Принцип термолюминесцентного метода дозиметрии

Теория радиотермолюминесценции основывается на зонной теории электронных состояний в твердых телах. Материалы, которые могут быть использованы в качестве термолюминесцентных детекторов, представляют собой твердые изоляторы, обладающие кристаллической решеткой, например, LiF, CaF₂, Al₂O₃, борат магния и т.д.

Согласно зонной теории, в идеальном кристалле, состоящем из чередующихся положительных и отрицательных ионов, электрон не может принимать любые значения энергии: существуют зоны разрешенных и запрещенных энергий. Возникновение непрерывных зон энергии объясняется взаимодействием ионов и атомов, входящих в состав кристалла, и происходящими при этом расщеплением и перекрытием электронных уровней отдельных ионов. Зоны разрешенных энергий разделены областями запрещенных состояний – запрещенными зонами. Обычно рассмат­ривают две соседние энергетические зоны: последнюю, заполненную электронами, зону В (валентную) и первую свободную зону П (про­водимости), между которыми расположена зона запрещенных энер­гий З (рис. 3.2).

 

Реальные кристаллы обычно содержат различные структурные де­фекты (вакансии), обусловливающие локальные уровни энергии, рас­положенные в запрещенной зоне. Для дополнительного создания вакансий некоторые кристаллы активируются примесями (например, Ag, Mn⁺ и др.). Локальные уровни дефектов решетки кристалла (или уровни примеси) заполнены электронами, если они лежат в нижней части за­прещенной зоны, и свободны, если расположены в верхней ее части.

Под действием ионизирующего излучения электроны, находящиеся в валентной зоне, приобретают энергию, достаточную для перехода в зону проводимости, т.е. становятся свободными (переход 1 на рис. 3.2). При этом в веществе образуются одинаковые количества положительных и отрицательных носителей за­ряда - электронов в зоне проводимости и «дырок» в валентной зоне. Эти «дырки», т.е. свободные места, образовавшиеся в валентной зоне вместо ушедших в зону проводимости электронов, теперь могут быть заполнены электронами с уровня V (переход 2)[20]. Возвращение электронов в нижние положения энергетически выгодно. Поэтому электроны из зоны проводимости будут переходить на все энергетические уровни, расположенные ниже – как в валентной, так и в запрещенной зоне. Если уровни расположены достаточно глубоко в запрещенной зоне, то электроны, попавшие туда (переход 3 на рис. 3.2), без дополнительной энергии выйти с этих уровней, называемых ловушками, уже не могут. Таким образом, после воздействия ионизирующего излучения на термолюминесцентный кристалл электроны локализуются на уровнях захвата F в запрещенной зоне(переход 3), а на уровнях V, расположенных вблизи валентной зоны, образуются «дырки» (переход 2). Эти «дырочные» локальные центры, как правило, связаны с атомами примеси.

Для освобождения аккумулированной таким образом в веществе энергии ионизи­рующего излучения необходим дополнительный нагрев кристалла. В ре­зультате нагрева происходит освобождение электронов с F -центров и последующая рекомбинация их с дырками на V -центрах (переход 4). При рекомбинации атом примеси, на котором был образован V -центр, оказывается в возбужденном состоянии (помечено звездочкой на рис. 3.2), которое почти мгновенно переходит в основное состояние с испусканием кванта света. Возникающее при этом свечение называют термолюминесценцией.

Спектр термолюминесценции определяется типом активатора, например, свечение Ag⁺ дает голубой свет, Mn²⁺ - зелено-оранжевый. Отличительной чертой термолюминесценции является разрушение в процессе нагрева центров, созданных под действием ионизирующего излучения.

Свечение термолюминесценции служит мерой поглощенной в детекторе дозы ионизирующего излучения. Процедура измерения дозы с помощью термолюминесцентного дозиметра (ТЛД) сводится к тому, что облу­ченный детектор нагревается с заданной постоянной скоростью и в процессе нагрева измеряется зави­симость интенсивности свечения J от температуры люминофора Т. Типичный вид этой зависимости, называемой кривой термического вы­свечивания (КТВ), показан на рис. 3.3.

