6.2. Токовый режим сцинтилляционного дозиметра

Анодный ток

(6.1).

Поглощенная в единицу времени энергия в сцинтилляторе объемом (цилиндр высотой и площадью ) при нормальном падении фотонного излучения

(6.2),

где – линейный коэффициент передачи энергии фотонного излучения в веществе сцинтиллятора, – линейный коэффициент ослабления излучения в сцинтилляторе, – интенсивность падающего излучения. Интегрирование ведется в предположении, что спектральный состав излучения заметно не меняется (иначе менялись бы коэффициенты ). Интенсивность связана с мощностью экспозиционной дозы соотношением через массовый коэффициент передачи энергии для воздуха:

(6.3),

Тогда чувствительность дозиметра по мощности дозы:

(6.4).

Обозначив за все то, что не зависит от энергии:

(6.5).

Для достаточно тонкого сцинтиллятора, << 1, ЭЗЧ определяется отношением коэффициентов передачи энергии и будет отсутствовать если сцинтиллятор воздухоэквивалентен по эффективному атомному номеру. Для воздухоэквивалентных сцинтилляторов, размеры которых не позволяют пренебречь ослаблением первичного излучения, ЭЗЧ определяется вторым множителем, монотонно убывающим от единицы до нуля с увеличением от нуля до бесконечности. С ростом энергии фотонов коэффициент ослабления уменьшается, поэтому множитель в целом увеличивается, следовательно чувствительность повышается.

У органических сцинтилляторов конверсионная эффективность уменьшается при низких энергиях. И второй множитель также уменьшается. Следовательно это еще более увеличивает ЭЗЧ. Уменьшить ЭЗЧ можно было бы выбором такого сцинтиллятора, при котором третий множитель менялся бы в другую сторону, однако меньше чем и это третья причина увеличения ЭЗЧ. При энергии ниже 200 кэВ ЭЗЧ может достигать десятки процентов.

У неорганических сцинтилляторов конверсионная эффективность практически постоянна. значительно выше воздуха. Два множителя частично компенсируют друг друга, однако столь велик, что ЭЗЧ практически полностью определяется третьим множителем. И ЭЗЧ оказывается даже большим, чем у органических.

Таким образом, если простые органические сцинтилляторы непригодны для дозиметрии фотонного излучения с энергией ниже 150 кэВ, то область применения неорганических сцинтилляторов начинается с энергии 250 кэВ.

Удачный способ компенсации ЭЗЧ в сцинтилляционных дозиметрах заключается в использовании комбинированного сцинтиллятора, в котором применяется органический кристалл, покрытый тонким слоем тяжелого неорганического сцинтиллятора. Добавочный слой должен быть достаточно тонким, чтобы поглощать незначительную часть первичного излучения высокой энергии. По мере снижения энергии все большую долю в общем световыходе будет иметь неорганическая добавка. Рост чувствительности неорганического сцинтиллятора с понижением энергии фотонов приведет к компенсации ЭЗЧ органической основы комбинированного сцинтиллятора. Достигают практически полного отсутствия ЭЗЧ.

Определим диапазон измеряемой мощности дозы для сцинтилляционного метода дозиметрии. Минимальный измеряемый ток составляет 10^–10 А, типовые характеристики сцинтилляционного блока: = 10%, = 1/40, = 10⁶. Пусть мы имеем тонкий сцинтиллятор массой 1 г плотностью 1 г/см³. Средний расход энергии на образование сцинтилляционного фотона составляет = 15-70 эВ » 50 эВ. Экспозиционная доза 1 Р соответствует поглощению в воздухе при нормальных условиях 7,1×10¹⁰ эВ/см³. Подставив, получим

(6.6).

Отсюда минимальная измеряемая мощность дозы 2,3×10^–8 Р/с. Если предположить, что в ионизационной камере можно измерить ток 10^–14 А, то минимальная мощность дозы для камеры 1 см³ при нормальном давлении составит приблизительно 3×10^–5 Р/с, т.е. в 1000 больше того, что измерил бы сцинтилляционный дозиметр. Высокая чувствительность – важное преимущество сцинтилляционного метода перед ионизационным.

Верхний предел органичен анодным током ФЭУ порядка 10^–6 А. При более высоком токе наблюдается усталость фотоумножителя. Для нашего примера это дает 2,3×10^–4 Р/с. Можно расширить пределы измерения в сторону больших значений мощности дозы, если уменьшить эффективность сцинтиллятора и коэффициент усиления ФЭУ.