LT6320B

LT6320B - Aukštųjų energijų apšvitos didelių įtėkių bei dozių matavimo būdas ir įrenginys

Info

Publication number: LT6320B
Application number: LT2014141A
Authority: LT
Inventors: Eugenijus Gaubas; Tomas Čeponis; Vidas Kalesinskas; Vidmantis Juozas Vaitkus
Original assignee: Vilniaus Universitetas
Priority date: 2014-12-15
Filing date: 2014-12-15
Publication date: 2016-09-26
Also published as: LT2014141A; EP3035081A1

Abstract

Pasiūlymas yra iš jonizuojančiosios spinduliuotės matavimų srities ir gali būti naudojamas aukštųjų energijų apšvitos didelių įtėkių bei dozių matavimams. Pasiūlytame būde nežinomos spektrinės sudėties spinduliuotės doze matuojama apšvitintą dozimetrą paeiliui patalpinant į EPR spektrometrą, ir krūvininkų rekombinacijos trukmių matuoklį, kuriame antrojo jutiklio monokristalinio silicio nepusiausvirųjų krūvininkų rekombinacijos trukmė matuojama kristalą paveikus trumpu lazerio šviesos impulsu, registruojant fotolaidumo relaksaciją mikrobangų zondavimo nesąlytiniu būdu, o alanino jutiklioir papildomo silicio jutiklio matmenys, padėtis ir orientacija parenkami taip, kad abu jutikliai sudarytų vieną tandeminį dozimetrą.Pasiūlytame tandeminiame dozimetre papildomo silicio monokristalo jutiklio paviršius padengiamas pasyvuojančiu sluoksniu tokio storio, kad išlaikytų reikiamą statinį elektrinį krūvį, būtų atsparus jonizuojančiai spinduliuotei ir būtų suderintas su silicio kristalo laidumo tipu. Šis apšvitos įtėkių bei dozių matavimo būdas ir įrenginys leidžia sparčiai matuoti nesąlytiniu būdu didelius apšvitos įtėkius plačiame intervale, tinka didelės apimties stebėsenos sistemoms, leidžia nustatyti spinduliuotės šaltinio lokalizaciją yra kompaktiškas ir paprastos konstrukcijos.

Description

Pasiūlymas yra iš jonizuojančiosios spinduliuotės matavimų srities ir gali būti naudojamas aukštųjų energijų apšvitų įtėkio bei dozės matavimams didelių įtėkių srityje.

Yra žinoma daug būdų ir įtaisų radiacijos dozei matuoti, kurie yra pagrįsti įvairių medžiagų, paveiktų spinduliuote, struktūrinių ir fizinių savybių pokyčių matavimais.

Būdo analoge matuoja laisvųjų radikalų koncentraciją apšvitintame tabletiniame arba juosteliniame alanino dozimetre elektronų sukinių paramagnetinio rezonanso būdu (EPR spektrometrijos metodas) ir iš EPR spektro tam tikrų linijų amplitudžių santykio apskaičiuoja dozimetro sugertos energijos vertę, tenkančią dozimetro masės vienetui - dozę. Šis santykis gana plačiame energijų intervale priklauso tiesiškai nuo apšvitos energijos. Laikoma, kad alanino dozimetro atsakas, apšvitinus jį γ-spinduliuote, aprašomas eksponentine priklausomybe nuo dozės dydžio [Katz R., Sharma S. C., and Homayoonfar M. The structure of particle tracks. In Topics iri Radiation Dosimetry, Radiation Dosimetry Suppl. 1 (Ed. Attix, F. H.) Academic press, New York. 1972.]. Būdo analogo trūkumas yra tai, kad įvairios sudėties spinduliuotei (elektringoms dalelėms, neutronams) reikia koreguoti dozimetro atsaką, įvedant santykinį efektyvumą, kuris ženkliai priklauso nuo detalaus spinduliuotės spektro ir gali būti sumodeliuotas žinant dalelės krūvį, greitį, dalelių įtėkį (srautą) ir dozės radialinį pasiskirstymą apie dalelės pėdsaką. Dėl šios priežasties alanino dozimetrai naudojami jau žinomos sudėties spinduliuotės, dažniausiai γ, dozimetrijai.

