Вимірювання доз гамма-випромінювання в рентгенах

Вимірювання доз гамма-випромінювання в рентгенах

Розглядають-рівая основні умови, що дозволяють забезпечити в иони-заційного камерах різних типів повне збирання іонів, ми не зупинялися детально на природі воз-нення цих іонів під дією іонізуючих випромінювань.

Вимірювання числа пар іонів, що утворюються в одиницю часу (або, що те ж саме, - іонізаційного струму в режимі насичення) в будь-якому обсязі повітря, позво-ляет визначити поглинену енергію випромінювання в цьому обсязі, тобто потужність дози. Вимірювання числа пар іонів за весь час дії випромінювання дозволяє визна-лити його дозу. При цьому, очевидно, величина обсягу не грає істотного значення, якщо тільки вона не на-стільки велика, що має місце велике поглинання аль-фа або бета-випромінювання, що викликає нерівномірне іонізацію в різних точках камери.

Поглинання енергії гамма-випромінювання відбувається пу-тем передачі його енергії електронам атомів середовища. При цьому, як зазначалося раніше, відбуваються три основні процеси - фотоефект, комптонівське поглинання і про-разование пар. У всіх 'Випадках утворюються вторинні електрони, енергія яких витрачається на іонізацію середовища. Звідси випливає, що про поглиненої енергії гамма-випромінювання в повітрі, тобто про його дозі, правильно судити за кількістю утворилися іонів можна тільки тоді, коли відбувається їх збирання на всьому шляху пробігу вто-ковий електронів. Практично це означає, що раз-заходи іонізаційнийкамери повинні залежати від енергії вторинних електронів або в кінцевому рахунку від енергії гамма-квантів. Розглянемо це питання докладніше.

Між енергією гамма-квантів первинного випромінювання і енергією вторинних електронів є сувора зависи-ність. При фотоефекті в повітряному середовищі практично вся енергія кванта перетворюється в кінетичну енергію фотоелектронів, напрямок руху яких майже перпендикулярно до напрямку руху квантів. При Комптонівське взаємодії тільки частина енергії пер-первинних гамма-кванта передається вторинним електронам (електронів віддачі), решта несеться неуважний-ними гамма-квантами. Залежно від кута, під кото-рим вилітають електрони віддачі, їх енергія змінюється від нуля до максимуму (коли електрони віддачі рухаються в тому ж напрямку, що і первинні гамма-кванти).

У табл. 7 наведені значення кінетичної енергії фотоелектронів і електронів віддачі в залежності від енергії квантів. В останніх двох стовпчиках таблиці при-ведені величини пробігу цих електронів в повітрі при 0 ° С і тиску 760 мм ртутного стовпа (щільність віз-духу 0,00129 г / см 3).

Кінетична енергія фотоелектронів і електронів віддачі (максимальні значення) при взаємодії гамма-квантів з атомами повітря

1 Перші чотири значення дані для фотоелектронів.

Як зазначалося раніше, при малих енергіях гамма-квантів (приблизно до 0,05 МеВ) основним процес-сом взаємодії з атомами повітря є фото-ефект, комптонівське взаємодія в порівнянні з ним дуже мало. При енергії квантів 0,06 МеВ коефі-цієнт фотоелектричного і комптонівського поглинання рівні, а починаючи з ^ = 0,1 МеВ і вище преобладаю-щим є комптонівське взаємодія. У відпо-відно до цим в табл. 7 наведені дані для того типу взаємодії, яке визначає поглинання гамма-випромінювання в повітрі при даній енергії квантів.

Отримані дані дозволять тепер оцінити розміри іонізаційнийкамери, в обсязі якої укладався б повний пробіг вторинних електронів. Для гамма-квантів з енергією до 0,1-0,2 МеВ її розміри повинні бути не-скільки десятків сантиметрів. Однак при великих енер-гіях квантів вони виражаються вже в метрах, а при Ят близько 4-5 МеВ - в десятках метрів. Такі іонізующей-ційних камери важко побудувати в лабораторних умо-вах, не кажучи вже про польових приладах.

Але навіть при конструюванні іонізаційних камер для вимірювань потужності дози гамма-випромінювання з енер-гією квантів менше 0,2 МеВ необхідно дотримуватися ряду заходів, що виключають появу фотоелектронів і електро-нів віддачі з будь-яких середовищ / крім повітря. Напри-заходів, якщо камеру, зображену на рис. 15, висвітлювати широким пучком гамма-променів, як показано стрілками, вторинні електрони будуть виникати також і в електро-дах камери. Потрапляючи в робочий об'єм, ці електрони дадуть додаткову іонізацію повітря, внаслідок чого вимірювання потужності дози будуть неправильними.

