Теоретическое и экспериментальное обоснование использования кристаллофосфора BaSO4:Eu для регистрации ионизирующих излучений с различной ЛПЭ тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.14 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ОРДЕН4. ЛЕНИНА. ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им.М.В.ЛОМОНОСОВА

ХИМИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи УДК 539.2.001.5: [543.53:535.376/377] КАРЕЗИН ВАЛЕРИЙ ВЯЧЕСЛАВОВИЧ

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КРИСТАЛЛОФОСФОРА Вв504:Еи ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ С РАЗЛИЧНОЙ ЛГО.

Специальность 02.00.14 - радиохимия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

МОСКВА - 1992

Работа выполнена на кафедре радиохимии Химического факультета МГУ им.М.В.Ломоносова

Научный руководитель: кандидат химических наук,

доцент Власов В.К.

Официальные оппонента: доктор химических наук, профессор

Громов В.В.

кандидат физ.-мат. наук, зав.лаб. Сорезгаиков С.В.

Ведущая организация: Институт атомной анэргии

им.И.В.Курчатова

Защита состоится " 2А." апреля 1992 г. в /5 ^асов на заседании Специализированного ученого совета К 053.05.61 в МГУ им.М.В.Ломоносова по адресу: Москва, Ленинские горы, МГУ, Химический факультет, кафедра радиохимии, аудитория .№308.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Химического факультета МГУ им.М.В.Ломоносова

Автореферат разослан " марта 1992 г.

Ученый секретарь Специализированного совета кандидат фаз-мат. наук

^ Н.Н.Трошияа

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность работа. Последнее время значительные усилия были приложены в изучении термолюминесцентного (ТЛ) отклика на тлжелые заря жвшшэ частицы (ТЗЧ). Различные группы ученых [1-4! пытались обосновать возможность универсального описания ТЛ отклика как функции линейной передачи энергии (ЛПЭ) и дозы D. Однако, было показано, что относительная ТЛ-эффективность (т)) зависит не только от ЛПЭ, но также от вида и энергии данного излучения (*) ■ Эта зависимость определяется пространственным распределением дозы в треках ТЗЧ, которое может значительно отличаться для частиц с одинаковой ЛПЭ, но различного вида.

В связи с этим возникает необходимость детализировать представление о поглощении энергии как совокупности дискретных элементарных событий (ионизации и возбуждения), происходящих в области трока заряженных частиц. Распределение элементарных актов взаимодействия в пространстве при этом формирует картину передачи энергии чувствительным элементам детектора. С этой точки зрения приемлимим является расчетный метод Монте-Карло, который при соответствующей физической модели можэт дать полную информацию о стохастической природе и пространственном распределении элементарных событий. Однако данный метод не в полной мере учитывает зависимость эффективности регистрации ионизирующего излучения от параметров акта элементарного энерговндэ-ления (энергии Е3 и об'ема Vg> и параметров мишени (об'ема Ч0 и энергии возбуждения J).

Интенсивное использование в последнее время разного рода люминесцентных детектров, в частности термолвминесцентных детекторов, имеющих достаточно малый размер радизционно-чувствительных центров (Р'Щ) (IQ-IOOA) вызвало необходимость детализировать рассмотрение параметров энерговыделения в отдельном элементарном акте взаимодействия с одной стороны я природа РЧЦ с другой. Zimmerman П J отмечал, что воб-ш.ем эффективность ТЛ материалов уменьшается с увеличением ЛПЭ, по увеличивается с ростом числа центров захвата для высокой ЛПЭ. Horowitz 12] сообщил о чрезвычайной чувствительности ТЛ в 1.1? и к *) Относительная ТЛ эффективность (т]) определяется как отношение числа испущенных фотонов на рад (10 мГр) для исследуемого излучения к числу фотонов на рад стандартного излучения (обычно гамма-излучение 13,Сз, ьоСо) для одинаковой массы ТЛ-материала.

ЛПЭ в зависимости от кощентрации активатора или других неизвестных химических и физических факторов. ХакзЬшапап СЗ] исследовал эффективность запасания светосуммы в СвБО^Бу от концентрации Ду в шихте.

Цель работы. Цвльв работы являлось создание физической модели формирования отклика в термолшминесцентных детекторах (ТЛД) при действии ионизирупцего излучения различного качества, необходимой при решении практических проблем в области дозиметрии, радиационной химии, радиохимии, радиобиологии.

Научная новизна. Впервые исследована функциональная зависимость чувствительности ТЛД от параметров акта элементарного энерговыделения и от структуры радиационно-чувствительного центра. Данная зависимость развивает и уточняет основные положения микродозиметрической модели запасания анергии в твердотельном детекторе, предложенной Власовым (1982 г.)

Синтезирован ряд кристаллофосфоров ВаБО^:Еи с концентрацией Ей в пределах 0-5.2Ж. Впервые обнаружен аффект образования ассоцаатов Ей в матрице ВаБО^гЕи, приводящий к качественным изменениям параметров кривой термовысвечивавия (КТВ).

Впервые зарегистрирован и теоретически обоснован эффект аномального фединга светосуммы в ВаБО^Еи, связанный с процессом туннелирова-ния электронов. Волнообразная кривая аномального фединга об'яснена с позиций процессов перезахвата носителей заряда в системе ловушек кристаллофосфора.

