Фотографический метод регистрации ионизирующих излучений

Фотографический метод регистрации ионизирующих излучений

Действие ионизирующих из­лучений на фоточувствительные материалы обнаружено более 60 лет назад. Человечество впервые узнало о су­ществовании радиоактивных излучений, когда в 1896 году Беккерель обнаружил почернение фотопластинок, кото­рые до проявления длительное время находились вблизи с урановой солью. За прошедший период фото­графический метод был в значительной степени усовер­шенствован и нашел широкое применение в дозиметрии.

Подобно действию света ионизирующие излучения вызывают образование в фотоэмульсии скрытого изобра­жения, которое после проявления создает почернение фотопластинок. Степень почернения зависит от дозы из­лучения.

Фотоэмульсия состоит из большого количества мел­ких кристалликов («зерен») бромистого или хлористого серебра (AgBr или AgCl), вкрапленных в желатину. Наиболее часто применяется бромистое серебро. Раз­меры зерен колеблются от 0,3 до 1—2 микрон. Общее количество бромистого серебра в эмульсии составляет по весу 30 4-60°/о. Приготовленный таким образом состав наносится тонким слоем порядка 10—30 микрон на стек­лянную пластинку или целлулоидную пленку, образуя фоточувствительный слой.

Чем больше интенсивность воздействующего на фото­чувствительный слой излучения, тем больше зерен будут иметь скрытое изображение и тем сильнее будет почер­нение фотопленки после проявления. Степень почернения зависит также от размеров зерен, их количества в фото­эмульсии и толщины фоточувствительного слоя. Путем изменения состава фотоэмульсии и толщины слоя чув­ствительность пленки к ионизирующим излучениям мо­жет меняться в широких пределах.

Процесс восстановления серебра в зернах, имеющих скрытое изображение, занимает определенный промежу­ток времени и зависит от состава проявителя и его тем­пературы. Следовательно, степень почернения проявлен­ной пленки будет зависеть от времени проявления, со­става и температуры проявителя.

Определение степени почернения производится путем сравнения интенсивности светового потока /о, падаю­щего на пленку, с интенсивностью светового потока /, прошедшего через пленку. Оптическая плотность почер­нения или просто плотность почернения пленки S опре­деляется как десятичный логарифм отношения 10/1:

Если через пленку проходит одна тысячная от падаю­щего светового потока, то /0//= 1000 и 5 = 3.

Необлученная пленка после проявления имеет неко­торое начальное почернение, которое называется вуалью. Плотность вуали обычно имеет величину порядка 0,1 ч-0,2. Таким образом, при определении плотности почернения только от излучения необходимо учитывать наличие вуали. После длительного хранения пленки без употребления вуаль увеличивается.

При увеличении дозы излучения плотность почерне­ния растет до определенного предела, достигает своего максимального значения (S = 3,54-4), затем начинает уменьшаться. Обычно плотность почернения выражается в зависимости от логарифма дозы. На рис. 37 приведена типичная кривая зависимости S от логарифма дозы излу­чения. Тангенс угла наклона касательной в любой точке кривой по отношению к оси абсцисс называется конт­растностью фотоэмульсии. Контрастность по существу характеризует возможность различения по почернению пленки двух мало отличающихся доз излучения, то есть позволяет оценить точность измерения доз по известной точности измерения плотности почернения. При этом ха­рактерно то, что на прямолинейном участке кривой (рис. 37), где контрастность постоянна, относительная ошибка в измерении дозы не зависит от ее величины. Если измерительный прибор различает плотности почер­нения, отличающиеся друг от друга на 0,1, то есть ошибка в определении плотности почернения AS = 0,1, то при контрастности, равной единице, ошибка в измере­нии доз будет составлять также 0,1, или 10%, но уже от измеряемой дозы. Например, при дозе 1 рентген ошибка будет составлять 0,1 • 1 = 0,1 рентгена, при дозе 10 рент­генов — 0,1 • 10 = 1 рентген.

Как следует из рис. 37, контрастность имеет наи­большую величину на прямолинейном участке кривой, который обычно и считается рабочим участком. Чем выше контрастность, тем меньше ошибки в измерении доз при тех же ошибках в определении плотности почер­нения. Но при этом уменьшается фотографическая ши­рота фотоэмульсии, то есть диапазон доз, соответствую­щих прямолинейному участку кривой рис. 37.

Перед применением пленки для измерений должна сниматься зависимость плотности почернения от дозы и строиться градуировочная кривая типа рис. 37. Практиче­ски это производится обычно путем одновременного об­лучения нескольких пленок, размещенных на различных расстояниях от точечного источника гамма-излучения с известной активностью. Проявление всех пленок произ­водится в одном бачке для избежания ошибок вслед­ствие различия в составе проявителя, его температуры и времени проявления. Одновременно проявляется необлу- ченная пленка для определения вуали. Из полученных данных определяется чувствительность сорта пленки, ко­торая обычно выражается числом рентгенов, соответст­вующих принятой плотности почернения (обычно 0,3 или 0,5) за вычетом вуали. Если подлежащие измерению дозы неизвестны даже приближенно, следует применять несколько пленок, отличающихся по чувствительности так, чтобы их широты перекрывались. Лучше всего одно­временно с проведением измерений часть пленок того же сорта поставить на градуировку с таким расчетом, чтобы проявлять одновременно как градуировочные, так и ра­бочие пленки в одном бачке.

