辐射剂量学基本知识以及热释光检测技术

辐射剂量学基本知识以及热释光检测技术辐射剂量学是用理论或实践的方法研究电离辐射与物质相互作用过程中能量传递的规律，并用来预言、估计和控制有关的辐射效应的学科。辐射剂量学的研究和应用，早期仅限于医疗方面，今天，它已成为一个专门的技术领域，广泛应用于辐射防护、医疗、生产和科研等各个方面。辐射剂量学研究的主要内容包括：电离辐射能量在物质中的转移、吸收规律；受照物质内的剂量分布及其与辐射场的关系；辐射剂量与有关的辐射效应的响应关系以及剂量的测量、屏蔽计算方法等。从而为研究辐射效应的作用机理、实施辐射防护的剂量监测和评价、进行放射治疗与辐射损伤的医学诊断和治疗提供可靠的科学依据。常用辐射剂量估算及测量方法中主要分为两大类，一类是直接测量，另一类是采用回顾模拟(或估算)方法进行事故剂量重建。在直接测量方法中，用的较多的是热释光测读仪器(TLD)，它主要有两部分，测读器和TLD剂量元件。TLD剂量元件的基本材料是LiF(Mg,Cu,P)等热释光材料。这类材料能将辐射沉积在它上面的能量较长时期稳定的储存起来，当用测读器加热测读时，这些能量就以光的形式释放出来，通过对这些光的测量来进行剂量测量。这种方法最突出的两个优点是：①只要适当选择，可以选择到人体组织等效性特别好的热释光材料，例如，LiF(Mg,Cu,P)；②测量范围很宽（0.01mGy–10Gy)，这几乎含盖了我们比较关心的整个领域。我们所讨论的热释光是指物质受到电离辐射作用后，在加热过程中释放出光的现象。这是一种早已经发现的现象，在3000余种天然矿物中大约有四分之三具有这种特性。不仅是无机晶体和玻璃，而且在很多有机化合物中也存在这种现象。而LiF成为热释光探测器的历史课追溯到上世纪四十年代，美国威斯康星大学化学部Daniels教授的研究。但1956年后停滞。1960年由Cameron参与指导，威斯康星大学又恢复LiF热释光研究工作。六十年代后期，对热释光研究更加普遍，并出现商品性热释光探测元件。并于1965年6月在美国斯坦福大学召开第一次国际发光剂量学会议。此后每约3年召开一次。发光剂量学已在辐射剂量学中形成了一个新的分支。我国关于热释光的研究是从1961年开始的。研究应用最多的是LiF和CaSO4.热释光探测器勇得最多的是常规个人剂量监测工作。在辐射防护领域的其他方面，例如辐射场监测。环境监测、放射性废水测量，甚至有矿山中氡子体和钍射子体测量等方面也都使用了热释光探测器。从热释光的早期研究起，这种现象就被用于地质年代的考察和考古工作中。这些矿物中的热释光是由于他含有微量铀、40K等天然放射性核素及宇宙射线辐照所致。在放射医学和辐射治疗中也广泛地采用了热释光探测器。在军事上，热释光探测器的应用也是比较早的。关于热释光的原理，理想LiF晶体各处都呈电中性，但实际晶体存在一些缺陷，例如晶体结点的离子空位，晶体平面结构上的位错，离子填隙，晶体边界以及杂志原子等等。局部区域上荷电中心引起的场的畸变，使得负离子空位附近结点上的正离子的电子能级降低，由此在导带下的禁带中出现一些分离的能级，成为电子陷阱。而正离子空位附近结点上负离子的束缚电子能量比在晶格无畸变是要大，于此相应的电子能级便从价带中分离出来，也在禁带中形成一些分离能级，记作D能级，或称为激活能级。简单地说，禁带中的电子陷阱主要是由于负离子空位等晶格缺陷造成，而激活能级则主要是杂质离子所致。当未受辐射电离或激发时，晶体的电子陷阱是空着的，而激活能级是填满电子的。当X、γ射线、β射线或其他电离辐射照射晶体时，带电粒子（或次级带电粒子）与晶体相互作用，产生电离或激发，使价带或激活能级的电子受激发而进入导带成为自由电子，与此同时，在价带或激活能级长生一个空穴。根据最小能量为最稳态原理，价带中的空穴最可能落入激活能级（也就是激活能级的电子跃迁到价带）。俘获了空穴的激活能级称为为H中心。同理，进入导带的电子，也是最容易落入电子陷阱中，俘获了电子的陷阱称为F中心。当受到电离辐射照射后的晶体被加热时，F中心的电子从晶格获得能量，次能量足够时，电子将挣脱陷阱能级的束缚呗释放到导带中而成为自由电子。这个电子可能在导带与陷阱之间徘徊，最后与H中心的空穴复合，以光量子的形式释放多余的能量。加热时，H中心的空穴获得足够的能量也可以从激活能级释放到价带中成为自由空穴，而与F中心的电子复合，这样产生的光称为热释光。F中心的电子（即是陷阱中的电子）式束缚状态的，不能直接与H中心束缚的空穴复合。换句话说，这种跃迁是“禁戒”的，必须使电子（或空穴）释放到导带（或价带)中成为自由的，也就是释放到容许能带中，才能复合。用于热释光测量的F中心的电子，在常温下不能从束缚中脱出，只能通过给予一定的能量（例如加热、红外激发、机械、化学的作用），使这些电子从晶格中得到足够能量时，才能脱出。