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热释光辐射剂量测量
学院:理工学院 专业:核工程与核技术 学号:08345002 实验人:赖滔 合作者:麦宇华

一、 实验目的
1、 了解热释光测量仪的工作原理，并掌握热释光测量仪的正确使用方法；
2、 测量分析Al2O3:C元件的发光曲线，了解发光曲线的意义；
3、 了解热释光剂量计的温度稳定性；
4、 测量Al2O3:C元件的剂量响应曲线；
5、 测量未知剂量的热释光曲线，确定其照射剂量。

二、 实验原理
1、 热释光
物质收到电离辐射等作用后，将辐射能量储存于陷阱中。当加热时，陷阱中的能量便以光的形式释放出来，这种现象称为热释发光。具有热释发光特性的物质称为热释光磷光体（简称磷光体），如锰激活的硫酸钙[CaSO4(Mn)]、镁钛激活的氟化锂[LiF(Mg、Ti)]、氧化铍[BeO]等。
磷光体的发光机制可以用固体的能带理论解释。假设磷光体内只存在一种陷阱，并且忽略电子的多次俘获，则热释光的强度I为：
I=nSexp(-εkT)
这里，S为一常数，k是波尔兹曼常数，T是加热温度(K)，n是所在考虑时刻陷阱能级ε上的电子数。强度I与磷光体所吸收的辐射能量成正比，因此通常用光电倍增管测量热释光的强度就可以探测辐射及确定辐射剂量。

2、 发光强度曲线
热释光的强度与加热温度（或加热时间）的关系曲线叫做发光曲线。如图1所示。警惕受热时，电子首先由较浅的陷阱中释放出来，当这些陷阱中储存的电子全部释放完时，光强度减小，形成图中的第一个峰。随着加热温度的增高，较深的陷阱中的电子被释放，又形成了图中其它的峰。发光曲线的形状与材料性质、加热速度、热处理工艺和射线种类等有关。对于辐射剂量测量的热释光磷光体，要求发光曲线尽量简单，并且主峰温度要适中。
发光曲线下的面积叫做发光总额。同一种磷光体，若接受的照射量一定，则发光总额是一个常数。因此，原则上可以用任何一个峰的积分强度确定剂量。但是低温峰一般不稳定，有严重的衰退现象，必须在预热阶段予以消除。很高温度下的峰是红外辐射的贡献，不适宜用作剂量测量。对LiF元件通常测量的是210°C下的第五个峰。另外，剂量也可以与峰的高度相联系。所以测量发光强度一般有两种方法：
（1） 峰高法：测量发光曲线中峰的高度。这一方法具有测速快、衰退影响小、本底荧光和热辐射本底干扰小等优点。它的主要缺点是，因为峰的高度是加热速度的函数，所以加热速度和加热过程的重复性对测量带来的影响比较大。
（2） 光和法：测量发光曲线下的面积，亦称面积法。这这一方法受升温速度和加热过程重复性的影响小，可以采用较高的升温速度，并可采用测量发光曲线中一部分面积的方法（窗户测量法）消除低温峰及噪声本底的影响。它的主要缺点是受“假荧光”热释光本底及残余剂量干扰较大。所以在测量中必须选择合适的“测量”阶段和“退火”阶段的温度。合理地选择各阶段持续时间，以保证磷光体各个部分的温度达到平衡，以利于充分释放储存的辐射能量。