Būdą realizuojančio įrenginio analogas, yra sudarytas iš dozimetro laikiklio, ant kurio yra patalpintas alanino dozimetras, kurio dozė, sugerta radiacinės ekspozicijos metu, yra nuskaitoma EPR matavimo įrenginyje, ir dozimetro identifikavimo žymeklių [W02008077891, 2008-07-03], skirtų dozimetrui identifikuoti, įrenginio trūkumas yra tai, kad juo galima išmatuoti tik žinomos spektrinės sudėties spinduliuotės dozę. Kiti dozimetro trūkumai yra tai, kad aukštųjų apšvitų srityje jo jautrumas smarkiai sumažėja, jo kalibravimas virš tam tikro energijų lygio tampa neapibrėžtas, netinka hadronų įtėkiui matuoti.

Analogo trūkumams pašalinti, matavimo būde nežinomos spektrinės sudėties spinduliuotės suminę dozę įvertina patalpinę apšvitintą tandeminį dozimetrą į pirmąjį matuoklį - EPR spektrometrą, kuriame matuoja, viename iš jutiklių - alanine, susidariusių laisvųjų radikalų koncentraciją, ir papildomai, į kitą matuoklį, kuriame matuoja antrojo jutiklio - monokristalinio silicio nepusiausvirųjų krūvininkų rekombinacijos bei krūvininkų prilipimo momentines trukmes. Apšvitos dozę ir spinduliuotės spektrinę sudėtį apskaičiuoja apdoroję abiejų matuoklių nuskaitymus ir įvertinę santykinį dozimetro efektyvumą. Papildomai būde monokristalinio silicio nepusiausvirųjų krūvininkų rekombinacijos ir krūvininkų prilipimo trukmes matuoja kristalą paveikę trumpu lazerio šviesos impulsu, o jo atsaką - fotolaidumo relaksaciją, registruoja mikrobangų zondavimo nesąlytiniu būdu. Hadronų įtėkį apskaičiuoja panaudoję išmatuotą rekombinacijos trukmę.

Analogo trūkumams pašalinti apšvitos dozės matavimo įrenginyje, sudarytame iš alanino dozimetro, jo laikiklio ir laikiklio identifikavimo žymeklio, papildomai, toje pačioje laikiklio pusėje kaip ir alanino jutiklis, patalpina antrąjį jutiklį, silicio monokristalą, padengtą pasyvuojančiu sluoksniu, o kristalo matmenys, padėtis ir orientacija parenkami taip, kad abu jutikliai sudarytų vieną tandeminį dozimetrą. Pasyvuojančio sluoksnio storis ir struktūra parenkami taip, kad šis sluoksnis išlaikytų reikiamą vidinį elektrinį statinį krūvį, būtų atsparus spinduliuotei ir būtų suderintas su silicio kristalo elektrinio laidumo tipu.

Principinė aukštųjų energijų apšvitų įtėkio bei dozės matavimo metodo struktūrinė schema yra parodyta Fig. 1, kur skaitmenimis parodyta veiksmų seka: 1 tandeminių dozimetrų apšvitinimas aukštųjų energijų spinduliuote; 2 - apšvitintų dozimetrų testavimas paeiliui EPR spektrometru; 3 - tų pačių apšvitintų dozimetrų testavimas paeiliui rekombinacijos trukmių matuokliu; 4 - EPR spektrometro ir rekombinacijos trukmių matuoklių išmatuotų verčių susiejimas su tandeminių dozimetrų lokalizacijos koordinatėmis ir žymekliais; 5 - aukštųjų energijų spinduliuotės tipo, dozės, įtėkio ir spinduliuotės šaltinio lokalizacijos įvertinimas iš nuskaitytų EPR ir rekombinacijos trukmių duomenų.

Tandeminio dozimetro konstrukcija yra parodyta Fig. 2, kur skaitmenimis pažymėta: 1 - tandeminio dozimetro laikiklis; 2 - alanino dozimetras; 3 - silicio dozimetras; 4 - tandeminio dozimetro identifikavimo žymeklis.

