ВВЕДЕНИЕ 3
ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 5
Взаимодействие гамма-излучения с веществом 5
Фотоэффект 8
Рэлеевское рассеяние 10
Комптоновское рассеяние 11
Образование пар 14
Сцинтилляторы, их устройства 17
Неорганические сцинтилляторы 17
Органические сцинтилляторы 18
Пластические сцинтилляторы… 19
Метод Монте-Карло 20
GEANT4 21
Выбор программного инструмента 21
Обзор приложения GEANT4 25
ГЛАВА 2. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 27
Постановка эксперимента 27
Результаты 34
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 42
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 43
ПРИЛОЖЕНИЕ
В последние 10-20 лет стало возможным создание портативных дозиметров-спектрометров, которые могут автономно работать очень долго и выполнять роль устройств персональной дозиметрии. Еще 20 лет назад такие приборы были на грани возможного. На сегодняшний день элементная база микроэлектроники, распространенность и доступность фотоэлектронных умножителей (ФЭУ) позволяют делать устройства персональной дозиметрии компактными и малопотребляющими. Это значит, что мы можем подобные устройства сделать работающими в непрерывном, дежурном режиме. Мы можем носить такой дозиметр постоянно, например, в течение полугода между перезарядом или заменой батареи. Кремниевый ФЭУ позволяет использовать в устройствах персональной дозиметрии сцинтилляционные детекторы, обладающие высокой эффективностью при малых размерах.
В таком дозиметре можно измерять энергию поглощенных частиц. Мы можем получать спектроскопическую информацию об излучении, т.е. решать задачу идентификации изотопов: какой именно у нас изотоп вызвал превышение мощности дозы. Это могут быть изотопы природного происхождения (226Ra, 235U, 238U, 40K и т.д.) или антропогенного (131I, 137Cs, 90Sr и т.д.). Рабочее вещество детекторов CsI, которое часто используется в мобильных дозиметрах, – это не тканеэквивалентное вещество, у него другой средний Z. Это значит, что фотоны малых энергий, больших энергий, они будут поглощаться по-разному в человеческом теле и веществе детектора. Если мы просто будем считать импульсы, отклик от детектора в виде числа импульсов, мы уже совершим ошибку, потеряем информацию об энергии излучения, кроме того, если будем даже измерять энергию, поглощенную в CsI, тоже не получим правильный результат, потому что у нас это не тканеэквивалентная среда. Однако, измерив энергию частиц, и сделав поправку на сечение взаимодействия, мы можем измерить мощность дозы наиболее точно. Поэтому задача измерения энергии с помощью компактных сцинтилляторов актуальна в контексте создания устройств персональной дозиметрии как точных измерительных приборов.
Актуальность: достижения микроэлектроники последних десятилетий и появление компактных аналогов вакуумных фотоэлектронных умножителей (ФЭУ) – кремниевых ФЭУ (Si-PMT или Si-ФЭУ) делают возможным в настоящее время создание компактных, малопотребляющих и чувствительных устройств персональной дозиметрии на основе сцинтилляторов. Кроме задачи измерения уровня мощности дозы подобные устройства способны решать задачу идентификации радиоактивных изотопов. Для этого необходимо выяснить вопрос влияния формы и размера кристаллов на спектрометрические свойства построенных на их основе детекторов, что показывает актуальность работы.
Целью работы является проблема выбора формы сцинтилляционных кристаллов цезий-йод, активированного таллием, для устройств персональной дозиметрии. Кристаллы должны быть компактными, но при этом сохранять спектрометрические свойства и обладать достаточной эффективностью.
Для достижения цели решались следующие задачи:
- Выбор подходящего программного инструмента для моделирования отклика детекторов методом Монте-Карло;
- Реализация математической модели процесса взаимодействия гамма-излучения со сцинтилляционным детектором на основе кристаллов CsI (Tl) разных размеров и в форме параллелепипеда;
- Сравнение результатов моделирования со спектрами, полученными в итоге лабораторного эксперимента;
- Выбор размеров кристалла в форме параллелепипеда, которым соответствуют наилучшие эффективность и энергетическое разрешение.
1. На основе программного пакета GEANT4 создан каркас приложения, который позволяет моделировать сцинтилляционные детекторы с ФЭУ, с Si-ФЭУ, с разными кристаллами-сцинтилляторами, отражающими поверхностями и с разными размерами и формами кристаллов;
2. В результате моделирования откликов от кристаллов в форме параллелепипеда наилучшим по энергетическому разрешению получается кристалл размерами 12.5х12.5х12.5 мм. Наилучшая эффективность - в случае кристалла с размерами 13х13х60 мм;
3. Сделан вывод, что среднее число отражений, которое испытывает фотон до попадания в ФЭУ, и качество отражающей поверхности оказывают решающее влияние на разрешение детекторов. Это путь к дальнейшей оптимизации размеров и форм кристаллов-сцинтилляторов.