3、 热释光探测器的剂量学特性
（1） 灵敏度：指单位照射量的热释光响应。它与元件热时光材料性质和含量、激活剂种类、射线能量和入射方向、热处理条件等有关。一般原子序数较高的元件，灵敏度提高。
（2） 照射量相应：在照射量10-3仑-103仑范围内，许多磷光体对辐射的响应是线性的。当照射量更大时，常出现非线性现象。
（3） 能量相应：即热释光灵敏度与辐照能量的依赖关系。它与元件材料的原子序数、颗粒度、射线种类有关。一般原子序数高的元件比原子序数低的元件能量响应差，因此使用时需要外加过滤器进行能量补偿。LiF元件在能量大于30keV情况下，在25%的精度内对能量的依赖性很小。
（4） 衰退：指受过辐照的磷光体，热释光会自行减弱。衰退的快慢与磷光体种类、环境温度、光照等因素有关。如果测量LiF的主峰，在室温下可以保存几十天。
（5） 光效应：指磷光体的热释光在可见光、紫外光的作用下可产生衰退和假剂量两种效应。它的强弱与磷光体的种类、辐照历史等有关，如LiF的光效应小，而MgSiO4(Tb)的光效应比较大，所以在使用中应注意光屏蔽。
（6） 重复性：热释光元件可以重复使用，但发光曲线形状、灵敏度等在测量加热过程或者长期存放中会发生改变，因此在重复使用时，一般需进行退火即再生，退货条件必须认真选择，并定期进行刻度。
（7） 分散性：指同一批探测器在相同退火、照射和测量条件下，热释光灵敏度的相对偏差（以百分数来表示）。实际上，它除了与探测器灵敏度的分散性和重复性有关外，还包括了测量系统的涨落和操作的不重复性。因此，使用前应进行探测器分散性的筛选，分组作出修正系数。在测量过程中还应尽量保证测量系统的稳定性和操作技术的重复性。
（8） 本底：通常将未经人为辐照的元件的测量值统称为本底（或“假荧光”）。它包括元件表面与空气中水汽或有机杂质接触产生的化学热释光和摩擦产生的摩擦热释光。它与材料的种类和使用条件有关，因此，必须注意保持元件和加热盘的清洁。在低剂量测量时更要设法予以减少和扣除。
（9） 方向性：探测器灵敏度与辐射入射方向的依赖关系。它与射线的能量和探测器的形状有关。

4、 热释光剂量响应曲线
将热释光元件照射不同剂量，分别测量器发光曲线，图2表示了Al2O3:C辐照不同剂量的发光曲线。做出热释光剂量峰的峰高或峰面积随剂量的变化曲线，称为热释光剂量响应曲线。对于不同热释光元件，剂量响应曲线分为线性、亚线性、超线性3种类型，如图3所示。理想的热释光元件的剂量响应曲线是线性的，由此可以计算热释光元件所受到的剂量。

5、 热释光测量仪的基本工作原理
热释光测量仪的基本工作原理是：经辐照后待测元件由仪器内的电热片或热气等加热，待测元件加热后所发出的光，通过光路系统滤光、反射、聚焦后，通过光倍增值管转换成电信号。输出显示可用率表指示出发光峰的高度（峰高法）或以数字显示出电荷积分值（光和法），最后再换算出待测元件所接收到的照射量。
实验装置示意图如图4所示。

三、 实验仪器
1、 热释光测量仪ROSB-TL06B；
2、 Al2O3:C单晶体2片；
3、 辐照器FJ417（137Cs源，照射率为153mR/min）；
4、 定时器1个
四、 实验过程记录
4月14日
15:00 准备实验样品，熟悉机器操作。
15:30 固定剂量，测量Al2O3:C的热释光曲线。
16:30 固定剂量，测量LiF的热释光曲线。
17:20 测定剂量片的稳定性，测量Al2O3正反面灵敏度。
18:00 结束实验，整理仪器。

4月21日
15:00 预热机器，准备实验仪器。
15:10 分别测量待测样品和空白样品的热释光发光曲线。
15:30 将两样品分别辐照1min，2min，5min，10min，测其剂量响应曲线。
17:20 取出片后分别等1min，2min，5min，7.5min，10min，测定发光曲线的稳定性。
18:00 结束实验，收拾仪器，处理并拷贝数据。

五、 实验步骤
1、 领取两片剂量片，对剂量片进行退火处理；

2、 测量PMT的坪曲线，确定仪器的工作电压；辐照一固定剂量（例如5分钟），在不同高压的情况下（600-1000V）测量热释光曲线，作出热释光强度随高压的变化曲线。

实验采用10mR照射Al2O3:C、LiF所得的600-1000V的数据作出热释光曲线如下图：

图中5条响应曲线从上到下分别为1000V、900V、800V、700V、600V，由图可见电压越高，热释光强度越强。而Al2O3:C在约185°C处出现峰值。LiF在120°C和240°C处出现两个峰。

