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, ε_g, 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 ε_g = 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 ε_γ 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 ε_γ 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; R_τ, R_σ, R_χ – 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