Впервые предложено использование кристаллофосфора ВаБО^Еи для детектирования дозы быстрых нейтронов в сметанных гамма-нейтронных полях. Определение вклада нейтронной компоненты (Еп>1МвВ) достигается путем самооблученвя криоталлофосфора за счет распада изотопа 32Р, образованного по реакции 32Б(п,р)32Р.

Впервые предложено использование кристаллофосфора ВаБОдГЕи для высокочувствительного ощп деления скрытой анергии распада короткоживу-щих радионуклидов в воздухе. Фильтрация воздуха толстим слоем кристаллофосфора дает возможность измерения дозы от различных фракций радиоаэрозолей.

Практическая значимость. Новый вариант микродозиметрической модели запасания энергии в твердотельном детекторе позволяет описать зависимость чувствительности ТЛД от параметров акта элементарного энерговы-

деления и структуры радаэционно-чувствителышх центров (РЧЦ).

Использование кристаллофосфора BaSO^rEu позволяет определять дозу быстрых нейтронов (Dn>1 бэр) в смешанных гемма-нейтронных полях с полным отделением от дозы гамма-излучения.

Применение крксталлофосфора BaSO^iEu позволяет с высокой степенью чувствительности измерять скрытую энергию распада короткоживущих радионуклидов в воздухе (для продуктов распада радона на уровне 0.5% ВДК).

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы док-ладовались: на Международном симпозиуме "Люминесцентные детекторы и преобразователи ионизирующего излучения LUMDEER'91" (Ригя,1991); на Всесоюзной конференции "Лшинесцэнця и развитие ее применений в народном хозяйстве" (Екатеринбург, 1991); на Втором Всесошпом семинаре молодых ученых по радиационной физике и химии твердых тел (Рига, 1991); на Всесоюзной школе по ТЛД (Иркутск,1990); на конференции молодых ученых химического ф-та МГУ (Москва,1991).

Публикации. По теме диссертации имеется 5 публикаций в отечественных изданиях и за рубежом.

Структура и об'ем работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы: "Микродозимвтрические модели формирования отклика в кристаллофосфора!" (глава I), "Передача энергии твердотельному детектору в элементарном взаимодействии" (глава 2), "Синтез и свойства кристаллофосфора BaSO^rEu" (глава 3), "Микродозиметричвская модель запасания анэргии ионизирующего излучения в твердотельных дозиметрах" (глава 4), "Аномальный фединг кристаллофосфора BaS0^:Eu" (глвва 5), "Термолнминесцентная дозиметрия быстрых нейтронов" (глава 6), "Использование ТЛД для определения радиоактивных аэрозолей." (глава 7) описания техники эксперимента (глава 8), выводов, списка литературы, приложений; обзор литературы представлен также в начале 2,6,7 глав. Об*ем диссертации- 150 страниц, в том числе 33 рисунка, 31 таблица.

Автор защищает физическую модель формирования отклика ТЛД при действии излучений различного качества и использование кристаллофосфора BaS04:Bu для детектирования ионизирувщих излучений с высокой ЛПЭ.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Х^Мжродожметрэт .

На основании литературного анализа моделей запасания энергии ТДЦ показано, что формализм микродозиметрического подхода к интерпретации отклика детектора обычно основывается на пространственном распределении выделенной анэргии, в меньшей степени учитываются параметры элементарного энерговыделения и практически не рассматриваются структура процессов рассеяния энергии одиночного события в матрице ТДЦ. В связи с этим поставлен ряд вопросов, последовательно возникавших на разных уровнях диссипации энергии.

1.Необходимость рассмотрения вариаций параметров процессов выделения энергии ионизирующего излучения в отдельном элементарном акте взаимодействия г

2.Нахождение функциональной связи между диссипацией выделевшейся в элементарном акте энергии с энергетическим состоянием и пространственным распределением дефектов в матрице кристаллофосфора.

3.Описание процессов запасания энергии (РЧЦ).

в_§лемеотарном_взаимоаействии.

В результате теоретического рассмотрения процессов передачи энергии в отдельном элементарном событии и на основании литературных данных показано, что процесс выделения энергии ионизирующим излучением в кристоллофосфоре носит дискретный локальный характер -шпоры, блобы..

Примем, что У3 -область пространства, в которой вероятность запасания энергии на РЧЦ близка к 1; за пределами Уа эта вероятность близка к 0. Тогда рассеяние энергии Е3 в об'еме У3 в элементарном взаимодействии может осуществляться при наличии следующих условий: -сечение взаимодействия частиц вторичного излучения с атомами среды настолько высоко, что передача энергии осуществляется непрерывно;

-существует центр элементарного события вокруг которого возникает область У5(шпора).

Приведенным выше условиям удовлетворяет процесс радиационной

"встряска" атома, возникающий при выбивании электрона с одной из внутренних оболочек атома, а также при рассеянии анэргии атомом отдачи. В этом случае возникает поток электронов Ожв, квантов рентгеновского излучения с низкой энергией и коротким пробегом, создающих область ионизации и возбуждения вокруг центрального атома.

Оценка вариации величины Ед проводилась при рассмотрении процессов передачи энергии излучения атому среда в различных видах взаимодействия. Взаимодействие первичного и вторичного ионизирующего излучения с веществом может происходить путем передачи энергии Е3 ядру и электронам атома.

Рассмотрен процесс размена анергии в системе возбужденный атом -среда. Процесс распространения энергии из точки элементарного возбуждения в область шоры можно представить как процесс диссипации энергии от мгновенного точечного источника мощности Е3 в результате многократного рассеяния на атомах среда в неограниченном трехмерном щюстранстве.

