利用熱釋光劑量探測(cè)器測(cè)量γ射線劑量

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1、實(shí)驗(yàn)四：利用熱釋光劑量探測(cè)器thermoluminescentdetector(TLD)測(cè)量γ射線的累積劑量一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解LiF(Mg，Cu，P)熱釋光材料用于劑量測(cè)量的原理及特性；2、掌握使用熱釋光劑量計(jì)測(cè)量個(gè)人劑量、環(huán)境劑量的基本原理和過(guò)程；3、掌握熱釋光相關(guān)儀器的組成和基本使用方法；二、實(shí)驗(yàn)原理1、能帶理論按照能帶理論，晶體物質(zhì)的電子能級(jí)屬于兩種能帶：處于基態(tài)的已被電子占滿的允許能帶，稱為滿帶；沒(méi)有電子填入或尚未填滿的容許能帶，稱為導(dǎo)帶。它們被一定寬度的禁帶所隔開(kāi)。在晶體中，由于存在雜質(zhì)原

2、子以及有原子或離子的缺位和結(jié)構(gòu)位錯(cuò)等，從而造成晶體結(jié)構(gòu)上的缺陷。這些缺陷破壞了電中性，形成了局部電荷中心，它們能吸引和束縛電荷，在能帶圖上，也就是相當(dāng)于在禁帶中存在一些孤立的局部能級(jí)。在靠近導(dǎo)帶下面的局部能級(jí)能夠吸附電子，又稱為陷阱；在靠近滿帶上面的局部能級(jí)能夠吸附空穴，稱為激發(fā)能級(jí)。在沒(méi)有受到輻射照射前，電子陷阱是空著的，而激活能級(jí)是填滿電子的，具體見(jiàn)圖1。當(dāng)輻射如γ、X、β射線照射晶體時(shí)，產(chǎn)生電離或激發(fā)，使價(jià)帶或激發(fā)能級(jí)中的電子受激而進(jìn)入導(dǎo)帶成為自由電子（圖2過(guò)程①），同時(shí)在價(jià)帶或激發(fā)能級(jí)中產(chǎn)生空

3、穴，根據(jù)能量最小原則，這些空穴落入激活能級(jí)的概率最大，俘獲了空穴的激活能級(jí)稱為H中心。類似的，進(jìn)入導(dǎo)帶的電子落入電子陷阱的概率也最大（圖2過(guò)程②11），稱俘獲電子的陷阱為F中心。在測(cè)量過(guò)程中對(duì)晶體加熱，俘獲的電子受熱以后，獲得足夠的能量擺脫陷阱束縛躍回低能態(tài)，與空穴結(jié)合，同時(shí)多余的能量以可見(jiàn)光形式釋放，稱為輻射熱釋光(簡(jiǎn)稱熱釋光，符號(hào)TL)，見(jiàn)圖3。晶體受熱時(shí)發(fā)光量越大，表征它接受的累積輻射量越大。2、熱釋光探測(cè)器主要?jiǎng)┝繉W(xué)特性2.1、儲(chǔ)能性熱釋光磷光材料吸收的輻射能量一部分轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮拥膭?shì)能，電子被束

4、縛在亞穩(wěn)態(tài)的陷阱中，使這部分輻射能量被熱釋光磷光材料有效存儲(chǔ)，直到測(cè)量時(shí)才釋放出來(lái)，材料吸收的能量越多(吸收劑量越大)，產(chǎn)生的自由電子越多，被俘獲到陷阱中產(chǎn)生的電子即F中心也越多，那么儲(chǔ)存的輻射能量也就越多。在一定的劑量范圍內(nèi)，儲(chǔ)能與劑量成正比關(guān)系，這種劑量響應(yīng)的線性關(guān)系，使得熱釋光磷光體材料可以定量地測(cè)量輻射劑量。2.2、多峰的發(fā)光曲線發(fā)光曲線是指熱釋光材料的發(fā)光強(qiáng)度隨加熱溫度變化的關(guān)系曲線。由于材料中的電子陷阱有深有淺，深陷阱中的電子比淺陷阱中的電子受到更強(qiáng)的束縛力，因此要釋放出來(lái)需要更多的能量，

