CaF2:Mn(TLD-400)熱壓片的高劑量響應(yīng)特性

宋曉靚，歐陽曉平，江新標(biāo)

(1.西安交通大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710049；2.西北核技術(shù)研究所 強(qiáng)脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710024)

熱釋光方法[1-2]因測量范圍寬、易于操作、體積小、價格便宜等優(yōu)點(diǎn)，在高能光子100 Gy～10 kGy范圍的高劑量測量中獲得了較廣泛的應(yīng)用。白小燕等[3]、王晨輝等[4]研究了國產(chǎn)LiF(Mg,Ti)-M元件的γ響應(yīng)特性，將其用于強(qiáng)脈沖輻射場幾百Gy吸收劑量測量。Bilski等[5]研究了標(biāo)準(zhǔn)(LiF:Mg,Ti)、(LiF:Mg,Cu,P)(MCP)及改進(jìn)的(LiF:Mg,Ti)等3種LiF磷光體在10 Gy～10 kGy范圍的高劑量性能，以滿足地球軌道國際空間站內(nèi)宇宙射線長期輻照的測量需求。陳朝陽等[6]制備了CaF2:Mn/Teflon劑量計(jì)用于測量穩(wěn)態(tài)γ射線輻射場內(nèi)電子材料吸收劑量。CaF2:Mn磷光體基于高靈敏度、寬響應(yīng)范圍和測量上限達(dá)kGy等優(yōu)點(diǎn)，成為輻射劑量學(xué)領(lǐng)域高劑量水平測量的首選探測器之一[7-9]。但CaF2:Mn磷光體因廠家、形態(tài)和尺寸的差異，其輻射響應(yīng)性能有較大差異[10-12]。Singh等[13]制備的CaF2:Mn透明陶瓷僅在3～100 mGy呈線性響應(yīng)，而Schulman等[14]制備的CaF2:Mn(玻璃封裝/金屬封裝)粉末劑量計(jì)線性上限達(dá)1.7 kGy。Gorbicst等[15]對多種CaF2:Mn(Teflon圓片、粉末、熱壓片)劑量計(jì)研究表明，在約870 Gy存在不同程度的非線性。美國Harshaw化學(xué)公司生產(chǎn)的CaF2:Mn(TLD-400)飽和劑量水平為1 kGy[2]；而Bakshi等[11]制備的CaF2:Mn磷光體(3%Mn)在50 Gy～3 kGy范圍內(nèi)具有線性響應(yīng)。由此可見，因制備方法、制備工藝、測量設(shè)備等條件影響，CaF2:Mn磷光體對γ輻射的線性響應(yīng)、測量上限等關(guān)鍵性能仍存在較大分歧。為建立基于CaF2:Mn熱釋光的電子器件吸收劑量測量方法，了解美國賽默飛世爾科技公司生產(chǎn)的CaF2:Mn(TLD-400)的γ輻射響應(yīng)特性，本文利用60Co γ輻照裝置從發(fā)光曲線、響應(yīng)曲線、線性范圍、飽和特性等較系統(tǒng)地研究CaF2:Mn熱壓片在高劑量水平的熱釋光響應(yīng)性能，獲得新的響應(yīng)曲線，為CaF2:Mn熱壓片在電子器件劑量測量的可靠應(yīng)用提供重要參考。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 材料和設(shè)備

實(shí)驗(yàn)采用的CaF2:Mn磷光體為美國賽默飛世爾科技公司生產(chǎn)的TLD-400熱壓片，尺寸為3.2 mm×3.2 mm×0.89 mm，標(biāo)稱范圍為0.87 μGy～2.6 kGy，退火后可重復(fù)使用。熱釋光信號讀出和退火分別采用北京康科洛電子有限公司生產(chǎn)的BRGD 2000-D型熱釋光劑量讀出器和2000B TLD遠(yuǎn)紅外精密退火爐。讀出參數(shù)為：高壓，575 V；靈敏度，4；溫度，400 ℃；加熱速率，1 ℃·s-1、5 ℃·s-1。退火程序?yàn)椋狠椪涨?50 ℃(1 h)，讀出前100 ℃(10 min)。退火后利用退火爐的冷卻功能將CaF2:Mn熱壓片快速冷卻至室溫。

