Сцинтилляционный и Люминесцентный методы дозиметрии

     Содержание:

1. Введение………………………………………………………………................3
2. Сцинтилляционный метод дозиметрии………………………………………..5
3. Люминесцентный метод дозиметрии………………………………………….8
4. Люминофоры…………………………………………………………………..10
5. Заключение…………………………………………………………………….12
6. Список литературы……………………………………………………………14

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение

     Дозиметрия  ионизирующих излучений рассматривает свойства ионизирующих излучений, физические величины, характеризующие поле излучения или взаимодействие излучения с веществом, а также принципы и методы их определения.

     Дозиметрия  имеет дело с такими физическими  величинами, которые связаны с  ожидаемым радиационным эффектом. Эти  величины обычно называют дозиметрическими. Установленная связь между измеряемой физической величиной и ожидаемым  радиационным эффектом – важнейшее свойство дозиметрических величин. Вне этой связи дозиметрические измерения теряют смысл.

     Первопричиной радиационных эффектов является поглощение энергии ионизирующих излучений  облучаемым объектом, и доза как  мера поглощенной энергии оказывается основной дозиметрической величиной.

     Важнейшая задача дозиметрии – определение  дозы излучения в различных средах и особенно в тканях живого организма. Для этой цели используют различные  расчетные и экспериментальные  методы.

     Количественное  определение дозы излучения, действующей на живой организм, необходимо, прежде всего, для выявления, оценки и предупреждения возможной радиационной опасности для человека. Если врачи-гигиенисты и радиобиологи должны ответить на вопрос, каковы предельно допустимые с точки зрения биологической опасности уровни излучения, то дозиметристы должны обеспечить правильное измерение (определение) этих уровней. Развитие дозиметрии первоначально полностью определялось необходимостью защиты человека от вредного воздействия ионизирующих излучений. Вскоре после открытия рентгеновского излучения (1895 г.) было обнаружено его вредное действие на человека, и возникла необходимость в количественной оценке степени радиационной опасности. Для измерения интенсивности рентгеновского излучения начали использовать фотографический эффект, флюоресценцию, тепловой эффект, а также химические методы. В дальнейшем измерение физических величин, характеризующих рентгеновское излучение и его взаимодействие со сферой, выделилось в самостоятельную область – рентгенометрию, являющуюся теперь составной частью дозиметрии ионизирующих излучений. В рентгенометрии определились основные величины, подлежащие измерению, и сформировались почти все методы современной дозиметрии.

     С помощью дозиметрических приборов можно осуществлять два основных типа измерений, имеющих важное практические значение. К первому типу относятся измерения суммарной дозы (или количества) излучения, полученной в течение всего периода воздействия и выраженной в рентгенах. Примерами индивидуальных дозиметров являются ионные камеры, фотографические плоские пленочные дозиметры и телескопические устройства, работающие на принципе свечения фосфата серебра. Ко второму типу относятся измерения интенсивности излучения, выражаемой в рентгенах (или его долях) в час. К числу дозиметров, используемых для определения интенсивности излучения, относятся ионные камеры, счетчики Гейгера – Мюллера или сцинтилляционные счетчики, которые комбинируются с соответствующими электронными и электроизмерительными устройствами. Величина замеренной такими приборами интенсивности излучения может быть переведена в суммарную дозу облучения путем умножения соответствующей средней интенсивности излучения на общее время облучения.

     Важный  аспект приложения дозиметрии – охрана окружающей природной среды, неотъемлемым компонентом которой являются радиационные поля и рассеянные радионуклиды естественного и искусственного происхождения. Дозиметрический контроль окружающей среды и связанные с ним прогнозы радиационной обстановки требуют создания оптимизированных доз и систем развития новых методов дозиметрии, решения вопросов, связанных с определением необходимого объема и точности дозиметрической информации.

     Раздел  дозиметрии – метрология ионизирующих излучений – призван обеспечить систематизацию измерений в области ионизирующих излучений и радиоактивности. Специфика предмета измерения ионизирующих излучений оказывает влияние на точность дозиметрических методов. Большинство из них имеют погрешность, оцениваемую десятками процентов, что обусловлено не отсутствием необходимости в повышении точности измерений, а ограниченной возможностью измерительных методов. Усилия должны быть направлены на то, чтобы дать комплексную оценку эффективности воздействия ионизирующих излучений на облучаемый объект.

