利用热释光剂量探测器测量γ射线剂量

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1、实验四：利用热释光剂量探测器thermoluminescentdetector(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

2、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。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

3、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②11），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

4、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

5、)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

6、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10-2-103R（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5，11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，

7、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

8、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L