IAEA. Review of radiation oncology physics: a handbook for teachers and students /Ed. by E.B. Podgorsak. 2003. Vienna (Austria).
Машкович В.П., Кудрявцева А.В. защита от ионизирующих излучений. Справочник // М.: Энергоатомиздат. 1995.
A. Nahum. Interaction of charges particles with matter // In: Handbook of radiotherapy physics. Theory and practice / Ed. by P. Mayles, A. Nahum, J.-C. Rosenwald. 2007. P. 35 – 56. Taylor & Francis (New York, London).
Koch H.W., Motz J.W. Bremsstrahlung cross-section formulas and related data // Rev. Mod. Phys. V. 31. 1959. P.921.
ICRU. Radiation dosimetry: electron beams with energy between 1 and 50 MeV // Report No. 35. 1988. Maryland. USA.
Roos H., Drepper P., Harder D. The transition from multiple scattering to complete diffusion of high energy electron // In: Proceedings of the fourth symposium on microdosimetry. 1973. EUR 5122.
Eyges L. Multiple scattering with energy loss // Phys. Rev. V. 74.1948. Р. 1534.
Brahme A. Simple relations for the penetration of high energy electron beams in matter / 1975-011,Dep. Radiation physics, Karolinska institutet, Stockholm, Sweden, 1975.
ICRU. Radiation dosimetry: electron with initial energy between 1 and 50 MeV // Report No. 21, Maryland, USA, 1972.
Rossi B.B. High energy particles // Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall. 1956.
Гусев Н.Г., Климанов В.А., Машкович В.П., Суворов А.П. Защита от ионизирующих излучений. Том 1. Физические основы защиты от излучений // М.: Энергоатомиздат. 1989.
Глава 2. Методы регистрации и детекторы ионизирующего излучения, применяемые в ядерной медицине Газовые ионизационные детекторы Вводные замечания
Человек не чувствителен даже к опасному уровню ионизирующего излучения. Мы совершенно не способны обнаруживать цепочки энергичных заряженных частиц, образующихся при взаимодействии фотонов, бета- или альфа-частиц с тканями организма. В самом деле, человечество неплохо жило, не обращая внимания на естественно возникающее ионизирующие излучения в течении большей части своей истории. И только четыре поколения назад таинственная люминесценция некоторых кристаллов привела к открытию рентгеновского излучения и излучения, испускаемого ураном, знаменуя наступление эры современной ядерной физики и радиологии.
Самые ранние устройства для детектирования радиации были не машинными. а человеческими. "Детектор" излучения, сидя в темноте, подсчитывал вспышки света, испускаемые сцинтилирующими материалами под действием ионизирующего излучения. И только в 1928 г. Г. Гейгер предложил электронное детектирующее радиацию устройство, которое обладало достаточной чувствительностью для обнаружения индивидуальных радиационных событий, лишенное человеческого субъективизма. Детектор Гейгера работал не с испускающими свет кристаллами, а непосредственно превращал электрические заряды, образующиеся в газовой среде при поглощении излучения в электрические сигналы.
Х-лучи (тормозное излучение), фотоны, альфа- и бета-частицы и нейтроны являются ионизирующими излучениями. При их прохождении через среду электроны отрываются от атомов среды вследствие взаимодействия радиации с веществом. Эти взаимодействия могут располагаться в пространстве с определенными интервалами, как в случае фотонов, так и, практически, непрерывно, как в случае альфа-частиц. Каждый свободный отрицательно заряженный электрон и атом, ставший после потери электрона положительно заряженным ионом, образуют пару ионов. Заряды электрона и положительного иона равны по абсолютной величине 1,6·10-19 Кл, но противоположны по знаку, в то же как массы очень сильно отличаются.
