一種新型熱釋光自動快速退火冷卻裝置的設計*

趙進沛 周 超 張 建 李秀芹 江其生

熱釋光是某些特定物質被電離輻射或紫外輻照后再被加熱時因受輻照的激發(fā)而產(chǎn)生的光發(fā)射現(xiàn)象，根據(jù)上述原理所建立的測量技術即為熱釋光輻射劑量測量技術[1]。目前，該技術已經(jīng)廣泛應用于輻射防護、放射醫(yī)學、放射生物學、地質學、考古學和環(huán)境保護等領域，尤其是在核與輻射突發(fā)事件救援的人員劑量評估和放射損傷救治中發(fā)揮著重要作用[2-3]。熱釋光劑量測量系統(tǒng)主要包括讀出器、退火爐、熱釋光劑量計和熱釋光照射器等部分，其主要測量步驟為熱釋光探測器的退火與冷卻，接受輻照，讀出儀讀數(shù)以及數(shù)據(jù)處理等諸多中間環(huán)節(jié)，為保證測量結果的準確可靠，需要對各環(huán)節(jié)、各因素進行嚴格的質量控制[4-5]。退火和冷卻作為熱釋光劑量測量的關鍵步驟，其作用在于將探測器中殘留劑量去除，并恢復熱釋光探測器的靈敏度、重復性以及降低其分散性等，不同的退火及冷卻程序，將對探測器的靈敏度、發(fā)光曲線的形狀、探測器一致性和重復使用產(chǎn)生較大影響[6-7]。本研究旨在為熱釋光探測器退火后的快速冷卻提供一種新型裝置和手段。

1 熱釋光自動快速退火冷卻裝置研究現(xiàn)狀

理想的熱釋光探測器退火后冷卻裝置應能實現(xiàn)高溫探測器快速冷卻，且冷卻速率分布均勻，冷卻條件可重復，并能滿足不同探測器冷卻條件變化的要求?，F(xiàn)有冷卻裝置(方式)有集成于熱釋光退火爐中的散熱器，通常是在較小的空間底部放置一金屬板，上方安置風機，依靠吹風實現(xiàn)散熱目的，但該裝置受退火爐本身熱源的影響，且散熱空間小、銅板溫度不夠低，因此散熱效率較差；另一種方式是采用金屬板并結合吹風的方式在室溫環(huán)境下冷卻，其中金屬板可為普通室溫，也可以采用半導體溫差電致冷源致冷，通過盛裝熱釋光探測器的盤子底部與金屬板接觸達到降溫目的，或通過手持吹風設備進行散熱，此類方式在散熱效率方面有所提高，但存在受室溫影響、吹風操作不易精確重復等因素影響，冷卻條件不可控?！稛後尮馓綔y器退火冷卻爐》(專利號201220167212.5)[8]以及《熱釋光退火水風高效散熱器》(專利號201420608689.1)[9]分別采用了金屬導體散熱、流動水輔助散熱、風機吹風散熱等手段，在一定程度上提高了散熱效率，吹風條件相對固定，但仍然存在受室溫影響大，冷卻條件不可控，不易精確重復等問題。

2 熱釋光自動快速退火冷卻裝置設計

2.1 設計原理

針對既往研究情況，本研究設計了一種新型熱釋光自動快速退火冷卻裝置，其最大的特點是將熱釋光探測器盤和吹風裝置包圍在恒定的低溫氛圍中，散熱效率高，且冷卻條件可控、可調(diào)，易于重復，顯著提高其冷卻效率和改善其效果。

新型熱釋光自動快速退火冷卻裝置的設計原理在于使熱釋光探測器及其吹風裝置整體包圍在恒定的低溫氛圍，以提高散熱效率并保證溫度的分布均勻，同時綜合采用冰箱的溫度控制調(diào)節(jié)、風機的轉速調(diào)節(jié)、金屬框架與熱釋光探測器盤的距離調(diào)節(jié)以及利用金屬板處的溫度指示功能，實現(xiàn)熱釋光探測器冷卻條件的可控、可調(diào)和精確重復。

