CC BY
15
УДК 533.9.08:534.8
_ _ «_» ____ «_» _
ИМПУЛЬСНЫМ РЕНТГЕНОВСКИМ ИСТОЧНИК (ИРИ) ДЛЯ КАЛИБРОВКИ МИКРОДОЗИМЕТРОВ НА "ТЕПЛЫХ ЖИДКОСТЯХ" И ТЕСТИРОВАНИЯ ДЕТЕКТОРОВ ТЕЛЕВИЗИОННОГО ТИПА
В. В. Сиксин
Разработан ИРИ для калибровки микродозимет,-ров и тестирования детекторов телевизионного типа (ДТеТ), а также для проверки качества образцов тет-раметилсилана (TMS) после его очистки от электроотрицательных примесей. Описана конструкция и принципиальная схема ИРИ. Описывается импульсный рентгеновский источник на твердотельном разряднике с усовершенствованной системой запуска управляемого разрядника и внешних устройств, обладающий минимальными шумовыми характеристиками.
Ключевые слова: импульсный рентгеновский источник, твердотельный разрядник, электроотрицательные примеси, "теплые жидкости", выход свободных электронов, тетраметилсилан (TMS), жидкостные ионизационные камеры, детектор телевизионного типа.
Введение. Обычно импульсные рентгеновские источники (ИРИ) применяются для изучения временных характеристик ионизационных детекторов и новых сцинтиллято-ров [1, 2]. Разработанную технологию применения ИРИ первоначально предполагалось использовать для имитации в активных средах детекторов треков заряженных частиц больших импульсов.
В данной работе рассматривается использование ИРИ для определения выхода свободных электронов в активной среде (АС) микродозиметров (МД).
Одним из основных условий удовлетворительной работы дозиметров на "теплых жидкостях" (ТЖ) является низкое содержание в активной среде дозиметра электроотрицательных примесей. Для ТЖ концентрация электронных акцепторов А не должна
ФИАН, 119991 Россия, Москва, Ленинский пр-т, 53; e-mail: [email protected].
превышать несколько единиц на 10 8 моль/л. Поэтому перед заполнением дозиметра необходимо измерять концентрацию примесей в очищенной АС микродозиметров.
В настоящей работе описывается ИРИ, разработанный и сконструированный для изучения характеристик ТЖ, предназначенных для изготовления МД, применяемых в протонной терапии. В данном варианте ИРИ имеет усовершенствованную систему коммутации по высокому напряжению на твердотельном разряднике и усовершенствованную систему запуска управляемого разрядника и внешнего управления.
Разработанный ИРИ обладает минимальными шумовыми характеристиками, что важно при работе с зарядово-чувствительными усилителями для высокоемкостных детекторов. Также ИРИ может применяться для калибровки детектора телевизионного типа (ДТеТ) при его сборке и наладке.
Оценка собираемого заряда при облучении активной среды микродозиметра с помощью ИРИ. Основное назначение разработанного ИРИ - это определение количества электроотрицательных примесей в АС микродозиметров на ТЖ. Проводимость или количество заряда, собираемого в АС микродозиметра, связаны с количеством электроотрицательных примесей, присутствующих в нем. Поэтому важно знать количество заряда, генерируемого с помощью ИРИ в АС микродозиметров.
Так как проводимость в диэлектрических жидкостях, таких как Ar, TMS, TMP и других, линейно зависит от поглощенной дозы за импульс ИРИ, то по генерируемому заряду в АС можно судить о количестве электроотрицательных примесей в АС и о пригодности МД к работе на установке.
Влияние основных электроотрицательных примесей на ток проводимости в диэлектрических жидкостях было исследовано Свансом [3], Шмидтом и Алленом [4, 5]. Их метод состоял в ионизации АС жидкости коротким импульсом излучения, после чего производилось измерение заряда, собираемого на электроды измерительной ячейки для различных поглощенных доз.
