8.2. Термолюминесцентная дозиметрия

Термолюминесцентная дозиметрия (ТЛД) с исполь­зованием запасающих кристаллофосфоров получила наиболее широкое применение среди методов твердо­тельной дозиметрии. Метод ТЛД основан на том, что некоторые неорганические вещества с введенными в них посторонними атомами — так называемые запа­сающие кристаллофосфоры — после возбуждения ио­низирующим излучением при нагревании испускают свет. В практической дозиметрии имеют значение сле­дующие вещества: LiF—Mg, Ti; CaF₂—Mn; Li₂B₄O₇—Mn; CaSO₄—Dy и ВеО—Na. Эти кристаллофосфоры выделяются среди многочисленных термолюминофоров тем, что под действием ионизирующего излучения возбуждаются с высоким выходом термолюминесценции и обладают хорошей способностью к запасанию энергии.

Термолюминесценция кристаллофосфоров феноменологически описывается при помощи простых кинети­ческих моделей электронной рекомбинационной люми­несценции. На рис. 8.1 показана модель бимолекуляр­ного механизма реакции термолюминесценции. При возбуждении кристаллофосфора ионизирующим излу­чением в нем образуются свободные электроны и дырки, которые запасаются в дефектных местах — центрах захвата — и при комнатной температуре длительное время сохраняются. При нагревании элек­троны высвобождаются из ловушек и рекомбинируют с центрами противоположного заряда (дырочными центрами захвата) с испусканием люминесценции.

Рис. 8.1. Зонная энергетическая схема процесса термолюминесценции

а) – возбуждение, прямая рекомбинация с испусканием света и запасание энергии; б) – термостимулированное высвобождение запасенной энергии с испусканием света (термолюминесценция). Черный кружок – электрон, белый – дырка; А – уровень активатора; Н – центр захвата (ловушка); δ — возбуждение; β — захват электрона в ловушку; α — термическое высвобождение; γ — излучательная рекомбинация.

Облученный кристаллофосфор характеризуют зависимостью светового потока , испускаемого при на­гревании, от температуры и соответствующей кривой термовысвечивания , которая при опре­деленных температурах (i = l,2,...) имеет макси­мумы . Характерная кривая термовысвечивания облученного γ-излучением кристалла LiF—Mg, Ti в линейном режиме нагревания приведена на рис. 8.2. Максимальное значение светового потока при определенной температуре или интегральная световая сумма данного кристаллофосфора

(8.2)

пропорциональны поглощенной дозе излучения (, — соответственно начальная и конечная темпера­туры). Температура максимума (пика) кривой термовысвечивания, его амплитуда и интегральная световая сумма зависят от скорости нагрева.

Рис. 8.2. Кривая термовысвечивания кристаллофосфора LiF–Mg, Ti. Линейная скорость нагревания q=dT/dt = 0,5 K·с^–1

Применение термолюминесценции для измерения поглощенной дозы излучения требует, чтобы измери­тельная установка выполняла следующие функции: нагрев облученного кристаллофосфора, преобразова­ние светового потока термолюминесценции в элек­трический сигнал с помощью фотоэлектронного умножителя и построение кривой термовысвечивания (регистрацию максимального тока или общего коли­чества заряда подходящей электроникой). На рис. 8.3 представлена схема такой установки. В обычных до­зиметрических установках кристаллофосфор нагрева­ется в углублении металлического электронагрева­теля. Ток фотоумножителя интегрируется при помощи электронной схемы, показание выдается цифровым индикатором.

Рис. 8.3. Схема измеритель­ной установки для термолю­минесцентной дозиметрии

ФЭУ — фотоумножитель; V — усилитель и преобразователь сигнала; S — самописец; Z — счетно-печатающее устройство; Т — контроль температуры; Н — нагреватель; D — дозиметрический датчик.

Термолюминесцентные дозиметрические зонды ис­пользуются в виде небольших капсул с плотно упако­ванными порошками, твердых таблеток или палочек, которые изготовляются запрессовкой порошкообраз­ного кристаллофосфора в термостойкие пластмассы (тефлон, силиконовый каучук) или спеканием прессо­ванных порошков.

Термолюминесцентные дозиметры применяются для измерения всех видов ионизирующего излучения. Они обладают рядом преимуществ: высокой чувствитель­ностью, широким линейным диапазоном измерений, слабой зависимостью от энергии γ-излучения, малыми размерами, независимостью от мощности дозы, ма­лыми потерями запасенной светосуммы (табл. 8.1). Расчетные зависимости относитель­ной чувствительности от энергии γ-излучения для различных кристаллофосфоров приведены на рис. 8.4.

Таблица 8.1

Некоторые свойства кристаллофосфоров, применямых для термолюминесцентной дозиметрии

Обозначения: — плотность; — эффективный порядковый номер; — рассчитанной максимальное значение зависящей от энергии γ-излучения относительной чувствительности кристаллофосфора (по отношению к воздуху); — температура основного максимума термолюминесценции; — длина волны максимума спектра испускания.

Рис. 8.4. Расчетные зависимости относительной чувствительности различных кристаллофосфо-ров от энергии γ-излучения (по отношению к воздуху)

Для дозиметрии рентгеновского и γ-излучений обычно используются кристаллофосфоры на основе LiF. Эффективный порядковый номер LiF = 8,3, что на 7,5% выше, чем у воздуха. Независимые от энергии измерения дозы излучения возможны при энергиях выше 300 кэВ. Ниже указанной энергии относительная чувствительность LiF возрастает (в 1,35 раза при 30 кэВ). Применением алюминиевого фильтра толщиной 1 мм удается повлиять на зависи­мость чувствительности LiF от энергии таким обра­зом, что выше 30 кэВ она не превышает ±5%. В слу­чае быстрых электронов у LiF не обнаруживается за­метной зависимости собственной чувствительности от энергии в области 5—40 МэВ.

Для нейтронной дозиметрии наряду с LiF естест­венного изотопного состава применяется LiF, сильно обогащенный изотопами лития ⁶Li или ⁷Li. В то время как ⁷LiF малочувствителен к тепловым нейтронам, у естественного LiF и ⁶LiF эта чувствительность (пока­зание, отнесенное к нейтронному потоку) значительно выше — в 22 и 320 раз соответственно.

Дифференциальные измерения с ⁷LiF и ⁶LiF позво­ляют раздельно определять вклады в поглощенную дозу фотонов и тепловых нейтронов в смешанных по­лях нейтронного и γ-излучений.

Малая чувствительность LiF—Mg, Ti к быстрым нейтронам может быть повышена смешиванием их с органическими соединениями, богатыми водородом. Кроме того, можно уловить быстрые нейтроны для из­мерения, помещая LiF-зонды в модераторные шары из полиэтилена или парафина.