4

бильности. Вещество по структуре является аморфным. Основные компоненты люминесцентных стекол: ~ 30 % – фосфор, ~ 50 % –

кислород, ~ 6 % – алюминий, ~ 10 % – натрий; плюс добавки; Zэфф ≈ 12, плотность ~ 2,6 г/см3. Диапазон измеряемых доз составляет 2·10-4 ÷ 104 Гр; фединг в течение месяца практически отсутствует.

2.1.Оптически стимулированная люминесценция (ОСЛ)

Кроме процесса нагревания, стимулирующего освобождение электронных ловушек, может быть использовано энергетическое воздействие светового излучения (в частности, излучение лазера с соответствующей длиной волны). Эффект подобен механизму термолюминесценции при реализации измерения поглощенной энергии. Интенсивность измеряемой люминесценции определяется скоростью, с которой система после облучения стимулирующим светом возвращается в равновесное состояние из метастабильного, и концентрацией захваченных в ловушках носителей (их количество пропорциональна поглощенной энергии ионизирующего излучения).

Простая модель «одна ловушка – один центр рекомбинации» отражает кинетику процесса оптически стимулированной люминесценции (рис. 13.12).

зона проводимости

n+ N, n

валентная зона

Рис. 13.12. Схема зонной структуры электронных переходов процесса оптически стимулированной люминесценции

431

Соответствующие уравнения кинетики процесса эмиссии люминесценции следующие:

где Iосл(t) – интенсивность эмитируемого света; N – концентрация

свободных электронных ловушек, n и n+ – концентрация заполненных электронных ловушек и центров рекомбинации, nс – концен-

трация свободных электронов в зоне проводимости; An и A+ –

функции, определяющие вероятность повторного захвата электронов из зоны проводимости ловушками, и рекомбинации, соответ-

ственно; Ф – скорость освобождения захваченных электронов из ловушек , с-1:

гдеF0 – интенсивность стимулирующих световых фотонов, σ(Eф) –

сечение фотоионизации при взаимодействии стимулирующих световых фотонов с электронами в ловушках.

В приближении квазиравновесной аппроксимации

(аналогично соответствующему соотношению для описания термолюминесценции).

Без повторного захвата освобожденных электронов из зоны проводимости на ловушки в приближении первого порядка

n+A+ >> An (N -n) уравнение (13.54) принимает следующий вид:

решение которого при произвольной временной зависимости Φ(t) и начальной концентрации электронных ловушек n0 следующее:

432

Используются различные временные зависимости Ф(t) интенсивности светового стимулирующего облучения. На рис.13.13 представлены два временных режима стимулирующего света (а) и соответствующие кривые люминесценции (б). В случае Ф(t) = const кривая высвечивания люминесценции имеет непрерывно уменьшающейся функции (количество заполненных ловушек равномерно убывает); при линейном росте интенсивности светового облучения характер кривой аналогичен процессу высвечивания; при стимулировании импульсным световом облучении освобождается некоторая часть заполненных ловушек. Вся эта информация может служить мерой поглощенной дозы ионизирующего излучения.

Сигнал оптически стимулированной люминесценции обычно регистрируется с использованием двух режимов: постоянная интенсивность светового стимулирующего излучения или линейно возрастающая от времени интенсивность (рис.13.13).

Рис.13.13 Временные зависимости стимулирующего светового излучения (а) и оптически стимулированной люминесценции (б)

При постоянной интенсивности инициирующего света F0 из

уравнения (13.56) следует экспоненциальная временная зависимость интенсивности люминесценции:

(рис.13.13,а); величина τ = 1/Φ0 определяет характерное время уменьшения люминесценции.