Didelės energijos apšvitos įtėkio bei dozės matavimo įrenginys veikia tokiu būdu. Apšvitinus įrenginio jutiklius (2, 3) aukštųjų energijų spinduliuote juose įvyksta negrįžtami molekuliniai ir struktūriniai fizikinių savybių pokyčiai. Pirmajame jutiklyje 3 alanine (2) susidaro laisvieji radikalai, kurių koncentracija yra proporcinga sugertai dozei. Radikalų koncentracija yra matuojama elektronų sukinių paramagnetinio rezonanso būdu, ir iš EPR spektro yra apskaičiuojama alanino jutiklio sugertos energijos vertė, tenkanti masės vienetui - dozė. Alanino jutiklio laisvųjų radikalų koncentracijos ir dozės sąryšis nėra tiesinis. Dozimetro atsakui modeliuoti ir šiam sąryšiui nustatyti taikomas žinomas dalelės pėdsako struktūros modelis. Laikoma, kad EPR aktyvaus centro (alanino atveju, laisvojo radikalo) sudarymo tikimybei galioja Puasono statistika. Tuomet EPR centro sudarymo tikimybė P(D), paveikus jutiklį γ-spinduliuotės doze D, yra

Ąo) = S(£>)/S„=l-exp(-D/£₀), (1) kur S(D) ir So yra laisvųjų radikalų kiekis (alanino jutiklio svorio vienetui), atitinkamai, paveikus doze D ir soties doze, o Eo yra testinė γ-spinduliuotės dozė, kuriai esant, 1/e (~37%) aktyviųjų centrų yra neaktyvuotoje būsenoje. Centras susidaro, kai į jį pataiko γ -spinduliuotės kvantas arba antrinis elektronas iš dalelės pėdsako apsupties, dalelei praėjus per jutiklio medžiagą. Antrinių elektronų dozė priklauso nuo atstumo iki dalelės pėdsako trajektorijos (maždaug atvirkščiai proporcinga atstumo kvadratui). Vidutinei aktyvaus centro sudarymo tikimybei, kai tūryje sugerta dozė E(f), apskaičiuoti yra įvedamas radialinis centro sudarymo tikimybės P(f) pasiskirstymas p(t) = = p[l - exp(- £(()/ E,)], (2) kur E(f) yra vidutinė dozė, reikiama aktyvaus centro atstume t nuo dalelės pėdsako sudarymui. Dalelės oagavimo skerspjūvis σ apskaičiuojamas suintegravus (2) per visą antrinių elektronų išplitimo radiusą r:

T σ = ^2πΡ(ί)ώ. (3) o

Esant dalelių įtėkiui F, dalelės/cm², signalas trumpame pėdsako segmente yra ) = ^so [l - exp(- σΡ)]. (4)

Santykinis dozimetro efektyvumas (RE) yra apibrėžiamas kaip jutiklio signalų santykis, apšvitinus jutiklį lygiomis elektringų dalelių ir γ-spinduliuotės dozėmis:

RE = S{D_i')IS{D_r\ D_i=D_r. (5)

Santykinis dozimetro efektyvumas, apskaičiuotas dalelės pėdsako segmente, taikant tiesinį artinį, yra:

REkgE^FĮD^ (6)

Signalas (4) koreguojamas, įskaitant dozimetro efektyvumą.

Storo alanino jutiklio atveju, atsako vidutinė vertė gaunama įvedus vidutines σ bei dalelės sustabdymo gylį L (arba kitaip, tiesinio energijos slopimo, LET) vertes ir suintegravus per visą dalelės pėdsako ilgį T.

R 0 a_vjd/? = Jadr = j(a/L)dT, (7)

T,

L^=TJR. (8)

Santykinis dozimetro efektyvumas nustatomas susumavus visų sustabdytų antrinių elektronų indėlį.

Antrąjį jutiklį - monokristalinį didžiavaržį silicį (3) paveikus didelės energijos dalelėmis (pvz., hadronais) jo tūryje susidaro kristalografiniai defektai (jų koncentracija yra proporcinga dalelių jtėkiui), kurie negrįžtamai pakeičia fizines kristalo savybes, o būtent, krūvininkų rekombinacijos trukmę. Defektai sudaro fiksuoto skerspjūvio rekombinacijos centrus, kurių koncentracija įvertinama matuojant Si kristalo fotolaidumo parametrus. Krūvininkų momentinė gyvavimo trukmė r matuojama kaip nepusiausvirųjų krūvininkų tankio n kitimo laike t parametras τ = - n/[dn / dt], (9) apibūdinantis krūvininkų tankio kitimo spartą fiksuotu laiko momentu. Krūvininkų rekombinacijos trukmė tr yra susieta su rekombinacijos centrų koncentracija Nr, krūvininkų pagavimo skerspjūviu o_R ir krūvininkų šiluminio judėjimo greičiu 1/7-taip:

