一种新型热释光自动快速退火冷却装置的设计*

赵进沛 周 超 张 建 李秀芹 江其生

热释光是某些特定物质被电离辐射或紫外辐照后再被加热时因受辐照的激发而产生的光发射现象，根据上述原理所建立的测量技术即为热释光辐射剂量测量技术[1]。目前，该技术已经广泛应用于辐射防护、放射医学、放射生物学、地质学、考古学和环境保护等领域，尤其是在核与辐射突发事件救援的人员剂量评估和放射损伤救治中发挥着重要作用[2-3]。热释光剂量测量系统主要包括读出器、退火炉、热释光剂量计和热释光照射器等部分，其主要测量步骤为热释光探测器的退火与冷却，接受辐照，读出仪读数以及数据处理等诸多中间环节，为保证测量结果的准确可靠，需要对各环节、各因素进行严格的质量控制[4-5]。退火和冷却作为热释光剂量测量的关键步骤，其作用在于将探测器中残留剂量去除，并恢复热释光探测器的灵敏度、重复性以及降低其分散性等，不同的退火及冷却程序，将对探测器的灵敏度、发光曲线的形状、探测器一致性和重复使用产生较大影响[6-7]。本研究旨在为热释光探测器退火后的快速冷却提供一种新型装置和手段。

1 热释光自动快速退火冷却装置研究现状

理想的热释光探测器退火后冷却装置应能实现高温探测器快速冷却，且冷却速率分布均匀，冷却条件可重复，并能满足不同探测器冷却条件变化的要求。现有冷却装置(方式)有集成于热释光退火炉中的散热器，通常是在较小的空间底部放置一金属板，上方安置风机，依靠吹风实现散热目的，但该装置受退火炉本身热源的影响，且散热空间小、铜板温度不够低，因此散热效率较差；另一种方式是采用金属板并结合吹风的方式在室温环境下冷却，其中金属板可为普通室温，也可以采用半导体温差电致冷源致冷，通过盛装热释光探测器的盘子底部与金属板接触达到降温目的，或通过手持吹风设备进行散热，此类方式在散热效率方面有所提高，但存在受室温影响、吹风操作不易精确重复等因素影响，冷却条件不可控。《热释光探测器退火冷却炉》(专利号201220167212.5)[8]以及《热释光退火水风高效散热器》(专利号201420608689.1)[9]分别采用了金属导体散热、流动水辅助散热、风机吹风散热等手段，在一定程度上提高了散热效率，吹风条件相对固定，但仍然存在受室温影响大，冷却条件不可控，不易精确重复等问题。

2 热释光自动快速退火冷却装置设计

2.1 设计原理

针对既往研究情况，本研究设计了一种新型热释光自动快速退火冷却装置，其最大的特点是将热释光探测器盘和吹风装置包围在恒定的低温氛围中，散热效率高，且冷却条件可控、可调，易于重复，显著提高其冷却效率和改善其效果。

新型热释光自动快速退火冷却装置的设计原理在于使热释光探测器及其吹风装置整体包围在恒定的低温氛围，以提高散热效率并保证温度的分布均匀，同时综合采用冰箱的温度控制调节、风机的转速调节、金属框架与热释光探测器盘的距离调节以及利用金属板处的温度指示功能，实现热释光探测器冷却条件的可控、可调和精确重复。

2.2 装置结构

热释光自动快速退火冷却装置主要包括冷却底板、金属框架、风机和小型玻璃门电冰箱。其中，冷却底板为至少5 mm厚的铜质金属板，在该板中心放置热释光探测器退火盘，并设计位置标志。冷却铜板位于金属框架的底部，可以独立存在，也可与金属框架连结为一体。金属板上设置一放置水银温度计的凹槽，凹槽中放置最小分度为0.1 ℃的水银温度计；也可在冷却铜板上设置温度感应器，可以实时感应铜板的温度。该金属框架具有顶框及支撑柱。支撑柱可为4个，其作用在于支撑顶框，设计为可伸缩结构，有高低调节装置和相对位置指示装置，通过手动或电动遥控方式实现顶框(包括风机)与热释光探测器盘的精密距离调节。顶框上固定风机，风机自带直流电源，同时风机具有变速档位，可实施风速调节。

退火冷却装置结构包括冷却铜板、水银温度计、金属框架、风机等，均放置于小型玻璃门电冰箱中，小型玻璃门电冰箱的玻璃门设置于电冰箱侧面，其关闭与风机的开启连锁。风机设置两个串联开关，一个开关通过导线采用手动方式实现开启和关闭，另一个开关设在金属框架处与电冰箱门关闭连锁，即电冰箱门关闭时，则启动与电冰箱门连锁的风机开关，当两个开关都处于开启状态时才可正常启动风机工作，其退火冷却装置结构见图1。

