Способ измерения поглощенной дозы ионизирующего излучения и устройство для его осуществления

 

Сущность изобретения: способ основан на облучении радиофотолюминесцентного (РФЛ) детектора импульсами возбуждающего оптического излучения, измерений в пределах временного измерительного интервала, задержанного относительно импульса возбуждения, интенсивности люминесценции детектора и вычислении значения поглощенной дозы. При этом детектор облучают излучением сплошного спектра, спектральный диапазон которого находится в пределах спектрального диапазона возбуждения РФЛ-центров в детекторе, а ширина спектрального диапазона возбуждающего излучения не менее значения неоднородного уширения возбуждения РФЛ-центров в детекторе. Длительность импульсов устанавливают достаточной для возбуждения РФЛ-центров в количестве от 0,1 до 0,9 от его равновесного значения. Время задержки начала измерения выбирают таким, чтобы количество возбужденных РФЛ-центров оставалось от 0,95 до 0,1 от достигнутого при возбуждении значения, а длительность измерительного интервала выбирают такой, чтобы количество оставшихся возбужденных РФЛ-центров к моменту окончания измерения составляло от 0,9 до 0,05 от достигнутого к моменту начала измерения. Интенсивность РФ-люминесценции измеряют в спектральном диапазоне, значение коротковолновой границы которого не меньше, чем значение длинноволновой границы спектра фоновой люминесценции детекторов. Устройство, реализующее способ, содержит источник излучения, оптические элементы, фотоприемники и электронный блок регистрации. Источник имеет сплошной спектр и микросекундный диапазон длительности импульсов. Первый светофильтр выполнен со спектральным диапазоном пропускания, находящимся в пределах спектрального диапазона возбуждения РФЛ-центров в детекторе, и с шириной его не меньшей значения неоднородного уширения спектра возбуждения РФЛ-центров в детекторе. Второй светофильтр выполнен так, что значение коротковолновой границы его спектрального диапазона пропускания не меньше, чем значение длинноволновой границы спектра фоновой люминесценции детекторов. 2 с.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области ядерной физики, а точнее к области дозиметрии ионизирующего излучения и индивидуального дозиметрического контроля. Оно может быть использовано для определения доз облучения персонала, работающего с источниками ионизирующих излучений, населения, проживающего на контролируемых территориях; в медицинских учреждениях, использующих методы радиотерапии и диагностики; радиационного экологического мониторинга.

Известен способ [1] измерения поглощенной дозы ионизирующего излучения, согласно которому в качестве детектора ионизирующего излучения используются активированные серебром стекла. Под действием ионизирующего излучения в этих стеклах образуются новые центры люминесценции, отсутствующие в необлученном стекле центры радиофотолюминесценции, которые люминесцируют в красно-оранжевой области спектра при возбуждении ультрафиолетовым излучением. Интенсивность радиофотолюминесценции пропорциональна поглощенной дозе ионизирующего излучения.

Радиофотолюминесцентные детекторы не являются прямопоказывающими, поэтому для получения информации о поглощенной дозе необходимо использовать считывающие устройства люминесцентные фотометры или спектрофлюориметры. Калибровка считывающего устройства в единицах поглощенной дозы осуществляется с помощью радиофотолюминесцентных стандартных образцов (эталонов), чувствительность которых к данному виду ионизирующего излучения принимается за единицу.

Основным фактором, ограничивающим возможность измерения малых поглощенных доз радиофотолюминесцентным методом, является фоновая ("дозовая") люминесценция необлученных детекторов под действием ультрафиолетового излучения. Существует ряд причин, определяющих значение фоновой люминесценции радиофотолюминесцентных стекол: концентрация активатора серебра, технологические факторы, связанные с окислительно-восстановительными условиями синтеза, присутствие в стекле технологических микропримесей, качество поверхности детекторов и т.д.

Известно устройство для измерения поглощенной дозы гамма- и смешанного гамма-нейтронного излучения, состоящее из комплекта радиофотолюминесцентных детекторов типа ИД-11 и считывающего прибора ГО-32 [2] Для возбуждения люминесценции детекторов в ГО-32 используется ламповый источник света непрерывного действия. В этом случае с одинаковой эффективностью возбуждаются и регистрируются центры как радиофото-, так и фоновой люминесценции. Поэтому нижний предел измерения поглощенной дозы в описываемом устройстве составляет 10 рад (0,1 Гр).