1.2 輻照實(shí)驗(yàn)

輻照實(shí)驗(yàn)是在西北核技術(shù)研究所強(qiáng)脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的兩臺60Co γ輻照裝置上進(jìn)行的。兩臺60Co γ輻照裝置源出廠活度分別為3.7×1014Bq、9.6×1015Bq，輻照劑量率分別為21.38 Gy/h、945.5 Gy/h。劑量率測量采用德國PTW公司生產(chǎn)的工作級TW30013 0.6 cm3電離室，每年溯源至西北核技術(shù)研究所二級計(jì)量站次級標(biāo)準(zhǔn)0.6 cm3電離室(U=2.5%，k=2)。為滿足γ輻照時的電子平衡條件，將CaF2:Mn熱壓片放置在2.2 mm厚的鋁盒中輻照。

2 結(jié)果及討論

2.1 發(fā)光曲線

實(shí)驗(yàn)獲得的CaF2:Mn熱壓片熱釋光發(fā)光曲線如圖1所示。發(fā)光曲線均由一個主發(fā)光峰構(gòu)成，主發(fā)光峰是由多個峰疊加而成的寬復(fù)合峰，即為幾個非常接近的陷阱能級產(chǎn)生，主發(fā)光峰溫度在260 ℃左右。從圖1a～d可看出，CaF2:Mn熱壓片熱釋光發(fā)光曲線的形狀與輻照劑量有密切關(guān)系，隨輻照劑量的增加，發(fā)光峰峰形、峰寬、峰高都發(fā)生了相應(yīng)變化。

2.2 劑量響應(yīng)曲線

1) 劑量響應(yīng)

為獲取CaF2:Mn熱壓片在1～3 500 Gy范圍的高精度劑量響應(yīng)曲線，從同批劑量片中挑選出響應(yīng)一致性在0.5%內(nèi)的20片，分為4組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。動態(tài)設(shè)定了26個劑量值，在兩臺60Co γ輻照裝置上逐一輻照至預(yù)定劑量水平。熱釋光讀出采用最小加熱速率1 ℃·s-1。按照輻照前退火、輻照設(shè)定劑量值、讀出前退火、熱釋光讀出等流程完成所有劑量的輻照測量。CaF2:Mn熱壓片對60Co γ輻射的熱釋光響應(yīng)采用主發(fā)光峰強(qiáng)度表示，即對發(fā)光曲線中的主發(fā)光峰面積進(jìn)行積分，得到總發(fā)光強(qiáng)度。

CaF2:Mn熱壓片對60Co γ射線的劑量響應(yīng)曲線如圖2a所示。在1～3 500 Gy范圍，劑量響應(yīng)曲線由兩段線性響應(yīng)區(qū)域(1～500 Gy、500～2 200 Gy)和一段飽和區(qū)域(2 200～3 500 Gy)組成。在1～500 Gy和500～2 200 Gy范圍，CaF2:Mn熱壓片發(fā)光強(qiáng)度隨輻照劑量增加而線性增長，但γ響應(yīng)靈敏度不同，1～500 Gy區(qū)域的靈敏度明顯大于500～2 200 Gy的靈敏度。CaF2:Mn熱壓片的雙線性響應(yīng)特點(diǎn)未見文獻(xiàn)公開報(bào)道，陳朝陽等[6]報(bào)道CaF2:Mn/Teflon線性范圍是一條直線(圖2b)。當(dāng)輻照劑量在2 200～3 500 Gy范圍時，CaF2:Mn熱壓片發(fā)光強(qiáng)度不再上漲，響應(yīng)出現(xiàn)飽和，且飽和前未觀察到亞線性或超線性等非線性增長區(qū)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，CaF2:Mn熱壓片的線性上限即測量上限為2 200 Gy，小于廠商標(biāo)稱上限2 600 Gy。

a——實(shí)驗(yàn)結(jié)果；b——文獻(xiàn)[6]結(jié)果圖2 CaF2:Mn熱壓片的劑量響應(yīng)曲線 Fig.2 Dose response curve of CaF2:Mn chip