При достаточно небольших поглощенных дозах в жидком Ar (до 1 мР/имп) и достижении тока насыщения (при напряженности поля между электродами измерительной ячейки 10 кВ/см), имеется характерная зависимость проводимости от степени чистоты АС.
Время жизни основных носителей Te определяется методом, основанном на измерении электропроводности АС детектора под воздействием импульса ионизирующего излучения. На рис. 1 приведена ожидаемая форма импульса тока, наведенного облучением жидкости импульсом от ИРИ.
Рис. 1: Ожидаемая временная зависимость формы импульса тока, наведенного облучением "теплой жидкости" ТИБ импульсом от ИРИ: 1 - импульс от ИРИ, 2 - ток 1е через ионизационную камеру дозиметра ИК-ТИБ (при напряжении ^500 В), 3 - то же при напряжении ^50 В.
Видно, что при низких напряжениях на электродах измерительной ячейки (и = 50 В) форма спада импульса тока описывается экспоненциальной зависимостью. Из экспоненциальной зависимости тока от времени (кривая 3) можно определить время жизни электронов Те. Измеряя время жизни электронов и зная константу скорости захвата электронов для основных примесей в АС, можно определять концентрацию примесей по формуле:
А = тЬ, (1>
где А - концентрация электронных акцепторов (моль/л); К - константа скорости реакции захвата избыточных электронов акцепторами (л/моль-с).
В этом и заключается метод контроля за концентрацией примесей в АС микродозиметров на ТЖ, в том числе на тетраметилсилане (TMS).
Важной характеристикой для ТЖ является зависимость собранного заряда в АС микродозиметра от дозы ИРИ за импульс при достаточно большой напряженности поля между электродами. Из работ [4, 5] следует, что зависимость собранного с электродов заряда является линейной функцией от поглощенной дозы за импульс. На рис. 2 приведены результаты измерения заряда в зависимости от дозы для неопентана и циклогенсана [6], а также расчетная оценка, проведенная для TMS.
Рис. 2: Собранный заряд Q в зависимости от дозы D за импульс. А и о - результаты работы [6], прямая - расчетная оценка для TMS.
Расчетная оценка проводится с учетом количества собираемого заряда для измерительной ячейки объемом 2 см3 с TMS при облучении ее с помощью ИРИ, используя формулу [5]:
Q = Gfi • D • d • v • 10-10, (2)
где Gfi - выход пар свободных ионов; D - поглощенная доза (мР); d - плотность жидкости (г/см3); v - объем измерительной ячейки (см3).
Результаты оценки показывают, что МД на TMS возможно калибровать и проверять с помощью разработанного ИРИ в области дозы около 1 мР/имп.
Блок управления и принципиальная схема ИРИ. Разработанный и созданный ИРИ состоит из блока управления (рис. 3) и разрядно-накопительной системы (РНС) с высоковольтным блоком (ВБ) (рис. 4), которые соединяются между собой двумя кабелями I и II.
Рис. 3: Блок-схема ИРИ. БУ - блок управления, ГТИ - генератор тактовых импульсов, РФ - формирователь запуска от кнопки, СФИ - схема формирования импульсов, БС - буферная схема, СРЗИ-1 и СРЗИ-2 - схемы регулируемой задержки импульсов, БПТР - блок поджига тиристоров разрядников, ПН-1 и ПН-2 - преобразователи напряжения.
Разрядно-накопительная система (РНС) предназначена для импульсного питания ИРИ. Регулируемый преобразователь напряжения Пн-1 35-10000 служит для заряда накопительной конденсаторной батареи РНС С1-С6 до необходимого уровня. Преобразователь ПН-2 15-600 обеспечивает заряд накопительной емкости БПТР для запуска тиристоров У1-У10 управляемого разрядника РНС. Т3 - импульсный трансформатор, У11 - разрядник-обостритель, У12 - рентгеновская трубка ИМА2-150Д.
Рис. 4: Принципиальная схема разрядно-накопительной системы (РНС) и высоковольтного блока (ВБ) импульсного рентгеновского источника. Пояснения в тексте.
