способ дозиметрии гамма-, рентгеновского излучений и электронных потоков

Формула изобретения

1. Способ дозиметрии гамма-, рентгеновского излучений и электронных потоков, включающий использование в качестве детектора пьезоэлектрического резонатора, по сдвигу частоты которого определяют дозу, отличающийся тем, что в качестве резонатора используют резонатор на поверхностных акустических волнах (ПАВ-резонатор) с рабочей частотой, определяемой из соотношения

f_o c/l,

где f_o рабочая частота, Гц;

c скорость поверхностной акустической волны, м/с;

l толщина слоя, в котором измеряется поглощенная доза, м.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для выделения корпускулярной компоненты смешанных радиационных потоков используют ПАВ-резонатор с пьезоэлементом из электроочищенного кварца.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что для регистрации электромагнитного излучения используют ПАВ-резонатор с пьезоэлементом, изготовленным из кварца, содержащего примеси Al и/или щелочных металлов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к дозиметрии электромагнитных и коpпускулярных излучений и может быть использовано, в частности, для индивидуальной дозиметрии персонала, работающего с источниками радиации, в технической дозиметрии, когда необходима информация о поглощенной дозе на поверхности или в приповерхностных слоях облученного объекта, в научных исследованиях, когда необходимо эффективно выделять дозу непроникающего (короткопробежного) излучения.

Важнейшая задача дозиметрии определение дозы излучения в различных средах и особенно в тканях живого организма. Для этой цели используют различные расчетные и экспериментальные методы. В последние годы быстрое развитие получили методы дозиметрии, основанные на использовании физических явлений, происходящих в твердых телах под действием ионизирующих излучений. К их числу относятся, например, методы, основанные на радиофото-, радиотермолюминесценции, термостимулированной экзоэмиссии, на эффекте радиационно-стимулированного изменения концентрации носителей заряда в полупроводниках с p-n-переходом и т. п. Соответственно на основе различных твердотельных материалов разработаны фото- и термолюминесцентные детекторы, термоэлектронные и полупроводниковые детекторы, обладающие разнообразными эксплуатационными возможностями и технико-экономическими показателями. Так, основанные на эффекте свечения при нагреве облученных твердых тел (кристаллофосфоров) термолюминесцентные детекторы (ТЛД) [1] могут использоваться при повышенных температурах (в зависимости от температурного положения характеристического максимума), обладают достаточно высокой чувствительностью ко многим видам ионизирующим излучений (в зависимости от материала). Однако термолюминесцентная дозиметрия малочувствительна к непроникающим короткопробежным излучениям, не позволяет оценить дозу, поглощенную в тонких поверхностных слоях.

В отличие от ТЛД термоэлектронные детекторы ионизирующих излучений [2] в которых чувствительным является тонкий поверхностный слой (толщиной до 1000 А), могут быть использованы для дозиметрии в тонких поверхностных слоях и короткопробежных излучений. Однако данный метод характеризуется высокой нестабильностью результатов измерений и не позволяет варьировать глубину чувствительного слоя, что представляет большой интерес в радиологии, в частности для дозиметрии кожного покрова и подкожных тканей человека и животных. Кроме того, считывание дозиметрической информации в данном случае достаточно сложно, так как требует нагрева детектора, что может вызывать необратимые изменения свойств поверхности и нарушать точность показаний при повторном измерении.

Наиболее близким техническим решением, выбираемым в качестве прототипа, является способ измерения дозы -излучения, основанный на измерении сдвига резонансной частоты пьезокварцевых резонаторов на объемных акустических волнах (ОАВ) [3] Пьезорезонатор изделие акустоэлектроники, используемое в устройствах стабилизации и узкополосной фильтрации частот и представляющее собой пьезокристалл определенной кристаллографической ориентации (среза) с нанесенными на него двумя металлическими электродами. Работа резонатора основана на использовании прямого или обратного пьезоэффекта и ее эффективность определяется параметрами материала, типом среза пьезокристалла, расположением электродов. Дозиметрия с использованием кварцевых резонаторов основана на описанном в [3] эффекте сдвига резонансной частоты, происходящем после облучения g-лучами в диапазоне 50 10 кГр кварцевых резонаторов. Измерение частотных характеристик резонаторов технически хорошо отработано, легкодоступно и сравнительно недорого. В то же время данным способом нельзя измерить дозу ионизирующего излучения, поглощенную в тонком слое биологических тканей или твердотельных материалов, что бывает необходимо в кожной дозиметрии, а также в технической дозиметрии для оценки поглощенной дозы в приповерхностных слоях облучаемого объекта. Кроме того, данный способ непригоден для дозиметрии излучения малой проникающей способности.