2) 靈敏度響應(yīng)

熱釋光材料的靈敏度由單位質(zhì)量、單位吸收劑量發(fā)出的熱釋光強(qiáng)度來確定[2]。同一批次CaF2:Mn熱壓片質(zhì)量相同，其靈敏度可定義為單位吸收劑量的熱釋光響應(yīng)值，則：

(1)

式中：S為靈敏度，Gy-1；C為熱釋光發(fā)光峰強(qiáng)度(任意單位)；D為吸收劑量，Gy。

將CaF2:Mn熱壓片在1～2 200 Gy范圍的熱釋光發(fā)光強(qiáng)度除以相應(yīng)的吸收劑量得到每個劑量值的靈敏度，以靈敏度和吸收劑量繪圖獲得CaF2:Mn熱壓片的靈敏度響應(yīng)曲線，如圖3所示?？煽闯?，當(dāng)吸收劑量從1 Gy逐步增加到400 Gy時，CaF2:Mn熱壓片對60Co γ射線的響應(yīng)靈敏度隨吸收劑量的增加迅速增長，當(dāng)吸收劑量為400 Gy時達(dá)到極大值；隨后隨著吸收劑量繼續(xù)增大，靈敏度快速下降；當(dāng)吸收劑量為1 800 Gy時，靈敏度下降幅度趨于平緩直至飽和。

圖3 CaF2:Mn熱壓片的靈敏度響應(yīng)Fig.3 Sensitivity of CaF2:Mn chip

3) 線性擬合

CaF2:Mn熱壓片在1～500 Gy和500～2 200 Gy范圍的熱釋光響應(yīng)呈線性增長，分別對其線性擬合，結(jié)果如圖4所示，線性擬合函數(shù)的斜率代表線性范圍的響應(yīng)靈敏度。1～500 Gy線性范圍的響應(yīng)靈敏度為2.49×105，而500～2 200 Gy范圍的響應(yīng)靈敏度為4.48×104，兩者相差近5倍。線性相關(guān)系數(shù)(R2)分別為0.996、0.995，線性相關(guān)性較好。因此，在1～3 500 Gy的劑量范圍，其線性響應(yīng)范圍為1～2 200 Gy。

a——1～500 Gy；b——500～2 200 Gy圖4 CaF2:Mn熱壓片的線性范圍Fig.4 Linear range of CaF2:Mn chip

2.3 響應(yīng)的一致性和復(fù)現(xiàn)性

1) 一致性響應(yīng)

從同批CaF2:Mn熱壓片中隨機(jī)選取30片進(jìn)行響應(yīng)的一致性實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行編號、退火、輻照和測量。輻照劑量為50 Gy，劑量率為21.38 Gy/h，30片CaF2:Mn熱壓片響應(yīng)分布如圖5所示。由圖5可知，響應(yīng)范圍為9.50×106～1.15×107，平均值為1.06×107，變異系數(shù)為3.8%，滿足GJB 2165—94《應(yīng)用熱釋光劑量測量系統(tǒng)確定電子器件吸收劑量的方法》[16]關(guān)于TLD響應(yīng)一致性的要求。

圖5 CaF2:Mn熱壓片的一致性響應(yīng)Fig.5 Uniformity of CaF2:Mn chip response

2) 復(fù)現(xiàn)性響應(yīng)