Для отрыва электрона от атома радиация должна передать ему энергию, достаточную для преодоления энергии связи электрона в атоме. Для газов эта энергия, w, находится в интервале от 24 эВ (аргон) до 41 эВ (гелий), средняя энергия, необходимая для образования одной пары ионов в воздухе равна 34 эВ. Если взять 140 кэВ фотон, испускаемый радионуклидом 99mTc, то при его поглощении в воздухе образуется 140000 эВ/(34 эВ/пара ионов) = 4118 пар ионов, что соответствует заряду 6,6·10-16 Кл. Такой маленький заряд не легко зарегистрировать.
Рассмотрим цилиндрический контейнер, заполненный воздухом или похожим газом (рис. 2.1). Взаимодействие ионизирующего излучения с атомами газа приведет к образованию ионов. Если к объему приложено электрическое поле, то оно вызовет ускоренное движение электронов к положительному электроду (аноду) и положительных ионов к отрицательному электроду (катоду). Сила ускорения равна произведению напряженности электрического поля на заряд иона.
Рис. 2.1. Газонаполненные ионизационные детекторы излучения с электродами в плоской параллельной (а) и с цилиндрической концентрической геометриях (б)
Наиболее популярными расположениями электродов являются плоская параллельная (рис. 2.1,а) и цилиндрическая концентрическая (рис. 2.1,б) геометрии. Таким образом, вследствие ионизации газа в объеме детектора под действием радиации в электрической цепи, включающей такой детектор, возникает ток, который можно измерить с помощью подходящего прибора, например, электрометра (рис. 2,2).
Рис. 2.2. Упрощенная схема электрической цепи газонаполненного ионизационного детектора излучения
Измеряемый электрометром ток в цепи рис. 2.2 связан с количеством зарядов, образующихся в газе детектора в единицу времени, последнее же зависит от количества энергии, поглощаемым в газе в единицу времени при взаимодействии с падающим излучением.
1.2. Основы теории работы газонаполненного ионизационного детектора
Предположим, что происходит изменение разности потенциалов, приложенных к электродам детектора на рис. 2.2. Это вызовет соответствующее изменение тока, протекающего в цепи, которое называется вольтамперной характеристикой и иллюстрируется на рис. 2.3. Рассмотрим ее подробнее.
1.2.1. Область рекомбинации
При выключении разности потенциалов между электродами детектора ток в цепи пропадает, так как ионы, образующиеся в газе под действием радиации, не ускоряются по направлению к электродам. Если теперь начать постепенно повышать разность потенциалов при неизменном поле излучения, то в цепи появляется ток, величина которого также постепенно возрастает. Причина здесь заключается в том, что при отсутствии потенциала создаваемые в газе ионы рекомбинируют между собой, образуя нейтральные молекулы. Появление в газе электрического поля препятствует этому процессу, направляя ионы к своим электродам. Чем выше напряженность поля, тем меньшая доля ионов успевает рекомбинировать за время перемещения до электродов. Отметим, что, как правило, детекторы не работают в этой области.
Рис. 2.3. Вольтамперная характеристика газового ионизационного детектора
1.2.2.Область ионизационного насыщения
Выше некоторого порогового потенциала, величина которого зависит от газа и геометрии детектора, сила электрического поля вполне достаточна для полного сбора ионов, создаваемых в газе излучением. Дальнейшее повышение разности потенциалов приводит только к увеличению энергии собираемых ионов, но не их количества. Показания электрометра в данном районе, именуемом областью ионизационного насыщения, остаются практически постоянными и независимыми от приложенного напряжения. Детекторы, работающие в этой области, называются ионизационными камерами. В ядерной медицине они применяются чаще всего для мониторинга поля излучения и дозовой калибровки. Конструкция таких камер далеко не тривиальна. Для уменьшения возмущающих эффектов, связанных с токами утечки и вкладом ионизации, происходящей за пределами измерительного объема, приходится преодолевать не простые проблемы [1].
1.2.3. Область пропорциональности
Если разность потенциалов между электродами продолжает увеличиваться, то вольтамперная характеристика переходит в область пропорционального режима. В данной области при увеличении разности потенциалов ток также увеличивается. Этот эффект называется газовым усилением обусловлен тем, что в сильном электрическом поле образовавшиеся в газе электроны набирают при ускорении к аноду достаточно энергии, чтобы произвести вторичную ионизацию молекул газа. Вторичные электроны сами в свою очередь ускоряются и производят следующее поколение пар ионов, что, в конечном счете, усиливает собираемый на аноде детектора заряд в тысячи раз.
