могут происходить вследствие обычного теплового движения при нормальной температуре; для достаточно глубоких ловушек необ­ходим дополнительный нагрев кристалла.

Отличительной чертой этого процесса является разрушение центров окраски в процессе измерения независимо от способа воз­буждения (нагрев, обычное тепловое движение, облучение инфра­красным светом). Таким образом, радиотермолюминесценция — это процесс люминесценции, связанный с разрушением центров, созданных под действием ионизирующего излучения.

Для краткости обычно вместо «радиотермолюминесценция» употребляют термин «термолюминесценция».

Рассмотрим процесс термолюминесценции кристалла, активи­рованного примесью. На рис. 45 показана схема энергетических уровней кристалла с примесью серебра в качестве активатора.

Ионизирующее излучение освобождает электрон, который захваты­вается ловушкой с образованием F -центра. Образовавшаяся дырка оказывается связанной с ионами серебра Ag+.

Последующее возбуждение освобождает электрон из ловушки и переводит его в зону проводимости (переход 1). Затем электрон рекомбинирует с дыркой (переход 2), в результате чего ион акти­ватора Ag+ оказывается в возбужденном состоянии Ag+*. Возбуж­денный ион быстро возвращается в основное состояние с испусканием характеристической люминесценции (переход 3).

Спектр люминесценции определяется природой активатора. Так, свечение Ag+ находится в ультрафиолетовой — голубой области, Мn²⁺ дает зелено-оранжевое свечение. Примерами активи­рованных фосфоров могут служить CaF₂ —Mn, CaSO₄ — Mn, NaCl—Ag, KC1—Ag.

Следовательно, одни и те же соединения могут обладать радиофотолюминесценцией и термолюминесценцией. По сравнению с радио­фотолюминесценцией можно указать следующие отличительные особенности процесса термолюминесценции

1.Спектр термолюминесцентной эмиссии является характер­ным для ионов активатора (например, Ag+), первоначально инкор­порированных в кристалл.

2. Центры окраски, созданные ионизирующим излучением, раз­рушаются в процессе измерения. Следовательно, термолюминес­центный дозиметр после процедуры измерения теряет информацию о дозе излучения.