- •Isbn 5-283-02968-9
- •Глава 1
- •§ 1. Основные понятия
- •§ 2. Скалярные характеристики поля излучения
- •§ 3. Дифференциальные характеристики поля излучения
- •§ 4. Векторные характеристики поля излучения
- •§ 5. Токовые и потоковые величины в рассеивающей
- •§ 6. Теорема фано
- •§ 7. Поглощенная энергия излучения
- •§ 8. Линейная передача энергии
- •§ 9. Поглощенная доза
- •§ 10. Экспозиционная доза
- •§ 11. Коэффициент качества излучения. Эквивалентная доза
- •§ 11 Коллективная доза
- •§ 14. Коэффициент передачи энергии излучения
- •§ 15. Электронное равновесие
- •§ 16. Эффективный атомный номер вещества
- •§ 17. Средняя энергия новообразования
- •§ 18. Соотношение брэгга—грея
- •§ 19. Энергетическая зависимость чувствительности дозиметрического детектора в поле фотонного излучения
- •§ 20. Обобщенный принцип дозиметрии
- •§ 21. Вводные замечания
- •§ 22. Закономерности ионизационных камер
- •§ 23. Универсальная характеристика ионизационной камеры
- •§ 24. Закономерности ионизационных амер
- •2/3٠|2باكإب1 непр'/
- •§ 27. Газоразрядные счетчики
- •§ 28. Полостные ионизационные камеры
- •§ 29. Роль 6-электронов
- •Глава 5
- •§ 30. Особенности полупроводниковых детекторов
- •§ 31. Носители электрических зарядов в беспримесном полупроводнике
- •§ 32. Примесные полупроводники
- •§ 34. Уравнение протекания тока через полупроводниковый детектор
- •§ 35. Вольт-амперная характеристика полупроводникового детектора с /,-«-переходом
- •§ 36. Дозиметрические характеристики полупроводниковых
- •Глава 6
- •§ 37. Принцип метода
- •§ 41. Оптические эффекты в люминофорах
- •§ 42. Механизм радиофотолюминесценции
- •§ 43. Радиофотолюминесцентные дозиметры
- •§ 44. Механизм радиотермолюминесценции
- •§ 45. Кинетика термолюминесценции
- •§ 46. Кривая термовысвечивания
- •§ 47. Влияние режима облучения на чувствительность термолюминесцентных дозиметров
- •§ 48. Затухание люминесценции
- •§ 49. Люминесцентные дозиметры
- •§ 50. Фотохимическое действие излучения
- •§ 51. Дозовля чувствительность фотодозиметрл
- •52 ا. Компенсация энергетической зависимости чувствительности. Индивидуальный фотоконтроль
- •§ 53. Радиационно-химические превращения
- •§ 54. Жидкие дозиметрические системы
- •Глава 9
- •§ 57. Преобразование энергии нейтронов в веществе
- •§ 59. Энергетическая зависимость тканевой дозы
- •§ 60. Дозиметрия быстрых нейтронов с помощью ионизационных камер
- •§ 61. Применение пропорциональных счетчиков для дозиметрии быстрых нейтронов
- •§ 62. Сцинтилляционный метод дозиметрии нейтронов
- •§ 63. Активационный метод дозиметрии нейтронов
- •§ 64. Трековые дозиметрические детекторы
- •§ 65. Другие методы дозиметрии нейтронов
- •§ 66. Особенности дозиметрии высокоинтенсивных потоков ионизирующего излучения
- •§ 67. Жидкостные ионизационные камеры
- •§ 68. Ионизационные камеры без внешнего источника напряжения
- •§ 69. Детекторы прямой зарядки (радиационные элементы)
- •§ 70. Твердотельный комптоновский дозиметр
- •§ 71. Применение электретов в дозиметрии
- •§ 72. Тепловое действие ионизирующего излучения
- •§ 73. Одиночный калориметр
- •§ 74. Квазиадиабатическии режим калориметра
- •§ 75. Дифференциальная калориметрическая система