Пики на кривой соответству­ют освобождению электронов с определенных уровней захвата, распо­ложенных на различной глубине (уровни энергии F на рис. 3.2) по отношению к зоне проводимости. Форму КТВ определяют два конкурирующих процесса: термическое осво­бождение электронов и опустошение уровней.

Для практических целей дозиметрии обычно применяют люминофоры с КТВ, у которой интенсивность одного (главного) максимума значи­тельно выше остальных. При этом определяют один из двух параметров КТВ: полную светосумму S, выделившуюся в процессе нагрева (интегральный метод), либо максимальную высоту пика J (пиковый метод).

Светосумма S (площадь под КТВ) пропорциональна числу первона­чально захваченных в ловушки электронов, которое в свою оче­редь пропорционально поглощенной дозе. Для определенного типа ло­вушек при заданной скорости нагрева высота пика J также пропорцио­нальна числу захваченных в ловушки электронов, а следовательно, и дозе.

Более широко применяется интегральный метод - он более точный и меньше зависит от технических параметров измерительной установки (скорости нагрева, конечной температуры и т.п.). Однако при интегральном методе необходимо учитывать фединг - спад по­казаний детектора во времени. Фединг обус­ловлен наличием в люминофоре низкотемпературных пиков (самые близкие к зоне проводимости П уровни энергии F на рис. 3.2) и возмож­ностью рекомбинации носителей заряда даже при комнатной темпера­туре. Поправка на фединг пропорциональна соотношению общей площа­ди под КТВ к той ее части, которая ограничена низкотемпературными пиками.

Пиковый метод свободен от этого недостатка, он имеет преимущест­во при измерении малых доз, однако более чувствителен к режиму на­грева.

Поскольку в процессе нагрева люминофоров происходит разрушение центров захвата, возможно лишь однократное получение информации о поглощенной дозе. Для последующего использования ТЛД отжигают при высокой температуре (~ 400 ⁰С), чтобы полностью освободить центры захвата от электронов, попавших туда при нагревании.

Под дозовой характеристикой люминофора понимают зависимость измеряемого параметра S или J от дозы D. Вид этой зави­симости определяется энергетическим выходом термолюминесценции

, (3.1)

где Е _ф - энергия, высвечиваемая люминофором массы m; Е _П - энергия, поглощенная люминофором массы m; D - поглощенная в люминофоре доза излучения.

В пределах доз, при которых величина h остается постоянной, дозовая характеристика линейна и можно записать:

S = a_S ×h× D или J = a_J ×h× D, (3.2)

где a_S и а_J - постоянные коэффициенты. На рисунке 3.4. представлена зависимость интенсивности люминесценции от дозы. Как видно из рисунка, дозовую характеристику можно разделить на участки: фонового свечения 1 (О D ₁), линейной зависимости 2 (D ₁ D ₂), насыщения 3. Участок 1 характеризует не ионизирующее излучение, а люминесценцию, обусловленную тепловым свечением, дневным светом, химическими реакциями и т.д.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Целью лабораторной работы является изучение метода индивидуального дозиметрического контроля внешнего облучения с помощью термолюминесцентных детекто­ров. Для этого проводится градуировка прибора КДТ-02, в состав которого входят комплект термолюминесцентных стекол, источник радиоактивного облучения с известной активностью, нагревательный прибор УПФ, пересчетный прибор ПС02. Время измерения одного де­тектора - 75 сек.

Комплект КДТ-02 предназначен для измерения до­зы фотонного излучения в диапазоне от 10^-3 до 10 Гр с по­грешностью измерений ± 10 %. По b-излучению прибор относится к классу индикаторных (показывает наличие или отсутствие b-излучения). Комплект может включать в себя дозиметры с детекторами на основе фтористого лития и бората магния. В работе используются современные термолюминесцентные детекторы на основе монокристаллов оксида алюминия. Эти таблетки, разработанные Уральским политехничес­ким институтом, имеют более высокую чувствительность, чем таблетки LiF:Mg, Ti (в 40 – 60 раз). Фединг детекторов составляет 1 % за месяц. Каждый дозиметр представляет собой пластмассовую кассету с фильтром для компенсации «хода с жесткостью», в которой размещены три детектора в виде таблеток диаметром 5 мм и толщиной 1 мм.

