Детектор низькоенергетичного b-випромінювання

1. Детектор низькоенергетичного βвипромінювання, що містить підкладку з нанесеним на одну з її поверхонь шаром β-чутливого покриття, який відрізняється тим, що підкладка виконана з електропровідного матеріалу, шар βчутливого покриття виконаний з фулериту С60, при 3 Відомий детектор іонізуючого випромінювання, що містить основу, виготовлену з фтористого літію та бората магнію, при цьому основа виконана у вигляді таблеток діаметром 5мм і товщиною 1мм [2]. До недоліків відомого детектора відноситься те, що він допускає втрату первинної інформації про дозу після першого ж прогріву основи під час вимірювання дози, тобто неможливе повторне вимірювання тієї самої основи (таблетки). До недоліків відомого детектора відноситься і значний федінг дозиметричного сигналу, а саме, досить швидке затухання сигналу після опромінення, що, у свою чергу, впливає на точність оцінки дози та затрудняє калібрування відносно первинних еталонів. Відомий детектор іонізуючого випромінювання, що містить основу, яка складається з оболонки і серцевини, при цьому основа містить легуючу домішку азоту і/чи водню, причому концентрація водню в серцевині і в оболонці розрізняються по крайній мірі вдвічі [3]. До недоліків відомого детектора відноситься те, що чутливий матеріал, що використається, є складним нерівновагим композитом, який, у свою чергу, підданий природної деградації. Відомий детектор іонізуючого випромінювання, що містить основу, при цьому основа виконана у вигляді плівки з нанесеним на її поверхню радіаційно-чутливого барвника, причому радіаційночутливий барвник виконано з похідного спіропірану і добавки [4]. До недоліків відомого детектора відноситься те, що чутливий матеріал, який використовується, є складним нерівновагим композитом, і який, у свою чергу, піддається природній деградації. Найбільш близьким технічним рішенням, як по суті, так і по результату, що досягається, яке обрано за прототип, є детектор низькоенергетичного β-випромінювання, що містить підкладку з нанесеним на одну з її поверхонь шаром β-чутливого покриття [5]. До недоліків відомого детектора низькоенергетичного β-випромінювання, який обрано за прототип, відноситься те, що покриття, яке у ньому використається, екранує значну частину низькоенергетичного β-випромінювання, що знижує вірогідність детектування. В основу корисної моделі покладена задача шляхом використання для шару покриття, що наноситься на підкладку, високостабільного βчутливого матеріалу - фулериту С60, забезпечити можливість детектування низькоенергетичного βвипромінювання в діапазоні енергій випромінювання від сотень еВ до МеВ і доз експозиції, які досягають десятків кГрей. Суть корисної моделі в детекторі низькоенергетичного β-випромінювання, що містить підкладку з нанесеним на одну з її поверхонь шаром βчутливого покриття, полягає в тому, що підкладка виконана з електропровідного матеріалу, шар βчутливого покриття виконаний з фулериту С60. Суть корисної моделі полягає і в тому, що підкладка виконана будь-якої форми в плані і поперечному перерізі, на поверхні підкладки виконано одна, 16237 4 дві або більше ділянок з нанесеним шаром βчутливого покриття, згадані ділянки виконані з різним по товщині шаром β-чутливого покриття, ділянки з нанесеним шаром β-чутливого покриття виконані як однакової ширини, так і різної ширини в кожній з комбінацій взаємного розміщення ділянок між собою на поверхні підкладки, ділянки з нанесеним шаром β-чутливого покриття виконані як однакової, так і будь-якої іншої геометричної форми в плані. Суть корисної моделі полягає також і в тому, що маса β-чутливого покриття, нанесеного на кожну з ділянок, є однаковою, а товщина шару β-чутливого покриття для кожної з ділянок виконана в діапазоні від 10нм до 100мкм. Порівняльний аналіз технічного рішення, яке заявляється, із прототипом, дозволяє