選取10片CaF2:Mn熱壓片(<0.5%)組成1組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，輻照劑量為1 000 Gy。為提高讀出效率，讀出器加熱速率設(shè)置為5 ℃·s-1。按照退火-輻照-退火-讀出完成1次測量，重復(fù)10次實(shí)驗(yàn)，每次實(shí)驗(yàn)的平均值為測量結(jié)果，CaF2:Mn熱壓片響應(yīng)的復(fù)現(xiàn)性如圖6所示。10次重復(fù)實(shí)驗(yàn)的平均值為4.50×107，變異系數(shù)為0.47%，滿足GJB 2165—94《應(yīng)用熱釋光劑量測量系統(tǒng)確定電子器件吸收劑量的方法》[16]關(guān)于TLD響應(yīng)復(fù)現(xiàn)性的要求。

圖6 CaF2:Mn熱壓片響應(yīng)的復(fù)現(xiàn)性Fig.6 Reproducibility of CaF2:Mn chip response

2.4 衰退特性

選取兩組CaF2:Mn熱壓片開展其熱釋光信號隨貯存時間衰退的實(shí)驗(yàn)。一組輻照60 Gy，輻照后立即退火、冷卻，然后在暗室中室溫保存，觀察時間為1周，測量時間為輻照退火后1 h、24 h和1周，讀出時加熱速率為1 ℃·s-1；另一組輻照500 Gy，觀察時間為3周，測量時間為輻照退火后1 h、1周、2周、3周，讀出時加熱速率為5 ℃·s-1。兩組熱釋光信號隨時間衰退的變化如圖7所示，其中，圖7a輻照劑量為60 Gy，貯存時間最長為1周，對1 h的響應(yīng)強(qiáng)度歸一；圖7b輻照劑量為500 Gy，貯存時間最長為3周，對1 h的響應(yīng)強(qiáng)度歸一。當(dāng)劑量為60 Gy時，熱釋光信號在24 h和1周內(nèi)的衰退幅度均約為1%，未見明顯衰退，好于文獻(xiàn)[2-3]中24 h衰退7%～10%的幅度。當(dāng)劑量為500 Gy時，熱釋光信號在2周內(nèi)的衰退幅度為1%，3周內(nèi)的衰退幅度為4%。兩組結(jié)果表明，CaF2:Mn熱壓片熱釋光信號貯存穩(wěn)定性較好，衰退幅度與輻照劑量及加熱速率無明顯相關(guān)性。

圖7 CaF2:Mn熱壓片熱釋光強(qiáng)度隨貯存時間的衰退Fig.7 Dependence of CaF2:Mn chip TL intensity on storage time

2.5 飽和特性

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，劑量大于2 200 Gy后，CaF2:Mn熱壓片熱釋光強(qiáng)度不再上升，響應(yīng)出現(xiàn)飽和，即所有陷阱能級均填滿。為測試飽和劑量輻照對CaF2:Mn熱壓片響應(yīng)性能的影響，選取1組劑量片，在60Co γ輻照裝置上依次輻照至預(yù)定劑量(500、1 000、1 500、2 000 Gy)，讀出響應(yīng)值。再在飽和范圍選取3 000 Gy劑量輻照，直接退火(450 ℃/1 h)。冷卻后再次輻照相同劑量(500、1 000、1 500、2 000 Gy)。比較飽和劑量輻照前、后熱釋光響應(yīng)強(qiáng)度的變化，結(jié)果列于表1。當(dāng)輻照劑量為500 Gy時，飽和后響應(yīng)是飽和前的90.8%，響應(yīng)強(qiáng)度下降了9%；當(dāng)劑量為1 000、1 500、2 000 Gy時，飽和后響應(yīng)分別是飽和前的96.4%、97.0%、96.8%，響應(yīng)強(qiáng)度均下降約3%。結(jié)果表明，飽和劑量輻照導(dǎo)致CaF2:Mn熱壓片響應(yīng)性能下降，且對較低劑量的發(fā)光強(qiáng)度影響大于較高劑量；高溫退火無法恢復(fù)初始陷阱狀態(tài)，表明熱壓片晶格中部分陷阱能級出現(xiàn)了輻照損傷，損傷劑量閾值約為3 000 Gy。