Средний размер области шоры 1 в этом случав будет определяться влиянием двух процессов, осуществляпщпся на разных стадиях: -(стадия "А") - диффузия "горячих электронов" с Е0<Ее<Ев; -(стадия "В") - диффузия терматазованных свободных носителей заряда (электронов и дырок) с энергией соответствующей анергии дна зоны проводимости (валентной зоны).

Процесс диффузии электронов на стадии "А" рассмотрен как процесс диссипации в бесконечной изотропной среде энергии от источника мгновенной мощности Ед. Функция распределения энергии E(R,t) от расстояния до центра выделения энергии R, выраженного в постоянных решетки (R2=(i-J^3)2+(y-y0)2+(z-a0)2) и времени t задается уравнением:

E(R,t) = Bs(4itAtr3/2Bxp(-R2/4At) (1)

где А -частотный фактор. Зададим границу области соответствующей "А-стадии в виде E(R,t)=J. Тогда значение радиуса будет определяться выражением:

R(t) = 2{-Atln(3(4xAt)3/2/E ]}1/2 (2)

S

Максимум функция й(1:) достигает при t=t

гшах=1/4хА.(Л/^Гг/3 (3)

Н^Ш = 1/(2ег!С)1/2(ЗЕ3/3)1/3 (4)

На стадии*В"диффузию можно описать в терминах потока термаяизован-ных носителей заряда. Свободный пробег (э) до взаимодействия с РЧЦ будет зависеть от сечения взаимодействия:

о=41ф2 (5)

з«1/(аЯ) (6)

где Нс-радиус дальнодействия радиационно-чувствительного центра, N -концентрация РЧЦ.

Оценка верхней границы значения 1 по уравнению 4 для ВаБО^.Еи. соответствует размерам области диффузии "горячих электронов" 1«60А. Значение длины свободного пробега з термализованзых носителей заряда может варьироваться в широких пределах. Оценка этой величины по уравнениям (5,в) дает значение з«ТА, что близко к значению постоянных решетки. Полученное суммарное значение 1 около 75-80А соответствует литературным данным и оценкам, полученным в результате эксперимента.

§^5ШТ03_и_свойства__|фистамофосфо2а_Ва5О41Ви.

Для экспериментального исследования процессов элементарного энер-говыделвния был синтезирован набор кристаллофэсфоров ВаБОд-.Ви с различной концентрацией Ей. Синтез ВаБО^Еи проводили методом кристаллизации из расплава.

Концентрация Ей в кристаллофосфоре определялась методом нейтрон-но-активационного анализа. Основные характеристики полученных крис-таллофосфоров приведены в табл.1. Погрешность определения дозной чувствительности к гамма-излучению ±535, к альфа- ±15% (при р=0.05).

Табл.1. Характеристики синтезированных кристалларофсфоров ВаБО^Еи. « -Ей вводился в шихту в виде Еи2(304)3, в виде Еи^

Еи(мольн.%) Дозная чувствительность

концентрация 137Сз 239Ри

в в 66ШэВ 5.3МэВ

шихте ВаБ0.:Еи нКл нКл

4 _ _

мг.рад мг.рад

I. # (0) 150 200 0 0.000 11 .4

2. # (21) 170 190 0.10 0.022+0.001 205 3.2

3. * (7) 180 200 3.00 0.050+0.002 1273 40.4

4. # (22) 170 200 0.30 0.067+0.002 1958 66.1

5. # (24) 170 200 0.43 0.086:10.003 2548 101 .9

6. # (23) 160 200 0.40 0.093±0.004 2640 106.5

7. # (15) 180 200 0.50 0.107±0.003 2698 168.6

8. # (16) 170 200 260 0.80 0.121+0.004 2674 193.5

9. # (17) 165 200 260 1.00 :0.125±0.004 2605 196.7

10 (6) 160 200 260 26.00 0.137±0.006 2370 207.8

11 (18) 160 200 260 1.50 0.143+0.005 .2295 - 206.6

12 (11) 160 260 5.00 1.556+0.018 1501 221 .1

13 (12) 155 260 8.00 1.708+0.019 1151 186.4

14 (13) 150 260 10.00 1.910+0.020 986 181.3

15 (14) 150 260 12.00 2.019+0.020 816 147.8

16. # (5) 140 260 26.00 5.176±0.047 438 102.1

На зависимости концентрации Ей в матрице кристаллофосфора от концентрации Ей в шихте (рис.1) можно выделить три области: А,В,С.

Экспериментальная зависимость чувствительности Б первого пика (140-190°С) кристаллофосфора к гяммэ-излучении от концентрации Ей представлена на рис.3. Интересной особенностью приведенной зависимости является разрыв функции отклика в области 0.15 - 1.5 мольн.% Ей, что соответствует области В рис.1. Разрывность зависимостей на рис.1 и 3 может быть об'яснена изменением механизма вхождения активатора в матрицу яристаллофосфорз, а также связанным с ним изменением механизма свечения.

Номер Температура

синтеза, максимума

лигирупц. шка°С(±5*С)

добавка. Т„ Т

п и^ пи

Рис.1. Завися- 2.4 мость концентрации Ей в матрице крис-таллофосфора ВаЗО^гКи ^ от концентрации Ей в шихте.

А,В,С-области, соответствующие различным механизмам встраивания примеси Ей в матрицу.

з ил

ей

сс 1.2

Я.

