熱釋光探測(cè)器測(cè)量n-γ混合輻射場(chǎng)中子劑量

梁晶 (海軍裝備部， 山西 太原， 030000)

霍繼生 (中國(guó)人民解放軍91515部隊(duì)， 572016)

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

0 引言

熱釋光探測(cè)器具有能量響應(yīng)好、靈敏度高、量程范圍寬、重量輕、體積小、受環(huán)境因素影響小和能重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)。1953年美國(guó)科學(xué)家Daniels等首次提出用于劑量測(cè)量，1960、1970年代熱釋光測(cè)量技術(shù)得到很大的發(fā)展，廣泛用于輻射防護(hù)、放射醫(yī)學(xué)、放射生物學(xué)、地質(zhì)學(xué)、考古學(xué)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域，尤其在從事中子及γ放射工作人員個(gè)人劑量監(jiān)測(cè)方面應(yīng)用相當(dāng)普遍。

1 中子劑量測(cè)量

中子劑量通常指中子吸收劑量或中子劑量當(dāng)量。中子劑量測(cè)定主要指中子吸收劑量和劑量當(dāng)量的測(cè)量，此外還包括表示劑量分布的微劑量測(cè)量。吸收劑量通常使用組織等效電離室、乙烯-聚乙烯正比計(jì)數(shù)器、硫酸亞鐵探測(cè)器以及量熱計(jì)等測(cè)量。多數(shù)情況下，組織等效電離室是測(cè)定快中子吸收劑量最準(zhǔn)確的裝置儀器。劑量當(dāng)量測(cè)量?jī)H適用于輻射防護(hù)，所采用的方法分場(chǎng)所監(jiān)測(cè)和個(gè)人監(jiān)測(cè)兩類，其響應(yīng)正比于最大劑量當(dāng)量。微劑量測(cè)定的目的在于從實(shí)驗(yàn)上研究輻射在直徑為微米量級(jí)或更小的球體內(nèi)能量沉積的空間分布和譜分布。

除個(gè)別特殊場(chǎng)合外，有中子的場(chǎng)所都會(huì)存在γ輻射，因此，中子劑量的監(jiān)測(cè)其實(shí)就是n-γ混合輻射場(chǎng)中子劑量監(jiān)測(cè)。

對(duì)于n-γ混合輻射場(chǎng)的劑量測(cè)量，中子的探測(cè)是其中的難點(diǎn)。由于中子呈電中性，因此它不能直接引起物質(zhì)電離而被探測(cè)，必須借助中子與原子核發(fā)生作用而產(chǎn)生次級(jí)帶電粒子或γ射線來(lái)實(shí)現(xiàn)。中子探測(cè)另一個(gè)難點(diǎn)在于中子能量范圍寬(10-6～108eV)，沒(méi)有一種探測(cè)器能探測(cè)如此寬能量范圍的中子，而且中子探測(cè)器的探測(cè)效率與中子能量息息相關(guān)，因此只能根據(jù)不同的能量范圍，選擇不同類型的探測(cè)器。

在n-γ混合輻射場(chǎng)中一般采用兩種探測(cè)器配對(duì)的方式測(cè)量中子劑量，一種探測(cè)器(稱A探測(cè)器)對(duì)中子和γ射線都靈敏；另一種探測(cè)器(稱B探測(cè)器)只對(duì)γ靈敏，對(duì)中子不靈敏。兩種探測(cè)器同時(shí)在n-γ混合場(chǎng)中測(cè)量，用B探測(cè)器的響應(yīng)直接得到混合場(chǎng)中γ射線劑量的大小，再通過(guò)一定的方法，扣除A探測(cè)器對(duì)γ射線的響應(yīng)，就可以得到n-γ混合場(chǎng)中中子劑量的大小。

2 熱釋光探測(cè)器測(cè)量中子劑量原理

熱釋光劑量元件是用來(lái)記錄輻射累積劑量的一種探測(cè)器。根據(jù)不同需要，有不同規(guī)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(cè)器，在輻射場(chǎng)中，能夠貯存所受的輻射能，當(dāng)對(duì)探測(cè)器進(jìn)行加熱時(shí)，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(lái)，根據(jù)發(fā)光強(qiáng)度與吸收劑量成正比的關(guān)系，可計(jì)算所受輻照的劑量。