Rekombinacijos centrų koncentracija, apšvitinus skvarbiąja aukštųjų energijų spinduliuote, yra pasiskirsčiusi tolygiai kristalo tūryje ir proporcinga dalelių įtėkiui F, τν_Λ=^, (11) o proporcingumo koeficientas κ (radiacinės rekombinacijos centrų susidarymo sparta), klasterinio tipo radiaciniams defektams, susidarantiems apšvitinus kristalą hadronais, yra fiksuotas. Hadronų įtėkis yra apskaičiuojamas pagal formulę

F =-i-= —. (12) (T_RV_TKT_R T_R

Parametras A = 5,3 Ί0⁴ [s/cm²] nustatomas iš kalibracinių matavimų kreivės, kai įtėkis yra matuojamas 1 MeV energijos neutronų ekvivalentinės pažeidos vienetais F_1Mevn·

Palyginus su analogu, šis apšvitos įtėkio bei dozės matavimo metodas bei jį realizuojantis įrenginys leidžia sparčiai matuoti nesąlytiniu būdu didelius apšvitos įtėkius plačiame intervale, tinka didelės apimties stebėsenos sistemoms, leidžia nustatyti spinduliuotės šaltinio lokalizaciją, yra kompaktiškas ir paprastos konstrukcijos.

Claims

IŠRADIMO APIBRĖŽTIS

1. Aukštųjų energijų apšvitos didelių jtėkių bei dozių matavimo būdas, kuriame apšvitina alanino dozimetrą ir matuoja laisvųjų radikalų koncentraciją apšvitintame dozimetre elektronų sukinių paramagnetinio rezonanso būdu, b e s i s k i r i a n t i s tuo, kad papildomai, kartu su pirmuoju dozimetru apšvitina antrąjį dozimetrą - monokristalinį silicį ir matuoja nepusiausvirųjų krūvininkų rekombinacijos trukmę, o apšvitos dozę ir spinduliuotės tipą įvertina apdoroję abiejų matuoklių duomenis ir įvertinę santykinį alanino dozimetro efektyvumą.
2. Aukštųjų energijų apšvitos didelių įtėkių bei dozių matavimo būdas pagal 1 punktą, besiskiriantis tuo, kad antrojo dozimetro nepusiausvirųjų krūvininkų rekombinacijos trukmę matuoja silicio kristalą paveikę trumpu lazerio šviesos impulsu, o jo fotoatsako relaksacijos spartą registruoja nesąlytiniu mikrobangų zondavimo būdu.
3. Aukštųjų energijų apšvitos didelių įtėkių bei dozių matavimo būdas pagal 1 punktą, besiskiriantis tuo, kad dozimetrus išdėsto ir orientuoja taip, kad atskirų sistemos dozimetru parodymų kombinacija būtų selektyvi spinduliuotės šaltinio krypčiai erdvėje, o apšvitinimo dozės pasiskirstymą įvertina iš sinchroniškai apšvitintų dozimetru parodymų.
4. Aukštųjų energijų apšvitos didelių įtėkių bei dozių matavimo įrenginys, susidedantis iš dozimetro, jo laikiklio ir laikiklio identifikavimo žymeklio, b e s i s k i r i antis tuo, kad papildomai, toje pačioje laikiklio pusėje kaip ir alanino dozimetras, yra sumontuotas antrasis dozimetras, kurio matmenys, padėtis ir orientacija yra padaryti taip, kad abiejų dozimetru jutikliai sudarytų vieną tandeminį dozimetrą.
5. Aukštųjų energijų apšvitos didelių įtėkių bei dozių matavimo įrenginys pagal 4 punktą, besiskiriantis tuo, kad antrasis tandeminio dozimetro jutiklis yra pagamintas iš silicio monokristalo, kurio paviršius yra padengtas pasyvuojančiu sluoksniu.
6. Aukštųjų energijų apšvitos didelių jtėkių bei dozių matavimo įrenginys pagal 4 punktą, besiskiriantis tuo, kad pasyvuojantis kristalo sluoksnis yra padarytas pakankamo storio, kad išlaikytų reikiamą statinį elektrinį krūvį, būtų atsparus jonizuojančiai spinduliuotei ir būtų suderintas su silicio kristalo laidumo tipu.