<5

з

л

и

С ---- ♦ 1

в

Ф А -1-1-

О 4.0 8.0 12.0

Си(мольн%) В шихте

) 6.0

Причиной изменения механизма может быть встраивание примеси Ей на в виде отдельных атомов, а в виде ассоциатов из нескольких атомов активатора. Это приводит к изменению механизма ТЬ в 2-ВаБ04:Еи по сравнению с 1-Ва504:Ва.

Для образцов кристалло-фосфора из области А (1-Ва304:Еи) кривая термовысвечивания (КТВ) имеет один сложный пик (180°С) рис.2(I). Фединг светосуммы (Б) пика при температуре ЗООК в пределах погрешности эксперимента практически отсутствует.

При концентрации Ей в матрице кристаллофосфора >1.5 мольн.% (2-Ва304:Ец, область С на Рис.1) меняется морфология КТВ (Рис.2(2)), появляется второй пик (260°С) и значительный фединг обоих пиков ТЛ.

100

20 о

Зсо

ТХ

Рис.2.КТВ ристаллофосфоров 1-Ва304:Еи

(1) и 2-Ва50.:Еи (2).

1.0 -

А

у 1

с

/

о

9 8^ |4 2 1

о

О У 0.0/

с/

/

ю

Еи(мсмьн,%)

Рис.3. Зависимость чувствительности Б ВаБОдГЕи к 7-излучешп (661 КэВ) от мольной концентрации Ей в ВаБО^Еи.---- -кривые соответствуйте результату представления РЧЦ в виде 2,4,7,8,9-атомных структур Ей.___

Данное предположение подтверждают различия в форме КТВ (рис.2) и наличие у образцов г-ВаБО^гЕи значительного термического и аномального фединга.

Анализ функциональных зависимостей рис.1 и 3 позволяет дать оценку числа атомов Ей в отдельном ассоциате. Устранение разрывности функций данных зависимостей осуществляется при предположении о строении ассоциата в виде структуры из 8-9 атомов Ей. Тогда строение РЧЦ в г-ВаБО^гЕа можно представить как в виде одиночного атома Ей, так и в виде ассоциата из нескольких атомов Ей,- Данное предположение было подтверждено на основании теоретических следствий микродозиметрической модели.

Близкое расположение атомов Ей в структуре образованного ассоциата приводит к возрастанию вероятности эффекта туннелирования электронов, что и обуславливает процесс аномального фединга.

Исследование полученных образцов кристаллофосфора 1-ВаБ0.:Ец и

2-Ва304:Еи с помощью рентгенофазового анализа показало совпадение в пределах погрешности эксперимента параметров кристаллической решетки с исходным, нелегированным, ЕаЗО^.

З^Мшфодоз^етрическая__модель

запасания_шергш_в_таерзоте^нга_детекторах

3.1.Основные положения микродозиметрической модели запасания энергии в твердотельных детекторах.

I.Выделение энергии в одиночном событии есть стохастическая величина, среднее значение которой (Ед) является медленно менявшейся функцией энергии частиц, ее величина лежит в пределах Ю-ЮООэВ на событие.

2.Эффективный размер области возбуждения радиационно-чувствительао-го центра (РЧЦ) не превышает об'ем элементарного акта знзрговыделе-ния. Эффективный средний размер хорды (I) области элементарного энерговыделения (шора, короткий трек и т.п.) -величина стохастическая и зависит от средней анергии (Е3). Характерные средние размеры: шпоры 1-10 нм, радиуса керна трека тяжелой частицы: 0.2-1.5 нм для энергии заряженных частиц 0.1-10 МэВ/нуклон.

3.Наличие РЧЦ в произвольно заданном в пространстве микрооб'еме У3 имеет стохастический характер.

4.Все события передачи энергии подразделяются на "прямые" и "непрямые". Прямые события - передача энергии веществу в пределах рассматриваемого микрооб'ема непосредственно самой заряженной частицей, непрямые - передача энергии об'ему У3 б-электронами.

п(Д) + п(в) = 1, (7)

где п(Д) и п(6) -доли энергии, передаваемые У3 в прямых и непрямых событиях.

5.Энергия ионизации (3) радиационно-чувствительного центра в крис-таллофосфоре существенно меньше Ед, выделяемой в элементарном об'еме

V

б.В соответствии с рассмотренной выше моделью элементарного энер-

говыделения в шпорв формирование отклика детектора происходит в две стадии:

А -горячая стадия ( Ю-15 сек.), когда в прямых и непрямых событиях происходит ионизация и возбуждение РЧЦ. На этой стадии энергия первичных и вторичных частиц (Е..) больше J и передача энергии во времени и в пространстве носит стохастический характер.

В -стадия рекомбинации термализоЕанных электронов с образованными на стадии "А" дырками и захват термализованных электронов ловушками (>10~14 сек.). На этой стадии энергия электронов сравнима с энергетической шириной запрященной зоны (EQ) и их взаимодействие с центрами рекомбинации и захвата может быть описано в терминах потока электронов.

Вероятность запасания энергии на РЧЦ в рамках данной модели W(L,N) определяется вероятностью совмещения в пределах 4S двух случайных событий - акта выделения энергии Е3, с соответствующей вероятностью W(L), и присутствия РЧЦ, с вероятностью - ff(N).

W(Ii,N)=W(L)W(N) (8)

N - общая концентрация РЧЦ (см-3).

3.2.Эффективность запасания энергии от ионкзирувдего излучения с различной ЛПЭ.