При линейном возрастании интенсивности инициирующего све-

та:

(соответствующая кривая на рис. 13.13,б). Интенсивность люминесценции достигает максимума при непрерывном освобождении ловушек, после чего величина интенсивности стремится к нулю. Время достижения пикового значения

В приближении второго порядка (существенен процесс вторичного захвата на ловушки электронов из зоны проводимости, ранее

попавших туда в результате фотоионизации, n+A+ An (N -n) ),

При F(t) =F0 , т.е. при постоянной интенсивности сканирующего света

434

Возможен еще один способ применения дозиметров в режиме ОСЛ: при облучении дозиметра ионизирующим излучением одновременно считывается информация за некоторый интервал времени t (световой импульс лазера). Таким образом, может осуществляться непрерывный контроль значений доз в некотором интервале времени облучения.

Соответствующее дифференциальное уравнение, описывающее временные зависимости (протекание процессов во времени) концентрации n заполненных электронных ловушек, записывается как

где p – вероятность (в ед. времени) заполнения ловушек, пропорциональная мощности дозы;

N – концентрация дефектов в веществе (полная концентрация ловушек в веществе детектора);

Φ – вероятность (в ед. времени) освобождения ловушек, пропорциональная интенсивности стимулирующего света.

Предполагается, что до момента облучения ионизирующим излучением t = 0 в детекторе существовала некоторое количество заполненных электронных ловушек n0:

В рамках кинетики первого порядка предполагается, что вероятность перезахвата электронов ловушками меньше вероятности рекомбинации, вызванной внешним оптическим стимулированием; процесс рекомбинации определяет интенсивность оптически стимулированной люминесценции (после окончания облучения – процесс измерения):

где К – постоянная, зависящая от пространственного и энергетического распределения сигнала люминесценции и особенностей сбора света регистрирующим устройством.

Решение уравнения (13.68) с начальным условием (13.67) можно представить в виде:

435

●возможность считывания информации за короткий интервал вре-

мени ( t < 1c);

●достаточно высокая чувствительность данного режима для некоторых люминофоров (например, Al2O3 :C);

●возможность измерения пространственного дозового распределения (малые размеры детекторов и узконаправленные пучки стимулирующего светового излучения);

●автоматизация процесса измерений в многодетекторных системах.

2.2. Твердотельные дозиметры на основе эффекта радиофотолюминесценции (РФЛ)

Эффект радиофотолюминесценции наблюдается в случаях, когда под действием ионизирующего излучения в ряде веществ формируются специфические центры люминесценции. В качестве люминофоров используется кристаллы NaI, LiF, NaCl, фосфатные стекла, активированные серебром (Ag). Необлученные детекторы обладают прозрачностью к ультрафиолетовому свету; под действием излучения электроны переходят в зону проводимости и далее могут быть захвачены электронными ловушками и образуют в люминофоре устойчивые центры радиофотолюминесценции (на структурах Ag+2, Ag0) с дискретными энергетическими уровнями (рис. 13.15 а). При последующем облучении детектора светом в ультрафиолетовом диапазоне возникает его поглощение, связанное с созданными облучением центрами; электроны в ловушках могут быть переведены на энергетические уровни, расположенные выше основного; далее возврат электронов на основной уровень сопровождается люминесценцией с длиной волны, отличной от той, которая инициировала переходы электронов (рис.13.15, б). Интенсивность этого света пропорциональна поглощенной в детекторе энергии.

437

Дозиметры на основе стекол имеют следующие положительные качества:

а) высокая термо – и виброустойчивость; б) негигроскопичность; в) малый фединг.

Фильтр фонового света

РФЛ детектор

Люминес- ценция Фильтр рассеянногого

УФ излучения

Рис. 13.17. Блок-схема измерения фотолюминесценции

Отличительная особенность метода РФЛ ̶ отсутствиесброса информации после процесса измерения (восстанавливается первоначальное состояние электронных ловушек); измерения можно проводить многократно. Нижний предел измерения дозы определяется т. н. додозовой люминесценцией, обусловленной наличием в веществе центров РФЛ, не связанных с процессом облучения ионизирующим излучением.

Принципиальная схема устройства для измерения характеристик радиофотолюминесценции облученного дозиметра показана на рис. 13.17.

440