Термолюминесцентные дозиметры

В дозиметрии ионизирующих излучений находят широкое применение термолюминесцентные дозиметры (ТЛД).

Термолюминесценция основана на испускании света при нагревании предварительно облученного неорганического кристалла, называемого термолюминофором. При поглощении энергии излучения как центрами люминесценции, так и основным веществом люминофора появляются свободные электроны, захватываемые электронными ловушками, а центры люминесценции ионизируются. Этот процесс называется запасанием светосуммы. Освобождение электронов из ловушек при нагревании кристалла приводит к рекомбинации свободных электронов с дырками на центрах люминесценции. Энергия, выделившаяся при рекомбинации, переводит центр в возбужденное состояние, при этом возникает термолюминесценция.

Термолюминесценткые фосфоры характеризуются кривой термического высвечивания (КТВ) с максимальным пиком при определенной температуре и несколькими менее выраженными пиками, устранить которые не всегда удается (рисунок 13.1).

Рисунок 13.1 Кривая термического высвечивания (КТВ)

Быстрый нагрев и охлаждение при снятии КТВ могут создать новые структурные дефекты и изменить дозиметрические свойства термолюминофора, поэтому при многократном применении кристалла необходимо ограничивать скорость изменения температуры.

Максимум на кривой термовысвечивания (рисунок 13.1) появляется вследствие одновременного действия двух процессов: освобождения зарядов при нагревании и опустошения уровней захвата, т. е. с ростом температуры количество электронов, освобожденных с уровней захвата и переходящих в зону проводимости, возрастает, и интенсивность люминесценции увеличивается. Однако при термовысвечивании уровни с электронами опустошаются, и запас электронов в ловушках снижается, поэтому, несмотря на рост температуры, количество электронов в зоне проводимости уменьшается, что приводит к уменьшению интенсивности люминесценции.

Мерой поглощенной дозы D ионизирующего излучения может служить как плотность потока энергии термолюминесценции, пропорциональная площади термопика – интегральный метод, так и амплитуда наибольшего термопика – пиковый метод.

Интегральный метод в индивидуальной дозиметрии используется при незначительном спаде показаний во времени (фединг), этому требованию удовлетворяют фосфоры с t_макс = 200°С, и при отсутствии малых пиков на КТВ. Погрешность метода составляет 5 % в широком диапазоне измерения доз излучения.

Пиковый метод проще интегрального. Он не зависит ни от времени, прошедшего от момента облучения до измерения, ни от затухания низкотемпературных пиков. Этот метод имеет преимущество при измерении малых доз излучения. Погрешность метода 8%.

Если энергетический выход термолюминесценции η определяется соотношением:

η= Е_ф/Е_п=Е_ф/M´D, (13.1)

где Е_ф –энергия, высвечиваемая фосфором; Е_п –энергия, поглощенная фосфором; М –масса фосфора; D –поглощенная доза фосфором, то дозовая характеристика имеет вид:

φ_W=aφ_W´η´D (13.2)

или

S_c=a_s´η´D (13.3)

где a_s и a_φW,–постоянные коэффициенты; φ_W –максимальная интенсивность термопика; S_c– интегральная светосумма свечения.

Таким образом, интегральная светосумма S_c пропорциональна поглощенной дозе D при интегральном методе дозиметрии или же интенсивность термолюминесценции φ_W, определенная по максимальному термопику, пропорциональна дозе D при пиковом методе.

Дозовую характеристику можно разделить на участки (рисунок 13.2): участок линейной зависимости 3 (D₁D₂) протяженностью от нескольких микрогреев до 10⁴ сГр; участок насыщения 2 или участок нелинейности 1 (D₂D₃); участок фонового свечения 4 (<D₁). На участке 1 наблюдается зависимость более высокого порядка, чем линейная. Он характерен для фосфоров (например, LiF), у которых верхний предел линейного участка оканчивается при 10 сГр.

Нелинейный ход дозовой характеристики на участке 1 при больших дозах объясняется радиационными дефектами кристалла LiF, возникающими при интенсивном облучении и вызывающими усиление свечения. Эти дефекты исчезают полностью после длительного прогрева кристалла свыше 350°С.

Рисунок 13.2 – Дозовая характеристика ТЛД

Участок 4 характеризует не ионизирующее излучение, а люминесценцию, обусловленную тепловым свечением, дневным светом, химическими реакциями и т. п. Тогда светосумма будет равна (рисунок 13.2)

(13.4)

или:

(13.5)

Для ТЛД отбирают фосфоры, удовлетворяющие следующим требованиям:

· химическая стойкость на воздухе и при нагревании до температуры свыше 300°С;

· форма КТВ и параметры η и φ_WФ не должны изменяться при многократном использовании и длительном хранении;

· высокая чувствительность в широком диапазоне измерения доз от 10^-3 до 10⁶ сГр;

· независимость показаний от мощности дозы;

· тканеэквивалентность для γ -излучения.