5、當(dāng)加熱熱釋光材料使，隨著溫度的升高，淺陷阱中的電子首先釋放，且在某一溫度(與加熱速率有關(guān))下電子的釋放速率最大，形成發(fā)光曲線的峰值，隨后該類陷阱中俘獲的電子全部釋放完畢，發(fā)光曲線就出現(xiàn)峰谷。隨著加熱溫度的繼續(xù)升高，較深的陷阱開(kāi)始釋放電子，依次類推，就會(huì)隨溫度出現(xiàn)一個(gè)個(gè)的發(fā)光峰，這樣，發(fā)光強(qiáng)度就可以看作溫度T的函數(shù)，形成的曲線我們稱為熱釋光發(fā)光曲線。下圖4是對(duì)GR-200圓片，在輻照1mGy(約88mR)、15℃/s升溫速率條件下測(cè)出的發(fā)光曲線，如下圖4所示：圖4、熱釋光發(fā)光曲線從圖4中可以看到GR-2

6、00A型TLD在250℃前有2個(gè)較大的發(fā)光峰，第一個(gè)發(fā)光主峰約為170℃，后面一個(gè)主峰約為240℃，140℃以下的發(fā)光峰為雜散輻射。2.3、劑量響應(yīng)的線性和超線性在測(cè)量時(shí)，并不是測(cè)量發(fā)光峰的全部發(fā)光的總和，對(duì)于LiF(Mg，Ti)熱釋光材料，多選擇200℃左右的5峰的峰高或4、5峰的面積，主要是因?yàn)樵摲宸€(wěn)定，常溫衰退小，而且在約10-2-103R（倫琴）范圍內(nèi)發(fā)光強(qiáng)度最大(與此峰對(duì)應(yīng)的陷阱數(shù)目最多)，對(duì)于小于103R的照射量，熱釋光與照射量(吸收劑量)之間有較好的線形關(guān)系，如下圖5，11其它溫度峰的熱

7、釋光峰或因不穩(wěn)定(低溫峰)，或靈敏度太低，或因線性不好而很少采用。圖5、照射量與LiF:Mg,Ti探測(cè)器響應(yīng)的關(guān)系從圖5中可以看到，對(duì)于LiF(Mg，Ti)熱釋光材料來(lái)講，照射量小于103R時(shí)呈現(xiàn)良好的線性響應(yīng)，而當(dāng)照射量超過(guò)2×105R時(shí)將會(huì)出現(xiàn)超線性響應(yīng)。對(duì)于GR-200型圓片，從圖4和本小節(jié)敘述可知，在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，采用240℃左右的主發(fā)光峰可以得到較為精確的測(cè)量結(jié)果，對(duì)GR-200圓片型探測(cè)器，廠家已經(jīng)給出了合適的測(cè)量步驟。2.4、飽和與負(fù)感從圖5可知，熱釋光響應(yīng)在超線性之后將出現(xiàn)飽和現(xiàn)象(

8、105~5×106R)，在飽和之后會(huì)出現(xiàn)隨照射量的增加而熱釋光減弱的負(fù)感現(xiàn)象，因此對(duì)于不同的熱釋光材料，一定要遵守給出的照射限定區(qū)間，否則將會(huì)得到差別甚大甚至錯(cuò)誤的結(jié)果。2.5、靈敏度熱釋光探測(cè)器的靈敏度是指每戈瑞(Gy)或拉德(Rad)熱釋光吸收的劑量的熱釋光響應(yīng)值。由于熱釋光是一種相對(duì)測(cè)量，因此我們并不關(guān)心熱釋光的絕對(duì)發(fā)光量，而通常是用“校準(zhǔn)光源”確定測(cè)量?jī)x器的工作狀態(tài)后，對(duì)接受一定照射量的熱釋光進(jìn)行測(cè)量，各處特定條件下的刻度系數(shù)來(lái)表示其靈敏度。以L