способ обработки вещества твердотельного детектора ионизирующих излучений на основе оксида алюминия

Формула изобретения

Способ термолучевой обработки вещества детектора ионизирующих излучений на основе оксида алюминия, включающий нагрев и облучение материала, отличающийся тем, что вещество детектора нагревают до температуры 300-350С, облучают детектор в нагретом состоянии в этом интервале температур ультрафиолетовым излучением мощностью 1-10 мВт в диапазоне длин волн 200-220 нм в течение 1-10 мин.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способу обработки рабочих веществ твердотельных детекторов ионизирующих излучений, основанных на явлении термостимулированной люминесценции (ТЛ), и может быть использовано в термолюминесцентной дозиметрии (ТЛД) для повышения чувствительности детекторов, подавления зависимости выхода термолюминесценции от скорости нагрева детекторов при считывании, расширения диапазона регистрируемых доз, снижения разброса чувствительности в формируемых партиях детекторов.

В настоящее время в отечественной и зарубежной практике получили широкое распространение термолюминесцентные детекторы на основе анион-дефектных монокристаллов -Аl₂O₃, имеющие обозначение ТЛД-500К (ТУ 2655-006-02069208-95; Дозиметрический контроль внешнего профессионального облучения. Общие требования. Методические указания МУ 2.6.1.25-2000. Москва, 2000, с.50; Dosimeter Materials, Harshow TLD Model 8800, Bicron Ne, рекламный проспект).

Однако в процессе эксплуатации этих детекторов выявился ряд их недостатков:

1. Главным недостатком детекторов ТЛД-500К является зависимость их чувствительности от скорости нагрева, представляющим собой источник возможных ошибок при измерениях, производимых с помощью дозиметрических систем, имеющих разные или нестабильные скорости нагрева. Расчет показывает, что если скорость нагрева увеличивается на 10% от рекомендуемых по ТУ постоянных значений 6 или 11 град/с, снижение ТЛ-выхода составляет величину около 6%, а уменьшение скорости нагрева на такую же величину приводит к росту выхода ТЛ на 7%. Видно, что уход за 5% принятого в ТЛД предела разброса чувствительности детекторов в партии возможен и по причине нестабильности скорости нагрева детекторов. Таким образом, зависимость чувствительности детекторов ТЛД-500К от скорости нагрева при считывании снижает точность, надежность и достоверность измерений.

Аналогичные закономерности наблюдаются и у других люминофоров, используемых в термолюминесцентной дозиметрии. Так, для ТЛД детекторов на основе LiF:Mg,Ti (TLD-100), CaF₂:Mn, CaSO₄:Mn отмечается сильная зависимость их ТЛ-выхода от скорости нагрева. При ее увеличении от 1,7°С/с до 17°С/с выход ТЛ в основном пике термолюминофора на основе LiF:Mg,Ti, измеренный по высоте пика или площади под кривой термовысвечивания (КТВ), падает в 1,7 раза. В CaF₂:Mn рост скорости нагрева от 0,5°С/с до 10°С/с сопровождается падением выхода ТЛ в два раза (К. Becker. Solid State Dosimetry. CRC press, Cleveland, Ohio, 1973).

Качественно сходный характер поведения зависимости выхода ТЛ различных по природе детекторов от скорости нагрева обусловлен одним механизмом, а именно термическим тушением люминесценции.

2. У детекторов ТЛД-500К диапазон измерения эквивалентных доз рентгеновского и гамма-излучений ограничен линейным участком дозовой зависимости выхода ТЛ в интервале 0,01-200 мЗв.

Нижний предел измеряемой дозы обусловлен захватом носителей заряда, освободившихся при считывании, безызлучательными центрами в большей степени, чем излучательными.

Верхний предел измеряемой дозы обусловлен появлением нелинейного участка на дозовой зависимости, связанный с возрастанием чувствительности детекторов за счет заполнения при больших дозах облучения конкурирующих центров захвата носителей, не принимающих участие в формировании дозиметрического ТЛ-сигнала.