Известен также способ измерения поглощенной дозы ионизирующего излучения [3] который по совокупности существенных признаков наиболее близок предлагаемому и принят за прототип. Известный способ заключается в облучении радиофотолюминесцентного детектора импульсами возбуждающего оптического излучения, измерении в пределах временного измерительного интервала, задержанного относительно импульса возбуждения, интенсивности люминесценции детектора и вычислений значения поглощенной дозы. Указанный способ позволяет достичь нижнего предела измерения поглощенной дозы 0,01 рад (0,0001 Гр).

Известно устройство, реализующее способ измерения поглощенной дозы ионизирующего излучения [3] которое по совокупности существенных признаков наиболее близко предлагаемому и принято за прототип. Устройство содержит источник импульсного оптического излучения, оптически связанный через светофильтр со сменным радиофотолюминесцентным детектором, оптически связанным через второй светофильтр с фотоприемником, а также электронный блок обработки сигналов фотоприемника. В качестве источника излучения здесь использован лазер с длиной волны излучения 337 нм и длительностью импульса излучения около 10 нс, работающий с частотой 100 Гц.

В известном решении задание продолжительности импульса облучения детектора, а также времени задержки и продолжительности измерительных интервалов осуществляется безотносительно к кинетике процессов возбуждения и люминесценции радиофотолюминесцентных центров в конкретных образцах детекторов. Кроме того, использование лазера в качестве источника возбуждающего излучения не позволяет использовать весь спектр возбуждения фосфатных стекол, активированных серебром, приводит к возникновению нелинейных эффектов, способных разрушить центры радиофотолюминесценции. Использование фотоэлектронного умножителя в канале регистрации люминесценции в режиме счета фотонов ведет к резкому снижению верхней границы диапазона измерений, которая оказывается ограниченной быстродействием используемой электроники. Отсутствие спектральной селекции регистрируемого излучения уменьшает отношение сигнал/фон. Перечисленные недостатки приводят к тому, что, как и указано в [3] диапазон измерения известного устройства, реализующего известный способ, составляющий от 0,0001 Гр до 10 Гр.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание прибора с расширенным диапазоном измерений как в меньшую, так и в большую сторону. Предлагаемое техническое решение представляет собой новый способ измерения поглощенной дозы ионизирующего излучения и новое устройство для его осуществления, связанные между собой так, что они образуют единый изобретательский замысел.

В предлагаемом способе измерения поглощенной дозы ионизирующего излучения, основанном на облучении радиофотолюминесцентного детектора импульсами возбуждающего оптического излучения, измерении в пределах временного измерительного интервала, задержанного относительно импульса возбуждения, интенсивности люминесценции детектора и вычислении значения поглощенной дозы, в отличие от прототипа детектор облучают импульсами возбуждающего оптического излучения сплошного спектра, спектральный диапазон которого находится в пределах спектрального диапазона радиофотолюминесцентных центров в детекторе, причем ширина спектрального диапазона возбуждающего излучения составляет не менее значения неоднородного уширения спектра возбуждения радиофотолюминесцентных центров в детекторе, длительность импульсов возбуждения устанавливают достаточной для возбуждения центров радиофотолюминесценции в детекторе в количестве от 0,1 до 0,9 от его равновесного значения, соответствующего пиковой интенсивности возбуждающего оптического излучения, время задержки начала измерения после окончания импульса возбуждения выбирают таким, чтобы количество возбужденных центров радиофотолюминесценции в детекторе оставалось от 0,95 до 0,1 от достигнутого при возбуждении значения, а длительность измерительного интервала выбирают таким образом, чтобы количество оставшихся возбужденных центров радиофотолюминесценции в детекторе к моменту окончания измерения составляло от 0,9 до 0,05 от достигнутого к моменту начала измерения, при этом измеряют интенсивность радиофотолюминесценции в спектральном диапазоне, значение коротковолновой границы которого не меньше, чем значение длинноволновой границы спектра фоновой люминесценции детекторов.

Значения упомянутых величин получают в ходе исследования конкретных марок стекол, идущих на изготовление детекторов.