2.2 裝置結構

熱釋光自動快速退火冷卻裝置主要包括冷卻底板、金屬框架、風機和小型玻璃門電冰箱。其中，冷卻底板為至少5 mm厚的銅質金屬板，在該板中心放置熱釋光探測器退火盤，并設計位置標志。冷卻銅板位于金屬框架的底部，可以獨立存在，也可與金屬框架連結為一體。金屬板上設置一放置水銀溫度計的凹槽，凹槽中放置最小分度為0.1 ℃的水銀溫度計；也可在冷卻銅板上設置溫度感應器，可以實時感應銅板的溫度。該金屬框架具有頂框及支撐柱。支撐柱可為4個，其作用在于支撐頂框，設計為可伸縮結構，有高低調(diào)節(jié)裝置和相對位置指示裝置，通過手動或電動遙控方式實現(xiàn)頂框(包括風機)與熱釋光探測器盤的精密距離調(diào)節(jié)。頂框上固定風機，風機自帶直流電源，同時風機具有變速檔位，可實施風速調(diào)節(jié)。

退火冷卻裝置結構包括冷卻銅板、水銀溫度計、金屬框架、風機等，均放置于小型玻璃門電冰箱中，小型玻璃門電冰箱的玻璃門設置于電冰箱側面，其關閉與風機的開啟連鎖。風機設置兩個串聯(lián)開關，一個開關通過導線采用手動方式實現(xiàn)開啟和關閉，另一個開關設在金屬框架處與電冰箱門關閉連鎖，即電冰箱門關閉時，則啟動與電冰箱門連鎖的風機開關，當兩個開關都處于開啟狀態(tài)時才可正常啟動風機工作，其退火冷卻裝置結構見圖1。

圖1 新型熱釋光自動快速退火冷卻裝置結構

3 熱釋光自動快速退火冷卻裝置應用

將風機手動開關置于關閉位置，然后通過調(diào)節(jié)電冰箱的溫控器，以及調(diào)節(jié)風機轉速選擇檔和風機高度，選定合適的冷卻條件。按照上述條件，進行一定時間的預冷卻，在此期間可以通過嵌于銅板上的水銀溫度計觀察記錄實際溫度，并等到溫度基本恒定后再進行下一步操作。

自退火爐取出已經(jīng)完成退火的退火盤，打開小型電冰箱的玻璃門，將退火盤放置于冷卻銅板退火盤位置標志處，同時開啟風機手動開關，迅速關閉電冰箱玻璃門并觸發(fā)連鎖開關，此時風機開啟吹冷風。由于電冰箱內(nèi)的溫度已經(jīng)預冷卻，冷卻銅板處于與冰箱內(nèi)環(huán)境溫度一樣的低溫狀態(tài)，同時風機轉動形成電冰箱中封閉空間氣流的快速擾動，由于該氣流具有預冷卻的溫度，故能夠迅速地將退火盤及其探測器的溫度降至與電冰箱中封閉空間溫度基本一致的狀態(tài)。

4 熱釋光自動快速退火冷卻裝置應用效果

采用技術方案設計后，新型熱釋光自動快速退火冷卻裝置不僅提高了散熱效率，而且可以通過調(diào)節(jié)電冰箱溫控器、風機轉速和風機高度，選擇不同冷卻條件，體現(xiàn)了自動化程度高、結構簡單以及成本低廉的優(yōu)勢。

4.1 全方位制冷且冷卻效果好

該裝置集成了金屬板接觸制冷、全空間環(huán)境低溫制冷和風機快速吹冷風制冷等多種散熱方式，極大地提高了冷卻速率，有利于保持熱釋光探測器較高的靈敏度。加熱至240 ℃的水銀溫度計在調(diào)節(jié)所屬裝置不同條件下使之冷卻至室溫所用時間，可見通過調(diào)節(jié)冰箱溫控器實現(xiàn)環(huán)境溫度變化和控制，結合風機擾動，其比室溫下自然冷卻效率有很大提高。而且，通過冷卻銅板與盛裝探測器的金屬盤的緊密接觸，以及風機旋轉帶動的恒定低溫空氣與熱釋光探測器的全方位接觸，不僅對散熱效率有很大促進，而且降溫速率分布一致性好，避免了人為操作過程導致的降溫速率的空間與時間差異，保證了同批熱釋光探測器冷卻效果的均勻一致(見表1)。