3. Для достижения однородности по свойствам и геометрическим размерам детекторов ТЛД-500К в количествах нескольких десятков или сотен тысяч штук разработан метод выращивания профилированных анион-дефектных монокристаллов корунда, позволяющий получать из них детекторы общепринятой геометрической формы в виде дисков диаметром 5 мм и высотой 1 мм (А.С. N 1072461. Вещество для твердотельного дозиметра. Заявитель: Уральский государственный технический университет. Авторы: Аксельрод М.С., Кортов B.C., Мильман И.И., Мунчаев А.И., Чиркин А.П. Заявка N 3472355. Приоритет изобретения 19.07.1982. Зарегистрировано в Гос. реестре изобр. 08.10.1983; А.С. N 993728. Способ термической обработки вещества твердотельного детектора ионизирующих излучений на основе оксида алюминия. Заявитель: Уральский государственный технический университет. Авторы: Аксельрод М.С., Зацепин А.Ф., Кортов B.C., Мильман И.И. Заявка N 3314844. Приоритет изобретения 03.06.1982. Зарегистрировано в Гос. реестре изобр. 01.10.1982).

Однако на практике детекторы, изготовленные даже из одного стержня, могут отличаться по чувствительности в десятки и сотни раз. Это создает серьезную проблему при формировании по заказам потребителей партий детекторов, разброс чувствительности в которой не должен превышать 5%, а между партиями - 15%. Это приводит к необходимости определять индивидуальную чувствительность каждого детектора, что связано с большими материальными и временными затратами.

Таким образом, описанные выше недостатки, главными из которых являются большой разброс чувствительности, зависимость выхода ТЛ от скорости нагрева при считывании, меньшие теоретически возможных чувствительность и диапазон регистрации доз, присущи не только детекторам ТЛД-500К, но и другим люминофорам, широко используемым в термолюминесцентной дозиметрии.

В литературе описаны способы повышения чувствительности к излучению рабочих сред ТЛД-детекторов без изменения их химического состава, некоторые из которых приводят к одновременному улучшению линейности дозовой характеристики. Физической основой способов является увеличение числа активированных люминесцентных центров или блокирование конкурирующего процесса захвата носителей между ловушками, ответственными за основной дозиметрический пик, и энергетически более глубокими ловушками за счет предварительного их заполнения, состояние которых остается неизменным при температуре считывания.

Практическая реализация способов заключается в разработке оптимальных режимов радиационно-термической обработки материалов детекторов (Термолюминесцентная дозиметрия. Зинатне. Рига, 1968; К.К. Шварц, З.А. Грант, Т.К. Межс, М.М. Грубе; S.W.S. McKeever. Thermoluminescence of Solids. Cambridge University Press, 1985; R. Chen, S.W.S. McKeever. Theory of Thermoluminescence and Related Phenomena. World Scientific, 1997).

Чувствительность термолюминофора на основе Mg₂SiO₄:Tb увеличивалась в 4 раза в результате облучения гамма-излучением дозой 10⁵ Р и последующего отжига в течение 1 часа при 300°С.

Чувствительность природного альфа-кварца увеличивалась в 10 раз после облучения дозой 1000 Р бета-излучением и последующего отжига при 500°С.

Сверхлинейный рост ТЛ-выхода в CaF₂:Dy (ТЛД-200) начинается при ~ 800 Р, достигает максимума при ~ 10⁴ P, плавно насыщается в диапазоне 10⁴-10⁵ Р. Предварительное облучение и последующий двухчасовой отжиг при 600^оС приводит к устранению отмеченной нелинейности дозовой характеристики.

Разработанные для LiF:Mg,Ti оптимальные режимы радиационно-термической обработки, заключающиеся в облучении материала гамма-излучением кобальта-60 дозой от 310⁴ до 10⁵ Р с последующей термообработкой при 280-300°С в течение от 1 до 4 часов, позволили повысить чувствительность в 5 раз и одновременно снизить сверхлинейность дозовой характеристики.