- •§ ٢6. Особенности дозиметрии высокоэнергетического фотонного излучения
- •§ 78. Квантометр
- •§ 79. Метод разности пар ،метод тонких конверторов؛
- •§ 80. Дозиметрия ускоренных заряженных частиц
- •Глава 12
- •§ 81. Общие замечания
- •§ 82. Лпэспектры
- •§ 83. Формирование лпспектров. Средние значения
- •§ 84. Распределение длины пути в сферической полости
- •§ 85. Связь лпэ-распределения с амплитудным спектром
- •§ 86. Метод линейной суперпозиции показаний нескольких детекторов
- •§ 87. Структура ионизации в конденсированных средах
- •§ 88. Основные положения теории неравномерной ионизации
- •§ 89. Рекомбинационный метод
- •§ 90. Предмет микродозиметрии
- •§ 91. Статистическая природа первичной передачи энергии
- •§ 93. Микродозиметрические величины и функции их распределения
- •§ 94. Экспериментальные методы микродозиметрии
- •§ 95. Прикладное значение микродозиметрии
- •§ 96. Пути поступления радионуклидов внутрь организма
- •§ 97. Образование и свойства радиоактивных аэрозолей
- •§ 98. ٥С٥бенн٥сти биологического, действия радиоактивных -аэрозолей
- •§ 100. Формирование дозы излучения инкорпорированных радионуклидов
- •§ 101. Кинетика формирования дозы
- •§ 1٠3. Кинетика продуктов, распада радона на фильтре
- •§ 104. Метод скрытой энергии
- •§ 105. Дозовая функция очечного источника ?-частиц
- •§ 106. Теорема обратимости дозы
- •§ 107. Доза от протяженных источников
- •Глава 15
- •§ 108. Общие замечания
- •§ 109. Расчетные методы дозиметрии р-излучения
- •Элементы метрологии в области ионизирующих излучений и радиоактивности
- •Оптимизация приборной погрешности по экономическому
- •В чем проблема!
- •Два класса дозиметрических величин
- •Переводные коэффициенты
- •Концепция универсальной дозы
- •Представительные фантомно-зависимые величины
- •٥О о 0 0 ٠١0 105 106 107 Энергия, эВ
- •1. Поле ионизирующего излучения
- •2. Доза излучения
- •Глава 3. Физические основы дозиметрии фотонного излучения ٠
- •Г л а в а 8. Фотографический и химический методы дозиметрии фотонно го излучения
- •§ 89. Рекомбинационный метод
- •13. Микродозиметрия
- •Глава 15. Дозиметрия потоков заряженных частиц
- •§ 108. Общие замечания . . ...٠٠٠
- •§ 109. Расчетные методы дозиметрии р-излучения ,
продифференцировав
формулу (35.4) по X,
подставив значе- ние др/дх
в формулу (35.1), получим следующее
выражение для плотности тока дырок:
h
1
--(ا٠7ج)?تع]آت]ехр(-л/[р). (35.5)
Аналогичное
выражение МОЖНО получить для плотности
тока электронов в р-области:
in
==
٢ع
[exp(1
_(^/ذاًج]
exp(—
35.6) ل]/د)
где
диффузионная длина электронов Ln=yDnTn٠
Вследствие
непрерывности тока полный ток должен
быть од- ним и тем же для любого сечения.
Полагая х=0, получаем для полной плотности
тока *
i=in+ip=js[exp(eU/kT)-ll (35.7)
где
٥١^ ١ة٦ب٦٢ه٠ل؛
Значение
kT/e
при
комнатной температуре составляет при-
мерно 25 мВ, и практически всегда
выполняется условие I
eU/kTI»1.
Учитывая это неравенство, рассмотрим
два част- ных случая:
и>о
(прямое смещение)؛
из
формулы (35.7) видно, что
и<0
(обратное смещение); exp(—eU/kT)<\,
поэтому
Таким
образом, при обратном смещении ток
'является малым и не зависит от
приложенного напряжения. Это обстоятельство
и позволяет использовать р—^-переход
с обратным смещением для измерения
ионизирующих излучений.