Этим требованиям в известной мере удовлетворяют термолюминофоры, приведенные в таблице 13.1 и используемые в практической дозиметрии.

Таблица 13.1 – Характеристики термолюминофоров

Фосфор	Температура используемого максимума КТВ, 0С	Спад при комнатной температуре	Нижний предел измерения	Верхний предел измерения	Ход с жесткос-тью, макс.	Примечание
LiF(Mg, Ti)		<3%/3 мес	1±10%	103-104	1,35	Изготовляется промышленнос-тью
CaF2 (Mn)		<5%/2 мес	1±4%	3*103-104	14,5	То же
CaSO4 (Mn)		25%/10 мес	0,1±6%	5*103-2*104		Значительный фединг, редко применяется
CaSO4 (Sm)		10%/нед		3*103-104		Редко применяется
Алюмофос-фатное стекло	230—300	18%/мес	20±10	102-2*106	3,5—10	Изготовляется промышленнос-тью
Борит лития				102-105		Для индуви-дуальной дозиметрии
SrS(Eu, Sm)		10% /2 нед	2±1	102-103		Химически нестоек, большой ход с жесткостью
MgF2 (Mn)		20% /10 сут		4*103	2,5	Редко применяется

Наибольшее распространение получили дозиметры на основе LiF и СаF₂, так как они относятся к самым чувствительным дозиметрам, дозиметрическая характеристика их линейна в диапазоне 10^-3–10⁴ сГр соответственно, ход с жесткостью выравнивается фильтрами, фединг почти отсутствует. Термолюминофор LiF (Mg, Ti) используют в дозиметрах в виде кристаллов размером около 0,2 мм.

Для сдвига t_макс на КТВ к 200 °С LiF активируется Mg, а для повышения выхода люминесценции соактивируется одним из элементов Al, Ca, Ti, Сu. Наилучшими качествами обладает фосфор при молярном содержании 0,0013% Mg и 0,0012% Ti. Кроме основного пика (t= 203°C), LiF имеет два малых пика (t = 110°С и t=150°C), составляющих при интегральном методе измерения до 40 % светоcуммы. Эту величину относят к погрешности, обусловленной федингом, так как малые пики КТВ быстро выравниваются со временем.

Для устранения малых пиков на КТВ фосфор до облучения прогревается при 80°С до 20ч. При измерении малых доз необходимо уменьшить влияние фонового свечения (рисунок 13.1, начальный участок кривой). Установлено, что основная причина фонового свечения–поверхностная хемилюминесценция, для устранения которой можно воздействовать на фосфор химическими способами. Например, порошок LiF перед измерением дозы увлажняют смесью метанола с Н₃РО₄, а затем прогревают до полного испарения раствора. Поверхностная хемилюминесценция объясняется следующим образом. На поверхности LiF сорбируется из воздуха влага, которая растворяет фосфор и образует гидрат окиси лития (nLiOH H₂O). При нагревании он термолюминесцирует с пиком высвечивания в интервале температур 280–350 °С. Соли лития LiCl и Li₃PO₄, образовавшиеся в результате увлажнения смеси метанола с Н₃РО₄, не обладают хемилюминесценцией при температуре от 20 до 400 °С.

Для подготовки фосфора к работе с большим выходом люминесценции его следует облучить дозой D_s>10⁴ сГр с последующим прогревом в течение τ_s=1ч при температуре t_s>250°C. Такой процесс подготовки термолюминофора называется сенсибилизацией фосфора. Отношение светового выхода после обработки фосфора S_s к его световому выходу до обработки S₀ называется коэффициентом сенсибилизации. У сенсибилизированного фосфора увеличивается линейный участок дозовой характеристики только в сторону больших доз до 10⁴ сГр.

Термолюминофор CaF₂(Mn) проще в использовании, чем LiF, так как у него отсутствует эффект сенсибилизации, дозовая характеристика линейна в пределах от 10^-3 до 6 10³ сГр и не зависит от способа нагрева, фоновое свечение можно снизить до нескольких микрогреев, осуществив прогрев фосфора в атмосфере инертного газа или в вакууме. При измерении дозы используют пиковый метод измерения. Погрешность измерения составляет около 2%, максимальная температура КТВ – 280°С.

Термолюминофоры CaSO₄(Mn), CaSO₄(Sm), SrS(Eu, Sm), MgF₂(Mn) и др. пока не нашли широкого применения в дозиметрии из-за несовершенных параметров (таблица 13.1).