Из приведенных выше примеров следует, что известные способы радиационно-термической обработки чувствительных веществ ТЛ-детекторов позволяют повысить их чувствительность более чем в 5 раз. В результате применения некоторых из них одновременно снижается сверхлинейность дозовой зависимости. Общим для всех способов является применение больших доз жесткого ионизирующего излучения. Однако ни для одного из известных способов не описано их влияние на зависимость выхода ТЛ от скорости нагрева детекторов при считывании, не анализировалось влияние предварительной обработки на разброс чувствительности в партиях детекторов.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому следует считать способ радиационно-термической обработки вещества твердотельного детектора ионизирующих излучений на основе синтетического кварца (С. Charitids, G. Kitis, C. Furetta and S. Charalambous. Superlinearity of Synthetic Quartz: Dependence on Pre-Dose. Radiation Protection Dosimetry. Vol 84, Nos.1-4, pp.95-98, 1999), который и выбран в качестве прототипа.

Данный способ включает облучение материала при комнатной температуре гамма-излучением источника кобальт-60 дозой 250 Гр и последующий нагрев детектора до 200°С, после 15 дневной выдержки. Результат применения способа, принятого за прототип, иллюстрируется фиг.1. На фиг.1 приведены дозовые зависимости выхода в 110°С пике термолюминесценции образцов синтетического кварца, облученных бета-излучением ⁹⁰Sr/⁹⁰Y источника. Кривая А соответствует образцу, предварительно не облучавшемуся гамма-излучением, кривые В, С, D, Е и F получены после предварительного облучения образцов гамма-излучением дозой 3, 20, 60, 120 и 250 Гр соответственно, мощность дозы излучения составляла 0,037 Гр/с. Из приведенного чертежа видно, что предварительное облучение образцов гамма-излучением приводит к росту чувствительности (выход ТЛ при дозе 2 Гр увеличивается (кривые от А до F) примерно в 10² раз), устранению сверхлинейного участка дозовой зависимости и расширению за счет этих параметров динамического диапазона регистрации как в сторону высоких, так и в сторону низких доз. Экстраполяция кривых A-F до пересечения с осью доз и их сравнение показывает, что динамический диапазон в результате применения способа обработки, принятого за прототип, расширяется приблизительно в 10² раз.

Известный способ (прототип) в отличие от аналогов применен к материалу, свойства которого, в частности радиационная стойкость, более близки к свойствам оксида алюминия. Гамма-излучение, используемое для модификации свойств SiO₂ и Al₂O₃, не вызывает появление новых атомных структурных дефектов (центров захвата носителей и центров люминесценции), а только изменяет зарядовые состояния имеющихся.

Однако известный способ не позволяет устранить или снизить зависимость выхода ТЛ от скорости нагрева детекторов и повысить тем самым надежность, точность и достоверность измерений.

Решение поставленной технической задачи достигается тем, что вещество твердотельного детектора ионизирующего излучения на основе оксида алюминия нагревают до температуры 300-350°С, выдерживают при этой температуре весь цикл облучения ультрафиолетовым (УФ) излучением в полосе оптического поглощения F-центров 200-220 нм до насыщения ТЛ-выхода при 450°С, обусловленного глубокой ловушкой при 450°С (при скорости нагрева 2 К/с).

Нижняя граница температурного интервала выдержки при облучении определяется температурой ТЛ-пика, обусловленного ионами хрома (300°С), всегда присутствующими в кристаллах корунда. При более низких температурах возможен уход носителей заряда (электронов), освобожденных из F-центров, не на глубокую ловушку, а на ловушки, обеспечивающие основной дозиметрический ТЛ-пик (180°С) и свечение ионов хрома.