На
рис 31 показана типичная вольт-амперная
характеристи- ка полупроводникового
детектора с р—«-переходом.
Хотя
теоретическое значение плотности тока
js
при
обратном смещении мало и не должно
изменяться с изменением напряже- НИЯ,
на практике этот ток может достигать
заметного значения и сильно изменяться
при больших значениях напряжения. Этот
эффект, в частности, обусловлен током
утечки по поверхности, который не
учитывался при выводе формулы (35.7).
ДЕТЕКТОРОВ
Преимущества
полупроводниковых детекторов, связанные
с высокой чувствительностью, малыми
габаритами, низким внешним напряжением,
частично компенсируются сравнительно
сложной технологией изготовления,
необходимостью иметь предельно
*
Ширина области перехода чрезвычайно
мала, поэтому можно пренебречь
происходящими там процессами.
119
§ 36. Дозиметрические характеристики полупроводниковых
чистые
исходные материалы, фоновыми явлениями,
зависимостью от условий среды. Их
преимущества в полной мере очевидны,
когда они служат счетчиками и
спектрометрическими детекторами.
Использование
полупроводниковых детекторов собственно
в дозиметрии для измерения экспозиционной
и поглощенной доз ограничено заметной
зависимостью дозовой чувствительности
от энергии излучения. Несмотря на
аналогию с ионизационной камерой
по механизму действия, в дозиметрическом
отношении полупроводниковые
детекторы, скорее, похожи на
сцинтилляционные детекторы в
счетчиковом режиме. Теоретический
анализ зависимости измеряемого
сигнала от поглощенной энергии не дает
простого и надежного способа компенсации
энергетической зависимости
чувствительности. Тем не менее малые
габариты, возможность создания
практически точечных дозиметров с
малым напряжением питания делают
полупроводниковые детекторы
незаменимыми в клинической дозиметрии
и радиобиологических исследованиях,
где требуются внутриполостные измерения.
Принципиальный
недостаток полупроводниковых дозиметров
— неопределенность в величине
чувствительного объема. В уже изготовленном
дозиметре можно измерить чувствительный
объем, однако, во-первых, этот объем
зависит от условий эксплуатации
(например, от смещения) и, во-вторых,
практически невозможно изготовить
дозиметр с точно заданными размерами
чувствительной области. Это затрудняет,
по крайней мере на сегодняшний день,
возможность применения полупроводниковых
дозиметров в качестве метрологических
установок для абсолютных измерений
дозы. Они могут выступать лишь как
вторичные приборы, требующие градуировки.
Зависимость
размера чувствительной области от
обратного смещения позволяет изменять
чувствительность дозиметра к различным
видам излучения изменением напряжения.
Полупроводниковые
дозиметры пока еще не нашли широкого
применения в качестве массовых приборов
дозиметрического контроля.
Полупроводниковый
детектор с р-п-переходом в счетчиковом
режиме аналогичен импульсной ионизационной
камере. Есть, однако, существенные
различия. Во-первых, число носителей
заряда, образованных ионизирующей
частицей в веществе полупроводника,
может оказаться сравнимым с флюктуациями
числа свободных носителей, обычно
присутствующих в чувствительном объеме;
возникает проблема шумов (собственного
фона), которая практически отсутствует
при работе с обычными ионизационными
камерами. Во-вторых, чувствительная
область детектора, как правило, не
распространяется на весь объем
полупроводника. Когда ионизирующая
частица проходит через чувствительную
область перехода, вновь образованные
носители заряда уносятся электрическим
полем на электроды за время, исчисляемое
долями микросекунд.
120
псч
р |
дискриминации для |
Рис.
33. Энергетическая зависимость
чувствительного кремниевого счетчика.