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

圖1 熱釋光探測(cè)器測(cè)量中子劑量

中子入射到熱釋光探測(cè)器后，6LiF對(duì)于熱釋光的主要影響來(lái)自6Li(n,α)3H反應(yīng)所產(chǎn)生的α粒子和氚，反應(yīng)的俘獲截面為945 b；而7Li(n,γ)8Li的反應(yīng)俘獲截面只有0.033 b，兩者相差4個(gè)數(shù)量級(jí)，7LiF對(duì)熱中子響應(yīng)可以忽略；同時(shí)由于兩種探測(cè)器對(duì)γ射線的響應(yīng)接近，因此可選擇6LiF、7LiF熱釋光探測(cè)器配對(duì)進(jìn)行中子和γ劑量測(cè)量，用7LiF測(cè)γ射線劑量，6LiF測(cè)量中子和γ射線劑量響應(yīng)之和，兩者相減，便可得到中子劑量。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 γ射線刻度

由于6LiF與7LiF熱釋光探測(cè)器對(duì)γ射線響應(yīng)略有不同，因此需要對(duì)兩種熱釋光探測(cè)器進(jìn)行刻度。

在中國(guó)輻射防護(hù)研究院放射性計(jì)量站137Cs參考輻射場(chǎng)進(jìn)行熱釋光探測(cè)器γ射線刻度試驗(yàn)，共測(cè)試4組熱釋光探測(cè)器，每組有6LiF、7LiF各一只，選擇不同劑量對(duì)6LiF、7LiF進(jìn)行輻照，測(cè)量結(jié)果列于表1。

根據(jù)測(cè)量結(jié)果，得6LiF、7LiF熱釋光探測(cè)器讀數(shù)與受照劑量關(guān)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(cè)器讀數(shù)。由此得6LiF、7LiF熱釋光探測(cè)器相對(duì)響應(yīng)系數(shù)P為：

(3)

3.2 n-γ混合輻射場(chǎng)測(cè)量

在中國(guó)輻射防護(hù)研究院放射性計(jì)量站252Cf參考輻射場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試，252Cf中子源有伴生γ射線，因此輻射場(chǎng)為n-γ混合輻射場(chǎng)。共測(cè)試4組熱釋光探測(cè)器，每組有6LiF、7LiF各1只，將熱釋光探測(cè)器固定在體模上，選擇不同劑量對(duì)6LiF、7LiF熱釋光探測(cè)器進(jìn)行輻照，測(cè)試結(jié)果列于表2。

表2 6LiF、7LiF熱釋光探測(cè)器252Cf參考輻射場(chǎng)測(cè)試結(jié)果

由表2中的測(cè)量結(jié)果，得6LiF、7LiF熱釋光探測(cè)器中子測(cè)量?jī)糇x數(shù)與受照劑量關(guān)系的擬合方程為：

Y=4.78×Dn

(4)

式中，Y為熱釋光探測(cè)器凈讀數(shù)，Dn為252Cf中子劑量。

由式(4)可得n-γ混合輻射場(chǎng)中，中子劑量Dn的計(jì)算公式：

(5)

由式(5)計(jì)算得到n-γ混合輻射場(chǎng)中的中子劑量，將根據(jù)擬合方程計(jì)算的劑量結(jié)果與實(shí)際照射劑量進(jìn)行比較，結(jié)果列于表3。

表3 熱釋光探測(cè)器中子測(cè)量結(jié)果及相對(duì)誤差

由表3可見(jiàn)，熱釋光探測(cè)器在n-γ混合輻射場(chǎng)中中子劑量測(cè)量結(jié)果的最大誤差為-8.92%。

4 總結(jié)

本文介紹了n-γ混合輻射場(chǎng)中中子的測(cè)量方法，研究了6LiF、7LiF熱釋光探測(cè)器在n-γ混合輻射場(chǎng)中測(cè)量中子劑量的原理及測(cè)量方法，并在137Cs參考輻射場(chǎng)進(jìn)行刻度后，在252Cf n-γ混合輻射場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，熱釋光探測(cè)器在n-γ混合輻射場(chǎng)中中子劑量測(cè)量誤差最大為-8.92%。