Верхняя граница температурного интервала выдержки при облучении определяется эффективностью заполнения носителями глубокой ловушки. При ее повышении эффективность заполнения ловушки достигает насыщения. Зависимость степени заполнения глубокой ловушки от температуры, при которой происходит предварительное облучение детектора УФ-излучением, приведена на фиг.2.

Верхняя граница спектра УФ-облучения обусловлена падением эффективности ионизации F-центров. Ниже этой границы F-центры не ионизуются.

Нижняя граница спектра УФ-облучения обусловлена также падением эффективности ионизации F-центров. Выше этой границы ионизация F-центров не происходит. Критерий выбора спектрального диапазона облучения детектора УФ-излучением иллюстрируется спектром поглощения F-центров в детекторах ТЛД-500К, представленном на фиг.3.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в следующем.

При облучении образцов анион-дефектного корунда УФ-излучением в спектральной области полосы поглощения F-центров последние ионизуются, поставляя носители заряда в зону проводимости. При комнатной температуре носители заряда из зоны проводимости захватываются, главным образом, ловушками, ответственными за основной дозиметрический ТЛ-пик при 180°С, при этом более высокотемпературные ловушки, имеющиеся в этих кристаллах и способные проявляться при 300 и 450°С, остаются незаполненными.

При нагреве кристалла в обычном режиме считывания дозиметрической информации носители, освобожденные с основной ловушки при 180°С, рекомбинируют с центрами свечения, вызывая люминесценцию кристалла. При этом часть освободившихся при нагреве носителей захватывается глубокой ловушкой и, следовательно, не участвует в создании сигнала ТЛ. От цикла к циклу облучение - нагрев, по мере эксплуатации детектора, число носителей в глубокой ловушке накапливается, и все большее их число, освободившееся при 180°С, участвует в ТЛ-процессе вместо того, чтобы быть захваченными на глубокую ловушку. Таким образом, конкурирующее влияние захвата носителей на глубокую ловушку (Т_м=450°С) по сравнению с захватом на основную дозиметрическую ловушку (Т_м=180°С) падает. Это приводит к росту чувствительности детектора и появление на его дозовой зависимости сверхлинейного (надлинейного) участка.

В нашей работе (V.S. Kortov, I.I. Milman and S.V. Nikiforov. The Effect of Deep Traps on the Main Features of Thermoluminescence in Dosimetric -Al₂O₃ Crystals. Radiation Protection Dosimetry. Vol.84, Nos.1-4, pp. 35-38, 1999) впервые было показано, что зависимость выхода ТЛ от скорости нагрева детекторов при считывании также связана с присутствием пустых в исходном состоянии глубоких ловушек. С ростом скорости нагрева, в соответствии с кинетической теорией термостимулированных процессов, температура пиков сдвигается в сторону более высоких температур. Одновременно при более высоких температурах освобождения носителей из основной ловушки возрастает конкурирующее действие глубокой ловушки, приводящее в итоге к падению выхода ТЛ.

В предлагаемом способе детекторы облучаются УФ-излучением в спектральном диапазоне, соответствующем ионизации F-центров. Выбранный температурный интервал, превышающий температуры опустошения ловушек, ответственных за все пики ТЛ, кроме глубокой при 450°С, создает благоприятные условия для ее заполнения и блокирования ее конкурирующего действия при последующих облучениях детекторов.

В результате применения описанного способа возрастают чувствительность детекторов, снижается зависимость выхода ТЛ от скорости нагрева, повышается линейность дозовой зависимости, растут точность, надежность и достоверность проводимых измерений. Применение способа исключает дополнительную лучевую нагрузку на персонал и окружающую среду, поскольку для модификации свойств материала отпадает необходимость использования жесткого гамма-излучения таких источников, как кобальт-60 или цезий-137. Кроме того, как обнаружилось, применение предлагаемого способа приводит к уменьшению разброса чувствительности детекторов в партии.