Цифры у кривых — уровень дискриминации
Чтобы
быть зарегистрированной, ионизирующая
частица не обязательно должна создавать
заряды непосредственно в чувствительном
объеме. Дополнительные носители зарядов,
созданные в пределах диффузионной
длины от чувствительного слоя, могут
в результате диффузии попасть в
обедненную зону и создать ионизационный
импульс. Время, которое для этого
требуется, составляет несколько
миллисекунд. Фактическая возможность
регистрации частиц, не попавших в
чувствительную область, определяется
постоянной времени системы. Постоянную
времени выбирают из оптимальных условий
по отношению к эффекту фона, обычно она
составляет 0,1 — 1 мкс, что значительно
меньше времени диффузии; в этом
случае на электроды собираются
преимущественно заряды, непосредственно
образованные в чувствительном слое.
При
облучении полупроводника фотонами
вторичные электроны будут создаваться
во всем объеме детектора. При пересечении
ими чувствительной области возникают
электрические импульсы, которые могут
быть зарегистрированы либо с учетом,
либо без учета их амплитуды. Амплитуда
импульса пропорциональна числу
зарядов в чувствительном слое.
Наличие
фоновых носителей заряда не позволяет
регистрировать частицы, производящие
малую ионизацию. Для улучшения соотношения
эффект — шум необходимо- отсечь импульсы
ниже определенной величины. Тогда
регистрироваться будут все импульсы
выше некоторого уровня дискриминации.
На
рис. 32 дана зависимость чувствительности
псч/Р
счетчика от уровня амплитудной
дискриминации при облучении фотонами
от различных источников. Эти данные
получены в экспериментах с
поверхностно-барьерным кремниевым
счетчиком. Из ри-
١٢
وع
мкА
0,6
0,4
утечки
/
1
1~—
Набебенныйток
ح٠رأ40
30 10
го
0 200 400
600 800 1000
Энергия
частиц,
кэВ 0
Рис.
34. Дозовая чувствительность дозиметра
на основе кремния р-типа с диффу-
зионным
переходом
Рис.
35. Вольт-амперная характеристика
полупроводникового дозиметра в
поле
фотонного излучения
сунка
видно, что при низком уровне дискриминации
чувствитель-
ность имеет по крайней
мере один и тот же порядок величины
для
различного состава излучения.
На
рис. 33 показана энергетическая зависимость
чувствитель-
ности для того же детектора
при различных уровнях дискрими-
нации.
Как видно из рисунка, уровень дискриминации
очень
сильно влияет на чувствительность,
однако при уменьшении уров-
ня
дискриминации она становится более
постоянной и при уров-
не, эквивалентном
энергии 115 кэВ, изменяется не более чем
на
±30 % среднего значения.
Счетчиковый
метод достаточно чувствителен и прост.
Однако
энергетическая зависимость
чувствительности остается недоста-
точно
удовлетворительной.
На
рис. 34 показана энергетическая зависимость
чувствитель-
ности дозиметра,
изготовленного на основе кремния р-типа
с
диффузионным переходом. Удельное
сопротивление составляло
10 000 Ом٠см;
обедненный слой имел толщину 0,3 мм при
обрат-
ном смещении 50 В. С учетом
фоновых флюктуаций можно было
регистрировать
фотоны от энергии 20 кэВ; при
определенном
уровне дискриминации
скорость счета пропорциональна
мощно-
сти дозы. При площади дозиметра
3 см2
мощность дозы
10 мкГр/ч вызывала
скорость счета несколько импульсов в
се-
кунду.
При
высокой мощности дозы счетно-импульсный
метод ста-
новится непрактичным из-за
слишком большой скорости счета.
В
дозиметре с р—п-переходом при обратном
смещении на-
блюдается ток утечки,
зависящий от напряжения смещения
и
температуры. Под действием
ионизирующего излучения концен-
трация
неосновных носителей возрастает и ток,
протекающий
через переход, увеличивается.
