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, борат магния и т.д. Согласно зонной теории, в идеальном кристалле электрон не может принимать любые значения энергии: существуют зоны разрешенных и запрещенных энергий. Обычно рассмат­ривают две соседние энергетические зоны: последнюю, заполненную электронами, зону В (валентную) и первую свободную зону П (про­води-мости), между которыми расположена зона запрещенных энер­гий З (рис. 3.2).

Реальные кристаллы обычно содержат различные структурные де­фекты (вакансии), обуславливающие локальные уровни энергии, рас­положенные в запрещенной зоне. Локальные уровни дефектов решетки кристалла заполнены электронами, если они лежат в нижней части за­прещенной зоны, и свободны, если расположены в верхней ее части.

П од действием ионизирующего излучения в веществе образуются одинаковые количества положительных и отрицательных носителей за­ряда. При этом в результате внутреннего фотоэффекта электроны из валентной зоны могут переходить в зону проводимости П, а затем локализовываться на уровнях захвата F (переход 1). Образованные в заполненной зоне на месте выбитых электронов свободные места "дырки" могут заполняться электронами с уровней V (переход 2), в результате чего возникают "дырочные" локальные V-центры. Для освобождения аккумулированной в веществе энергии ионизи­рующего излучения необходим дополнительный нагрев кристалла, в ре­зультате чего происходит освобождение электронов с F-центров, а затем их рекомбинация с дырками на V-центрах (переход 3). 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.

Для дополнительного создания вакансий некоторые кристал­лы активируются примесью (например, Ag). В этом случае образующиеся V-центры оказываются связанными с атомами примеси. 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.

С вечение термолюминесценции служит мерой поглощенной в детекторе дозы. Процедура измерения дозы с помощью 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: тер-мическое 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, число которых, в свою оче­редь, пропорционально поглощенной дозе. Для определенного типа ло­вушек и 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 этот метод более чувствителен к режиму на­грева.

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, D  поглощенная в люминофоре доза излучения.

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

S = a_SD или J = a_J D , (3.2)

где a_S и а_J  постоянные коэффициенты.

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 °С), чтобы полностью освободить ос­таточные центры захвата.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

В нашей стране для целей индивидуального дозиметрического контроля, в том числе аварийного, наряду с другими широкое распространение получил комплект термолюминесцентных дозиметров КДТ-02.

Целью лабораторной работы является изучение метода индивидуального дозиметрического контроля внешнего облучения с помощью термолюминесцентных детекто­ров и градуировка прибора КДТ-02. Регистрация показаний детекторов на данном приборе про­водится с помощью термолюминесцентного устройства преобразования УПФ-02 и пересчетного прибора ПС02-4. Время измерения одного де­тектора  75 сек.

Комплект КДТ-02 предназначен для измерения до­зы фотонного излучения в диапазоне от 10^-3 до 10 Гр с основной по­грешностью измерений  10 %. Для -излучения прибор относится к классу индикаторных приборов. Комплект может включать дозиметры с детекторами на основе фтористого лития и бората магния. В данной работе используются современные термолюминесцентные детекторы на основе монокристаллов оксида алюминия. Эти таблетки, разработанные Уральским политехничес­ким институтом, имеют значительно более высокую чувствительность (в 40 – 60 раз), чем у LiF:Mg, Ti. 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 для отбора детекторов по сходимости показа­ний входит облучательное устройство с источником -излучения типа БИС (⁹⁰Sr - ⁹⁰Y), с помощью которого можно моделировать облучение детекторов. Элементы, входящие в устройство КТД-02 представлены на рис. 3.4.

В практической дозиметрии большое значение имеет техника измерений. Измерительный прибор УПФ-02 (рис. 3.5) состоит из нагревательного ус­тройства, фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) и электронной схемы. Нагревательное устройство и светоприемник 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_к с локальных воз­бужденных уровней, соответствующих Т_М, освобождаются практически все электроны. Для большинства термолюминофоров T_к лежит в пре­делах 300 – 400 °С.

Н азначение фотоэлектронного умножителя  преобразовывать свечение 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. 3.5, 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, и значение его 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 за­блокирован. 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).