Результаты экспериментальной проверки реализации предлагаемого способа термолучевой обработки вещества термолюминесцентного детектора ионизирующего излучения на основе анион-дефектного монокристаллического -Al₂O₃ типа ТЛД-500К обобщены и иллюстрируются представленными ниже чертежами.

На фиг.4 представлена типичная кривая термовысвечивания детектора ТЛД-500К с пустой глубокой ловушкой, облученного тестовой дозой 10 Гр бета-излучением источника ⁹⁰Sr/⁹⁰Y. На кривой термовысвечивания в диапазоне температур от комнатной до 550°С имеется один главный дозиметрический пик при 180°С при скорости нагрева 2 град/с. Дозовая зависимость этого детектора, изображенная на фиг.5 (кривая 1), имеет явно выраженный нелинейный участок, ограничивающий верхний диапазон измерений величиной 0,1 Гр. Фиг.7 (кривая 1) иллюстрирует падение выхода ТЛ исходного детектора более чем в 4 раза при изменении скорости нагрева от 0.5 до 12 град/с.

В качестве источника УФ-излучения, используемого для заполнения глубоких ловушек, применялась ртутно-кварцевая лампа марки ДРТ-240. Мощность ее излучения в месте расположения детектора контролировалась измерителем средней мощности и энергии лазерного излучения типа ИМО-2Н и варьировалась от 1 до 10 мВт. Температура детектора стабилизировалась около 320°С, при которой производилось облучение УФ-излучением. По окончании экспозиции детектор охлаждался и облучался при комнатной температуре тестовой дозой излучением ⁹⁰Sr/⁹⁰Y источника и вновь нагревался для измерения сигнала ТЛ. На фиг.6 представлена КТВ детектора, облученного стандартной дозой бета-излучения, измеренной после его предварительного экспонирования УФ-излучением. Видно, что наряду основным дозиметрическим пиком при 180°С (пик А) на КТВ появляется пик ТЛ при 300°С (пик В), связанный с ионами хрома, и интенсивный пик при 450°С (пик С), обусловленный глубокой ловушкой, заполненный предварительной термолучевой обработкой.

Меняя время облучения детектора, мощность оптического излучения в месте расположения детектора и его температуру, можно регулировать степень заполнения глубокой ловушки вплоть до насыщения и направленно изменять чувствительность детектора и зависимость выхода ТЛ от скорости его нагрева при считывании дозиметрической информации.

В заданном, сравнительно узком, интервале температур мощность оптического излучения и время термолучевой обработки связано эмпирическим соотношением W=19ехр(-0,3t), где W - мощность оптического излучения в месте расположения детектора (мВт); t - время термолучевой обработки (мин).

При экспериментальной проверке предлагаемого способа это время составляло от 1 до 10 минут, а мощность оптического излучения изменялась от 14 до 1 мВт соответственно. Другим критерием выбора времени для заполнения глубоких ловушек является непосредственное измерение ТЛ глубоких ловушек, как это показано на фиг.6.

На фиг.7 представлена зависимость выхода ТЛ от скорости нагрева детектора, измеренного в основном дозиметрическом пике при 180°С. Кривая 1 на этом чертеже соответствует исходному образцу детектора, глубокая ловушка в котором предварительно не заполнялись, кривая 2 соответствует детектору, глубокая ловушка в котором предварительно заполнена по предлагаемому способу. Видно, что предварительное заполнение глубокой ловушки существенно снижает зависимость выхода ТЛ от скорости нагрева детектора.

Фиг.8 иллюстрирует повышение чувствительности детектора, обработанного по предлагаемому способу, в зависимости от степени заполнения глубокой ловушки, регулируемой мощностью оптического излучения или временем облучения, выраженной в относительных единицах, как отношение заполненной носителями части ловушек (m₀) к общей емкости глубокой ловушки (М). Фиг.5 (кривая 2) показывает расширение области линейного участка дозовой зависимости детектора приблизительно на порядок за счет повышения чувствительности и снижения сверхлинейности отклика в области больших доз.