Дополнительные носители могут
возникнуть
как в обедненной зоне, так и в соседних
областях в
пределах диффузионной
длины. Все они в конечном счете вносят
122
свой
вклад в ток в зависимости от постоянной
времени системы.
На
рис. 35 показана вольт-амперная
характеристика, снятая в поле фотонного
излучения 60Со
при мощности экспозиционной дозы 50
Р/мин. Детектором служил поверхностно-барьерный
кремниевый полупроводник с площадью
сечения 0,4 см2
и общей толщиной 0,5 мм. Пунктирной линией
показано поведение тока утечки при
температуре 20 ٥С.
Из
графика следует, что ток, вызванный
излучением, практически не зависит
от напряжения смещения, за исключением
самого начального участка. Это
объясняется тем, что время жизни
неосновных носителей было достаточно
велико, так что диффузионная длина
превышала размеры кристалла. В результате
на электроды собрались все носители
из полного объема детектора. Этот
своеобразный ток насыщения нельзя,
однако, использовать для измерения
низкой мощности дозы, так как
соответствующий ток утечки превосходит
его в несколько раз. Нижний предел,
по-видимому, лежит в области 10—102
Гр/мин.
При
низких значениях напряжения смещения
ток утечки резко уменьшается, в то
время как ионизационный ток изменяется
мало. В этих условиях наиболее выгодно
проводить измерения при нулевом
напряжении внешнего смещения.
Помимо
тока, протекающего через детектор,
можно измерять падение напряжения на
внешнем нагрузочном сопротивлении.
При напряжении на переходе, равном и,
плотность тока в отсутствие излучения,
как ранее было показано, определяется
формулой
/о=٨
[ехр
(еи/к,Т)—1]. (36.1)
Здесь
пренебрегают током поверхностной
утечки, что допустимо при небольших
значениях V.
Плотность тока, наведенного излучением,
можно представить в виде суммы трех
составляющих:
т=/р“Ь/л+/л٠ (36.2)
где
/р,
]п
и Д — плотность тока, обусловленная
носителями, созданными соответственно
в р- и п-областях и в обедненной зоне.
Очевидно,
каждый из этих токов будет пропорционален
мощности дозы и соответствующей
диффузионной длине. Поэтому можно
написать
]у=аР(ЬР+٠Ьп+Ь), (36.3)
где
а
— коэффициент пропорциональности.
Ширина
обедненной зоны Н
при достаточно большом времени жизни
носителей пренебрежимо мала по сравнению
с диффузионной длиной в п-области ،
так
что Ь<^Ьп.
Для поверхностнобарьерных
полупроводников р-слой также очень
тонкий и Ьр<^.Ьп.
Пренебрегая
величинами Рр
и Н
по сравнению с Ьп,
получаем следующее выражение для
результирующей плотности тока,
протекающего через детектор при
смещении и
в результате воздействия ионизирующего
излучения:
/٠=N
+ /٠о=А
[ехР
(е
и/кТ)
— 1 ] + аРЬп. (36.4)
123
Полупроводниковые
детекторы с (р—п)
-переходом применяют для целей
дозиметрии также без приложения внешнего
напряжения. При отсутствии радиационного
воздействия диффузионный потенциал
обеспечивает равновесное состояние в
области перехода; при этом, как мы знаем,
заряды двойного слоя создают запорное
электрическое поле. Возникающие под
действием излучения дополнительные
носители заряда перемещаются в этом
поле: электроны — из р-области в
«-область, а дырки — из «-области в
р-область. При разомкнутой внешней цепи
это приводит к снижению диффузионного
потенциала, что может быть зарегистрировано.
В режиме короткого замыкания возникающий
в цепи ток пропорционален скорости
образования электронно-дырочных
пар, т. е. мощности дозы излучения в
материале детектора. Условия короткого
замыкания требуют, чтобы сопротивление
внешней цепи было много меньше внутреннего
сопротивления; это надо учитывать
при выборе способа измерения тока
короткого замыкания.
