2.2.4 Люминесцентные методы, основанные на фосфороресценции
Описание основных процессов. Удобно выделить радиофотолюминесценцию (РФЛ) и радиотермолюминесценцию (РТЛ).
В РФЛ в качестве детекторов используются щелочно-галогенидные соединения (NaCl, LiF и др.) имеющие кристаллическую структуру. Известно, что реальные кристаллы имеют дефекты, например, отсутствие положительных и отрицательных ионов, то есть наличие вакансии в кристалле. В отрицательном галогенидном слое они создают область локализованного положительного заряда. Свободный электрон, возникающий в кристалле под действием ионизирующего излучения, может быть захвачен ближайшей вакансией. Образовавшаяся система вакансия – электрон (так называемый центр) обладает разрешенными дискретными энергетическими уровнями, переходы между которыми позволяют испускать или поглощать энергию. Центры влияют на оптические свойства кристалла, в частности вызывают изменение его цвета. Эти центры называют F – центрами или центрами окраски. Переход центра из возбужденного состояния в основное может происходить без излучения только с испусканием света. Если стабильные F – центры создаются излучением, то они проявляют себя как центры люминесценции при возбуждении светом определенной частоты, это и будет радиофотолюминесценцией. Таким образом, поглощение ионизирующего излучения сопровождается образованием F – центров, их концентрация пропорциональна дозе, которая может быть измерена путем оценки поглощения света или путем измерения люминесценции. На практике используют фосфатные стекла, активированные серебром. С их помощью измеряются дозы в диапазоне 5*10-4 – 10 Гр. Для снятия показания стекла прогревают при температуре до 400 0С в течении 30 мин. Распространения метод не получил, разработаны экспериментальные дозиметры.
Радиотермолюминесцентный метод представляет собой процесс, при котором энергия, накопленная в кристалле, преобразуется в энергию флуоресценции под действием теплового излучения. Здесь излучение воздействует на кристалл, активируемый серебром, и освобождает электрон, который захватывается ловушкой с образованием F – центра. Образовавшаяся дырка оказывается связанной с ионами серебра. Последующий нагрев кристалла освобождает электрон из ловушки и переводит его в зону проводимости. Сравнивая РФЛ и РТЛ получаем следующие их отличительные особенности. Во-первых, спектр термолюминесценции определяется ионами активаторов. Например, у серебра он находится в ультрафиолетовой и голубой областях. Во-вторых, центры окраски, созданные излучением, разрушаются в процессе измерения, то есть термолюминесцентный дозиметр теряет информацию о дозе измерения. Измерение дозы состоит в том, чтобы облученный термолюминесцентный дозиметр нагревается и в процессе нагрева измеряется интенсивность свечения термолюминесценции. Важной характеристикой является кривая термовысвечивания, она может иметь один или несколько пиков (рис.12).
Рис.12 Кривая термовысвечивания
Мерой поглощенной дозы может служить выделившаяся в процессе нагрева полная светосумма, пропорциональная площади под кривой термовысвечивания (интегральный метод) или амплитуда наибольшего термопика (пиковый метод).
Описание современных термолюминесцентных приборов имеются в [3]. Они рассматриваются как самые современные и наиболее распространенные индивидуальные дозиметры.
Термолюминесцентный дозиметр (ТЛД) – это совокупность детектора, – нагревателя и пульта регистрации светового потока. Наиболее распространенными термолюминофорами по [3] являются CaF2(Mn), LiF, Li2B4O7 : Mn, Al2O3, специальные стекла.
Примечание. Термолюминесцентные стекла – ИКС являются первыми Российскими термолюминесцентными дозиметрами. Они созданы на основе алюмофосфатного стекла MgO * P2O5 ÷ Al2O3 * P2O5 . При варке стекла вводятся активаторы Sm2O3. Кривая термосвечения имеет один максимум при температуре 355 0С. Эти дозиметры разработаны для аварийных ситуаций, то есть для условий интенсивных излучений.
Используются несколько систем нагрева. Наиболее простое устройство – это тонкая пластина из металла с высоким электрическим сопротивлением. На разогретую пластину помещают детектор, который постепенно разогревается и высвечивает запасенную светосумму. Регистрирующее устройство измеряет количество заряда на аноде фотоэлектронного умножителя (ФЭУ). В другом случае пластина разогревается вместе с термолюминесцентным детектором. Кроме того, может быть использован также поток горячего азота.
В настоящее время промышленностью выпускаются ТЛД на основе алюмофосфатных стекло (метод ИКС). Они предназначены для регистрации поглощенных доз бета-, гамма- и нейтронного- излучений. Более подробное описание процессов, протекающих в этих детекторах имеется в [10].
Примечание. Недостатком ТЛД является их низкая чувствительность и то, что они не воздухоэквивалентны, тоесть обладают ходом с «жесткостью». Это зависимость показания прибора от энергии излучения. Для выравнивания хода с «жесткостью» используют свинцовые фильтры толщиной около 0,3 мм. Он позволяет выравнивать ход с «жесткостью» в диапазоне от 150 кэВ до нескольких МэВ.