图1 新型热释光自动快速退火冷却装置结构

3 热释光自动快速退火冷却装置应用

将风机手动开关置于关闭位置，然后通过调节电冰箱的温控器，以及调节风机转速选择档和风机高度，选定合适的冷却条件。按照上述条件，进行一定时间的预冷却，在此期间可以通过嵌于铜板上的水银温度计观察记录实际温度，并等到温度基本恒定后再进行下一步操作。

自退火炉取出已经完成退火的退火盘，打开小型电冰箱的玻璃门，将退火盘放置于冷却铜板退火盘位置标志处，同时开启风机手动开关，迅速关闭电冰箱玻璃门并触发连锁开关，此时风机开启吹冷风。由于电冰箱内的温度已经预冷却，冷却铜板处于与冰箱内环境温度一样的低温状态，同时风机转动形成电冰箱中封闭空间气流的快速扰动，由于该气流具有预冷却的温度，故能够迅速地将退火盘及其探测器的温度降至与电冰箱中封闭空间温度基本一致的状态。

4 热释光自动快速退火冷却装置应用效果

采用技术方案设计后，新型热释光自动快速退火冷却装置不仅提高了散热效率，而且可以通过调节电冰箱温控器、风机转速和风机高度，选择不同冷却条件，体现了自动化程度高、结构简单以及成本低廉的优势。

4.1 全方位制冷且冷却效果好

该装置集成了金属板接触制冷、全空间环境低温制冷和风机快速吹冷风制冷等多种散热方式，极大地提高了冷却速率，有利于保持热释光探测器较高的灵敏度。加热至240 ℃的水银温度计在调节所属装置不同条件下使之冷却至室温所用时间，可见通过调节冰箱温控器实现环境温度变化和控制，结合风机扰动，其比室温下自然冷却效率有很大提高。而且，通过冷却铜板与盛装探测器的金属盘的紧密接触，以及风机旋转带动的恒定低温空气与热释光探测器的全方位接触，不仅对散热效率有很大促进，而且降温速率分布一致性好，避免了人为操作过程导致的降温速率的空间与时间差异，保证了同批热释光探测器冷却效果的均匀一致(见表1)。

表1 240 ℃水银温度计在不同条件下冷却至24 ℃室温所用时间

4.2 冷却条件可控可调

该设计综合利用电冰箱温控器、风机转速和风机高度等多种调节手段，可以实现冷却方式的精细化调节，从而可通过试验确定不同热释光探测器的最佳退火冷却条件，满足不同热释光探测器退火散热要求。同时，由于可以对冷却条件进行精确调控，保证了各次退火冷却条件的高度一致性，为热释光剂量监测的灵敏度、重复性和准确度提供了保障。加热至240 ℃的水银温度计，通过调节所述装置不同冰箱温度和风机相对于探测器的不同高度(14 cm、12 cm及10 cm)，冷却至15 ℃分别需要的时间见图2。

图2 不同电冰箱温度和风机高度冷却至15℃所用时间曲线图

加热至240 ℃的水银温度计，重复采用相同的电冰箱温度、风机高度和冷却时间等条件，最终冷却温度的一致性见表2。

表2 240 ℃水银温度计固定条件下冷却的最终温度(℃)

4.3 结构简单且易于操作

该装置通过小型电冰箱、风机、金属板及金属框架等常见设备和装置的系统集成，解决了热释光探测器退火冷却存在的问题，由于不同冷却条件精密可控，适用于各类热释光探测器的应用。该装置原料易得、结构简单且成本很低。同时，作为专用的冷却装置，其自动化程度较高，不需要专门的培训即可应用，显著降低了由人工操作差异带来的影响。

5 结论

作为辐射剂量测量的重要手段，热释光技术已广泛应用于工业、农业、国防、科学技术以及应急救援等各个领域，尤其是已经成为放射工作人员个人剂量监测的常规手段，对广大放射工作人员的职业健康管理发挥着重要作用[10-12]。因此，做好热释光辐射剂量测量的质量控制，保证测量结果的准确可靠具有重要的现实意义[13-14]。

退火冷却作为热释光剂量测量的重要环节，对热释光探测器的分散性以及热释光测量系统的灵敏度、重复性及准确性具有明显的影响。赵进沛等[15]实验表明，同一批探测器在240 ℃退火后，在0～45 ℃环境温度范围内每隔5 ℃选择一个冷却条件，在冷却温度为5 ℃的条件下，同批受照探测器的变异系数最小，为3.6%；而冷却温度为40 ℃条件下，同批受照探测器的变异系数则高达7.5%。可见退火冷却条件对热释光的检测具有非常重要的影响。然而，目前已有的退火冷却手段还存在不少问题，其突出表现在散热效率低、降温速率空间分布不均匀、受室温及人员操作影响较大、冷却条件难以量化及可重复性差等，尽管近年来改进的一些装置在一定程度上解决了部分问题，但仍然不能满足精密退火冷却的要求。本研究通过整合低温致冷、气流扰动、多因素调节控制等功能，实现了热释光探测器的快速制冷，条件可控可调，重复性好，对于保证热释光剂量测量的准确性和可靠性，具有重要意义，有较高的推广应用价值。