Обнаружилось, что дополнительным эффектом применения описанного способа термолучевой обработки материала ТЛ-детектора на основе монокристаллического анион-дефектного корунда является снижение разброса чувствительности в партии детекторов. При этом в результате применения предлагаемого способа у образцов, имеющих недостаточную для данной партии чувствительность, она увеличивалась существенно, а для образцов с чувствительностью, близкой к требуемой, рост чувствительности был менее значительным, в итоге сходимость чувствительности в партии детекторов возрастала. При экспериментальной проверке предлагаемого способа было установлено, что в партии детекторов, имеющих разброс чувствительности величиной до одного порядка, заполнение глубоких ловушек приводит к снижению разброса этого параметра до (1.5-2) раз. При заполнении глубоких ловушек до состояния, близкого к насыщению, чувствительность детекторов перестает зависеть от их присутствия. Таким образом, в результате заселения глубоких ловушек происходит уменьшение разброса в их чувствительности.

Другим обнаруженным дополнительным эффектом применения описанного способа термолучевой обработки материала ТЛ-детектора на основе анион-дефектного корунда является изменение спектра свечения ТЛ. До обработки доминирующей полосой свечения в спектре ТЛ являлась полоса свечения F-центров при 420 нм, после обработки в спектре свечения появляется соизмеримая с ней по интенсивности полоса свечения F⁺-центров при 330 нм. Смещение спектра свечения в коротковолновую область облегчает дискриминацию теплового фона детекторов и нагревательного устройства при считывании, в целом оказывая положительное влияние на качество измерения дозиметрической информации, одновременно оставаясь в области максимальной чувствительности большинства фотоприемников, применяемых в ТЛД-дозиметрии.

Дополнительным преимуществом предлагаемого изобретения является также простота реализации и полное исключение из процесса источников ионизирующих излучений.

Фиг.1. Дозовые зависимости выхода в 110°С пике термолюминесценции образцов синтетического кварца, облученных бета-излучением ⁹⁰Sr/⁹⁰Y источника (прототип). А-образец предварительно (перед измерением бета излучения) не облучался гамма-излучением; B, C, D, E и F - после предварительного облучения гамма-излучением ⁶⁰Со дозами 3, 20, 60, 120 и 250 Гр.

Фиг.2. Зависимость чувствительности к излучению детектора ТЛД-500К от температуры образца, при которой производилось его предварительное облучение УФ-излучением (W=4 мВт; t=5 мин).

Фиг.3. Спектр оптического поглощения F-цетров в детекторах ТЛД-500К.

Фиг.4. Типичная кривая термовысвечивания образца детектора ТЛД-500К с пустыми глубокими ловушками (без предварительного облучения УФ-злучением), облученного тестовой дозой 10 Гр излучением ⁹⁰Sr/⁹⁰Y источника при скорости нагрева 2 К/с.

Фиг.5. Дозовая дозовая зависимость детектора ТЛД-500К.

1 - с пустыми глубокими ловушками; 2 - с предварительно заполненными по предлагаемому способу глубокими ловушками.

Фиг.6. Кривая термовысвечивания детектора ТЛД-500К, облученного стандартной дозой бета-излучения, измеренная после предварительного облучения детектора УФ-излучением при температуре 350°С.

Фиг.7. Зависимость выхода ТЛ от скорости нагрева при считывании дозиметрической информации детектора ТЛД-500К.

1 - выход ТЛ-образца детектора с пустой глубокой ловушкой (без предварительного облучения УФ-излучением при повышенной температуре);

2 - выход ТЛ-детектора после предварительного заполнения глубокой ловушки по предлагаемому способу.

Фиг.8. Зависимость чувствительности детектора ТЛД-500К от степени заполнения глубокой ловушки, регулируемой временем обработки детектора по предлагаемому способу.