Jonizuojančiosios spinduliuotės detektavimas: galimybės ir perspektyvos

Šiems taikymams būtinas apšvitos dozės (energija perduota medžiagos vienetinei masei) įvertinimas siekiant užtikrinti pacientų bei personalo, dirbančio jonizuojančiosios spinduliuotės aplinkoje, saugumą, taip pat, švitinimo procesų kontrolei. Vykdant aukštųjų energijų fizikos eksperimentus, kuriuose naudojami dalelių greitintuvai, taip pat branduolinėje energetikoje branduolinių reaktorių aplinkoje labai svarbu registruoti jonizuojančiąsias daleles, jų skriejimo trajektorijas, taip pat sukauptą foninę aukštųjų energijų spinduliuotės dozę, siekiant apsaugoti toje aplinkoje veikiančius prietaisus, numatyti jų degradacijos laiką bei įvertinti radiacinės aplinkos saugumą. Tačiau retai susimąstome, kaip ir kokiais būdais yra kontroliuojama apšvitos dozė. Šiam tikslui naudojami scintiliatoriai ir pasyvūs kietakūniai detektoriai, kurie gaminami iš organinių, kristalinių medžiagų arba tam tikros struktūros (pvz., pin diodai).

Plačiau panagrinėkime kaip jie veikia. Aukštųjų energijų spinduliuotė tiek jonizuojančiais, tiek branduolinių reakcijų ir kitais vyksmais modifikuoja medžiagų, iš kurių pagaminti jonizuojančiosios spinduliuotės detektoriai, savybes. Kitaip tariant, sukuria medžiagoje defektus, kurių koncentracija yra proporcinga apšvitos dozei. Apšvitų monitoringo tikslu įvertinus medžiagų ar struktūrų parametrų kaitą, nustatoma foninė apšvitos dozė.

Plačiai naudojami termo-/foto-liuminescenciniai (pagaminti kalcio fluorido, ličio fluorido, cezio jodido ir kt. pagrindu), organiniai (pagaminti alanino, sacharozės pagrindu), radioaktyviųjų izotopų aktyvacijos (pagaminti iš aliuminio, anglies ar indžio folijos) dozimetrai, kurie skiriasi jautriu, registruojamų dozių dinaminiu diapazonu ir dozės įvertinimo sparta. Termo- ar foto-liuminescenciniuose dozimetruose apšvitos dozė nustatoma išmatavus išspinduliuotos šviesos intensyvumą (kuris proporcingas apšvitos dozei) kristalą šildant arba optiškai sužadinant.

Tačiau didžiausia galima užregistruojama dozė termo- ir foto-liuminescenciniuose dozimetruose siekia tik 1 ir 10 Gy, atitinkamai. Palyginimui, įprastai medicininei rentgeno nuotraukai užregistruoti reikalinga 0.7 mGy, kompiuterinei tomografijai apie 8 mGy, o radioterapijai - 60-80 Gy apšvita. Radioaktyviųjų izotopų kontrolės metodu veikiantys spinduliuotės detektoriai yra pagrįsti gama-spinduliuotės (dėl radioaktyviųjų izotopų susidarymo apšvitos metu) intensyvumo priklausomybės nuo apšvitos dozės nagrinėjimu. Puslaidininkiniuose pin struktūros detektoriuose apšvitos dozė įvertinama matuojant nuotėkio srovę, kuri priklauso nuo generacinių centrų (kuriuos sukuria jonizuojančioji spinduliuotė arba sunkiosios dalelės - protonai, neutronai ir kt.) koncentracijos.

Apšvitos dozė taip pat gali būti įvertinta pasitelkiant elektronų paramagnetinio rezonanso (EPR) spektroskopiją. Remiantis kvantine mechanika, elektronas turi sukinį ir priešingo ženklo magnetines komponentes. EPR spektras matuojamas patalpinus bandinį į kintamą išorinį magnetinį lauką ir į bandinį nukreipus fiksuoto dažnio mikrobangų spinduliuotę. Išoriniame magnetiniame lauke nesuporuoti elektronai suskyla į energijos lygmenis, o kai lygmenų energijų skirtumas sutampa su mikrobangų spinduliuotės kvanto energija, stebimas rezonansas dėl mikrobangų sugerties. Išanalizavus EPR spektrą galima nusakyti kristalinių ir organinių medžiagų struktūrą, identifikuoti defektus, o spektro smailių intensyvumas yra proporcingas defektų koncentracijai.

EPR spektroskopijos metodas buvo sukurtas 1945 m. rusų mokslininko Yevgeny Zavoisky, o dozimetrijai pritaikytas po kelių dešimtmečių panaudojant amino rūgšties - alanino - pagrindu pagamintus dozimetrus. Alanino dozimetrus paveikus spinduliuote sukuriami stabilūs laisvieji radikalai, kurių tankis proporcingas apšvitos dozei. Na, o šių laisvųjų radikalų parametrai gali būti kiekybiškai įvertinti pasitelkiant elektronų paramagnetinio rezonanso (EPR) spektroskopiją. Alanino dozimetrai plačiau taikomi gama arba Rentgeno spinduliuotės bei didelės energijos elektronų pluoštelio apšvitų aplinkose. Šių spinduliuočių apšvitų dozės intervalas yra 10 Gy - 200 kGy, nes esant mažesnėms apšvitos dozėms EPR signalas yra per silpnas, kad būtų užregistruotas. Esant didesnėms apšvitos dozėms EPR signalo dozinis kitimas yra menkas dėl laisvųjų radikalų tankio įsisotinimo.

Taigi, dažniausiai vienos rūšies detektoriai gali būti taikomi tik siaurame apšvitos dozių intervale ir tik vienos rūšies (gama-fotonų, hadronų) spinduliuotei. Tačiau praktikoje pageidautini įvairių tipų detektoriai, leidžiantys įvertinti apšvitos dozę žymiai platesniame intervale, leidžiantys registruoti skirtingos rūšies jonizuojančią spinduliuotę bei įgalinantys ją identifikuoti.

Šio straipsnio autoriaus stažuotės Vilniaus universiteto Fizikos fakulteto Bendrosios fizikos ir spektroskopijos katedroje, kuri yra finansuojamos pagal Europos Sąjungos Struktūrinių fondų įgyvendinamą projektą "Podoktorantūros (post doc) stažuočių įgyvendinimas Lietuvoje", pagrindinis tikslas yra surasti naujas, efektyvias ir radiacijai atsparias medžiagas organinių ir kristalinių detektorių formavimui pasitelkiant EPR spektroskopiją. Šiam tikslui įgyvendinti tiriami skirtingomis spinduliuotėmis apšvitinti galio nitrido, kadmio sulfido, deimanto ir kt. bandiniai. Yra žinoma, kad skirtingo tipo spinduliuotė sukuria jai būdingus defektus medžiagoje. Taigi, tikėtina, kad minėtos medžiagos ir metodai galėtų būti pritaikyti ne tik apšvitos dozei įvertinti, bet ir spinduliuotei identifikuoti.

Tomas Čeponis