Термолюминесцентные дозиметры широко применяют для дозиметрических измерений, так как по чувствительности измерений, диапазону измерения доз, длительности хранения запасенной светосуммы они значительно превосходят ионизационные и фотопленочные дозиметры индивидуального контроля.

Электронную регистрирующую схему выбирают в зависимости от метода измерения дозы. При интегральном методе определяют интеграл по времени от силы тока в ФЭУ, а при пиковом методе–максимальное значение силы тока ФЭУ Измерение этих параметров осуществляется с использованием усилителей постоянного тока (УПТ) или аналого–цифровых преобразователей (АЦП).

Нагрев фосфора осуществляется индукционным методом. Подложка с порошком LiF припаяна к медному кольцу, которое помещают в воздушный зазор трансформатора. При включении трансформатора подложка с фосфором нагревается. Для синхронизации и регулирования нагрева фосфора при измерении доз служит таймер.

Спрессованный люминофор закреплен на подложке. Герметичная капсула с прозрачной верхней частью заполнена инертным газом. На платиновый нагреватель нанесен слой люминофора– 14 мг CaF₂.

Термолюминесцентные дозиметры любой формы могут быть изготовлены горячим прессованием смеси порошка люминофора (30%) с тефлоном, эффективный атомный номер которого равен эффективному атомному номеру ткани. Таким дозиметром (в виде диска диаметром 13 мм, толщиной 13 мм) можно измерить поглощенную дозу 5 10^-4 Гр с погрешностью ±5 %.

Алюмофосфатные стекла широко используют в дозиметрии для регистрации γ -излучений.

Советские космонавты применяли дозиметр с термолюминесцирующими алюмофосфатными стеклами (А1₂О₃-ЗР₂О₅– 50%, MgO P₂O₅ – 49%, активатор МnO₂ – 1 %). Пластину из такого стекла помещали в светонепроницаемую кассету с фильтрами для компенсации хода с жесткостью. Под действием излучения накопленная энергия дозиметра высвобождается при нагревании пластинки до 270 – 360 °С. Образовавшиеся при этом вспышки люминесценции регистрируются ФЭУ. Диапазон измерения поглощенной дозы составляет 2 10^-2—2 10⁶ сГр. Размер пластинки определяет нижний предел дозы. Так, с помощью пластинки размером 15´15´4 мм можно измерить дозы от 20 сГр в течение 45 с, а 1´8´1 мм – от 0,5 сГр в течение 10 с. Высвечивание дозиметра при комнатной температуре составляет до 20 % в первый месяц и 30–35 % за год. Кратковременное засвечивание дозиметра дневным светом до измерения и после него практически не влияет на показания поглощенной дозы.

Комплект индивидуальных стеклянных дозиметров типа ИКС-А предназначен для измерения доз γ -излучения в аварийных случаях (однократного пользования) и при повседневной работе (многократного пользования).

Аварийный дозиметр выполнен в виде пуговицы (масса 2 г, диаметр 16 мм, толщина 5мм), состоящей из алюминиевой крышки, свинцового компенсирующего фильтра, резиновой прокладки, алюминиевой прокладки, алюминиевого фильтра, матерчатого чехла с маркировкой, алюмофосфатного стекла марки ИС-7 (диаметр 8 мм, толщина 1 мм) – детектора, алюминиевого основания. Аварийные дозиметры пришивают к спецодежде персонала. В случае аварии эти дозиметры вскрывают специальным устройством и определяют их показания.

Дозиметр многократного пользования (диаметр 17 мм, толщина 11 мм, масса 3,6 г) предназначен для периодического измерения квартальных, годовых доз, а также для контроля при ремонтных работах. В кассете находится полиэтиленовый держатель стекла, который позволяет производить зарядку стеклянным диском без прикосновения рук. Пластмассовая крышка крепится на кассете с помощью резьбы. Внутри кассеты находятся компенсирующие фильтры из свинца и алюминия. Кассета крепится на ремне.

Комплект типа ИКС-А состоит из измерительного пульта, блока питания и дозиметров аварийного и повседневного пользования. В измерительный пульт входят блоки: терморегулятор, ФЭУ, интегратор тока, реле времени, преобразователь напряжения и нагреватель.

Поглощенную дозу γ -излучення измеряют в трех диапазонах 0,5–10; 10–100; 100–1000 сГр. Время измерения поглощенной дозы 10 с. За это время термическое высвечивание составляет 80 %. запасенной в детекторе светосуммы.

Стеклянный диск после облучения нагревается в пульте управления до температуры 370°С, затем выход свечения термолюминесценции преобразуется в электрический ток, измеряется количество электричества за определенный промежуток времени.