Использование основных положений микродозиметрической модели запасания энергии в твердотельных дозиметрах позволяет описать зависимость отклика детектора от ЛПЭ ионизирукщдх излучений. В соответствии с развитым выше формализмом вероятность W(b) может быть рассчитана с использованием распределения Пуассона. Для вероятности выделения энергии в об'еме Vs. нормированной на значение ЛПЭ:

W(L) = И- exp(LT/l^)]/L, (9)

где Ll/Bg- среднее число событий выделения энергии !д з микро-об'еме со средней хордой I при ЛПЭ=1.

С учетом этого для одного и того же детектора или для детекторов с примерно одинаковой концентрацией радиационно-чувствительных центров эффективность запасания энергии ионизированными центрами равна:

Табл.2, Эффективность отклика ЫР (1ср=90эВ) к разным видам излучения (1=60А, Еа =90эВ), т}(1) -отношение эффективности запасания энергии 1-го излучения к эффективности запасания энергии стандартного гамма-излучения( 1Э7Сз,661КэВ).

Вид Е.КзВ, ЛПЭ П(8)» Т](1) Т)(1) Отн. Лит

излуч. КэВ КзВ отклонение

нуклон мкм расчет по литерат. %

уравнению (9) данные ¿л/П

1 2 3 4 5 6 7 8

т 662 0.5 1.00 1 0 (42)

е- 400 0.46 1.00 1 0 И

275 0.52 1.00 1 0 М

175 0.64 1.00 1 0 #»

100 0.88 0.99 1 - 1 VI

50 1.4 0.97 0.96 + 1 и

30 2.05 0.95 0.93 + 2 и

10 4.74 0.87 0.84 + 4 ««

5 7.84 0.79 0.77 + 3 п

30 2.05 0.95 0.95 0 (44)

10 4.74 0.87 0.88 - 1 <«

5 7.84 0.79 0.8 - 1 1«

I» 13300 21 0.319 0.87 0.86 + 1 (24)

2400 57 0.243 0.50 0.56 -10 М

а 925 305 0.164 0.21 0.17 +26 »?

425 340 0.051 0.10 0.17 -43 «V

1120 263 0.183 0.24 0.234 + 3 (47)

965 280 0.168 0.22 0.245 - 9

713 301 0.133 0.18 0.209 -12 »

420 321 0.049 0.10 0.13 -26 «

1175 260 0.188 0.25 0.21 +17 (48)

950 281 0.166 0.22 0.22 0 «

700 304 0.130 0.18 0.18 0 П

425 321 0.051 0.10 0.15 -34 п

1425 238 0.205 0.27 0.23 +17 (50)

1225 255 0.191 0.25 0.25 0 м

1_2 3 4_5_б__7 8

1075 269 0.179 0.24 0.22 +7

625 309 0.115 0.16 0.17 -3

» -расчет вклада дельта-электронов п(6> проводился при значении средней хорда микрооб'ема 20нм.

т)(Ь) = п(Л)[1-Ехр(-П/Ё^)]/1 + п(0), (10)

Результата расчетов по уравнению (10) для указанных значений Е3, а также экспериментальные данные различных авторов, даны в таблице 2. С учетом как погрешностей эксперимента, так и расчета сходимость результатов следует признать удовлетворительной.

Наилучиее соответствие экспериментальных и рассчитанных значений достигается при размере события элементарного энерговыделения Г=6нм, что соответствует литературным данным.

3.3.Эффективность запасания энергии от концентрации РЧЦ.

Для расчета эффективности запасания энергии от концентрации РЧЦ допустим, что процесс запасания светосуммы Б происходит, если в произвольно выбранный об'ем ?3 попал хотя бы один РЧЦ (к?1).

Тогда для одинаковых условий облучения регистрируемую светосумму Б можно выразить через концентрацию РЧЦ:

Б = К N ЯГ(Ю, (11 )

где К -коэффициент пропорциональности.

В соответствии со свойствами РЧЦ рассмотрим два последовательных приближения модели эффективности заиасания энергии от концентрации РЧЦ - невзаимодействующие и взаимодействующие РЧЦ.

Приближение невзаимодействующих РЧЦ.

В соответствии с распределением Пуассона для вероятности нахождения в произвольно выбранном микрооб'еме 73 ровно к точечных невзаимо-

действующи РЧЦ имеем:

И(к)= (У3И)кЕхр(-У3Ю/к!, (12)

тогда: 00

«?ДО)=2ИГ(к), (13)

к=1

где У3№ -среднее число РЧЦ в Уд, к=0,1,2...

Тогда для положительного эффекта (аффекта запасания светосуммы кристаллофосфором) достаточно попадания в У3 хотя бы одного центра, т.е. :

= 1 - W(0) = 1 - Ехр(-У3Ю (14)

В этом случае вид концентрационных кривых определяется диаметром Б об'ема У3. Варьирование параметра В дает набор концентрационных зависимостей для №(Ю с различной границей области выхода на насыщение, что обуславливает различные пределы нелинейного роста зависимости чувствительности кристаллофосфера от концентрации РЧЦ.

Приближение взаимодействующих центров.

Из многочисленных экспериментальных данных известно, что часто зависимость отклика кристаллофосфора от концентрации активатора имеет максимум. Одной из причин этого процесса, называемого концентрационным тушением, по-видимому, может являться взаимодействие между атомами активатора, приводящее к безиБлучателъной потере светосуммы.