Предлагаемый способ реализуется в устройстве для измерения поглощенной дозы ионизирующего излучения, содержащем источник импульсного оптического излучения, оптически связанный через светофильтр со сменным радиофотолюминесцентным детектором, оптически связанным через второй светофильтр с фотоприемником, а также электронный блок обработки сигналов фотоприемника, отличающемся тем, что источник импульсного оптического излучения имеет сплошной спектр и микросекундный диапазон длительности импульсов, первый светофильтр выполнен со спектральным диапазоном пропускания, находящимся в пределах спектрального диапазона возбуждения радиофотолюминесцентных центров в детекторе, и с шириной спектрального диапазона пропускания, не меньшей значения неоднородного уширения спектра возбуждения радиофотолюминесцентных центров в детекторе, а второй светофильтр выполнен таким образом, что значение коротковолновой границы его спектрального диапазона пропускания не меньше, чем значение длинноволновой границы спектра фоновой люминесценции детекторов.

Это позволяет создать условия для оптимальной спектральной селекции возбуждающего радиофотолюминесценцию оптического излучения и регистрируемого излучения детектора, а также для оптимального подбора временных параметров, реализуемых электронным блоком обработки сигналов фотоприемников: длительности импульсов возбуждения, времени задержки начала измерения и продолжительности временного измерительного интервала.

На фиг. 1 представлены в координатах длина волны интенсивность спектры возбуждения 1 и радиофотолюминесценции 2 детекторов из фосфатных стекол, активированных серебром, после гамма-облучения, а также спектр фоновой люминесценции необлученного детектора под действием возбуждающего излучения 3.

На фиг. 2 представлены графики кинетики (затухания) люминесценции в координатах время интенсивность для тех же детекторов при разных дозах облучения гамма-излучением, где a необлученный детектор (фоновая люминесценция) b доза 0,04 Гр; c доза 0,4 Гр. Цена деления временной шкалы 100 нс.

Интенсивности на фиг. 1 и 2 в относительных единицах.

На фиг. 3 представлена функциональная схема возможного конструктивного решения предлагаемого устройства, реализующего предлагаемый способ.

В лабораторных условиях авторами была проведена серия экспериментов с детекторами из фосфатных стекол, активированных серебром. Результаты экспериментов приведены на фиг. 1 и 2. По графикам на фиг. 1 установлены параметры оптимальной спектральной селекции возбуждающего и регистрируемого излучения для достижения максимального значения отношения "сигнал/фон". При реализации способа детек4торы из этих стекол, подвергнутые гамма-облучению, возбуждали оптическим излучения в спектральном диапазоне 310 420 нм, а регистрацию интенсивности радиофотолюминесценции производили в спектральном диапазоне 580 850 нм. Временные параметры возбуждения и регистрации радиофотолюминесценции были установлены при изучении кинетики этих стекол (фиг. 2) и задавались в пределах 0,3 10 мкс длительность импульса возбуждения; 0,3 10 мкс задержка временного измерительного интервала относительно конца импульса возбуждения; 0,3 10 мкс длительность временного измерительного интервала.

Реализованный вариант предлагаемого устройства, работающего по предлагаемому способу (фиг. 3), содержит источник импульсного возбуждающего излучения 1, выполненный в виде ксеноновой лампы высокого давления, электрически связанный с источником питания и оптически связанный через линзу 2, первый светофильтр (возбуждения) 3, выполненный в виде набора абсорбционных светофильтров, и светоделитель 4 с опорным фотоприемником 9, выполненным в виде вакуумного фотоэлемента, и с 5 исследуемым радиофотолюминесцентным (РФЛ) детектором, который, в свою очередь оптически связан через линзу 6 и второй светофильтр (регистрации) 7, выполненный в виде набора абсорбционных светофильтров, с измерительным фотоприемником 10, выполненным в виде ФЭУ с мультищелочным катодом. Фотоприемники 9 и 10 начальные элементы опорного и измерительного каналов, входящих в электронный блок 8 обработки сигналов, электрически связаны с блоками аналоговой обработки (БАО) соответственно 11 и 12 и схемой синхронизации (СС) 13. БАО 11 и 12 и СС через аналоговый коммутатор (АК) 14 электрически связаны с аналого-цифровым преобразователем (АЦП) 15, выход которого связан с входом блока управления (БУ) 16. БУ своими выходами связан с жидкокристаллическим индикатором (ЖКИ) 17, последовательным портом (ПП) 18 и блоком управления импульсной лампой (БУИЛ) 19, связанным с блоком питания (БП) 20 источника импульсного излучения.

