Измерение доз гамма-излучения в рентгенах

Измерение доз гамма-излучения в рентгенах

Рассмат­ривая основные условия, позволяющие обеспечить в иони­зационных камерах различных типов полное собирание ионов, мы не останавливались подробно на природе воз­никновения этих ионов под действием ионизирующих излучений.

Измерение числа пар ионов, образующихся в единицу времени (или, что то же самое, — ионизационного тока в режиме насыщения) в каком-либо объеме воздуха, позво­ляет определить поглощенную энергию излучения в этом объеме, то есть мощность дозы. Измерение числа пар ионов за все время действия излучения позволяет опреде­лить его дозу. При этом, очевидно, величина объема не играет существенного значения, если только она не на­столько велика, что имеет место большое поглощение аль­фа- или бета-излучения, вызывающее неравномерную ионизацию в различных точках камеры.

Поглощение энергии гамма-излучения происходит пу­тем передачи его энергии электронам атомов среды. При этом, как указывалось ранее, происходят три основных процесса — фотоэффект, комптоновское поглощение и об­разование пар. Во всех ‘Случаях образуются вторичные электроны, энергия которых затрачивается на ионизацию среды. Отсюда следует, что о поглощенной энергии гамма- излучения в воздухе, то есть о его дозе, правильно судить по количеству образовавшихся ионов можно только тогда, когда происходит их собирание на всем пути пробега вто­ричных электронов. Практически это означает, что раз­меры ионизационной камеры должны зависеть от энергии вторичных электронов или в конечном счете от энергии гамма-квантов. Рассмотрим этот вопрос подробнее.

Между энергией гамма-квантов первичного излучения и энергией вторичных электронов имеется строгая зависи­мость. При фотоэффекте в воздушной среде практически вся энергия кванта преобразуется в кинетическую энергию фотоэлектронов, направление движения которых почти перпендикулярно направлению движения квантов. При комптоновском взаимодействии только часть энергии пер­вичного гамма-кванта передается вторичным электронам (электронам отдачи), оставшаяся часть уносится рассеян­ными гамма-квантами. В зависимости от угла, под кото­рым вылетают электроны отдачи, их энергия меняется от нуля до максимума (когда электроны отдачи движутся в том же направлении, что и первичные гамма-кванты).

В табл. 7 приведены значения кинетической энергии фотоэлектронов и электронов отдачи в зависимости от энергии квантов. В последних двух столбцах таблицы при­ведены величины пробега этих электронов в воздухе при 0° С и давлении 760 мм ртутного столба (плотность воз­духа 0,00129 г/см3).

Таблица 7

Кинетическая энергия фотоэлектронов и электронов отдачи (максимальные значения) при взаимодействии гамма-квантов с атомами воздуха

Энергия гамма-квантов Еу Мэв Энергия фотоэлек­тронов, Мэв Энергия электронов отдачи ^шах Мэв Пробег электронов в воздухе 1
в см в мг/см2
0,03 0,03 1,5 1,9
0,05 0,05 0,008 3,8 5,0
0,07 0,07 0,015

6,7

8,7
0,1 0,1 0,028 12,5 16
0,2 0,088 10 13
0,5 0,33 85 110
1,0 0,80 290 375
1,5 1,3 520 670
2,0 1,6 660 854
5,0 4,5 2000 2600

 

1 Первые четыре значения даны для фотоэлектронов.

Как указывалось ранее, при малых энергиях гамма- квантов (приблизительно до 0,05 Мэв) основным процес­сом взаимодействия с атомами воздуха является фото­эффект, комптоновское взаимодействие по сравнению с ним очень мало. При энергии квантов 0,06 Мэв коэффи­циенты фотоэлектрического и комптоновского поглощения равны, а начиная с ^ = 0,1 Мэв и выше преобладаю­щим является комптоновское взаимодействие. В соответ­ствии с этим в табл. 7 приведены данные для того типа взаимодействия, которое определяет поглощение гамма- излучения в воздухе при данной энергии квантов.

Полученные данные позволят теперь оценить размеры ионизационной камеры, в объеме которой укладывался бы полный пробег вторичных электронов. Для гамма-квантов с энергией до 0,1—0,2 Мэв ее размеры должны быть не­сколько десятков сантиметров. Однако при больших энер­гиях квантов они выражаются уже в метрах, а при Ят порядка 4—5 Мэв — в десятках метров. Такие иониза­ционные камеры трудно построить в лабораторных усло­виях, не говоря уже о полевых приборах.

Но даже при конструировании ионизационных камер для измерений мощности дозы гамма-излучения с энер­гией квантов менее 0,2 Мэв необходимо соблюдать ряд мер, исключающих появление фотоэлектронов и электро­нов отдачи из каких-либо сред/ кроме воздуха. Напри­мер, если камеру, изображенную на рис. 15, освещать широким пучком гамма-лучей, как показано стрелками, вторичные электроны будут возникать также и в электро­дах камеры. Попадая в рабочий объем, эти электроны дадут дополнительную ионизацию воздуха, вследствие чего измерения мощности дозы будут неправильными.