зробити висновок, що детектор низькоенергетичного βвипромінювання, який заявляється, відрізняється тим, що підкладка виконана з електропровідного матеріалу, шар β-чутливого покриття виконаний з фулериту С60, при цьому підкладка виконана будьякої форми в плані і поперечному перерізі, на поверхні підкладки виконано одна, дві або більше ділянок з нанесеним шаром β-чутливого покриття, згадані ділянки виконані з різним по товщині шаром β-чутливого покриття, ділянки з нанесеним шаром β-чутливого покриття виконані як однакової ширини, так і різної ширини в кожній з комбінацій взаємного розміщення ділянок між собою на поверхні підкладки, ділянки з нанесеним шаром βчутливого покриття виконані як однакової, так і будь-якої іншої геометричної форми в плані, причому маса β-чутливого покриття, нанесеного на кожну з ділянок, є однаковою, а товщина шару βчутливого покриття для кожної з ділянок виконана в діапазоні від 10нм до 100мкм. Таким чином, детектор низькоенергетичного βвипромінювання, який заявляється, відповідає критерію корисної моделі «новизна». Суть корисної моделі пояснюється за допомогою креслень, де на фіг.1 представлена конструктивно-компонувальна схема детектора низькоенергетичного β-випромінювання, який обрано за прототип, на фіг.2 представлена конструктивнокомпонувальна схема детектора конструктивнокомпонувальна β-випромінювання, який заявляється, на фіг.3-7 показані форми в плані підкладок детектора, який заявляється, на фіг.8-14 показані форми поперечного перерізу підкладок детектора, який заявляється, на фіг.15-16 показані варіанти виконання ділянок β-чутливого покриття на поверхні підкладки, на фіг.17 показаний варіант конструктивного виконання по товщині шару ділянок βчутливого покриття, нанесених на поверхню підкладки, на фіг.18 показаний варіант взаємного розміщення між собою на поверхні підкладки ділянок β-чутливого покриття, на фіг.19 показані можливі геометричні форми в плані ділянок β-чутливого покриття, що нанесені на поверхню підкладки, на фіг.20-21 показані схеми порівняння величин ділянок β-чутливого покриття, нанесених на поверхню підкладки, по масі фулериту С60, на фіг.22 наведено графік долі атомів у нових зв'язках фулериту С60 в залежності від дози β-опромінення з енергією Е =5,7кеВ, яка є середньою по спектру розпаду 5 тритію, без врахування радіаційного дефекту, на фіг.23 наведено графік долі атомів у нових зв'язках фулериту С60 в залежності від дози βопромінення з енергією E =5,7кеВ, яка є середньою по спектру розпаду тритію, з врахуванням радіаційного дефекту. Детектор низькоенергетичного βвипромінювання, що містить, як варіант конструктивного виконання (див. фіг.1-2), підкладку 1 з нанесеним на одну з її поверхонь 2 шаром βчутливого покриття 3. Конструктивно і технологічно підкладка 1 виконана з електропровідного матеріалу, наприклад, з міді, срібла, алюмінію. Шар β-чутливого покриття 3 виконаний з фулериту С60 [4]. Конструктивно і технологічно підкладка 1 виконана будь-якої геометричної форми в плані (див. фіг.1-2, фіг.3-6, 15-16, фіг.18-19 і фіг.20-21) і поперечного перерізу (див. фіг.8-14 і фіг.20-21). На поверхні підкладки 1 технологічно виконано одна (див. фіг. 1), дві (див. фіги. 20) або більше ділянок 4 з нанесеним шаром β-чутливого покриття 3 (див. фіг.2 і фіг.15-16), наприклад, шість ділянок 4 (див. фіг.15 і фіг.18-19), чотири ділянки 4 (див. фіг.16). Згадані ділянки 4 виконані з різним по товщині δ шаром β-чутливого покриття 3 (див. фіг.17). Ділянки 4 з нанесеним шаром β-чутливого покриття 3 виконані як однакової ширини F (див. фіг.2 і фіг.15), так і різної ширини F у кожній з комбінацій взаємного розміщення ділянок 4 між собою на поверхні 2 підкладки 1 (див. фіг.18). Ділянки 4 з нанесеним шаром β-чутливого покриття 3 конструктивно виконані як однакової (див. фіг.2, фіг.15-16 і фіг.18), так і будь-якої іншої геометричної форми в плані (див. фіг.19). Маса β-чутливого покриття 3, нанесеного на кожну з ділянок 4, є однаковою (див. фіг.20). Товщина δ шару β-чутливого покриття 3 для кожної з ділянок 4 виконана в діапазоні від 10нм до 100мкм. Детектор низькоенергетичного βвипромінювання, який заявляється, експлуатується (застосовується) таким чином. Попередньо виготовляється детектор низькоенергетичного β-випромінювання. Для цього спочатку виготовляють підкладку 1, причому підкладку 1 виготовляють із електропровідного матеріалу, наприклад, з міді, срібла, алюмінію (з метою відмінності всіх алотропних модифікацій вуглецю, наприклад, фулериту, полімеру або аморфного середовища, від спектру підкладки). Конструктивно і технологічно підкладку 1 виготовляють будь-якої геометричної форми в плані (див. фіг.2-7) і поперечного перерізу (див. фіг.814). Далі за спеціальною технологією 161 на одну з поверхонь 2 підкладки 1 наносять шар β-чутливого покриття 3, причому конструктивно і технологічно (як варіант конструктивного виконання) шар βчутливого покриття 3 наносять або на одну ділянку 4 (див. фіг.1), або на дві ділянки 4 (див. фіг.20), або на більшу кількість ділянок 4 (див. фіг.2, фіг.15-19 і фіг.21), наприклад, на три, п'ять, десять, сто ділянок. Нанесення шару β-чутливого покриття 3 технологічно виконують, наприклад, напилюванням у вакуумі [6]. Як матеріал для β 16237 6 чутливого покриття 3 використовують матеріал фулерит С60 [4]. Конструктивно і технологічно згадані ділянки 4 виконують із різним по товщині δ шаром βчутливого покриття 3 (див. фіг.17) [6]. Ділянки 4 з нанесеним шаром β-чутливого покриття 3 виконують як однакової ширини F (див. фіг.2 і фіг.15), так і різної ширини F у кожній з комбінацій взаємного розміщення ділянок 4 між собою на поверхні 2 підкладки 1 (див. фіг.18). Ділянки 4 з нанесеним шаром β-чутливого покриття 3 також конструктивно виконують як однакової (див. фіг.2, фіг.15-16 і фіг.18), так і будь-якої геометричної форми в плані (див. фіг.19), при цьому маса (М) β-чутливого покриття 3, нанесеного на кожну з ділянок 4, є однаковою (див. фіг.20, де М1=М2, і фіг.21, де М1=М2=М3). Товщину δ шару β-чутливого покриття 3 для кожної з ділянок 4 виконують в діапазоні від 10нм до 100мкм, наприклад, товщиною δ=100нм, δ=2,5мкм, δ=10мкм, δ=50мкм. Після виготовлення детектора низькоенергетичного β-випромінювання, який заявляється, його використовують для виміру доз низькоенергетичного β-випромінювання в полях низької, середньої або високої інтенсивності. Детектор низькоенергетичного βвипромінювання працює наступним чином. Детектор поміщають у поле βвипромінювання. Експозиція триває в перебігу часу t (наприклад, 10 годин, доба, місяць, рік). У процесі опромінення β-чутливого покриття 3, фулерит С60 у кожній з нанесених ділянок 4 полімеризується, причому ступінь його полімеризації лінійно залежить від дози опромінення в діапазоні від 0 до 10кГрей, а товщина полімерізованої області в кожній з нанесених ділянок 4 пропорційна енергії β-випромінювання. Звичайний і полімеризований фулерит С60 та аморфний вуглець значно відрізняються коливальними спектрами і розчинністю у толуолі. Дані інфрачервоної-, ядерного магнітного резонансу- та Раман-спектроскопії свідчать про пониження симетрії молекул і ріст кількості sp3-зв'язків при рості степені полімеризації фулериту. За відсутності радіаційних дефектів матеріал еволюціонує від молекулярного кристалу до полімеру, що виявляється у зсуві спектру фотоемісії в напрямку рівня Фермі, зміні ширини забороненої зони та спектру характеристичних втрат енергії електронів [7]. При наявності радіаційних дефектів матеріал еволюціонує до аморфного вуглецю і в цьому випадку відбуваються інші зміни у спектрах (більш детально властивості різних фаз фулериту описані в [8]). Атоми вуглецю у фулериті координовані із трьома сусідами, а нові міжмолекулярні зв'язки і дефекти в молекулах є продуктами