Типова конструкція камери, призначеної для вимірювань дози гамма-випромінювання в повітрі, має вигляд, показаний на рис. 18.

Камера має високовольтний 5, що збирає С і до-виконавчими Д електроди у вигляді пластин, рознесених на певну відстань і укладених в екран з листового свинцю достатньої товщини. Призначення всіх електродів було пояснено вище. Відстань між електродами і їх розміри обрані такими, щоб в лю-бом напрямку від центру камери вільно укладаючи-лась довжина пробігу вторинних електронів від випромінювання, доза якого повинна вимірюватися. У спеціальне Каліб-рованное отвір А всередину камери пропускається вузький пучок випромінювання, що виходить з екрану в інший отвір, ніде не торкаючись його стінок. На електроди по-дається напругу, достатню для забезпечення режиму струму насичення. При таких умовах в робочий об'єм потрапляють тільки ті електрони, які утворилися при взаємодії з атомами повітря.

Слід зауважити, що розміри збирає електрода не обов'язково повинні бути рівні довжині пробігу електрон-тронів в повітрі. На рис. 18 показано, що будь-якому вто-річної електрону В2, частково або повністю втрачає свою енергію поза робочого об'єму (показаний пунктиром), обов'язково відповідає інший електрон ei, який заповнює втрати іонів від електрона £ 2.

Описана вище камера називається нормальної і застосовується для еталонних вимірювань доз рентгенівських і гамма-променів в повітрі.

У іонізаційних камерах типу, зображеного на рис. 16, при впливі гамма-випромінювання вторинні елек-трони утворюються як в повітрі, що наповнює її обсяг, так і в стінках. Оскільки щільність стінок (а значить, і коефіцієнт поглинання випромінювання в стінках) в тисячі разів більше щільності повітря при атмосферному тиску-ванні, число вторинних електронів, що потрапляють в робочий об'єм зі стінок, приблизно в стільки ж разів більше числа електронів, що виникають в повітрі.

По суті іонізація повітря в такій камері яв-ляется мірою поглиненої енергії гамма-випромінювання ско-реї в матеріалі стінок, ніж в повітрі. У зв'язку з цим необхідно розглянути кількість поглиненої енергії гамма-випромінювання в різних матеріалах. При цьому від-носіння коефіцієнтів поглинання в цих матеріалах до коефіцієнтів поглинання в повітрі при однакових енергіях гамма-квантів пропорційно відношенню по-глощенних енергій випромінювання в матеріалі і повітрі. У табл. 8 наведені результати такого порівняння для плексигласу, алюмінію і свинцю.

Ставлення поглиненої енергії гамма-випромінювання в 1 г плексигласу, алюмінію і свинцю до поглиненої енергії в 1 г повітря

Як видно з таблиці, в області малих енергій гамма-квантів в 1 г свинцю поглинається в сотні разів більше енергії випромінювання, ніж в 1 г повітря. Це озна-чає, що в обсяг камери, стінки якої виготовлені зі свинцю, буде потрапляти в сотні разів більше вторинних електронів, ніж в камеру, що має, наприклад, комплекси-Гласова стінки.

Інакше кажучи, при однаковій потужності дози гамма-випромінювання іонізаційний струм в камері зі свинцевими стінками буде багато більше, ніж іонізаційний струм в камері з плексигласовий стінками. Завищення іонізующей-ційного струму буде залежати від енергії гамма-квантів, тобто жорсткості випромінювання. Тому такий ефект ча-сто називають «ходом з жорсткістю». Як видно з табл. 8, «хід з жорсткістю» в камері з алюмінієвими стінками значно менше, ніж для свинцю. У камері зі стін-ками з плексигласу «хід з жорсткістю» у всьому діапа-зоні енергій квантів, наведених у таблиці, практичні скі відсутня.

Речовини, в яких енергія, поглинена в 1 г, прак-тично дорівнює поглиненої енергії в 1 г повітря, на-ни опиняються воздухоеквівалентнимі. До них відносяться уг-лерод, бакеліт, плексиглас і інші пластмаси. По-загально будь-які матеріали, атомний номер яких ра-вен або дуже близький до атомному номеру повітря (2ВОЗ д. = 7,62), є воздухоеквівалентнимі.

Якщо іонізаційна камера призначається для через вимірювань потужності дози гамма-випромінювання тільки однієї жорсткості, її стінки можуть бути виготовлені з будь-якого матеріалу. Таку камеру можна проградуювати пі нормальної ионизационной камері, тобто знайти силу іонізаційного струму, відповідного 1 рентгену на годину. Потім, розміщуючи цю камеру в поле гамма-випромінювання тієї ж жорсткості, але невідомої інтенсивності, по ве-личині іонізаційного струму можна визначити мощ-ність дози в місці вимірювання.