Для сохранения прямой пропорциональности выходного сигнала величине начальной ионизации коэффициент газового усиления должен быть независимым от начальной ионизации. Это условие выполняется, если пространственный заряд положительных ионов не очень велик, а первичные электроны проходят одинаковые пути в части детектора, где имеет место газовое усиление. Если при первичной ионизации образуется одна пара ионов, то коэффициент газового усиления может достигать 106, прежде чем пространственный заряд начнет нарушать пропорциональность.
В хорошо сконструированных детекторах наблюдается линейная зависимость между зарядом, первоначально создаваемым в газе частицей ионизирующего излучения, и зарядом, собираемым на аноде детектора. Собирающим электродом (анодом) всегда служит одна или несколько тонких металлических нитей диаметром порядка 0,025 мм. Связано это с особенностями зависимости напряженности электрического поля в цилиндрической геометрии от расстояния, r, до геометрической оси детектора, где располагается обычно анодная нить. Эта зависимость для цилиндрического детектора с радиусом собирающего электрода (анода) r1 и радиусом катода r2 определяется формулой:
 (2.1)
где U – разность потенциалов между электродами
Из выражения (2.1) видно, что напряженность электрического поля достаточно велика только в непосредственной близости к центральному электроду, поэтому вся вторичная ионизация происходит вблизи нити. Таким образом, каждая элементарная частица, производящая ионизацию в газовой полости пропорционального детектора, создает импульс тока в электрической цепи детектора, причем общий собранный от этого импульса заряд оказывается многократно усиленным первоначальным зарядом. Степень усиления зависит от приложенной разности потенциалов. Этот класс детекторов называется пропорциональными счетчиками.
Обычно воздух не используется в качестве газа в таких детекторах, так как кислород, как и некоторые другие электроотрицательные газы, имеет склонность к прикреплению свободных электронов. Это приводит к образованию медленно движущихся отрицательных ионов  , которые не производят вторичную ионизацию. Для наполнения пропорциональных счетчиков, как правило, применяются благородные газы.
Традиционно пропорциональные счетчики редко применяются в клинической ядерной медицине, чаще их используют в исследовательских работах для детектирования бета- и альфа-частиц. Однако в связи с повышением интереса к радиофармпрепаратам, испускающим альфа-частицы, следует ожидать в ближайшем будущем и более широкого клинического применения таких детекторов.
1.2.4. Плато Гейгера-Мюллера
Во время своего движения к анодной проволоке ускоряемые электроны не только создают вторичную ионизацию, но также вызывают возбуждение большого количества молекул газа. Возбужденная молекула может испустить избыточную энергию в виде ультрафиолетового фотона, который перемещаясь к другой части детектирующего объема, может там испытать эффект фотоэлектрического поглощения. При этом образуется новый свободный электрон, который включается в процесс ускорения и последующей вторичной ионизации и возбуждения молекул газа. Таким образом, лавинный процесс ионизации быстро распространяется в объеме газа, приводя к большому импульсу тока на аноде, который легко регистрируется электронным пересчетным устройством. Данный процесс называется гейгеровским разрядом. Так как каждый акт поглощения энергии излучения в объеме газа приводит к такой цепной реакции, все импульсы от детектора в этом режиме одинаковы и не содержат никакой другой информации, кроме регистрации события первичного поглощения энергии. Гейгеровские счетчики обычно заполняются неэлектроотрицательным газом (электроны при столкновении с молекулами такого газа "не прилипают" к ним), как например, гелием при пониженном давлении и герметически запаиваются.