Не рассматривая детально механизм происходящих процессов предположим наличие у РЧЦ эффективного радиуса дальнодействия Н0 , которому соответствует сфера об'емом У0 и диаметром 2ЯС. Примем, что тушение центров, т.е. безизлучательный размен энергии в системе центр-центр, осуществляется при перекрытии об'емов V . Тогда сближение каждой пары из Ь РЧЦ (где Ь=2,3...) на расстояние меньшее 2йс можно интерпретировать как их попадание в один об'ем V. Эффект перекрытия приводит к инактивации взаимодействующих центров, что исключает члены сйЬв (13):

Я(к) = 0, при К); Б, (15)

Ь-1 И-1 к

»(!!)=£ ИГ(к)=2 (УИ) Езр(-УЮ/к1, (16)

к=1 к=1

Тогда для концентрации невзаимодействующих центров справедливо:

ГГ = N »(Ю, (17)

где К' -концентрация невзаимодействующих центров.

Используя формализм разработанной микродозиметрической модели проведем оценку параметров для концентрационной зависимости ВаБО^Еи. При условии Ь=2 (тушение происходит при взаимодвствии 2-х центров) с учетом (11,15,16,17) светосумму Б можно представить как:

3---гаГГ1-Ехр(-уГ )1. где (18)

Я'=7С N 5хр(- ?СЮ (19)

Т.ч. в данном случае положение максимума чувствительности определяется условием 7СИ=2, дает возможность оценить Ус. Анализ концентрационных зависимостей для случая невзаимодействущих РЧЦ дает монотонное возрастание, а в случае взаимодействующих РЧЦ зависимость является гладкой с максимумом.

На Рис.4 приведены экспериментальные данные зависимости чувствительности Ва304:Еи от общей концентрации РЗЦ, а также расчетные кривые при различных значениях диаметра 2И0 области энерговаделения 7д.

Использование предложенной микродозиметрической модели позволяет на основании параметров, соответствующих реальным фагаико-химическим процессам взаимодействия ионизирупцего излучения с веществом (микро-об'ема знерговыделения 73, а также эффективного об'ема центра Ус и концентрации №), удовлетворительно описать концентрационную зависимость отклика ТЛД к излучении с разным ЛПЭ.

Для кристаллофосфора ВаБОд.-Еи получены следующие данные:

I.Область элементарного энерговаделения в кристаллофосфоре ВаБО^Би имеет размер менее Юо1.

2.РЧЦ взаимодействуют, вели перекрываются их эффективные об'емы дальнодействия 7С- В случав Ей диаметр об'ема Ус (2ИС) равен 68А для 7 -излучения (661 КэВ) и 60А для а-излучения (5.2 МэВ).

Рис.4. Зависимость светосуммн Ботн., рассчитанной по уравнению 8) от концентрации РЧЦ в матрице Ва304 при различных значениях да-этра 2ИС микрооб'ема V б а), о -экспериментальные значения Ботк для яма-излучения (661 КэВ, 2Я0=68Д). 0). о -экспериментальные значения га. для альфа-излучения (5.1 МэВ, 2И0=бОА).

3.Форма концентрационной зависимости чувствительности определяется размером события и величиной об'ема Vc РЧЦ.

4л_Аиомальшй__феданг_щиста^офос^ра_Ва504:Еи.

При исследовании дозной зависимости кристаллофосфора BaS04:Eu был отмечен эффект периодического волнообразного изменения чувствительности кристаллофосфора от времени облучения при постоянной мощности дозы. Это явление может быть связано с процессами аномального и температурного фединга.

Проведено исследование параметров аномального фединга. На рис.5 представлена зависимость от времени аномального фединга 2-BaS04:Eu при температуре жидкого азота (77К), и при комнатной температуре (ЗООК). При 77К потеря светосуммы S достигает Р0% в течении 600 часов. Для сравнения аналогичный эксперимент был проведен для CaS04:Mn. Однако, хранение CaSO^rMn при температуре 77К не вызывало уменьшение светосуммы в пределах погрешности эксперимента.

Рис.5. Фединг 2-BaS04:Eu (П) -при jQ0 комнатной температуре (ЗООК), и (О) ^ -при температуре 2 жидкого азота (77К). <=-1,2,3,области, соот-ветствунцие трем компонентам процесса фединга.

О

Об'яснена волнообразная форма кривой аномального фединга 2-BaSO^:Eu в областях 2,3 рис.5. График функции S(t), где t -прошедшее с момента облучения время, позволяет сделать предположе-

17

J00 №00 Время £, Час

Рис.6. Схема туннельных переходов носителей зарядов в ассоциатах Ей. 0,1.2,3 -энергетические уровни ловушек, РЦ -центр рекомбинации носителей заряда (1,2,3 -область запасания светосуммы КТВ).

ния относительно кинетических закономерностей туннелирования электронов внутри ассоциэта атома Ей. Предложен один из вариантов механизма аномального фединга на примере перезахвата носителей заряда в системе ловушек АВСВ (рис.6).

Кинетические уравнения для туннельных переходов 0->1,2,3 можно са-писать в виде системы уравнений:

ас./^.с^с.,

йС0/«=-С>0С0.

(20) (21)

ЯЗод = 0о. (22)

где, С0иС. -соответственно концентрация высокоанергетической и низкоэнергетических ловушек (1=1,2,3), <20 £ - константа скорости пв-резахвата с о-ой на 1-тую ловушку, - константа скорости рекомбинации 1-той ловушки, 0о - константа скорости уменьшения концентрации о-ой ловушки.

Волнообразный характер кривой фединга (Б) представленный на рис.5 достигается при соответствующих значениях параметров в уравнениях 20-22.