Устройство работает следующим образом. Газоразрядная ксеноновая лампа высокого давления 1 совместно с блоком питания 20 генерирует импульсы излучения длительности 0,3-10 мкс с частотой 50 Гц. Излучение фокусируется линзой 2 и, пройдя через светофильтр 3, разводится светоделителем 4 на РФЛ-детектор 5 и опорный фотоприемник 9 (в опорном канале), выполненный в виде вакуумного фотоэлемента. Излучение радиофотолюминесценции детектора 5 фокусируется линзой 6 и, пройдя через светофильтр 7, попадает на измерительный фотоприемник 10 (в измерительном канале), выполненный в виде ФЭУ с мультищелочным катодом. Сигналы фотоприемников приходят на блоки аналоговой обработки 11 и 12, построенные на основе переключаемых интеграторов. При этом в опорном канале сигнал интегрируется в течение времен5и импульса излучения (0,3-10 мкс), а в измерительном во время измерительного интервала (0,3-10 мкс), заданного с задержкой (0,3-10 мкс). Эти парам5етры задаются схемой синхронизации 13. Сигналы с выходов блоков 11 и 12 через аналоговый коммутатор 14 подаются на вход аналого-цифрового преобразователя 15. Блок управления 16 осуществляет синхронизацию работы всех элементов устройства, прием данных из аналого-цифрового преобразователя, необходимые преобразования измеренных величин, вывод данных на жидкокристаллический индикатор 17 и последовательный порт 18. Кроме того, он связан с блоком управления импульсной лампой 19, запускающим блок питания лампы 20.

В устройстве использовались светофильтры, выполненные в виде наборов абсорбционных светофильтров. Светофильтр возбуждения при этом имеет спектральный диапазон пропускания 310 420 нм, а светофильтр регистрации - спектральный диапазон пропускания 580 850 нм.

Описанное устройство, реализуя предлагаемое изобретение, обеспечивает измерение поглощенной дозы ионизирующего излучения в диапазоне 0,00001- 1000 Гр с погрешностью не более 20%

Формула изобретения

1. Способ измерения поглощенной дозы ионизирующего излучения, основанный на облучении радиофотолюминесцентного детектора импульсами возбуждающего оптического излучения, измерении в пределах временного измерительного интервала, задержанного относительно импульса возбуждения, интенсивности люминесценции детектора и вычислении значения поглощенной дозы, отличающийся тем, что детектор облучают импульсами возбуждающего оптического излучения сплошного спектра, спектральный диапазон которого находится в пределах спектрального диапазона возбуждения радиофотолюминесцентных центров в детекторе, причем ширина спектрального диапазона возбуждающего излучения составляет не менее значения неоднородного уширения спектра возбуждения радиофотолюминесцентных центров в детекторе, длительность импульсов возбуждения устанавливают достаточной для возбуждения центров радиофотолюминесценции в детекторе в количестве от 0,1 до 0,9 от его равновесного значения, соответствующего пиковой интенсивности возбуждающего оптического излучения, время задержки начала измерения после окончания импульса возбуждения выбирают таким, чтобы количество возбужденных центров радиофотолюминесценции в детекторе оставалось от 0,95 до 0,1 от достигнутого при возбуждении значения, а длительность измерительного интервала выбирают таким образом, чтобы количество оставшихся возбужденных центров радиофотолюминесценции в детекторе составляло от 0,9 до 0,05 от достигнутого к моменту начала измерения, при этом измеряют интенсивность радиофотолюминесценции в спектральном диапазоне, значение коротковолновой границы которого не меньше, чем значение длинноволновой границы спектра фоновой люминесценции детекторов.

2. Устройство для измерения поглощенной дозы ионизирующего излучения, содержащее источник импульсного оптического излучения, оптически связанный через светофильтр со сменным радиофотолюминесцентным детектором, оптически связанным через второй светофильтр с фотоприемником, а также электронный блок обработки сигналов фотоприемника, отличающееся тем, что источник импульсного оптического излучения имеет сплошной спектр и микросекундный диапазон длительности импульсов, первый светофильтр выполнен со спектральным диапазоном пропускания, находящимся в пределах спектрального диапазона возбуждения радиофотолюминесцентных центров в детекторе, и с шириной спектрального диапазона пропускания, не меньшей значения неоднородного уширения спектра возбуждения радиофотолюминесцентных центров в детекторе, при этом второй светофильтр выполнен таким образом, что значение коротковолновой границы его спектрального диапазона пропускания не меньше, чем значение длинноволновой границы спектра фоновой люминесценции детекторов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3