У тому випадку, якщо жорсткість гамма-випромінювання неіз-Укр, стінки камери повинні бути виготовлені з воз-духоеквівалентного матеріалу. З таких матеріалів найбільш зручним в технології є провідна пластмаса, яка готується шляхом змішування в певній пропорції вихідного порошку для пласт-маси і графітового пилу. Після пресування при визна-ленном тиску і температурі виходить твердий матеріал, що володіє хорошою провідністю.

Слід зауважити, що «хід з жорсткістю» наблю-дається в області порівняно малих енергій квантів, де основним процесом є фотоелектричний по-глощеніе. Для алюмінію, наприклад, цей ефект спостеріга-дається до £ т ^ 0,2 МеВ.

Часто при складанні іонізаційнийкамери збираю-щий електрод і ізолятори кріпляться до її стінок за допомогою залізних, латунних або мідних гвинтів. Якщо поверхню гвинтів не покриті будь-яким воздухоекві- валентним матеріалом (наприклад, аквадагом), то при малих енергіях квантів з'явиться значна кількістю-ство фотоелектронів, що випромінюються з поверхні гвинтів, які приведуть до появи «ходу з жорсткістю».

Для правильного вимірювання доз гамма-випромінювання за допомогою стеночной камери певне значення має товщина стінок. Дійсно, якщо стінки мають велику товщину, частина випромінювання буде поглинатися в їх зовнішньому шарі і результати вимірювань можуть бути занижені. З іншого боку, при занадто тонких стін-ках вторинні електрони будуть втрачати в обсязі камери тільки частину своєї енергії, поглинаючись в протилежний-ної стінки, що також призведе до заниження показань камери.

Для польових приладів товщину стінки камери зазвичай вибирають з умов забезпечення достатньої механічної міцності її та необхідності поглинання бета-випромінювання, яке на зараженій місцевості все-гда супроводжує гамма-випромінювання. При цьому, здавалося б, буде відбуватися деяке ослаблення м'якого гамма-випромінювання в стінках і заниження іонізаційного струму в камері. Однак експерименти не підтверджують цього. Навіть при товщині стінок плоскої камери по-рядка 5-6 мм плексигласу заниження іонізаційного струму відсутня при всіх енергіях квантів, починаючи з 0,06 МеВ і вище. Відбувається це тому, що ослаблення м'якого випромінювання в передній стінці, на яку па-дає потік квантів, практично повністю компенсуючого-ється виходом вторинних електронів з задньої стінки камери. При збільшенні жорсткості гамма-випромінювання зменшується число вторинних електронів з задньої стінки, але зменшується також і поглинання випромінювання в передній стінці. З цих причин плоска іонізації-ційна камера з воздухоеквівалентнимі стінками товщі-ной до 6 мм дозволяє правильно вимірювати потужності доз гамма-випромінювання в широкому діапазоні енергій квантів - від 0,06 до 3 МеВ.

Доза в повітрі, як відомо, вимірюється в рентген-нах, причому одному рентгену відповідає утворення 2,08 • 10 9 пар іонів в 1 см 3 повітря при температурі 0 ° С і тиску 760 мм рт. ст. Щільність повітря при цих умовах дорівнює 0,001293 г / см [1]. Практично вимірювань-ня доз виробляються майже завжди при інших клімат-чеських умовах: влітку або в приміщенні (в будь-який час року) при позитивних температурах, взимку - при негативних температурах. Крім того, і тиск повітря може змінюватися в широких межах, особливо в гористій місцевості. Зміна температури і тиску-ня повітря призводить до зміни його щільності, в тому числі і щільності в обсязі камери, якщо вона не герме-тична. Наприклад, при температурі 18 ° С і тиску 740 мм рт. ст. щільність повітря дорівнює 0,00118, тобто в 1,1 рази менше нормальної. При негативних тим-пература щільність повітря, навпаки, вище нормаль-ної. Звідси випливає, що для отримання правильних ре-зультатів вимірювань дози в рентгенах в величину иони-заційного струму камери необхідно вносити поправки на температуру і тиск повітря. Величина поправки про, на яку треба помножити виміряне значення иони-заційного струму при температурі t ° С і тиску Р мм рт. ст. може бути знайдена за формулою

гок буде менше однієї десятитисячної частки мікро-пера. Такі струми звичайними електровимірювальними приладами, придатними для застосування в польових умо-вах, виміряти неможливо.

Токи близько 10 - 9 -10

14 ампера прийнято називати слабкими струмами. Найбільшого поширення в прак-тику отримали два методи вимірювань слабких струмів: за допомогою електрометрів і за допомогою підсилювачів по-постійного струму на електрометричних лампах.

Схожі статті