Блок управления (БУ) осуществляет автоматическое и ручное формирование импульсов, запускающих блоки задержки. Цикличность в автоматическом режиме составляет: 0.5; 0.15; 0.075 и 0.05 Гц.
Блоки задержки СРЗИ-1 и СРЗИ-2 аналогичны и позволяют получить на выходе задержку относительно входного запускающего импульса сигналов амплитудой 2 В в диапазонах: первый диапазон - 0.05-5 мкс, второй диапазон - 0.5-500 мкс, третий диапазон - 0.5-5 мс и четвертый диапазон - 5-11 мс.
Сигнал со схемы СРЗИ-1 поступает на вход блока поджига тиристоров разрядника (БПТР), с выхода которого импульс с амплитудой 600 В подается на вход I РНС, индуцируя в обмотках тороидальных ферритовых трансформаторов необходимые импульсы для открытия тиристоров разрядника РНС. По входу II на РНС постоянно подается высокое напряжение в интервале 2-10 кВ. Остальные элементы ВБ аналогичны схеме, описанной в работе [1].
Результаты испытаний ИРИ. Схема испытаний ИРИ приведена на рис. 5.
400 мм
Рис. 5: Импульсный рентгеновский излучатель и схема испытаний ИРИ. 1 - рентгеновская трубка, 2 - высоковольтный блок, 3 - защитный корпус (от электромагнитной волны), 4 - ионизационная камера - дозиметр на TMS, 5 - электрометрический усилитель типа ДРГ2-01, 6 - вольтметр, 7 - сцинтилляционный счетчик.
Ионизационная камера TMS (ИК-TMS) располагалась на расстоянии 7 см от торца излучателя, а за ней - сцинтилляционный счетчик. Сигнал со счетчика подавался на осциллограф, который запускал СРЗИ-2.
Схема регулируемой задержки СРЗИ-1 и СРЗИ-2 дает возможность видеть, как весь сигнал в целом, так и его фрагменты (экспандер времени), что необходимо при определении времени жизни основных носителей.
С помощью регулируемого преобразователя ПН-1 осуществлялось изменение величины зарядного напряжения накопительных конденсаторов - этим регулировалась экспозиционная доза излучения в точке расположения ИК-TMS (поз. 4 на рис. 5). Изменяя напряжение питания на ПН-1 и определяя экспозиционную дозу в ИК-TMS, мы построили зависимость поглощенной дозы от напряжения, подаваемого на рентгеновскую трубку. Эта зависимость оказалась линейной и совпадающей с результатами, полученными в работе [1].
При электрометрических измерениях весьма существенными являются вопросы защиты от электромагнитных наводок, поэтому комплекс мер по максимально возможному уменьшению помехоизлучения является определяющим. Такими мерами в нашем случае являются: создание безыскрового управляемого твердотельного разрядника, рациональный монтаж разрядно-накопительной системы (РНС), уменьшение индуктивности подводов и конструкция многослойного экранирующего кожуха. Все это позволяет снизить уровень паразитного излучения в ~ 150 раз.
В заключение автор выражает благодарность О. А. Еремину за разработку принципиальной схемы ИРИ на тиристорах, А. И. Львову за поддержку данной работы.
ЛИТЕРАТУРА
[1] В. В. Сиксин, Препринт ИФВЭ 88-195 (ИФВЭ, Серпухов, 1988).
[2] В. В. Сиксин, Препринт ИФВЭ 89-209 (ИФВЭ, Серпухов, 1989).
[3] D. W. Swan, Proc. Phys. Soc. 82, 74 (1963).
[4] A. Hummel and A. O. Allen, J. Chem. Phys. 46, 5037 (1967).
[5] W. F. Schmidt and A. O. Allen, J. Chem. Phys. 52, 2345 (1970).
[6] W. F. Schmidt and A. O. Allen, J. Chem. Phys. 72, 3730 (1968).
Поступила в редакцию 13 июня 2018 г.
