ВВЕДЕНИЕ 3
Глава 1. Дозиметрия ионизирующих излучений 6
1.1. Дозиметрические величины 8
1.2. Технические приемы для измерения, коррекции мощности дозы 11
1.3. Счетчик Гейгера, измерение мощности дозы 13
Глава 2. Техника гамма - дозиметрии 16
2.1. Взаимодействие гамма излучения с веществом 16
2.2. Детекторы ионизирующих излучений 20
2.3. Применение кремниевых ФЭУ в персональной дозиметрии 27
2.4. Метод Монте-Карло 28
2.5. Программный пакет GEANT4 для моделирования взаимодействий
излучения с веществом 31
Глава 3. Моделирование отклика сцинтилляционных дозиметров 34
3.1. Описание модели источника ионизирующих излучений и детектора.... 34
3.1. Моделирование процесса калибровки 37
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 50
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 51
ТЕЗИСЫ И МАТЕРИАЛЫ ПУБЛИКАЦИЙ 55
ПРИЛОЖЕНИЯ 56
Создание современного эксперимента в ядерной физике и физике высоких энергий, а также интерпретация получаемых результатов невозможны без детального понимания и точного описания процессов, сопровождающих движение частицы в материале и её регистрацию в сцинтилляционных дозиметрических детекторах[1]. Для предварительной оценки и планирования эксперимента используют компьютерное моделирование прохождения частиц через материал [2].
Специально разработанный программный пакет с высоконагруженными вычислениями для моделирования взаимодействия излучения с кристаллом- сцинтиллятором GEANT4[3]. Он подразумевает как наличие сложной программной архитектуры, так и вычислительные блоки. Язык программирования С++ является программной платформой, которая имеет развитые библиотеки для аппаратной векторизации вычислений, многопоточного и много процессного программирования.
В последние годы технические приемы для работы с ионизирующим излучением непрерывно совершенствуются. Благодаря появлению новых элементов микроэлектроники - твердотельных фотоэлектронных умножителей (ФЭУ) с однофотонной чувствительностью, компактные детекторы ионизирующего излучения приобретают большую популярность. Приборы на их основе могут стать привлекательной заменой счётчикам Гейгера в задачах персональной дозиметрии. Счетчики Гейгера-Мюллера в настоящее время активно вытесняются более компактными и лучшими по характеристикам аналогами в виде сцинтилляционных детекторов. Появление таких аналогов стало возможным благодаря кремниевым фотоэлектронным умножителям (Si- ФЭУ)[4].
Кремниевые ФЭУ - это приборы нового типа, которые приходят на смену p-i-n - структурам (p-i-n - диодам), предназначенные для регистрации света, при этом принцип работы схож с принципом работы счетчика Гейгера- Мюллера. Основными преимуществами кремниевых ФЭУ (Si-ФЭУ) являются: компактные размеры, малое энергопотребление и нечувствительность к внешнему магнитному полю[5]. Si-ФЭУ имеют большие шумы по сравнению с вакуумными ФЭУ из-за меньшей энергии образования зарядовых пар в сравнении с энергией ионизации фотокатода. При помощи кремниевых фотоумножителей мы можем получить информацию об энергиях регистрируемых частиц.
Дозиметры на основе счетчика Гейгера-Мюллера не дают информацию об энергиях частиц. Счётчик Гейгера-Мюллера имеет рабочее вещество в виде газа. По этой причине он имеет невысокую эффективность к гамма-квантам высокой энергии, растущую с понижением энергии. В области малых энергий гамма-квантов эффективность снова падает из-за поглощения в стенках счётчика. Зависимость чувствительности счетчика Гейгера-Мюллера от энергии («ход с жёсткостью») привела к необходимости коррекции этой зависимости в дозиметрических задачах. Коррекция «хода с жёсткостью» или энергокомпенсация таких дозиметров делается с помощью добавления к детектору поглотителя рассчитанной толщины. Такой толщины, чтобы подавить низкоэнергетические гамма-кванты, уменьшить их число настолько, чтобы мощность дозы, сосчитанная по количеству частиц, примерно соответствовала действительности. Сцинтилляционные дозиметры дали новые возможности, т.к. появилась возможность измерять энергию частиц по яркости вспышки без потери чувствительности. Способ создания «хода с жесткостью» плох тем, что эффективность детектора снижается, он становился менее чувствительным к гамма-квантам низких энергий.
В связи с этим целью данной работы являлось определение условия оптимальной энергокомпенсации портативных сцинтилляционных дозиметров.
Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи:
1. Моделирование взаимодействия гамма-излучения с детектором с различными размерами и энергий падающего излучения с помощью программного пакета GEANT4;
2. Моделирование взаимодействия гамма-излучения с кристаллом цилиндрической формы;
3. Моделирование процесса калибровки сцинтилляционного дозиметра.
Во введении диссертации обоснована актуальность исследования,
сформулирована цель работы и перечислены решаемые задачи.
В первой главе проведен обзор литературы по дозиметрии ионизирующих излучений: дозиметрические величины, технические приемы для измерения, коррекции мощности дозы и Счетчик Г ейгера-Мюллера.
Во второй главе описывается техника гамма - дозиметрии.
В третьей главе дается описание модели источника ионизирующих излучений и детектора. А также приведены основные результаты и их обсуждение.
В заключении подведены итоги исследования, отражающие научную значимость диссертации.
По проделанной работе можно сделать следующие выводы:
1. Полученные результаты показывают применимость GEANT4 к решению задачи моделирования работы персональных дозиметров и могут быть использованы на практике для калибровки дозиметров и энергокомпенсации их чувствительности.
2. Энергокомпенсация на примере разбиения на два интервала и калибровки по двум источникам (60Co, 241Am) показывает, что погрешность измерения на
137
Cs уменьшается с уменьшением размера кристалла.