Гейгеровский разряд продолжается до тех пор, пока весь газ вокруг анодной проволоки не будет ионизован. Процесс развития разряда завершается полностью в течение долей микросекунды. В этот же короткий промежуток времени происходит собирание электронов. Чехол же положительных ионов в течение этого времени практически не смещается вследствие малой подвижности тяжелых положительных ионов. В конце концов, этот чехол вокруг анодной нити сильно снижает напряженность поля и гейгеровский разряд затухает. Однако может возникнуть следующий разряд, когда положительные ионы достигнут катода. Некоторые из этих ионов при столкновении с катодом выбивают из него электроны, которые начинают ускоряться к аноду и в результате гейгеровский разряд возобновляется. Для предотвращения данного эффекта к основному газу счетчика добавляют порядка 10 % гасящего разряд газа, в качестве которого применяют галогены (хлор или бром) и пары углеводородов. При столкновении с положительными ионами молекул таких газов, последние передают электрон ионам и, таким образом, нейтрализуют положительные ионы. Теперь к катоду движутся положительно заряженные молекулы гасящего газа, но их столкновение с катодом приводит не к вырыванию электронов с поверхности катода, а к диссоциации молекул гасящего газа.
Гейгеровские счетчики, в которых для гашения разряда используются пары тяжелой органики, имеют конечный ресурс работы (109 импульсов), так как молекулы этих газов не рекомбинируют. В тоже время галогены обладают способностью к рекомбинации (например,  ), поэтому такие счетчики имеют очень большой ресурс работы.
Гейгеровские детекторы излучения нашли широкое применение в ядерной медицине, особенно в качестве различных мониторов и приборов радиационного контроля..
1.2.5. Область непрерывного разряда
При достаточно высоком потенциале газ в детекторе перестает работать как изолятор. Очень сильное электрическое поле, обусловленное большой разностью потенциалов на электродах детектора, способно ионизировать газ непосредственно без необходимости первичной ионизации, вызываемой излучением. В результате будет создан громадный импульс тока, который с большой вероятностью расплавит электроды и разрушит детектор.
1.3. Ионизационные радиационные детекторы в ядерной медицине
Рассмотрим несколько практических аспектов, связанных с применением и особенностью конструкции некоторых типов ионизационных детекторов в ядерной медицине.
Первое, для того чтобы зарегистрировать ионизирующее излучение, оно должно быть направлено на детектор. Это имеет особое значение при детектировании излучения, которое испускается изотропно, т.е. с равной вероятностью по разным направлениям. Относительная доля частиц, движущаяся в направлении детектора, называется геометрической эффективностью, εg, и зависит от размера и формы детектора и расстояния между источником и детектором. Специальный, но достаточно распространенный случай представляет точечный источник, расположенный в неослабляющей излучение среде на расстоянии r от оси цилиндрического детектора радиусом a (рис. 2.5,а). Доля излучения, испускаемая в конус в направлении детектора, равна
 (2.2)
где приближенное равенство выполняется для  Погрешность приближения меньше 1 %, если источник находится дальше, чем на 5 диаметров от детектора.
Рис. 2.4. Радиоактивный источник в неослабляющей излучение среде (а) и внутри детектора колодезного типа (б)
Как пример важности геометрической эффективности рассмотрим два случая. Пусть маленькая капля радиоактивности разлита на торцовой поверхности цилиндрического детектора. В этом варианте r = 0, поэтому εg = 1/2, т.е. половина эмиссии направляется в сторону детектора, а половина уходит в пространство вне детектора. Пусть теперь небольшой источник размещается на дне цилиндрической воздушной полости (колодца) в цилиндрическом детекторе (рис. 2.5,б). Такая геометрия используется при дозовой калибровке. Уравнение (2.3) теперь определяет долю испускаемого источником излучения, которое выходит через открытый верх колодца в детекторе. Если глубина колодца 27 см и глубина 7 см, то эта доля равняется 0,0041. Следовательно, доля частиц, проходящих через детектор в этом варианте, равна 0,996. Таким образом, этот тип детекторов очень высокую геометрическую эффективность.