表1 240 ℃水銀溫度計在不同條件下冷卻至24 ℃室溫所用時間

4.2 冷卻條件可控可調(diào)

該設計綜合利用電冰箱溫控器、風機轉速和風機高度等多種調(diào)節(jié)手段，可以實現(xiàn)冷卻方式的精細化調(diào)節(jié)，從而可通過試驗確定不同熱釋光探測器的最佳退火冷卻條件，滿足不同熱釋光探測器退火散熱要求。同時，由于可以對冷卻條件進行精確調(diào)控，保證了各次退火冷卻條件的高度一致性，為熱釋光劑量監(jiān)測的靈敏度、重復性和準確度提供了保障。加熱至240 ℃的水銀溫度計，通過調(diào)節(jié)所述裝置不同冰箱溫度和風機相對于探測器的不同高度(14 cm、12 cm及10 cm)，冷卻至15 ℃分別需要的時間見圖2。

圖2 不同電冰箱溫度和風機高度冷卻至15℃所用時間曲線圖

加熱至240 ℃的水銀溫度計，重復采用相同的電冰箱溫度、風機高度和冷卻時間等條件，最終冷卻溫度的一致性見表2。

表2 240 ℃水銀溫度計固定條件下冷卻的最終溫度(℃)

4.3 結構簡單且易于操作

該裝置通過小型電冰箱、風機、金屬板及金屬框架等常見設備和裝置的系統(tǒng)集成，解決了熱釋光探測器退火冷卻存在的問題，由于不同冷卻條件精密可控，適用于各類熱釋光探測器的應用。該裝置原料易得、結構簡單且成本很低。同時，作為專用的冷卻裝置，其自動化程度較高，不需要專門的培訓即可應用，顯著降低了由人工操作差異帶來的影響。

5 結論

作為輻射劑量測量的重要手段，熱釋光技術已廣泛應用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、科學技術以及應急救援等各個領域，尤其是已經(jīng)成為放射工作人員個人劑量監(jiān)測的常規(guī)手段，對廣大放射工作人員的職業(yè)健康管理發(fā)揮著重要作用[10-12]。因此，做好熱釋光輻射劑量測量的質量控制，保證測量結果的準確可靠具有重要的現(xiàn)實意義[13-14]。

退火冷卻作為熱釋光劑量測量的重要環(huán)節(jié)，對熱釋光探測器的分散性以及熱釋光測量系統(tǒng)的靈敏度、重復性及準確性具有明顯的影響。趙進沛等[15]實驗表明，同一批探測器在240 ℃退火后，在0～45 ℃環(huán)境溫度范圍內(nèi)每隔5 ℃選擇一個冷卻條件，在冷卻溫度為5 ℃的條件下，同批受照探測器的變異系數(shù)最小，為3.6%；而冷卻溫度為40 ℃條件下，同批受照探測器的變異系數(shù)則高達7.5%。可見退火冷卻條件對熱釋光的檢測具有非常重要的影響。然而，目前已有的退火冷卻手段還存在不少問題，其突出表現(xiàn)在散熱效率低、降溫速率空間分布不均勻、受室溫及人員操作影響較大、冷卻條件難以量化及可重復性差等，盡管近年來改進的一些裝置在一定程度上解決了部分問題，但仍然不能滿足精密退火冷卻的要求。本研究通過整合低溫致冷、氣流擾動、多因素調(diào)節(jié)控制等功能，實現(xiàn)了熱釋光探測器的快速制冷，條件可控可調(diào)，重復性好，對于保證熱釋光劑量測量的準確性和可靠性，具有重要意義，有較高的推廣應用價值。