表1 CaF2:Mn熱壓片受到飽和劑量輻照前、后響應(yīng)強(qiáng)度的比較Table 1 Comparison of TL intensity for CaF2:Mn chip before and after saturation

對飽和劑量輻照前、后熱釋光響應(yīng)與劑量線性擬合，結(jié)果如圖8所示。飽和前線性相關(guān)系數(shù)為0.996，飽和后為0.987，線性相關(guān)性下降；擬合函數(shù)斜率從飽和前4.65×104提高至4.98×104，表明CaF2:Mn熱壓片受到3 000 Gy輻照后出現(xiàn)敏化現(xiàn)象，響應(yīng)靈敏度增加了7%。

a——飽和前；b——飽和后圖8 CaF2:Mn熱壓片受到飽和劑量輻照前、后線性響應(yīng)比較Fig.8 Comparison of dose linearity for CaF2:Mn chip before and after saturation

3 結(jié)論

本文在60Co γ輻照裝置上開展了CaF2:Mn(TLD-400)熱壓片在高劑量水平的熱釋光響應(yīng)性能實(shí)驗(yàn)研究，得到如下結(jié)論。

1) 發(fā)光曲線由1個主發(fā)光峰構(gòu)成，主發(fā)光峰是由多個峰疊加而成的寬復(fù)合峰，發(fā)光峰溫度在260 ℃左右，主發(fā)光峰峰形隨輻照劑量而變化，表明發(fā)光曲線復(fù)合峰的準(zhǔn)確形狀與輻照劑量密切相關(guān)。

2) 采用動態(tài)布點(diǎn)和慢加熱速率(1 ℃·s-1)讀出，獲得了高精度劑量響應(yīng)曲線和準(zhǔn)確線性響應(yīng)范圍。1～3 500 Gy范圍的響應(yīng)曲線由γ響應(yīng)靈敏度相差近5倍的兩段線性區(qū)域(1～500 Gy、500～2 200 Gy)和一段飽和區(qū)域(2 200～3 500 Gy)構(gòu)成，線性范圍(1～2 200 Gy)相關(guān)系數(shù)好于0.99，響應(yīng)飽和前未出現(xiàn)亞線性或超線性響應(yīng)區(qū)。飽和劑量閾值(2 200 Gy)小于廠商標(biāo)稱上限2 600 Gy，實(shí)際測量范圍與測量方法和測量條件有關(guān)，具體原因有待研究。

3) 響應(yīng)一致性和復(fù)現(xiàn)性分別為3.8%和0.47%，滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求；熱壓片貯存兩周，信號衰退約1%，3周衰退約4%，表明熱壓片有良好貯存穩(wěn)定性，且信號衰退幅度與輻照劑量和加熱速率無明顯相關(guān)性。

4) 飽和劑量輻照導(dǎo)致CaF2:Mn熱壓片響應(yīng)強(qiáng)度下降3%～9%，線性相關(guān)性下降。高溫退火無法恢復(fù)初始陷阱狀態(tài)，表明CaF2:Mn熱壓片已出現(xiàn)γ輻照損傷效應(yīng)，閾值約為3 000 Gy。

綜上所述，CaF2:Mn熱壓片在高劑量水平的熱釋光響應(yīng)性能良好，與CaF2:Mn(粉末/Teflon)劑量計(jì)相比，其響應(yīng)趨勢和線性范圍明顯不同，表明制備方法、制備工藝及測量設(shè)備對CaF2:Mn磷光體熱釋光響應(yīng)性能有較大影響，在實(shí)際使用時應(yīng)予以關(guān)注。