Принцип термолюминесцентного метода дозиметрии

Методы индивидуального дозиметрического контроля внешнего облучения. Для индивидуальной дозиметрии применяются детекторы ионизирующего излучения, основанные на различных физических методах.

В методах, использующих ионизационные камеры, измеряется разряд конденсаторной ионизиционной камеры, вызванный излучением, и по нему определяется доза фотонного излучения. Энергетическая зависимость их чувствительности обычно не превышает ± 15 % в диапазоне энергии фотонов 40 кэВ – 1,25 МэВ. Однако они имеют существенную угловую зависимость чувствительности.

Полупроводниковые дозиметры (с применением p-n, p-i-n-переходов) основаны на изменении их параметров вследствие воздействия ионизирующего излучения. Эти детекторы работают подобно ионизационной камере. Для обеспечения избирательной чувствительности к различным видам излучений применяют соответствующие конверторы (фильтры). Диапазон измерения дозы с помощью таких дозиметров от 0,01 мЗв до 10 Зв.

Фотопленочный метод основан на измерении почернения эмульсии, обусловленного облучением и зависящего от дозы. Проявленные пленки сравнивают с образцами, облученными известными дозами. Нижний предел измерения 0,1 – 0,2 мЗв, поэтому фотопленки пригодны для текущего контроля. Аварийный контроль можно обеспечить, применяя вторую, низкочувствительную, фотопленку. Метод может использоваться и для контроля b-излучения, но его чувствительность зависит от энергии b-частиц.

Термолюминесцентный метод основан на свойстве некоторых люминесцирующих веществ (активированных добавками) накапливать при облучении часть энергии ионизирующего излучения, а затем отдавать ее в виде свечения (термолюминесценции) после дополнительного нагрева. В современных модификациях этот метод обладает очень широким диапазоном по дозам – от 10 мкЗв до 10 – 50 Зв. Это позволяет использовать его одновременно для текущего и аварийного контроля.

В качестве люминофоров нашли применение:

· алюмофосфатные стекла, активированные марганцем;

· монокристаллы фторида лития, активированные магнием и титаном;

· монокристаллы фторида лития, активированные магнием, фосфором и медью;

· монокристаллы корунда;

· поликристаллы бората магния, активированные диспрозием.

Второй и третий материалы тканеэквивалентны. Первый и четвертый требуют применения компенсирующих фильтров. Наиболее чувствительны третий, четвертый и пятый материалы.

Наряду с термолюминесцентным методом используется радиофотолюминесцентный метод (РФЛ), который заключается в образовании в люминофоре под действием ионизирующего излучения стабильных центров люминесценции. При дополнительном возбуждении люминофора ультрафиолетовым светом возникает люминесценция, которая служит мерой поглощенной энергии. Эти дозиметры не чувствительны к нейтронам. Особенностью РФЛ-детекторов является то, что информация о зарегистрированной дозе не утрачивается в процессе считывания. Отжиг РФЛ-детекторов можно проводить по мере необходимости. РФЛ-детекторы также могут быть использованы для текущего и аварийного контроля.

Для индивидуальной дозиметрии нейтронов применяются трековые, основанные на регистрации треков заряженных частиц, и пузырьковые детекторы, основанные на закипании перегретого органического полимера в месте прохождения вторичной заряженной частицы.

Электронные прямопоказывающие дозиметры основаны на применении дискретных детекторов: газоразрядных счетчиков, полупроводниковых или сцинтилляционных детекторов. Эти дозиметры обеспечивают обработку информации с детекторов и представление результатов измерения дозы и/или мощности дозы на прямопоказывающее цифровое (или аналоговое) табло в реальном времени. Диапазон измерения фотонного и b-излучения таких дозиметров от 0,1 мкЗв до 10 Зв. Дозиметры обеспечивают измерение не только дозы и мощности дозы, но и сигнализацию о превышении заданных значений дозы и мощности дозы. Дополнительным преимуществом приборов со сцинтилляционными и спектрометрическими полупроводниковыми детекторами является возможность измерения спектра излучения. Электронные прямопоказывающие дозиметры удобны при обеспечении оперативного аварийного контроля. Они должны иметь автономный источник питания, обеспечивающий непрерывную работу прибора не менее 8 ч.

На основе применения термолюминесцентных, прямопоказы-вающих электронных и полупроводниковых дозиметров были сконструированы и уже широко используются автоматизированные системы ИДК. Например, в автоматизиpованном комплексе АКИДК-201, выпускаемым Ангарским электролизным химическим комбинатом, применяются монокристаллические детекторы на основе фторида лития, активированного магнием и титаном. В комплекс входят также считыватель СТЛ–200, персональный компьютер и программное обеспечение. Каждый дозиметр включает в себя три термолюминесцентных детектора, размещенных в кассете за фильтрами из фторопласта для выравнивания энергетической зависимости чувствительности и обеспечения измерения эквивалента дозы Н_Р(10). Управление комплексом осуществляется с клавиатуры персонального компьютера, на котором хранится и база данных ИДК контролируемого персонала. База данных содержит необходимую информацию об обслуживаемом персонале и оперативную информацию о дозиметрах. Индивидуальные коэффициенты чувствительности детекторов, определенные в процессе калибровки, используются при расчете дозы и позволяют снизить погрешность, обусловленную разбросом чувствительности детекторов. АКИДК–201 обеспечивает измерение Н_Р(10) в полях фотонного излучения в диапазоне 0,05 мЗв – 10 Зв. Энергетическая зависимость чувствительности не превышает 30 % в диапазоне энергии от 0,015 до 10 МэВ при основной погрешности измерения 15 %. Число циклов измерения не менее 200. Производительность обработки дозиметров – 30 шт. в час.

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.

Под 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.

Свечение 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 Jот 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 Sили Jот 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 h остается постоянной, дозовая характеристика линейна и можно записать:

S = a_S×h×D или J = a_J×h× 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 b-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 b-излучения типа БИС (⁹⁰Sr - ⁹⁰Y), спомощью 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_кс локальных воз­бужденных уровней, соответствующих Т_М, освобождаются практически все электроны. Для большинства термолюминофоров T_к лежит в пре­делах 300 – 400 °С.

Назначение 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).

Дата добавления: 2014-12-08