     Во  многих случаях нет простой связи  между поглощенной энергией излучения и наблюдаемым эффектом. Знание только дозы недостаточно для предсказаний радиационного эффекта, который определяется также пространственным распределением поглощенной энергии по облучаемому объекту, фактором времени, видом и энергией ионизирующих излучений. Эти связи нельзя установить без понимания механизмов радиационных эффектов. Таким образом, дозиметрия смыкается с радиационной физикой.

     Поэтому наряду с экспериментальными методами в дозиметрии используют расчетные методы определения дозиметрических величин, основанные на законах взаимодействия ионизирующих излучений с веществом. [1]

     Сцинтилляционный метод дозиметрии

     Название  данного метода указывает, что в  его основу положено явление сцинтилляции.

     Некоторые вещества (сцинтилляторы) обладают той  особенностью, что процесс прохождения  через них ионизирующих излучений  сопровождается слабыми световыми  вспышками, которые могут быть обнаружены и измерены аппаратурой, обладающей высокой светочувствительностью.

     Физическая  основа сцинтилляционного метода — возбуждение и ионизация атомов и молекул вещества при прохождении через него заряженных частиц. Через определенное время они переходят в основное состояние, испуская световое излучение, спектр которого зависит от структуры энергетических уровней атомов и молекул вещества. Вспышка света может произойти и при прохождении через сцинтиллятор косвенно ионизирующего излучения за счет вторичных частиц. При прохождении фотонов это электроны отдачи и фотоэлектроны, а при прохождении нейтронов это ядра отдачи или заряженные частицы, появившиеся в результате (n, ±)-, (n,р)-реакций и т.д.

     Рассмотрим  механизм высвечивания неорганического  сцинтиллятора (Рис.1). Свечение связано с существованием центров люминесценции, обусловленных наличием каких-либо примесей.

     

     Рис. 1. Механизм высвечивания неорганического сцинтиллятора.

     1 — переход электрона из валентной  зоны в зону  проводимости,

     2 — захват дырки центром люминесценции, 

     3 — рекомбинация электрона с дыркой на центре люминесценции,

     4 — возбуждение центра люминесценции, 

     5 — излучательный переход в  основное состояние.

     Для объяснения протекающих процессов  воспользуемся зонной моделью энергетических уровней электронов в кристалле. Электроны в изолированных атомах могут иметь лишь некоторые дискретные значения энергии. В результате существования химических связей между атомами в кристалле, каждый энергетический уровень электрона расщепляется в непрерывный набор разрешенных уровней, называемый зоной. Совокупность разрешенных энергетических уровней для свободных электронов называется зоной проводимости, а для электронов, которые участвуют в образовании валентных связей между атомами кристалла, — валентной зоной. Для перевода электрона из связанного состояния в валентной зоне в свободное состояние в зоне проводимости необходимо передать ему энергию, равную энергии валентной связи. Эта энергия определяет ширину запрещенной зоны, разделяющей зону валентных уровней и зону проводимости. Запрещенная зона не содержит электронных энергетических уровней, если в кристалле отсутствуют примеси и дефекты структуры.

     Под воздействием ионизирующего излучения  происходит переход электрона из "валентной зоны" "в зону проводимости". Дырка, или вакансия, которая образуется при этом, переходит из "валентной зоны" в "запрещенную зону" на уровень L и становится центром высвечивания (люминесценции). Электрон притягивается избыточным положительным зарядом и рекомбинирует с дыркой. Центр люминесценции переходит в возбужденное состояние, которое снимается излучением светового фотона.

     Высвечивание  органических сцинтилляторов объясняется  внутримолекулярными процессами возбуждения  одной из химических связей с последующим  снятием возбуждения излучением светового фотона.

