利用热释光剂量探测器测量γ射线剂量

实验四：利用热释光剂量探测器thermoluminescent detector (TLD)

测量γ射线的累积剂量

一、实验目的

1、了解LiF(Mg，Cu，P)热释光材料用于剂量测量的原理及特性；

2、掌握使用热释光剂量计测量个人剂量、环境剂量的基本原理和过程；

3、掌握热释光相关仪器的组成和基本使用方法；

二、实验原理

1、能带理论

按照能带理论，晶体物质的电子能级属于两种能带：处于基态的已被电子占满的允许能带，称为满带；没有电子填入或尚未填满的容许能带，称为导带。它们被一定宽度的禁带所隔开。在晶体中，由于存在杂质原子以及有原子或离子的缺位和结构位错等，从而造成晶体结构上的缺陷。这些缺陷破坏了电中性，形成了局部电荷中心，它们能吸引和束缚电荷，在能带图上，也就是相当于在禁带中存在一些孤立的局部能级。在靠近导带下面的局部能级能够吸附电子，又称为陷阱；在靠近满带上面的局部能级能够吸附空穴，称为激发能级。在没有受到辐射照射前，电子陷阱是空着的，而激活能级是填满电子的，具体见图1。

导带

陷阱

禁带

激活

能级

导带

禁带

价带

陷阱

图1、晶体能带图

图2、F、H中心的形成

图3、热释光发光机理

当辐射如γ、X、β射线照射晶体时，产生电离或激发，使价带或激发能级中的电子受激而进入导带成为自由电子（图2过程①），同时在价带或激发能级中产生空穴，根据能量最小原则，这些空穴落入激活能级的概率最大，俘获了空穴的激活能级称为H中心。类似的，进入导带的电子落入电子陷阱的概率也最大（图2过程②），称俘获电子的陷阱为F中

心。

在测量过程中对晶体加热，俘获的电子受热以后，获得足够的能量摆脱陷阱束缚跃回低能态，与空穴结合，同时多余的能量以可见光形式释放，称为辐射热释光(简称热释光，符号TL)，见图3。晶体受热时发光量越大，表征它接受的累积辐射量越大。

2、热释光探测器主要剂量学特性

2.1、储能性

热释光磷光材料吸收的辐射能量一部分转变为电子的势能，电子被束缚在亚稳态的陷阱中，使这部分辐射能量被热释光磷光材料有效存储，直到测量时才释放出来，材料吸收的能量越多(吸收剂量越大)，产生的自由电子越多，被俘获到陷阱中产生的电子即F中心也越多，那么储存的辐射能量也就越多。在一定的剂量范围内，储能与剂量成正比关系，这种剂量响应的线性关系，使得热释光磷光体材料可以定量地测量辐射剂量。

2.2、多峰的发光曲线

发光曲线是指热释光材料的发光强度随加热温度变化的关系曲线。由于材料中的电子陷阱有深有浅，深陷阱中的电子比浅陷阱中的电子受到更强的束缚力，因此要释放出来需要更多的能量，当加热热释光材料使，随着温度的升高，浅陷阱中的电子首先释放，且在某一温度(与加热速率有关)下电子的释放速率最大，形成发光曲线的峰值，随后该类陷阱中俘获的电子全部释放完毕，发光曲线就出现峰谷。随着加热温度的继续升高，较深的陷阱开始释放电子，依次类推，就会随温度出现一个个的发光峰，这样，发光强度就可以看作温度T的函数，形成的曲线我们称为热释光发光曲线。下图4是对GR-200圆片，在辐照1mGy(约88mR)、15℃/s升温速率条件下测出的发光曲线，如下图4所示：

图4、热释光发光曲线

从图4中可以看到GR- 200A型TLD在250℃前有2个较大的发光峰，第一个发光主峰约为170℃，后面一个主峰约为240℃，140℃以下的发光峰为杂散辐射。

2.3、剂量响应的线性和超线性

在测量时，并不是测量发光峰的全部发光的总和，对于LiF(Mg，Ti)热释光材料，多选择200℃左右的5峰的峰高或4、5峰的面积，主要是因为该峰稳定，常温衰退小，而且在约10-2-103 R（伦琴）范围内发光强度最大(与此峰对应的陷阱数目最多)，对于小于103R的照射量，热释光与照射量(吸收剂量)之间有较好的线形关系，如下图5，其它温度峰的热释

光峰或因不稳定(低温峰)，或灵敏度太低，或因线性不好而很少采用。

图5、照射量与LiF:Mg,Ti探测器响应的关系

从图5中可以看到，对于LiF(Mg，Ti)热释光材料来讲，照射量小于103R时呈现良好的线性响应，而当照射量超过2×105R时将会出现超线性响应。

对于GR-200型圆片，从图4和本小节叙述可知，在实际测量过程中，采用240℃左右的主发光峰可以得到较为精确的测量结果，对GR-200圆片型探测器，厂家已经给出了合适的测量步骤。

2.4、饱和与负感

从图5可知，热释光响应在超线性之后将出现饱和现象(105~5×106R)，在饱和之后会出现随照射量的增加而热释光减弱的负感现象，因此对于不同的热释光材料，一定要遵守给出的照射限定区间，否则将会得到差别甚大甚至错误的结果。

2.5、灵敏度

热释光探测器的灵敏度是指每戈瑞(Gy)或拉德(Rad)热释光吸收的剂量的热释光响应值。由于热释光是一种相对测量，因此我们并不关心热释光的绝对发光量，而通常是用“校准光源”确定测量仪器的工作状态后，对接受一定照射量的热释光进行测量，各处特定条件下的刻度系数来表示其灵敏度。

以LiF(Mg，Ti)(TLD-100)为标准，其它类型的热释光探测器的灵敏度与LiF(Mg，Ti)(TLD-100)比较后得到的值即为相对灵敏度。

2.6、LET效应

是指某些热释光材料会存在灵敏度与传能线密度(Linear energy transfer，LET)的依赖性，对LiF(Mg，Ti)材料，当LET值>10kev/μ时出现灵敏度下降的趋势，当LET值～300kev/μ时，灵敏度会下降10倍左右，把这种热释光材料灵敏度对辐射品质的依赖性成为LET效应。

对于我们使用的LiF(Mg，Cu，P)材料，LET效应相对要小一些，即性能更为优越，同时对常见的X、γ射线，由于能量均较低，因此对LET效应可以折合计算在最后的响应中从