Задачей, решаемой изобретением, является дозиметрия различных видов ионизирующих излучений в тонких поверхностных слоях биологических тканей, конденсированных сред и твердотельных материалов с варьированием толщины слоя, в котором необходимо измерить поглощенную дозу излучения.

Поставленная задача решается использованием в качестве дозиметров кварцевых резонаторов на поверхностных акустических волнах (ПАВ) с определенной резонансной частотой f_o, выбранной из условия f_o с/l, где с скорость ПАВ, а l толщина слоя, в котором хотят определить поглощенную дозу. Предлагаемое решение основано на установленной авторами заявки функциональной зависимости сдвига резонансной частоты и некоторых других рабочих характеристик (например, добротности Q и коэффициенте передачи K_и) ПАВ-резонаторов от дозы рентгеновского, гамма- и электронного излучения. При этом поскольку рабочей областью кварцевого пьезоэлемента, формирующей все рабочие параметры ПАВ-резонаторов, является приповерхностный слой глубиной порядка рабочей длины поверхностной волны, то и изменение рабочих характеристик (f_o, Q, K_и и др.) в результате облучения определяется радиационными изменениями, происходящими в этом рабочем слоем, т. е. дозой ионизирующего излучения, поглощенной в нем. Таким образом, рабочая частота резонатора определяет глубину дозиметрически контролируемого слоя вещества (глубина слоя 1/f_o).

В случае регистрации рентгеновского и гамма-излучения в состав пьезокварца (чувствительного элемента детектора) должны входить ионы Al⁺³ и щелочных металлов (например, Na⁺, Li⁺), В этом случае воздействие ионизирующего излучения вызывает радиационно-стимулиpованную диффузию щелочных ионов-компенсаторов, что способствует перестройке имеющихся в кварце электронно-дырочных центров в приповерхностном слое кристалла. Изменение зарядового состояния центров приводит к изменению упругих констант пьезокварца, вызывая тем самым изменение резонансной частоты и других рабочих характеристик ПАВ-резонатора.

Иной механизм изменения рабочей частоты ПАВ-резонатора действует при облучении высокоэнергетическим корпускулярным излучением, например МэВ-электронами. Воздействие такого типа излучения создает в кварцевой подложке структурные дефекты, концентрация которых определяется дозой облучения. Изменение дефектной структуры приводит к изменению пьезосвойств кварца и, как следствие, к изменению рабочих характеристик детектора, в частности его резонансной частоты.

Для реализации предложенного решения, исходя из потребности в дозиметрическом контроле поверхностного слоя определенной толщины l, выбирают ПАВ-резонатор с резонансной частотой f_o c/l, где с скорость поверхностной акустической волны. По окончании облучения измеряется его резонансная частота . О дозе облучения судят по сдвигу частоты .

Рассматривая преимущества использования для дозиметрического контроля ПАВ-резонаторов по сравнению с резонаторами на ОАВ, выбранными в качестве прототипа, следует отметить, что ПАВ-резонаторы отличает прежде всего более широкий диапазон рабочих частот, более высокая механическая прочность и меньшая вибрационная чувствительность. Перечисленные особенности дают определенные преимущества для технического воплощения заявляемого способа дозиметрии и повышения его чувствительности.

Пример 1. Дозиметрия поглощенной дозы рентгеновского излучения (Е 30 кэВ).

На рис. 1 приведены дозовые зависимости изменения резонансной частоты при облучении рентгеновским излучением кварцевых ПАВ-резонаторов. Кривая 1 соответствует ПАВ-резонатору (f_o 375 МГц), пьезопластина которого изготовлена из электроочищенного кварца (отсутствуют примеси щелочных металлов), а кривая 2 резонатору (f_o 400 МГц), изготовленному из кварцевого сырья, содержащего ионы Al и щелочных металлов.