     Сцинтиляторы  характеризуются следующими параметрами:

     •сцинтилляционной конверсионной эффективностью;

     •световым выходом;

     •временем высвечивания;

     •прозрачностью  к собственному излучению.

      Различают органические и неорганические сцинтилляторы. Органические сцинтилляторы представляют собой монокристаллы некоторых органических соединений — антрацена, стильбена. нафталина, толана. Содержание водорода в органических сцинтилляторах позволяет использовать их для регистрации быстрых нейтронов. Антрацен обладает наибольшей конверсионной эффективностью (·є ~ 0,04) среди всех органических кристаллов, но очень чувствителен к резким изменениям температуры, которые приводят к потере сцинтилляционных свойств.

      Более устойчивым монокристаллом является стильбен, который широко используется для регистрации быстрых нейтронов. Стильбен удобен также при использовании в аппаратуре разделения при регистрации частиц разных типов. Он обладает очень малым временем высвечивания быстрой компоненты (Д ~ 6 · с) и относительно высокой конверсионной эффективностью (·є ~ 0,02).

      При детектировании тяжелых частиц, органические сцинтилляторы имеют низкий и  нелинейный (в зависимости от энергии) световой выход.

Существуют также  жидкие и пластические органические сцинтилляторы. В сцинтиллирующих  пластмассах некоторые органические вещества образуют твердые растворы в полистироле (например, терфенил в полистироле С18 H14 ).  Пластмассовые органические сцинтилляторы состоят из растворителя, активаторов и сместителя спектра. Высокая прозрачность материалов позволяет изготовить детекторы больших размеров. Пластмассовые сцинтилляторы хорошо обрабатываются механически. Конверсионная эффективность пластмассовых сцинтилляторов 0.05 — 0,5 относительно антрацена, время высвечивания (2 — 8) · с.

При понижении  температуры люминесцентные свойства пластмассовых сцинтилляторов улучшаются.

     Неорганические  сцинтилляторы, применяемые для  детектирования и спектрометрии  ионизирующего излучения, можно  разделить на три группы: сульфиды (ZnS, активированные серебром или медью; CdS, активированные серебром); галогениды щелочных металлов (NaI, CsI, LiI, активированные таллием; CaL2, LiI, активированные европием, CsF — неактивированный) и вольфраматы (CaWO4, CdWO4). При выращивании кристаллов в большинство из них вводятся специальные примеси (активаторы), которые увеличивают плотность центров люминесценции. В приложении 1 даны характеристики некоторых неорганических кристаллических сцинтилляторов. [4]

Люминесцентный  метод дозиметрии

     Сущность  метода заключается в том, что в некоторых веществах (люминофорах) образованные под действием ионизирующего излучения носители заряда (электроны и дырки) локализуются в центрах захвата, благодаря чему происходит накопление поглощенной энергии, которая может быть затем освобождена при дополнительном внешнем воздействии (возбуждении).

     Чаще  всего дополнительным возбуждением может быть либо освещение люминофора светом определенного спектра, либо его нагрев (фотолюминесценция и  термолюминесценция). Рассмотрим механизм термолюминесценции: 

     

     Рис. 2. Механизм термолюминесценции: 1 — переход электрона из валентной зоны в зону проводимости; 2 — захват дырки центром люминесценции; 3 — захват электрона ловушкой; 4 — освобождение электронов при нагреве кристалла; 5 — рекомбинация электронов с дырками в центрах люминесценции; 6 — возбуждение центра люминесценции; 7 — излучательный переход в основное состояние.

     Электрон, поглощая энергию ионизирующего  излучения, переходит из валентной  зоны в зону проводимости. Образующаяся дырка переходит в запрещенную зону и создает центр люминесценции. Если в запрещенной зоне имеется электронная ловушка, обусловленная дефектом кристалла или введением примесей, то она захватывает электрон и электрон переходит в метастабильное состояние. Внешнее воздействие сообщает электрону дополнительную энергию и он вновь переходит в зону проводимости, после чего рекомбинирует с дыркой (центром люминесценции). Центр люминесценции переходит в возбужденное состояние, которое снимается излучением светового фотона. В дальнейшем световые вспышки переводятся в электрический сигнал. [2]