двох-стадійної фізико-хімічної реакції, яку викликає кожна частинка опромінення. Перша стадія триває протягом часу розвитку каскадів атомних і електронних зіткнень, має на вході частинку і атоми мішені, а на виході - збуджені атоми, аніони, вакансії і міжвузельні атоми з концентраціями Ai, де i=1, 2, 3, 4, відповідно. Друга стадія триває при охолодженні каскадів і релаксації матеріалу, має на вході продукти першої, а на виході - атоми в полімерних зв'язках і 7 16237 дефекти структури. Згідно до відомих механізмів утворення цих зв'язків: 1) циклоприєднання; 2) за участю вакансії; 3) через міжвузельний атом, вводимо відповідні концентрації атомів Ni, де i=1,2,3. Вважаємо що атоми, які зв'язані не з трьома сусідами і не входять у полімерні зв'язки належать дефекту. Концентрації цих атомів та всіх атомів вуглецю в матеріалі позначимо через N4 і N0, відповідно. Знаючи очікувану енергію -частинок можна так підібрати товщину шару β-чутливого покриття, щоб розподіл втрат енергії був приблизно однорідним по його товщині. Тоді концентрації Ai та Ni будуть однорідними, а їх залежність від дози опромінення Q=It (в см-2), де I - інтенсивність, a t час опромінення, можна описати в рамках теорії лінійної кінетики реакцій. Враховуючи каскади атомних і електронних зіткнень, релаксацію електронних збуджень, рекомбінацію аніонів і електронів та міжвузельних атомів і вакансій, та залежність часу релаксації від стану фулериту, можна одержати систему рівнянь для введених концентрацій, яка в безрозмірних змінних набуває вигляду: a1 e p 1 n a 1 n a a4 c s 1 n a a3 1 n a n1 n2 4 a1 e b a2 d p 2a3 1 3a3 4 i b 4a4 1 n n4 1 n4 a1 e g e g e h, 1 n n1 p1 n1 3 1 n4 a g 1 i b a3 i r , , 2n1 d p, d 2n2 p , a g a3 v d . (1) Тут індекси біля безрозмірної змінної відносяться і до тих розмірних, які входять у формулу їх зв'язку, штрих позначає похідну по безрозмірній Ni 4 Q дозі , n 1ni , і так само 2 , ni N0 N0 3 для а - безрозмірні концентрації, 2 N0 3 - без 2 розмірні перерізи, N0 3 0 . Із (1) одразу ж випливає аi=ni-1=0, де і=3,4. Доля атомів у полімерних зв'язках не перевищує долю атомів С60, придатних для утворення тривимірної структури зв'язків, тому n1 p1=1/5. Значення e c e p, s, p, були розраховані як вказано вище, також враховано очевидну умову c 1 . Оцінки s для різних τ зроблені на основі даних /8/ і вважалося, що збуджені або іонізовані атоми не утво d 5n3 p , a2 вакансій, міжвузельних атомів (e, a, v, i) відносно процесу утворення зв'язку, захвату на дефект, генерації дефекту, генерації фонона, рекомбінації (b, d, g, h, r). Очевидно, що початкові умови для системи (1) нульові. Значення σ та можна досить точно розрахувати в рамках теорії атомних та електронних зіткнень у твердому тілі задаючи спектр енергій βчастинок, по якому їх потрібно усереднити. Значення р1,2 визначаються будовою фулериту С60. В рамках теорії кінетичних явищ у твердому тілі можна оцінити значення різних та їх залежність від стану фулериту, а більш точно їх варто визначати із експериментів при калібруванні детектора. По закінченню часу експозиції витягають детектор (а саме, підкладку 1 з нанесеними на одну з її поверхонь 2 шарами β-чутливого покриття 3) з поля випромінювання. Далі за допомогою Романспектроскопії досліджують частку полімерізованого фулериту С60 у кожній з нанесених на підкладку 1 детектора ділянок 4. При цьому абсолютне значення полімерізованого фулериту С60 буде пропорційно дозі в зазначені вище межах, а відносна частка полімеру пропорційна енергії βвипромінювання. На фіг.22 наведено графік долі атомів у нових зв'язках фулериту С60 в залежності від дози βопромінення з енергією Ε =5.7кеВ, яка є середньою по спектру розпаду тритію (без врахування радіаційного дефекту). Електрон може утворити радіаційний дефект у фулериті лише при енергії Е 86кеВ, а оскільки у спектрі Еmax 18.6кеВ, то d p , a ga4 1 n n1 p1 n1 