Dozymetria termoluminescencyjna.pdf

Akademia Górniczo-Hutnicza im. S. Staszica w Krakowie

Wydział Fizyki i Informatyki Stosowanej

DOZYMETRIA TERMOLUMINESCENCYJNA

Instrukcja do wiczenia laboratoryjnego z dozymetrii promieniowania jonizuj cego dla

studentów specjalno ci Fizyka Medyczna i pokrewnych, WFiIS AGH

Spis tre ci

1. Wiadomo ci teoretyczne

2. wiczenie 1: Odczyt całkuj cy dawkomierzy MCP-N

3. wiczenie 2: Odczyt dawkomierzy TL w trybie analizatora

KRAKÓW, czerwiec 1993

Uaktualniono, pa dziernik 2004

1 Wprowadzenie teoretyczne

1.1 Definicja termoluminescencji

Zjawisko luminescencji polega na absorbcji energii promieniowania jonizuj cego w

materii i jej pó niejszej reemisji w postaci wiatła. Je eli emisja nast puje w czasie nie

dłu szym ni 10 -3 s po wzbudzeniu, to proces ten nazywa si fluorescencj ; je eli dopiero po

ustaniu wzbudzenia, to proces nosi nazw fosforescencji. W obu powy szych przypadkach

emisja nast puje w warunkach normalnych np. w temperaturze pokojowej. Jednak istniej te

substancje luminescencyjne (zwane cz sto fosforami), które do pobudzenia emisji i uzyskania

luminescencji zwi zanej z zapami tan energi (dawk ) promieniowania jonizuj cego

pochłoni tego w tym materiale luminescencyjnym trzeba wzbudza specjalnymi bod cami.

W zale no ci od sposobu pobudzania fosforu do wiecenia rozró nia si :

fotolumienscencj – pobudzanie wiatłem

katodolumienscencj – pobudzanie szybkimi elektronami

elektrolumienscencj – pobudzanie polem elektrycznym

radiolumienscencj – pobudzanie promieniowaniem jonizuj cym

chemolumienscencj – pobudzanie energi reakcji chemicznych

trybolumienscencj – pobudzanie energi napr e mechanicznych

termolumienscencj – pobudzanie energi ciepln (podwy szon temperatur ).

1.2 Model teoretyczny zjawiska termoluminescencji

Procesy składaj ce si na zjawisko termoluminescencji zachodz w kryształach

dielektryków i daj si wyja ni na bazie teorii pasmowej dielektryka. Idealny dielektryk ma

całkowicie zapełnione pasmo walencyjne i puste pasmo przewodnictwa oddzielone od

walencyjnego szerok (kilka eV) przerw energetyczn pasma zabronionego. Kryształ idealny

nie istnieje jednak w rzeczywisto ci. Rzeczywiste kryształy zawieraj zawsze nieregularno ci

struktury sieci krystalicznej w postaci nieprawidłowej lokalizacji podstawowych jonów, ich

braku w odpowiednich miejscach w sieci oraz wyst powania domieszek w formie jonów

obcych w w złach i mi dzyw lach sieci. Nieregularno ci te, z uwagi na struktur

energetyczn elektronów orbit zewn trznych inn ni w pa mie walencyjnym dielektryka,

stanowi odseparowane wzajemnie centra, w których elektrony zwi zane s z energi le c

w pa mie zabronionym. Centra te s zdolne do przechwytywania elektronów w druj cych w

pa mie przewodnictwa i wi zania ich z energi wła ciw dla danego centrum (takie centra

nazywa si pułapkami elektronowymi), albo do dostarczania elektronów do podstawowej

struktury jonów dielektryka (ten rodzaj centrów nazywa si pułapkami dziurowymi lub

centrami luminescencji). Taka struktura pasmowa dielektryka została schematycznie

przedstawiona na rys. 1.

pasmo przewodnictwa

pasmo zabronione

pułapki elektronowe

pasmo walencyjne

centra luminescencji

Rys. 1 Struktura pasmowa termoluminofora.

Istnienie pułapek elektronowych i centrów luminescencji umo liwia powstanie

zjawiska temoluminescencji, zło onego z dwóch etapów:

pochłaniania promieniowania jonizuj cego, w wyniku czego nast puje

jonizacja atomów termoluminofora; a nast pnie pułapkowania powstałych

elektronów i dziur („zapami tanie” pochłoni tej dawki promieniowania)

pobudzenia termicznego powoduj cego rekombinacj no ników ładunku z

emisj wiatła luminescencji.

Oba te etapy mog by oddzielone długim okresem czasu (nawet miliony lat).

W pierwszym etapie promieniowanie jonizuj ce wyrywa elektrony z powłok pasma

walencyjnego i przenosi je do pasma przewodnictwa. W pa mie tym nie mog one znale

miejsca i w druj w nim tak długo, a zajdzie jeden z dwu mo liwych procesów:

rekombinacja z dziur w pa mie walencyjnym

przechwycenie przez pułapk elektronow i zwi zanie z wła ciw dla tej

pułapki energi .

