Тканиноеквівалентний детектор малопробіжних заряджених частинок підвищеної міцності

Изобретение относится к области детекторов a-частиц ионизирующего излучения, люминесцентных дозиметров. В этом изобретении предлагается новый компактный переносной прибор, который позволяет в полевых условиях выполнять оперативное детектирование заряженных частиц ионизирующего излучения с малой проникающей способностью в веществе, что имеет отношение к альфа-излучению, а также бета-излучению малых энергий. Этот прибор способен работать в жестких условиях неблагоприятных воздействий внешней среды, в частности при механических перегрузках, давлении, а также при высоких температурах (до +300°C) и в химически активных средах. Последние из перечисленных качеств особенно требуются для работы в условиях интенсивных потоков альфа-частиц в радиохимических те хнологиях переработки ядерного топлива с реакторов. В качестве аналогов могут быть рассмотрены блоки детектирования радиометров КРБ-1, РКБ4-1ем, РУБ-01П ("Бересклет"). В радиометре КРБ-1 для измерения бета загрязнения поверхностей используются галогенные счетчики типа СИ8Б и СИ19БГ с входным окном толщиной до 7мг/см 2. Эффективность регистрации достигает единицы (100%) только для бета-частиц с энергиями свыше 2МэВ. Порог находится на уровне 0,2МэВ, область рабочих температур составляет -40 +50°C. Самые чувствительные торцовые счетчики СИ-8Б. СБГ или МСГ с окнами толщиной до 3мг/см 2 пропускают бета-частицы с энергией более 150кЭв (Козлов В.Ф. Справочник по радиационной безопасности. - М.: Атомиздат, 1977. - С.276.1; Матвеев В.В., Мурин И.Д. Приборы для индивидуального и группового дозиметрического контроля. - Сб. "Вопросы атомной науки и техники". - 1987. - В.3. - С.80). Для контроля пищевых продуктов и проб окружающей среды выпускают радиометр РКБ-4-1ем с блоками детектирования БДЖБ-02 и БДЖБ-07. Блок - 02 на базе детектора из сцинтиллирующих пластмассовых пластин обеспечивающих измерение бета-активности в диапазоне от 1,5 до 4 × 103Бк/кГ (5 × 10-11 - 10-7Ки/кГ). Блок - 07 комплектируется детектором из тонкого органического сцинтиллятора, работающего в диапазоне от 4 × 103 до 4 × 106Бк/кГ (10-7 - 10-4Ки/кГ). Минимальная энергия бета-излучения равна 100кЭв. Альфа-излучение не регистрируется. Работоспособность обеспечивается в диапазоне обычных температур. Универсальный радиометр РУБ-01П ("Бересклет") имеет четыре сменных детектора, в том числе и для измерений альфа-активности в пробах окружающей среды, построенный на основе полупроводникового кремниевого детектора площадью 10см 2 и чувствительностью до 4 - 102Бк. Условия эксплуатации такого детектора не позволяют выполнять экспресс измерения в полевых условиях (Матвеев В.В., Мурин И.Л. и др. Приборы для индивидуального и группового дозиметрического контроля // Сб. Вопросы атомной науки и техники. - 1987. - Вып.3. - С.80). В качестве прототипа может быть рассмотрен современный переносной компактный радиометрдозиметр сцинтилляционного типа МКС-01Р (МКС-01Р-01), укомплектованный разными сменными сцинтилляционными блоками детектирования. В нем для измерения излучений, испускаемых с поверхностей, в соответствующи х блоках детектирования применены сцинтилляторы, на основе ZnS(Ag). Блок для альфа-излучений БДКА-01Р с уровнем собственного фона 0,03мин -1см-2 на максимальном временном интервале одного измерения 100с. При альфа-измерениях тонкий слой сцинтиллятора нанесен на оргстекле. Чувствительная поверхность закрыта органической алюминированной пленкой, а соединение с фотокатодом фотоэлектронного умножителя ФЭУ-85А осуществляется с помощью световода. Область рабочих температур составляет от -10 до +40°C, а при влажности 95% - +25°C. Область атмосферных давлений 86 - 106кПа (Техническое описание, 1989). Изготовитель ПО "Балтиец", г.Нарва, Эстония. В основу изобретения поставлена задача разработать новый тип чувствительного датчика повышенной прочности, который мог бы стать дополнительным сцинтилляционным сменным блоком детектирования, расширяя возможности применения и условия эксплуатации прибора МКС-01Р за счет того, что позволяет регистрировать малопробежные частицы альфа-излучения и малоэнергетичные малопробежные бета-частицы в жестких условиях эксплуатации при высоких температурах и в химически активных средах. Это обеспечит прибору следующие свойства: а) тканеэквивалентность; б) низкий порог по энергии регистрируемых частиц; в) высокую механическую стойкость; г) высокую температурную устойчивость; д) высокую химическую стойкость; е) высокую радиационную стойкость. После катастрофы на Чернобыльской АЭС вопросам радиационного контроля окружающей среды придается особое значение. Еще более актуальна задача индикации альфа-излучателей для регистрации "горячих" частиц, а также урана, плутония, други х компонентов ядерно-топливного цикла, а также бетаизлучения малых энергий (£0,1МэВ). Сама по себе и индикация малопробежных заряженных частиц, к которым относятся электроны малых энергий и альфа-частицы, является сложной проблемой именно из-за того, что любая, самая тонкая перегородка, защитная пленка, используемая обычно в конструкциях детектирующи х устройств дозиметров и радиометров (кроме некоторых типов, например, термолюминисцентных), поглощает эти частицы, препятствуя и х регистрации в чувстви тельном объеме. Без таких защитных перегородок детекторы часто вообще работать не могут либо в силу принципиальных особенностей, либо из-за