Проведен литературный обзор по термолюминесцентным методам детектирования нейтронов в смешанных гамма-нейтронных полях. Наиболее перспективным представляется сочетание термолюминесцентного и активаци-онного метода, суть которого заключается в измерении индуцированной нейтронами радиоактивности и соответственно косвенной оценки нейтронного поля. Параметры используемых ядерных реакций достаточно обширны. Активируемый изотоп может быть как вне решетки ТЛД, так и входить в его состав. Главные преимущества данного метода заключаются в возможности избирательного спектрального детектирования и возможности полного отделения дозы нейтронов от дозы гамма-излучения.

Атомный состав кристаллофосфора ВаБО^Еи позволяет использовать достаточно перспективную реакцию 325(п,р)32Р. Сечение этой реакции приблизительно постоянно в области от 3 до 15 МэВ. Это позволяет детектировать все нейтроны, начиная с некоторой эффективной энергии. Проведен расчет по спектру деления, который позволяют оценить вклад. энергетических интервалов вблизи порога реакции в активацию атомов серы.

Преимущества ЕаБО^гЕи перед другими содержащими серу кристаллофос-форами следующие:

-высокая чувствительность детектора к ионизирующему излучению;

-хорошие спектральные ТЛ-характеристики;

-низкий уровень хемалшинесценции;

-высокая термическая стабильность;

-возможность получения образцов с заданным уровнем фединга;

К недостаткам можно отнести трудности, связанные с получением чипов. На основании экспериментального и теоретического материала показано, что:

1.Возможно детектирование аварийной дозы быстрых нейтронов в смешанных гамма-нейтронных полях кристаллофосфэром ВаБОд:Ей с полным отделением вклада нейтронной компоненты.

2.Нижний: предел детектирования порошком ВаБО.гЕи (без радиатора)

дозы по быстрым нейтронам спектра деления составляет около I бар.

3.Необходимость использования безфединговой модификации Ц-ВаБОдГЕи) при накоплении информации во время самооблучения.

аэрозолейввоздухе.

Практическое определение короткоживущих радионуклидов в воздухе связано с принципиальными трудностями. Проблема заключается в том, что при традиционных способах определения концентрации радиоактивных аэрозолей 0 (Ки/м3) или величины скрытой энергии Е? (МэВ/литр) часто используют дискретные методы отбора пробы с последующей радиометрической или спектрометрической обработкой. С одной стороны для определения их концентраций необходимо уменьшать время отбора пробы во избежания неучтенного распада радионуклидов, с другой стороны уменьшение времени отбора пробы приводит к снижению порога обнаружения и значительным погрешностям при определении активности, близкой к значению фона.

Изучение возможности использования термолюминесцентных детекторов (ТДЦ) для определения концентрации короткоживущих радионуклидов было проведено при исследовании концентрации продуктов распада радона в воздухе.

В результате экспериментальной и теоретической работы была модифицирована и улучшена методика определения радиоаэрозолей в воздухе впервые представленная в работе ф]. Воздух, содержащий радиоаэрозоли, пропускали через колонку с толстым слоем порошкообразного ТДЦ. При этом радионуклиды сорбируются либо в самом слое порошка, либо в фильтре на который помещается ТДЦ. Альфа, бета, гамма -излучение радионуклидов детектируется кристаллофосфором в соответствии с эффективностью регистрации и геометрией облучения. Измерение запасенной светосуммы в ТЛД дает значение выделившейся энергии излучения, которая пропорциональна дозе в ТДЦ. Полученное значение поглощенной дозы эквивалентно понятию "скрытой энергии" для альфа и бета -излучателей.

го

Схема проведения отбора пробы представлена на рис.7. Слой крис-таллофосфора помещен непосредствен- . но на фильтр. Воздух последовательно фильтруется сначала кассой ТЛД, а затем самим фильтром.

Возможны-три варианта регистрации иалучения радионуклидов (рис.7). В зависимости от толщины слоя, дисперсности, структуры поверхности порошка концентрирование будет происходить:

1) на поверхности порошка, геометрия облучения ТДЦ:2% . (этот вариант на практике реализуется в меньшей степени и характерен для пылевидных частиц в воздухе);

2) в слое порошка ТЛД, геометрия облучения : 4% , так называемый "диффузный" слой.

3) на поверхности фильтра, "барьерный" слой, геометрия облучения: 2%

Наиболее предпочтительным следует считать диффузный вариант, поскольку в этом случав достигается А% геометрия и происходит наиболее полное поглощение энергии излучения чувствительным слоем кристалло-фосфора на глубине гм-

В результате расчета с использованием микродозиметрической модели эффективности регистрации альфа-излучения кристаллофосфором ВаБО^Еи было получено значение Г|=0.06-0.08 , что было подтверждено экспериментальной проверкой с использованием неэмалирующего источника г На (11=0.06).

Для выяснения распределения концентрации сорбированных аэрозольных частиц в толстом слое ТЛД проводилось послойное измерение дозы, накопленной крясталлофосфором ВаБО^Еи (рис.3). На графике представлош) зависимость удельной светосуммы 8 на расстоянии от поверхности, выраженной в массовых единицах кристаллофосфора. Отмечен эффект Фракционирования радионуклидов, который может быть использован для еоотнп-

ВозОух аэрозольная

■ : ЧЖ

Кристалла <рос(рор'

V

Фильтр

II I I 11,1

"о('- иЗА .