В комплект КДТ-02 входит облучательное устройство с источником b-излучения типа БИС (⁹⁰Sr-⁹⁰Y), спомощью которого можно моделировать облучение детекторов. Элементы, входящие в устройство КТД-02, представлены на рис. 3.5.

В практической дозиметрии большое значение имеет техника измерений. Измерительный прибор УПФ-02 (рис. 3.6) состоит из нагревательного ус­тройства, фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) и электронной схемы. Нагревательное устройство и све топриемник заключены в светоне­проницаемую камеру.

 

В установках термовысвечивания важно обеспечить определенный повторяемый режим нагрева и надежную регистрацию сигнала термолюминесценции. Нагревательное устройство должно обеспечи­вать равномерный по объему прогрев люминофора в течение 10 – 60 с до температуры, превосходящей примерно на 100 °С температуру мак­симума на КТВ. При этой конечной температуре Т _кс локальных возбужденных уровней освобождаются практически все электроны. Для большинства термолюминофоров T _клежит в пре­делах 300 – 400 °С.

Назначение фотоэлектронного умножителя - преобразование свечения термолюминесценции в электрический сигнал. При этом электрический ток на выходе ФЭУ должен быть пропорционален свето­вому потоку люминесценции. Одно из требований к фотоумножителю состоит в том, чтобы анодная чувствительность и темновой ток ос­тавались стабильными в течение длительного времени. Постоянство анодной чувствительности в большинстве случаев проверяется от вмонтированного в установку радиолюминесцентного источника света. Электронная схема должна обеспечивать измерение выходного тока фотоумножителя.

 

 

Как видно из рис. 3.6, устройство состоит из семи функциональных узлов и блоков. Взаимодействие блоков при работе с прибором осуществляется следую­щим образом. При включении устройства узел термостабилизации обеспечивает прогрев нагревателя в заданном режиме ступенчатого нагрева. Перед измерением, при выдвижении на себя салазок, сраба­тывает микропереключатель, который сбрасывает таймер при нажатой кнопке «Компенсация» и запускает узел компенсации. При этом в те­чение 20 с происходит измерение темнового тока; его значение за­поминается в узле компенсации. По окончании режима компенсации (контролируется отключением лампочки «Компенсация») устройство го­тово к рабочему режиму. В момент перемещения детектора на нагреватель срабатывает микро­переключатель, который сбрасывает показания пересчетного прибора с результатами предыдущего измерения. Лучистый поток, испускаемый термолюминесцентным детектором, отражаясь от зеркала, через свето­фильтр попадает на фотокатод ФЭУ и преобразуется в узле ФЭУ в элек­трический ток, который поступает на вход узла аналого-цифрового преобразователя (АЦП). В узле АЦП ток преобразуется в последова­тельность импульсов, частота которых пропорциональна току. В течение определенного времени происходит нерегистрируемый отжиг низкотемпературных пиков детектора, и выход узла АЦП ­блокируется. Далее по команде таймера узел формирователей вырабатывает импульс «Пуск», который запускает пересчетный прибор и переключает узел термостабилизации. В течение заданного времени выход АЦП разблокируется, и им­пульсы с его выхода поступают на пересчетный прибор, причем ав­томатически из конечного результата измерения при помощи узла компенсации вычитается значение темнового тока ФЭУ, а также пос­тоянная величина фона детектора. Затем по команде таймера узел формирователей вырабатывает импульс «Стоп», который блокирует вы­ход АЦП, отключает пересчетный прибор и переключает узел термоста­билизации. Происходит дожиг детектора, после чего он извлекается из УПФ-02. Для проверки работы цепей ФЭУ, АЦП и высоковольтного питания предусмотрен режим контроля чувствительности УПФ-02 от светосостава постоянного действия (СПД).

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