Кремниевые
дозиметрические детекторы без внешнего
источника напряжения, работающие в
режиме короткого замыкания, успешно
применяют в радиационной медицине.
Миниатюрность и электрическая
безопасность делают их пригодными для
внут- риполостных измерений.
Энергия
образования одной электронно-дырочной
пары в кремнии равна 3,5 эВ; с учетом
плотности кремния это дает значение
радиационно-индуцированного тока
примерно в 18 000 большее на единицу
чувствительного объема, чем в
воздухонаполненной ионизационной
камере при атмосферном давлении.
Величина
короткозамкнутого тока определяется
формулой (36.4). При отсутствии внешнего
напряжения (،/=0)
и в условиях применимости формулы
(36.4) получим, что ток короткого
замыкания / пропорционален мощности
дозы Р
и диффузионной длине I:
]=аРЬ. (36.5)
Диффузионная
длина равна расстоянию, на которое
перемещается носитель вследствие
диффузии в течение среднего времени
жизни т٠:
Ьр
= /٥٦٢, (36.6)
где
٥،
—
коэффициент
диффузии ،-го
носителя.
/
= йР/٥٢٢. (36.7)
При
разработке и применении кремниевых
полупроводниковых детекторов с
р—«-переходом
следует учитывать возможное влияние
радиационных повреждений на их
дозиметрические характеристики.
При достаточной энергии ионизирующих
частиц атомы кремния могут быть смещены
со своего исходного положения в
кристаллической решетке. Эти смещения
приводят к созданию новых центров
рекомбинации (дефекты Френкеля), ко-
124
торые
способны захватывать носители заряда
в- полупроводнике, обусловливая таким
образом уменьшение радиационно-индуци-
рованного тока. Число таких повреждений
зависит от типа и энергии ионизирующих
частиц, а также от дозы излучения. На-
пример, для снижения тока короткого
замыкания в кремниевом детекторе
энергия электронов должна быть не ниже
145 кэВ. При' лобовом столкновении
электронов такой энергии с атомами
кремния последние приобретают минимально
необходимую энер- ГИЮ для своего смешения
(13 эВ). Число повреждений растет с
увеличением энергии ионизирующего
излучения.
Среднее
время жизни носителя т. в области
р—„-перехода обратно пропорционально
числу центров рекомбинации. Прийи- мая,
что вследствие радиационных повреждений
число центров рекомбинации растет
линейно с увеличением дозы £), получаем,
что производная س/(٠اً/ا)ل
равна
постоянной величине, с уче- том этого
из формулы (36.7) получаем
8'36> ■لل١ي)ه>
где
د
— постоянная
величина, включающая множитель а,
коэф- фициент диффузии £>؛
и
мощность дозы р.
Интегрируя уравне- ние (36.8), получаем
,س=ل_ل
где
/о - исходный ток короткого замыкания,
т. е. ток, который возникает в поле
излучения с помощью дозы р
при отсутствии радиационных повреждений.
По
мере накопления дозы ٥
накапливаются
радиационные повреждения и регистрируемый
ток становится меньше исход- ного тока
/о.
Из
формулы (36.9) получаем зависимость тока
короткого замыкания ب
от
накопленной дозы ٥:
1-1• (36■10)
Напомним,
что речь идет о радиационно-индуцированном
токе, соответствующем мощности дозы
излучения Р. Измеряемый ток пропорционален
мощности дозы, следовательно, по формуле
(36.10) чувствительность детектора, или
его отклик на единицу мощности дозы,
падает по мере накопления поглощенной
дозы как результат накопления радиационных
повреждений.
Из
приведенных соотношений можно получить
формулу для относительного изменения
чувствительности на единицу дозы:
!А-
— . (36.11)
/
٥٥ 2
1 + /02Х١
، ٥
Из
этой формулы следует, что относительное
изменение чувствительности на
единицу дозы уменьшается с накопленной
дозой; это означает, что предварительное
облучение повышает стабиль-
125