熱釋光探測器測量n-γ混合輻射場中子劑量

梁晶 (海軍裝備部， 山西 太原， 030000)

霍繼生 (中國人民解放軍91515部隊， 572016)

馮曉波， 安艷龍， 劉建忠 (中國輻射防護研究院， 山西 太原， 030006)

0 引言

熱釋光探測器具有能量響應好、靈敏度高、量程范圍寬、重量輕、體積小、受環境因素影響小和能重復使用等優點。1953年美國科學家Daniels等首次提出用于劑量測量，1960、1970年代熱釋光測量技術得到很大的發展，廣泛用于輻射防護、放射醫學、放射生物學、地質學、考古學、環境監測等領域，尤其在從事中子及γ放射工作人員個人劑量監測方面應用相當普遍。

1 中子劑量測量

中子劑量通常指中子吸收劑量或中子劑量當量。中子劑量測定主要指中子吸收劑量和劑量當量的測量，此外還包括表示劑量分布的微劑量測量。吸收劑量通常使用組織等效電離室、乙烯-聚乙烯正比計數器、硫酸亞鐵探測器以及量熱計等測量。多數情況下，組織等效電離室是測定快中子吸收劑量最準確的裝置儀器。劑量當量測量僅適用于輻射防護，所采用的方法分場所監測和個人監測兩類，其響應正比于最大劑量當量。微劑量測定的目的在于從實驗上研究輻射在直徑為微米量級或更小的球體內能量沉積的空間分布和譜分布。

除個別特殊場合外，有中子的場所都會存在γ輻射，因此，中子劑量的監測其實就是n-γ混合輻射場中子劑量監測。

對于n-γ混合輻射場的劑量測量，中子的探測是其中的難點。由于中子呈電中性，因此它不能直接引起物質電離而被探測，必須借助中子與原子核發生作用而產生次級帶電粒子或γ射線來實現。中子探測另一個難點在于中子能量范圍寬(10-6～108eV)，沒有一種探測器能探測如此寬能量范圍的中子，而且中子探測器的探測效率與中子能量息息相關，因此只能根據不同的能量范圍，選擇不同類型的探測器。

在n-γ混合輻射場中一般采用兩種探測器配對的方式測量中子劑量，一種探測器(稱A探測器)對中子和γ射線都靈敏；另一種探測器(稱B探測器)只對γ靈敏，對中子不靈敏。兩種探測器同時在n-γ混合場中測量，用B探測器的響應直接得到混合場中γ射線劑量的大小，再通過一定的方法，扣除A探測器對γ射線的響應，就可以得到n-γ混合場中中子劑量的大小。

2 熱釋光探測器測量中子劑量原理

熱釋光劑量元件是用來記錄輻射累積劑量的一種探測器。根據不同需要，有不同規格的圓片、方片、薄膜、粉末、玻璃管等形狀。其原理為：用熱釋光晶體材料制成的探測器，在輻射場中，能夠貯存所受的輻射能，當對探測器進行加熱時，這些輻射能以光的形式放出，由熱釋光讀出器將這些光能收集起來，根據發光強度與吸收劑量成正比的關系，可計算所受輻照的劑量。

熱釋光探測器測量中子一般采用6LiF、7LiF各2片共4片劑量片組成一個探測器的組合方式。其中，一對6LiF和7LiF后襯0.8 mm厚鎘片，用于測量直接照射的中子；另一對6LiF和7LiF劑量片前覆蓋0.8 mm厚鎘片，用于測量反照中子，熱釋光探測器測量中子劑量原理如圖1所示。

圖1 熱釋光探測器測量中子劑量

中子入射到熱釋光探測器后，6LiF對于熱釋光的主要影響來自6Li(n,α)3H反應所產生的α粒子和氚，反應的俘獲截面為945 b；而7Li(n,γ)8Li的反應俘獲截面只有0.033 b，兩者相差4個數量級，7LiF對熱中子響應可以忽略；同時由于兩種探測器對γ射線的響應接近，因此可選擇6LiF、7LiF熱釋光探測器配對進行中子和γ劑量測量，用7LiF測γ射線劑量，6LiF測量中子和γ射線劑量響應之和，兩者相減，便可得到中子劑量。

3 試驗驗證

3.1 γ射線刻度

由于6LiF與7LiF熱釋光探測器對γ射線響應略有不同，因此需要對兩種熱釋光探測器進行刻度。

在中國輻射防護研究院放射性計量站137Cs參考輻射場進行熱釋光探測器γ射線刻度試驗，共測試4組熱釋光探測器，每組有6LiF、7LiF各一只，選擇不同劑量對6LiF、7LiF進行輻照，測量結果列于表1。

根據測量結果，得6LiF、7LiF熱釋光探測器讀數與受照劑量關系的擬合方程分別為：

R6F=K6F×Dγ=62.24×Dγ

(1)

R7F=K7F×Dγ=57.90×Dγ

(2)

式中，Dγ為137Cs γ射線劑量；R6F、R7F分別為6LiF、7LiF熱釋光探測器讀數。由此得6LiF、7LiF熱釋光探測器相對響應系數P為：

(3)

3.2 n-γ混合輻射場測量

在中國輻射防護研究院放射性計量站252Cf參考輻射場進行測試，252Cf中子源有伴生γ射線，因此輻射場為n-γ混合輻射場。共測試4組熱釋光探測器，每組有6LiF、7LiF各1只，將熱釋光探測器固定在體模上，選擇不同劑量對6LiF、7LiF熱釋光探測器進行輻照，測試結果列于表2。

表2 6LiF、7LiF熱釋光探測器252Cf參考輻射場測試結果

由表2中的測量結果，得6LiF、7LiF熱釋光探測器中子測量凈讀數與受照劑量關系的擬合方程為：

Y=4.78×Dn

(4)

式中，Y為熱釋光探測器凈讀數，Dn為252Cf中子劑量。

由式(4)可得n-γ混合輻射場中，中子劑量Dn的計算公式：

(5)

由式(5)計算得到n-γ混合輻射場中的中子劑量，將根據擬合方程計算的劑量結果與實際照射劑量進行比較，結果列于表3。

表3 熱釋光探測器中子測量結果及相對誤差

由表3可見，熱釋光探測器在n-γ混合輻射場中中子劑量測量結果的最大誤差為-8.92%。

4 總結

本文介紹了n-γ混合輻射場中中子的測量方法，研究了6LiF、7LiF熱釋光探測器在n-γ混合輻射場中測量中子劑量的原理及測量方法，并在137Cs參考輻射場進行刻度后，在252Cf n-γ混合輻射場進行測試驗證，經過驗證，熱釋光探測器在n-γ混合輻射場中中子劑量測量誤差最大為-8.92%。