Второе, чтобы произошла регистрация частицы излучения, она должна иметь возможность или проникнуть в детектор через стенки детектора, или образовать в стенках детектора вторичные электроны, проникающие в чувствительный объем детектора. Эта проблема ввиду малости пробегов имеет особое значение для α-частиц и низко энергетических β-частиц. Поэтому при их регистрации входные окошки детекторов делают очень малой толщины и изготавливаются из материалов с малым атомным номером. Конструкция некоторых пропорциональных счетчиков позволяет вводить источники прямо внутрь чувствительного объема счетчика, после чего объем заполняется электроотрицательным газом. При регистрации же γ-излучения, так как оно является редко ионизирующим излучением, возникает противоположная проблема, а именно, малая вероятность взаимодействия фотонов с веществом газа при средних и высоких энергиях излучения. Чтобы процесс регистрации таких фотонов проходил с заметной эффективностью необходимо взаимодействие излучения со стенками детектора.
Таким образом, физическая (внутренняя) эффективность детектирования представляет собой вероятность того, что частица радиации, входящая в детектор, будет иметь взаимодействие с веществом детектора, в результате чего произойдет передача энергии от частицы в вещество, приводящее к образованию первичной ионизации в чувствительном объеме детектора.
Другими словами, эффективность регистрации γ-излучения εγ с помощью счетчиков Гейгера-Мюллера можно определить как число вторичных электронов, попадающих в чувствительный объем счетчика, приходящихся на один фотон, падающий на счетчик. Отсюда вытекает, что ослабление фотонов стенками счетчика влияет на величину эффективности регистрации. Она зависит не только от того, какая доля фотонов поглощается в стенках, но и от того, достигают ли вторичные электроны, возникающие при взаимодействии фотонов с материалом стенки, чувствительного объема счетчика. Попасть в чувствительный объем и вызвать разряд могут лишь те вторичные электроны, которые образуются в стенках на расстояниях от внутренней поверхности, не превышающих длину пробега этих электронов в материале стенки. Точное вычисление εγ представляет трудную задачу. Приближенное выражение имеет вид
 (2.3)
где τ, σ, χ – линейные коэффициенты ослабления фотонов в материале стенок путем фотоэлектрического поглощения, комптоновского рассеяния и процесса образования пар; Rτ, Rσ, Rχ – пробеги соответствующих вторичных электронов в материале стенок.
Типичные зависимости эффективности регистрации от энергии γ-излучения для счетчиков Гейгера-Мюллера с разными материалами катодов показаны на рис. 2.5.
Рис.2.5. Зависимость эффективности регистрации фотонов от их энергии для счетчиков Гейгера-Мюллера с разными материалами катодов (Прайс)
В клинической ядерной медицине газовые ионизационные детекторы нашли широкое применение. Аппаратуру, в которых они используются, можно разделить на три вида: приборы радиационного контроля на основе ионизационных камер; приборы радиационного контроля и мониторы на основе счетчиков Гейгера-Мюллера; приборы для дозовой калибровки. В России наиболее широкий выбор приборов для радиометрии и дозиметрии ионизирующих излучений и отдельно детекторов предлагает ЗАО "НПП" "Доза". На рис. 2.6 и 2.7 приводится образцы приборов, предлагаемых "НПП" "Доза", в которых применяются газонаполненные ионизационные детекторы.
Рис. 2.6. Радиометр РИС-А1 "ДОЗКАЛИБРАТОР", используемый для измерения активности γ-излучающих радионуклидов. Детектором является вертикальная герметизированная газонаполненная ионизационная камера со свинцовым защитным экраном толщиной 6 см. В базовой комплектации прибор настраивается на измерение активности Tc-99m, для экспонирования образцов большой активности применяется специальный пенал для измерения шприцев
Рис. 2.7. Дозиметр-радиометр ДРБП-03. Прибор состоит из пульта со встроенным детектором γ-излучения, выносного блока детектирования γ-излучения БДГ-01 и выносного блока α- и β-излучения БДБФ-02. В качестве детекторов использованы газоразрядные счетчики
|
Скачать 9.62 Mb.