Рис.7. Схема детектирования излучений радиоаэрозолей с помо!Дью кристаллофосфоров.

сения дозы с морфологией (дисперсностью, зарядом, материальным составом. ..) аэрозольных частиц.

Рис.8 Распреде ление дозы от сорбированных аэрозольных частиц в толстом слое кристаллофосфо-рв ВаБО^.Еи.

S

м

фон

оа0

—1— 700

а_

£ X

3

е-

'3

-с

о со о а п>

ч:

¡Ш

2/00,

2800

Сл.^и/аи."

При подаче на фильтрующую сборку положительного напряжения 2.5 кВ распределение концентрации сорбированных аэрозольных частиц меняется. Очевидно, в данном случав присутствует эффект дифференциации заряженных частиц аэрозоля в электрическом поле.

1. В результате теоретической и экспериментальной работы была подтверждена достоверность методики определения концентрации радиоаэрозолей в воздухе с использованием метода ТЛД.

2. Синтезирование новых высокочувствительных кристаллофосфоров позволило снизить порог определения "скрытой энергии" до уровня 0.555 от ПДК.

3. Модифицирование конструкционных особенностей проведения измерений, т.е. использование толстого слоя кристаллофосфора при фильтрации и подача на фильтрующую сборку положительного напряжения 2.5 кВ позволяет достичь определение парциального вклада в дозу отдельных фракций аэрозолей.

ВЫВОДЫ:

I.Проведен анализ известных микродозиметрических моделей запасания энергии в ТЛД. Показано, что для построения наиболее полной и адек-

ватной микродозиметрической модели формирования отклика в ТЛД необходим учет параметров акта элементарного энерговыделения.

2.Проведена оценка параметров акта элементарного энерговыделения в ТЛД. Показано существование эффекта значительного уменьшения варьирования элементарного энерговыделения Ед в шпоре по сравнению с варьированием энергии частиц первичного излучения. Значение Е3 лежит в пределах отЮ до 300 эВ, размер шпоры имеет значение до 100 А.

3.Проведен синтез и изучены свойства кристаллофосфора BaS04:Eu. Показано, что существует две модификации кристаллофосфора различающиеся ТЛ свойствами, что связано с различием в строении РЧЦ.

4.Проведено развитие и дополнение микродозиметрической модели запасания энергии ионизирующего излучения в ТДД. Показано, что в рамках предложенной модели успешно описываются эффекты регистрации излучений с различной ЛШЭ и зависимости отклика от концентрации РЧЦ в матрице кристаллофосфора.

5.Проведено изучение процессов термического и аномального фединга в кристаллофосфоре BaS04:Eu. Показано наличие эффекта волнообразного изменения остаточной светосуммы во времени, связанный с процессами перезахвата носителей заряда на ловушках кристаллофосфора.

В.Проведен анализ возможности применения активационного метода детектирования быстрых нейтронов с помощью ТЛД. Показано, что использование реакции -32S(n,p)32P с дальнейшим самооблучением кристаллофосфора BaSO^iEu за счет распада изотопа позволяет детектировать минимальную дозу быстрых нейтронов на уровне I бэр.

7.Проведено дополнение и развитие методики детектирования коротко-живущих радионуклидов в воздухе. Показано, что использование высокочувствительного кристаллофосфора BaS04:Eu позволяет детектировать продукты распада радона в воздухе на уровне 0.5% от ГЩК.

ЛИТЕРАТУРА.

1.Zimmerman,D.W. Relative Thermolumlnescence Effects of Alfa and Beta Radiation. Radlat.Effecte 7.14, pp.81-92 (1972).

2.Horowitz,Y.S., Fraler.I., Kalef-Szra,J., Pinto,H. and Gol-dbart.Z. Non-Unl7cer3allty of tbe TL-LET Response in Thermoluminescent L12B40^: The Effect of Batch Composition. Nucl.Instrum.Methods

V. 165, рр.27-30 (1979).

3.Lakshmanan,A.R. and Bhatt.B.C. TL Sensitivity oi CaSO jDy to Alla and Gamma Radlations - Eependence on Dy ConcentratIon. Radi-at.Prot.Dosim. V.25, N.1 pp.31-35 (1988).

4.Тарасов M.B. Использование эффекта радиотормслюминесценции неорганических материалов в радиохимии. Диссертация на соискание научной степени кандидата химических наук. М. 1983.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1.Власов В.К., Карезин В.В. Микродозиметрическая модель запасания светосуммы в 'ГДЦ под воздействием ионизирующего излучения. Второй Всесоюзный семинар молодых ученых по радиационной физике и химии тве-дах тел. Тезисы докладов, с.53 Рига 1991.

2.Viasov V.K., KarezIn V.V. Anomalous Fading oi BaSO^iEu. International symposium: Lumlnescent Detectors and Transformers oi Ioniziug Radiation LUMDETR'91, C.46, Riga, 1991.

3.Власов B.K., Карезин B.B. Микродозиметрическая модель зависимости чувствительности кристаллофосфоров от концентрации активатора. Всесоюзная конференция: Люминесценция и развитие ее применений в народном хозяйстве. Тез.докл. Екатеринбург 1991.

4.Карезин В.В. Аномальный фединг кристаллофосфора BaS04:Eu. Конференция молодих ученых химического ф-та МГУ, Тез.докл., с.8, 1991 г.

5.Карезин В.В. Использование кристаллофосфоров для определения радиоактивных аэрозолей. Конференциямолодах ученых химического ф-та МГУ, с.59, 1991 Г.