3 v b a b a r v b v n4 d a4 1 n 4 a b a2 e d 1 n4 1 3a3 a3 d pp2 n3 a1 e n1 3 b 1 n n1 p1 a2 e s 8 - безрозмірні оберI нені часи релаксації, σ - переріз процесу збудження атома, захоплення атомом, або радіаційного дефекту (індекси e, c, d, відповідно), в якому приймає участь первинна, вторинна частинки (p, s), к - кількість процесів на одну частинку, - кількість низько енергетичних -електронів, утворених первинною частинкою, p1,2 1 - доля зв'язків, придатних для циклоприєднання, та імовірність зупинки вибитого атома між молекулами С60 а не всередині неї, - час життя збуджених атомів, аніонів, рюють радіаційний дефект, тому e,a g . Розра хунки показали, що втрати енергії більшості βчастинок і введені концентрації є наближено однорідними у шарі фулериту нанесеній на кремній, якщо його товщина d 0.3мкм. Із графіка на фіг. 22 видно, що кількість полімерних зв'язків експоненціально зростає і досягає насичення при Ф 1, або ж Q~1015см-2. Тому для максимальної поглинутої дози одержуємо D QsE / d~107Грей при густині фулериту =1,68г/см3. У [7] встановлено, що при високих дозах опромінення електронами допорогової енергії також можуть утворюватися радіаційний дефект внаслідок зміни потенціалу взаємодії атомів. Тому насправді e,a g скінченні, і при опро мінення відбуватиметься аморфізація фулериту і доза насичення буде меншою, її точне значення можна встановити при калібруванні детектора. На фіг.23 наведено аналогічні графіки для тих же самих умов, але для значення e,a g e,a b 103 (з ура 9 хуванням радіаційного дефекту). Крива n1(Ф) спочатку домінує, як і в першому випадку, але навіть малий вихід радіаційного дефекту аморфізує мішень при високих дозах опромінення. На остаточному етапі обробки результатів визначають дозу опромінення та енергію, використовуючи калібрувальні таблиці. Проведені розрахунки та оцінки показали, що тонкі шари фулериту С60 (нанесеного на підкладку 1), зважаючи на високу чутливість його структури до електронного опромінення, можуть слугувати чутливим матеріалом в методі хімічного детектування β-частинок. Оскільки основним чинником, який впливає на матеріал, є низькоенергетичні δелектрони, породжені первісним опроміненням, то цей матеріал придатний для детектування низькоенергетичного випромінювання. Існують також і інші методи, за допомогою яких можна виміряти степінь полімеризації та аморфізації фулериту. Підвищення ефективності застосування детектора низькоенергетичного β-випромінювання, у порівнянні з прототипом, досягається за рахунок можливості використання у ролі матеріалу для детекторів низькоенергетичного β-випромінювання фулериту С60. Підвищення ефективності застосування детектора низькоенергетичного β 16237 10 випромінювання, у порівнянні з прототипом, досягається й тим, що підкладку виконують з електропровідного матеріалу. Джерела інформації: 1. Iwasa Y., Arima Т., et al. High pressure synthesis new metastable phases of C60. // Science. 1994, - 264, p.1570-1574. 2. Б.В. Поленов «Дозиметрические приборы для населения» Энергоатомиздат. М., 1991, стр.27 - аналог. 3. Патент РФ №2133486 - аналог. 4. Патент РФ №786542 - аналог. 5. М.Т. Максимов, Г.О. Оджагов «Радиоактивные загрязнения и их измерение» Энергоатомиздат. М., 1986, стр.118 - прототип. 6. Η.Р. Галь, Ε.В. Рутьков, А.Я. Тонтегоде. Адсорбция, десорбция, контактная и термическая трансформация молекул С60 на поверхности Та(100). - ФТП, 2005, т.39, №11, С.1325-1330. 7. Шнитов В.В., Микоушкин В.М., Брызгалов В.В., Гордеев Ю.С. Исследование степени, скорости и механизмов электронно-стимулированной модификации фуллерита С60 // ФТТ, - 2002, - 44, No.3, с.428-430. 8. Макарова Т.Л. Электрические и оптические свойства исходных и полимеризованных фуллеренов.// ФТП. - 2001, - 35, No.3, с.257-293. 11 16237 12 13 Комп’ютерна верстка А. Рябко 16237 Підписне 14 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601