Из рисунка видно, в случае применения неэлектроочищенного пьезокварца в диапазоне дозы 0 210⁴ Гр наблюдается линейная зависимость сдвига частоты f_o от дозы облучения. В то время как при использовании электроочищенного кварца изменение резонансной частоты в исследуемом диапазоне доз практически не наблюдается, что объясняется отсутствием радиационно-стимулированной диффузии щелочных ионов и перестройки существующих электронно-дырочных центров. Новые радиационные дефекты в кварце при воздействии рентгеновского излучения не возникают. Сравнение кривых 1 и 2 показывает также, что возможно варьирование чувствительности ((f_o/D) предлагаемых дозиметров на ПАВ-резонаторах путем регулирования количества примесей.

Пример 2. Дозиметрия поглощенной дозы -излучения (E 2,5 МэВ).

На рис. 2 приведены дозовые зависимости сдвига резонансной частоты при g-облучении в диапазоне 0 1,510⁷ Гр двух различных типов ПАВ-резонаторов: кривая 1 изготовлен из электроочищенного кварца, f_o 617 МГц; кривая 2 изготовлен из неэлектроочищенного кварца f_o 400 МГц. Испытанные резонаторы также имеют существенно различный характер зависимости Df_o-D. У резонатора из электроочищенного кварца частоты незначительно уменьшается в интервале доз до 10⁴ и практически не изменяется при дальнейшем увеличении гамма-дозы. В отличие от этого резонансная частота ПАВ-резонатора с f_o 400 МГц существенно изменяется во всем исследуемом диапазоне доз: наблюдается линейная зависимость сдвига частоты f_o от дозы D.

Пример 3. Дозиметрия электронных потоков.

На рис. 3 представлены дозовые зависимости изменения резонансной частоты (Df_o), добротности (Q) и коэффициента передачи (K_и) ПАВ-резонатора (f_o 617 МГц, электроочищенный кварц) при облучении высокоэнергетическими (10 МэВ) электронами в диапазоне 10¹³ 510¹⁶ элсм^-2. Связь флюэнса электронов Ф и сдвига резонансной частоты (рис. 3, кривая 1) может быть описана линейной зависимостью. Зависимость Q-Ф и K_и-Ф имеют более сложный характер (рис. 3, кривые 1 и 3 соответственно) и стремятся к насыщению при дозе 510¹⁶ элсм^-2.

Таким образом, приведенные примеры показывают, что изменение при облучении таких рабочих характеристик ПАВ-резонаторов, как резонансная частота, добpотность и коэффициент передачи, определяется дозой облучения и может быть использовано в дозиметрии электромагнитных и корпускулярных излучений, как для измерения радиационных потоков, так и для оценки дозы, поглощенной в поверхностных слоях облучаемых объектов. При этом использование в качестве детекторов ПАВ-резонаторов дает возможность регистрации и оценки дозы непроникающих, короткопробежных излучений (например, мягкого рентгеновского излучения), поскольку толщина поверхностного слоя пьезоэлемента, чувствительного к воздействию такого излучения, соизмерима с длиной поверхностной акустической волны, т. е. слой, в котором происходит поглощение энергии излучения, и является ответственным за формирование таких рабочих характеристик ПАВ-резонаторов как f_o, Q и K_и. В то же время совместное применение детекторов на объемных и ПАВ-резонаторах в смешанных полях излучений позволит разделить дозы проникающих (резонатор на объемных акустических волнах) и непроникающих короткопробежных излучений (ПАВ-резонатор).

Кроме того, преимуществом предлагаемого способа является возможность регулирования глубины дозиметрически контролируемого слоя подбором резонатора с определенной резонансной частотой. Следует также отметить, что расширения дозиметрических возможностей ПАВ-резонаторов (тканеэквивалентность, регулирование чувствительности, варьирование толщины дозиметрически контролируемого слоя и др.) можно добиться применением в качестве пьезоактивного элемента различных пьезоэлектрических материалов (сегнетоэлектрических кристаллов, поляризованной керамики, пленочных пьезоэлектриков и др.), а также использованием различных кристаллографических срезов пьезоэлектрических монокристаллов.