Типичная конструкция камеры, предназначенной для измерений дозы гамма-излучения в воздухе, имеет вид, показанный на рис. 18.

Камера имеет высоковольтный 5, собирающий С и до­полнительный Д электроды в виде пластин, разнесенных на определенное расстояние и заключенных в экран из листового свинца достаточной толщины. Назначение всех электродов было объяснено выше. Расстояние между электродами и их размеры выбраны такими, чтобы в лю­бом направлении от центра камеры свободно укладыва­лась длина пробега вторичных электронов от излучения, доза которого должна измеряться. В специальное калиб­рованное отверстие А внутрь камеры пропускается узкий пучок излучения, который выходит из экрана в другое отверстие, нигде не касаясь его стенок. На электроды по­дается напряжение, достаточное для обеспечения режима тока насыщения. При таких условиях в рабочий объем попадают только те электроны, которые образовались при взаимодействии с атомами воздуха.

Следует заметить, что размеры собирающего электрода не обязательно должны быть равны длине пробега элек­тронов в воздухе. На рис. 18 показано, что любому вто­ричному электрону в2, частично или полностью теряющему свою энергию вне рабочего объема (показан пунктиром), обязательно соответствует другой электрон ei, который восполняет потери ионов от электрона £2.

Описанная выше камера называется нормальной и применяется для эталонных измерений доз рентгеновских и гамма-лучей в воздухе.

В ионизационных камерах типа, изображенного на рис. 16, при воздействии гамма-излучения вторичные элек­троны образуются как в воздухе, наполняющем ее объем, так и в стенках. Поскольку плотность стенок (а значит, и коэффициент поглощения излучения в стенках) в тысячи раз больше плотности воздуха при атмосферном давле­нии, число вторичных электронов, попадающих в рабочий объем из стенок, примерно во столько же раз больше числа электронов, возникающих в воздухе.

По существу ионизация воздуха в такой камере яв­ляется мерой поглощенной энергии гамма-излучения ско­рее в материале стенок, чем в воздухе. В связи с этим необходимо рассмотреть количество поглощенной энергии гамма-излучения в различных материалах. При этом от­ношение коэффициентов поглощения в этих материалах к коэффициентам поглощения в воздухе при одинаковых энергиях гамма-квантов пропорционально отношению по­глощенных энергий излучения в материале и воздухе. В табл. 8 приведены результаты такого сравнения для плексигласа, алюминия и свинца.

Таблица 8

Отношение поглощенной энергии гамма-излучения в 1 г плексигласа, алюминия и свинца к поглощенной энергии в 1 г воздуха

Энергия гамма-квантов Е^ Мэв Относительная величина коэффициентов поглощения, рассчитанных на 1 г
плексиглас алюминий свинец
0,05 1,0 6 140
0,1 1,0 1,5 220
0,2 1,0 1,0 33
0,3 1,0 1,0 10
0,5 1,0 1,0 3,3
0,7 1,0 1,0 1,9
1,0 1,0 1,0 1,6
1.5 1,0 1,0 1,1
2,0 1,0 0,9

1,2

 

Как видно из таблицы, в области малых энергий гамма-квантов в 1 г свинца поглощается в сотни раз больше энергии излучения, чем в 1 г воздуха. Это озна­чает, что в объем камеры, стенки которой изготовлены из свинца, будет попадать в сотни раз больше вторичных электронов, чем в камеру, имеющую, например, плекси­гласовые стенки.

Иначе говоря, при одинаковой мощности дозы гамма- излучения ионизационный ток в камере со свинцовыми стенками будет много больше, чем ионизационный ток в камере с плексигласовыми стенками. Завышение иониза­ционного тока будет зависеть от энергии гамма-квантов, то есть жесткости излучения. Поэтому такой эффект ча­сто называют «ходом с жесткостью». Как видно из табл. 8, «ход с жесткостью» в камере с алюминиевыми стенками значительно меньше, чем для свинца. В камере со стен­ками из плексигласа «ход с жесткостью» во всем диапа­зоне энергий квантов, приведенных в таблице, практиче­ски отсутствует.

Вещества, в которых энергия, поглощенная в 1 г, прак­тически равна поглощенной энергии в 1 г воздуха, на­зываются воздухоэквивалентными. К ним относятся уг­лерод, бакелит, плексиглас и другие пластмассы. Во­обще любые материалы, атомный номер которых ра­вен или очень близок к атомному номеру воздуха (2ВОЗд. = 7,62), являются воздухоэквивалентными.

