热释光探测器测量n-γ混合辐射场中子剂量

梁晶 (海军装备部， 山西 太原， 030000)

霍继生 (中国人民解放军91515部队， 572016)

冯晓波， 安艳龙， 刘建忠 (中国辐射防护研究院， 山西 太原， 030006)

0 引言

热释光探测器具有能量响应好、灵敏度高、量程范围宽、重量轻、体积小、受环境因素影响小和能重复使用等优点。1953年美国科学家Daniels等首次提出用于剂量测量，1960、1970年代热释光测量技术得到很大的发展，广泛用于辐射防护、放射医学、放射生物学、地质学、考古学、环境监测等领域，尤其在从事中子及γ放射工作人员个人剂量监测方面应用相当普遍。

1 中子剂量测量

中子剂量通常指中子吸收剂量或中子剂量当量。中子剂量测定主要指中子吸收剂量和剂量当量的测量，此外还包括表示剂量分布的微剂量测量。吸收剂量通常使用组织等效电离室、乙烯-聚乙烯正比计数器、硫酸亚铁探测器以及量热计等测量。多数情况下，组织等效电离室是测定快中子吸收剂量最准确的装置仪器。剂量当量测量仅适用于辐射防护，所采用的方法分场所监测和个人监测两类，其响应正比于最大剂量当量。微剂量测定的目的在于从实验上研究辐射在直径为微米量级或更小的球体内能量沉积的空间分布和谱分布。

除个别特殊场合外，有中子的场所都会存在γ辐射，因此，中子剂量的监测其实就是n-γ混合辐射场中子剂量监测。

对于n-γ混合辐射场的剂量测量，中子的探测是其中的难点。由于中子呈电中性，因此它不能直接引起物质电离而被探测，必须借助中子与原子核发生作用而产生次级带电粒子或γ射线来实现。中子探测另一个难点在于中子能量范围宽(10-6～108eV)，没有一种探测器能探测如此宽能量范围的中子，而且中子探测器的探测效率与中子能量息息相关，因此只能根据不同的能量范围，选择不同类型的探测器。

在n-γ混合辐射场中一般采用两种探测器配对的方式测量中子剂量，一种探测器(称A探测器)对中子和γ射线都灵敏；另一种探测器(称B探测器)只对γ灵敏，对中子不灵敏。两种探测器同时在n-γ混合场中测量，用B探测器的响应直接得到混合场中γ射线剂量的大小，再通过一定的方法，扣除A探测器对γ射线的响应，就可以得到n-γ混合场中中子剂量的大小。

2 热释光探测器测量中子剂量原理

热释光剂量元件是用来记录辐射累积剂量的一种探测器。根据不同需要，有不同规格的圆片、方片、薄膜、粉末、玻璃管等形状。其原理为：用热释光晶体材料制成的探测器，在辐射场中，能够贮存所受的辐射能，当对探测器进行加热时，这些辐射能以光的形式放出，由热释光读出器将这些光能收集起来，根据发光强度与吸收剂量成正比的关系，可计算所受辐照的剂量。

热释光探测器测量中子一般采用6LiF、7LiF各2片共4片剂量片组成一个探测器的组合方式。其中，一对6LiF和7LiF后衬0.8 mm厚镉片，用于测量直接照射的中子；另一对6LiF和7LiF剂量片前覆盖0.8 mm厚镉片，用于测量反照中子，热释光探测器测量中子剂量原理如图1所示。

图1 热释光探测器测量中子剂量

中子入射到热释光探测器后，6LiF对于热释光的主要影响来自6Li(n,α)3H反应所产生的α粒子和氚，反应的俘获截面为945 b；而7Li(n,γ)8Li的反应俘获截面只有0.033 b，两者相差4个数量级，7LiF对热中子响应可以忽略；同时由于两种探测器对γ射线的响应接近，因此可选择6LiF、7LiF热释光探测器配对进行中子和γ剂量测量，用7LiF测γ射线剂量，6LiF测量中子和γ射线剂量响应之和，两者相减，便可得到中子剂量。

3 试验验证

3.1 γ射线刻度

由于6LiF与7LiF热释光探测器对γ射线响应略有不同，因此需要对两种热释光探测器进行刻度。

在中国辐射防护研究院放射性计量站137Cs参考辐射场进行热释光探测器γ射线刻度试验，共测试4组热释光探测器，每组有6LiF、7LiF各一只，选择不同剂量对6LiF、7LiF进行辐照，测量结果列于表1。

根据测量结果，得6LiF、7LiF热释光探测器读数与受照剂量关系的拟合方程分别为：

R6F=K6F×Dγ=62.24×Dγ

(1)

R7F=K7F×Dγ=57.90×Dγ

(2)

式中，Dγ为137Cs γ射线剂量；R6F、R7F分别为6LiF、7LiF热释光探测器读数。由此得6LiF、7LiF热释光探测器相对响应系数P为：

(3)

3.2 n-γ混合辐射场测量

在中国辐射防护研究院放射性计量站252Cf参考辐射场进行测试，252Cf中子源有伴生γ射线，因此辐射场为n-γ混合辐射场。共测试4组热释光探测器，每组有6LiF、7LiF各1只，将热释光探测器固定在体模上，选择不同剂量对6LiF、7LiF热释光探测器进行辐照，测试结果列于表2。

表2 6LiF、7LiF热释光探测器252Cf参考辐射场测试结果

由表2中的测量结果，得6LiF、7LiF热释光探测器中子测量净读数与受照剂量关系的拟合方程为：

Y=4.78×Dn

(4)

式中，Y为热释光探测器净读数，Dn为252Cf中子剂量。

由式(4)可得n-γ混合辐射场中，中子剂量Dn的计算公式：

(5)

由式(5)计算得到n-γ混合辐射场中的中子剂量，将根据拟合方程计算的剂量结果与实际照射剂量进行比较，结果列于表3。

表3 热释光探测器中子测量结果及相对误差

由表3可见，热释光探测器在n-γ混合辐射场中中子剂量测量结果的最大误差为-8.92%。

4 总结

本文介绍了n-γ混合辐射场中中子的测量方法，研究了6LiF、7LiF热释光探测器在n-γ混合辐射场中测量中子剂量的原理及测量方法，并在137Cs参考辐射场进行刻度后，在252Cf n-γ混合辐射场进行测试验证，经过验证，热释光探测器在n-γ混合辐射场中中子剂量测量误差最大为-8.92%。