неспособности чувствительного материала противостоять воздействию окружающей среды. Предлагается новый тип чувствительного тканеэквивалентного детектора (ДПП), который будучи механически-, химически-, радиационно- и теплостойким, можно использовать в дозиметрии и радиометрии заряженных частиц без защитных пленок при условий обеспечения светоизоляции детектора. Технический результат достигается тем, что в детектор в качестве чувствительного сцинтиллирующего элемента, реагирующего на попадание в него излучения, введен кристалл алмаза. Для повышения чувствительности прибора вводят несколько кристаллов алмаза, увеличивая таким образом поверхность регистрирующего элемента. Сам алмаз, обладая, как материал, собственными уникальными физикохимическими свойствами и, обладая в то же время способностью люминесцировать под действием ионизирующих излучений, позволяет обеспечить повышенную прочность детектора при его эксплуатации в жестких условиях механических нагрузок, химически активной среды, высоких температур до +300°C, влажности 100%. Требуемые свойства достигаются тем, что алмаз относится к тканеэквивалентным материалам, так как его атомный номер и вес близок к среднему атомному номеру и весу живой ткани. Алмаз, будучи устойчивым и прочным кристаллом, может работать без дополнительных защитных пленок и перегородок, отделяющих кристалл от окружающей среды. Это обеспечивает регистрацию низкопробежных заряженных частиц, попадающих на поверхность кристалла практически любой самой малой энергии. Высокая механическая стойкость обеспечивается тем, что алмаз является самым механически твердым веществом и стойким к истиранию, давлению, вибрациям. Высокая температурная устойчивость определяется тем, что алмаз способен выдерживать температуры свыше 400°C без изменения своих характеристик. Высокая химическая и радиационная устойчивость определяются способностью алмазов выдерживать различные реакционные химические среды, в том числе кислоты и щелочи, и быть устойчивым к высоким дозам ионизирующего излучения. Тканеэквивалентность алмаза представляет интерес с точки зрения радиобиологии, медицинской радиологии и индивидуальной дозиметрии. Кроме того, эта особенность позволяет обеспечить эффективную работу по регистрации потоков частиц в условиях отрицательного влияния высокого сопутствующе го фона гамма-излучения, что имеет место в промышленных радиохимических те хнологиях. Эти качества в настоящее время не обеспечиваются никакими приборами из выпускаемых промышленностью дозиметров или радиометров. Один кристалл алмаза размерами поверхности около 2мм 2 при экспозиции в течение 100с обеспечивает чувствительность счета альфа-частиц с энергией 5МэВ на уровне 1Бк × см -2 (3 - 10-11Ки × см2 ). Общая схема предлагаемого детектора ДПП изображена на чертеже. Один или несколько кристаллов алмаза (1), предварительно отобранные по их функциям отклика на соответствующее регистрируемое излучение (Гранцев В.И., Кадкин К.П., Салтыков Л.М. и др. Сцинтилляционные детекторы заряженных частиц с использованием кристаллов и порошков природных и синтетических алмазов. Препринт КИЯИ-945. - К., 1994), располагаются на иммерсионном контакте на входном окне фотопреобразователя (ФП), т.е. на фотокатоде фотоэлектронного умножителя (ФЭУ), либо на чувствительном элементе полупроводникового фотоприбора (3), где фиксируется прижимной диафрагмой. В тех случаях, когда условия работы и характеристики среды, где производятся измерения, не позволяют эксплуатировать ФЭУ либо фотополупроводниковый прибор непосредственно в контакте с алмазом, сцинтиллятор пространственно разделяется от входного окна фотоприбора, а оптическая связь обеспечивается промежуточным световодом (2). Для повышения чувствительности увеличивается поверхность чувствительных элементов полупроводникового фотоприбора. С этой целью сцинтиллятор комплектуется из большого числа кристаллов, обладающих близкими световыходами и размещаемых на липкой прозрачной ленте. Сигналы с выхода фотоприбора попадают далее на стандартные электронные схемы, где происходит их усиление (4), обработка (5) и индикация 6. Схема светоблокировки 7 предназначена для предотвращения включения ФЭУ без светозащиты 8. В устройстве используются природные технические алмазы, а также сколы из производственных отходов после ювелирной огранки алмазов. Аналогии между изобретением ДПП и его прототипом МКС-01Р состоят в том, что оба детектора относятся к сцинтилляционным и могут работать с одинаковыми типами фотоэлектронных умножителей. Оба прибора относятся к радиационноустойчивым. Одинаковы и принципы непосредственной работы с образцами. Отличие от прототипа заключается в том, что перед включением прибора требуется обеспечить светоизоляцию с помощью двойного светонепроницаемого кожуха. Это позволяет снизить порог минимально регистрируемой энергии с 4МэВ до 1МэВ по альфа-частицам и с 150КэВ до десятка КэВ по бета-частицам. Существенное отличие от прототипа состоит в том, что детектор ДПП является тканеэквивалентным и значительно расширен диапазон рабочих температур и влажности (до +40°C и 95% соответственно для прототипа), до +300°C и 100%, а также в том, что ДПП может работать в присутствии паров химически активных веществ (кислотные и щелочные среды), на что не способны ни прототип, ни какой либо другой тип выпускаемых приборов. Кроме того, в отличие от прототипа ДПП является биологическим, или, что то же самое, тканеэквивалентным.