Если ионизационная камера предназначается для из­мерений мощности дозы гамма-излучения только одной жесткости, ее стенки могут быть изготовлены из любого материала. Такую камеру можно проградуировать пи нормальной ионизационной камере, то есть найти силу ионизационного тока, соответствующего 1 рентгену в час. Затем, помещая эту камеру в поле гамма-излучения той же жесткости, но неизвестной интенсивности, по ве­личине ионизационного тока можно определить мощ­ность дозы в месте измерения.

В том случае, если жесткость гамма-излучения неиз­вестна, стенки камеры должны быть изготовлены из воз­духоэквивалентного материала. Из таких материалов наиболее удобным в технологии является проводящая пластмасса, которая приготовляется путем смешения в определенной пропорции исходного порошка для пласт­массы и графитовой пыли. После прессовки при опреде­ленном давлении и температуре получается твердый материал, обладающий хорошей проводимостью.

Следует заметить, что «ход с жесткостью» наблю­дается в области сравнительно малых энергий квантов, где основным процессом является фотоэлектрическое по­глощение. Для алюминия, например, этот эффект наблю­дается до £т ^0,2 Мэв.

Часто при сборке ионизационной камеры собираю­щий электрод и изоляторы крепятся к ее стенкам при помощи железных, латунных или медных винтов. Если поверхность винтов не покрыта каким-либо воздухоэкви- валентным материалом (например, аквадагом), то при малых энергиях квантов появится значительное количе­ство фотоэлектронов, излучаемых с поверхности винтов, которые приведут к появлению «хода с жесткостью».

Для правильного измерения доз гамма-излучения при помощи стеночной камеры определенное значение имеет толщина стенок. Действительно, если стенки имеют большую толщину, часть излучения будет поглощаться в их наружном слое и результаты измерений могут быть занижены. С другой стороны, при слишком тонких стен­ках вторичные электроны будут терять в объеме камеры только часть своей энергии, поглощаясь в противополож­ной стенке, что также приведет к занижению показаний камеры.

Для полевых приборов толщину стенки камеры обычно выбирают из условий обеспечения достаточной механической прочности ее и необходимости поглощения бета-излучения, которое на зараженной местности все­гда сопровождает гамма-излучение. При этом, казалось бы, будет происходить некоторое ослабление мягкого гамма-излучения в стенках и занижение ионизационного тока в камере. Однако эксперименты не подтверждают этого. Даже при толщине стенок плоской камеры по­рядка 5—6 мм плексигласа занижение ионизационного тока отсутствует при всех энергиях квантов, начиная с 0,06 Мэв и выше. Происходит это потому, что ослабление мягкого излучения в передней стенке, на которую па­дает поток квантов, практически полностью компенси­руется выходом вторичных электронов из задней стенки камеры. При увеличении жесткости гамма-излучения уменьшается число вторичных электронов из задней стенки, но уменьшается также и поглощение излучения в передней стенке. По этим причинам плоская ионизаци­онная камера с воздухоэквивалентными стенками толщи­ной до 6 мм позволяет правильно измерять мощности доз гамма-излучения в широком диапазоне энергий квантов — от 0,06 до 3 Мэв.

Доза в воздухе, как известно, измеряется в рентге­нах, причем одному рентгену соответствует образование 2,08 • 109 пар ионов в 1 см3 воздуха при температуре 0° С и давлении 760 мм рт. ст. Плотность воздуха при этих условиях равна 0,001293 г/см[1]. Практически измере­ния доз производятся почти всегда при других климати­ческих условиях: летом или в помещении (в любое время года) при положительных температурах, зимой — при отрицательных температурах. Кроме того, и давление воздуха может меняться в широких пределах, особенно в гористой местности. Изменение температуры и давле­ния воздуха приводит к изменению его плотности, в том числе и плотности в объеме камеры, если она не герме­тична. Например, при температуре 18° С и давлении 740 мм рт. ст. плотность воздуха равна 0,00118, то есть в 1,1 раза меньше нормальной. При отрицательных тем­пературах плотность воздуха, наоборот, выше нормаль­ной. Отсюда следует, что для получения правильных ре­зультатов измерений дозы в рентгенах в величину иони­зационного тока камеры необходимо вносить поправки на температуру и давление воздуха. Величина поправки о, на которую надо умножить измеренное значение иони­зационного тока при температуре t° С и давлении Р мм рт. ст., может быть найдена по формуле

g_ 273 +1° л 760 _ 273    Р’

гок будет менее одной десятитысячной доли микроам­пера. Такие токи обычными электроизмерительными приборами, пригодными для применения в полевых усло­виях, измерить невозможно.

Токи порядка 10-9—10~14 ампера принято называть слабыми токами. Наибольшее распространение в прак­тике получили два метода измерений слабых токов: с помощью электрометров и с помощью усилителей по­стоянного тока на электрометрических лампах.