Измерения плотности почернения производятся при помощи денситометров. -В настоящее время имеется не­сколько видов денситометров, отличающихся по прин­ципу действия. Наиболее современными являются фото­электрические денситометры.

Принцип действия фотоэлектрического денситометра основан на сравнении токов двух фотоэлементов, на один из которых световой поток попадает непосредственно от источника, на второй — после прохождения через пленку.

Источником света является одна электрическая лам­почка, свет от которой при помощи оптических систем направляется двумя независимыми путями на фотоэле­менты. При такой системе измерений колебания напря­жения накала лампы мало влияют на результаты изме­рений. Плотность почернения измеряемой пленки отсчи­тывается непосредственно по шкале денситометра.

Следует отметить одно важное свойство фотопле­нок— для одной и той же дозы плотность почернения в весьма широких пределах не зависит от времени облуче­ния. Например, доза 10 рентгенов, полученная пленкой в течение сотых долей секунды или в течение несколь­ких часов, дает одинаковую плотность почернения. Хра­нение облученных пленок в течение нескольких суток может привести к снижению плотности почернения, вели­чина которого зависит от многих причин: состава эмуль­сии, температуры и влажности воздуха и времени хра­нения. При всех прочих равных условиях повышенная влажность воздуха может вызвать значительное снижение показаний. С другой стороны, хранение при низких температурах способствует сохранению пока­заний.

При взаимодействии гамма-излучения с фотоэмуль­сией, так же как и со всякой другой средой, происходит образование вторичных электронов в результате фото­эффекта и комптоновского процесса. Поглощение энер­гии вторичных электронов в зернах бромистого серебра и приводит к образованию скрытого изображения. Но количество вторичных электронов и их энергия при од­ной и той же дозе зависят от энергии гамма-квантов. Вследствие того что атомный номер серебра и брома значительно превышает атомный номер воздуха, фото­электрическое поглощение при сравнительно малых энергиях гамма-квантов будет иметь большую величину. Это приводит к наличию значительного «хода с жестко­стью» при измерениях доз при помощи фотопленок. Для уменьшения «хода с жесткостью» производится ослабле­ние потока мягких гамма-квантов при помощи поглоти­телей. В качестве поглотителей применяются кадмий или свинец толщиной около 1 мм, а также комбинации не­скольких тяжелых металлов, например 1 мм олова и 0,3 мм свинца. Толщина поглотителей подбирается так, чтобы величина поглощения ими мягких гамма-квантов была равна завышению чувствительности пленок. При энергиях гамма-квантов выше 0,3 Мэв наличие указан­ных поглотителей или фильтров практически не влияет на измерения доз из-за малого поглощения в них гамма- излучения таких энергий. Так как завышение чувстви­тельности пленки на мягких гамма-квантах зависит от состава фотоэмульсии, то для более точной компенсации этого эффекта к каждому сорту пленки необходимо экспериментально подбирать оптимальную толщину фильтра.

В последнее время разрабатывается еще один метод снижения «хода с жесткостью» фотопленок. Пленка по­мещается между двумя сцинтилляционными кристал­лами, представляющими собой раствор терфенила в по­листироле. При облучении такой системы гамма-кван­тами засвечивание пленки происходит как непосред­ственно гамма-лучами, так и световыми вспышками, воз­никающими в сцинтилляторе. При малых энергиях кван­тов дополнительная подсветка от сцинтиллятора сравни­тельно невелика. Начиная с энергий квантов около 0,1 Мэв и выше, засвечивание пленки происходит глав­ным образом за счет световых вспышек сцинтиллятора. Вследствие этого чувствительность пленки к излучению в этой области энергий повышается в десятки раз и приближается к ее чувствительности в области мягких квантов. Таким образом, помимо устранения резкого «хода с жесткостью», происходит значительное увеличе­ние чувствительности пленки.

При всех преимуществах такой метод имеет весьма существенный недостаток — зависимость плотности по­чернения от мощности дозы излучения (при облучении одинаковыми дозами). Это может вызвать значительные ошибки в измерениях доз, если градуировка пленки и измерения производятся при различных мощностях дозы.

Фотографический метод используется для создания дозиметров индивидуального контроля облучения. Такой дозиметр состоит из пластмассового футляра (кассеты), внутри которого находится пленка, помещенная между двумя бакелитовыми пластинками толщиной 1 мм и обернутая кадмиевым или свинцовым фильтром при­мерно такой же толщины. Кассета выдается на руки пе­ред началом работы с источниками гамма-излучения и носится в нагрудном кармане. После окончания работы кассета сдается в фотолабораторию, где производится проявление пленок и измерение плотности почернения.

Необходимость обработки пленок в фотолаборатории является серьезным недостатком таких дозиметров с точки зрения их применения в полевых условиях. В по­следнее время появились фотодозиметры, содержащие проявитель и не требующие обработки в фотолаборато­рии. К такому дозиметру прикладывается шкала, позво­ляющая по степени почернения пленки оценить дозу из­лучения. Однако такие фотодозиметры пока еще несовер­шенны и большого распространения не получили.