3、 测量剂量片的稳定性
（1） 保持选定高压不变，辐照一固定剂量，测量发光曲线，分别测量两片的灵敏度；
（2） 在相同条件下，测量剂量片反面灵敏度（辐照时也需反面）。
（3） 测量发光曲线的稳定性：辐照一固定剂量，取出片后分别等待不同时间（1min，2min，5min，7.5min，10min），观察发光曲线的变化。

选定800V不变，分别测量Al2O3:C元件的1片和2片的正面和反面热释光曲线：

1片正反面热释光曲线 2片正反面热释光曲线
左图中1片正反面热释光曲线中偏右的是反面，可看出正反面热释光曲线差异不大，并且正面在约185°C处形成一个峰，反面在200°C处形成一个峰。
右图中1片正反面热释光曲线中偏右的是正面，可看出正面热释光曲线仅在200°C处形成一个峰，而反面热释光曲线在90°C和185°C处形成两个峰，可见2片反面比正面多了一个浅能量陷阱。

下面比较两片的灵敏度：

1片2片正面热释光曲线 1片2片反面热释光曲线
从图中可以看出，同样条件下，1片正面热释光曲线形状差异不大，但峰高比2片的高，说明1片正面的热释光响应更好，所以在照射量相同的情况下1片正面的灵敏度比2片要高。而1片2片反面的热释光曲线峰面积差不多，故在照射量相同的情况下可认为1片2片反面的灵敏度大致相等。

取Al2O3:C元件的1片接受10mR、1min的照射，在800V的条件下辐照后分别等待1min，2min，5min，7.5min，10min测得的热释光发光曲线：

按峰高排列从上到下依次是等待1min、5min、7.5min、10min、2min。从图中可以看出，取出片后分别等待不同时间的热释光发光曲线发光强度改变不大，1min、2min 、5min、7.5min的最高峰值都出现185°C附近，只有10min的最高峰值出现在200°C左右。但还是可以看出，等待时间越长，峰值越低，出现的温度却越高。而2min的发光曲线有两个峰值，分别约在60°C和185°C，而最高峰值甚至低于等待10min的，考虑上一步骤2片测量反面时会出现两个峰值，可能是因为测量时把1片的反面当做正面测量所致。综上所述，Al2O3:C元件的1片的发光曲线的稳定性比较好。

4、 测量未知辐射剂量
（1） 将样品退火后，将其中一片（待测样品）辐照任意剂量（时间自定）作为未知剂量，另一片作为空白样品；
（2） 保存一个星期；
（3） 分别测量待测样品和空白样品的热释光发光曲线；
（4） 将两样品分别辐照不同时间（1-15min），测量其剂量响应曲线，计算剂量片的灵敏度；
（5） 计算两样品所受照射的辐射剂量，试分析讨论。

待测样品和空白样品的热释光发光曲线（峰值较高者为待测样品，较低者为空白样品）：

待测样品辐照量为30mR，空白样品没有受辐照。从图中可知，待测样品发光强度明显大于空白样品。

下面分别是待测样品和空白样品分别辐照不同时间的剂量响应曲线：

待测样品热释光曲线 空白样品热释光曲线
从待测样品热释光曲线中可以看出，待测样品的热释光发光强度随辐照时间的增长而加强，分别在65°C和185°C处形成两个峰。
从空白样品热释光曲线中可以看出，空白样品的热释光发光强度随辐照时间的增长而加强，分别在65°C和185°C处形成两个峰。

设曲线面积为A，temperature为T，strength为I。因为A=IdT，所以，
用Origin软件Integrate功能求得待测样品发光曲线下的面积以及发光强度如下：
辐照时间/min
1
2
5
15
曲线面积
3776.895
64396.295
167496.76
288776.34
发光强度
78.856
1376.376
3608.913
6246.665

用Origin软件Integrate功能求得空白样品发光曲线下的面积以及发光强度如下：
辐照时间/min
1
2
5
15
曲线面积
26924.285
51883.1
128580.435
143106.36
发光强度
598.682
1150.068
2859.847
3201.544

则在一周后照射同样的辐照量的情况下（两样品所受的照射量为30mR），可知待测样品灵敏度比空白样品稍高，但差异不大。从以上数据可得待测样品后一周接受的辐射剂量约为上一周的2~3倍，即上一周待测样品所接受的照射量为10~15mR，与实际情况符合。