Tylko elektrony uwi zione w pułapkach mog wnie wkład do zjawiska

termoluminescencji. Aby taki elektron uwolni z pułapki, trzeba mu dostarczy energii

równej energetycznej gł boko ci pułapki, dlatego z punktu widzenia dozymetrii istotn rol

odgrywaj pułapki dostatecznie gł bokie, by przypadkowe bod ce (jak np. wiatło widzialne)

nie powodowały ich opró nienia. Powstałe w wyniku wyrwania elektronów dziury w druj

przestrzennie i energetycznie w górnej warstwie pasma walencyjnego dopóty, dopóki nie

zrekombinuj z elektronami dostarczonymi przez defekty sieci krystalicznej. Gdy to nast pi,

pierwszy etap zjawiska termoluminescencji jest zako czony. Liczba zapełnionych w tym

etapie pułapek elektronowych jest proporcjonalna do dawki promieniowania pochłoni tej

przez kryształ i wykazuje pewn zale no od g sto ci jonizacji wzdłu drogi cz stek

jonizuj cych.

Proces pułapkowania elektronów i dziur powstałych w wyniku oddziaływania

promieniowania jonizuj cego z termoluminoforem pokazano schematycznie na rys.2.

pasmo przewodnictwa

pasmo zabronione

pasmo walencyjne

Rys.2 Zmiany w konfiguracji elektronowej termoluminofora pod wpływem działania

promieniowania jonizuj cego. Oznaczenia na rysunku:

E – energetyczna gł boko pułapki elektronowej

1 – przeniesienie elektronu do pasma przewodnictwa w wyniku działania cz stki

jonizuj cej

2 – przestrzenna i energetyczna w drówka elektronu w pa mie przewodnictwa

3 – zwi zanie elektronu w pułapce

4 – przestrzenna i energetyczna w drówka dziury utworzonej w wyniku wybicia

elektronu przez cz stk jonizuj c

5 – rekombinacja dziury z elektronem dostarczonym przez centrum luminescencji

6 – rekombinacja elektronu z centrum luminescencji daj ca wiatło luminescencji w

czasie napromieniania kryształu

7 – rekombinacja elektronu z dziur w pa mie walencyjnym nie prowadz ca do

luminescencji

h n - kwant wiatła luminescencji.

Jak ju zaznaczono powy ej, drugim etapem zjawiska termoluminescencji jest

rekombinacja elektronów z centrami luminescencji.Aby miała ona miejsce, elektron zwi zany

w pułapce musi otrzyma z zewn trz energi przewy szaj c gł boko pułapki, która

umo liwi mu przeskok do pasma przewodnictwa. W pa mie tym elektron w druje

przestrzennie i energetycznie w pobli e centrum luminescencji, z którym rekombinuje

oddaj c nadmiar energii jako kwant wiatła luminescencji. Proces ten schematycznie

przedstawia rys.3.

pasmo przewodnictwa

n 1

pasmo zabronione

n 2

pasmo walencyjne

Rys. 3. Prowadz ce do rekombinacji luminescencyjnej zmiany w konfiguracji

elektronowej kryształu w wyniku dostarczania do niego energii. Oznaczenia na rysunku:

h n 1 – dostarczona elektronowi energia przewy szaj ca gł boko pułapki

h n 2 – wyemitowany przy rekombinacji kwant wiatła luminescencji

1 – przeskok elektronu z pułapki do pasma przewodnictwa

2 – w drówka elektronu w pa mie przewodnictwa

3 – rekombinacja elektronu z centrum luminescencji.

Energia zu ywana na przenoszenie elektronów z pułapek elektronowych do pasma

przewodnictwa jest dostarczana do termoluminofora w postaci energii termicznej.

Prawdopodobie stwo termicznego wyrzucenia elektronu z pułapki jest okre lone znanym

wzorem Boltzmanna:

exp

Ä -

(1)

gdzie: p – prawdopodobie stwo uwolnienia elektronu [s -1 ]

s – współczynnik cz stotliwo ci zwi zany z rodzajem defektu [s -1 ]

E – gł boko pułapki [eV]

k – stała Boltzmanna [eV·K -1 ]

T – temperatura [K].

Zmiana liczby elektronów uwi zionych w pułapkach w jednostce czasu w

temperaturze T wyra a si wzorem:

exp

Ä -

(2)

gdzie: n – liczba pułapek zapełnionych elektronami w czasie t.

Nat enie wiatła luminescencji wyra a zatem wzór:

exp

Ä -

(3)

Ze wzoru tego wynika, e ze wzrostem temperatury nast puje wzrost liczby

uwalnianych elektronów tak długo, a nie zacznie drastycznie male ilo wypełnionych

jeszcze elektronami pułapek. Po osi gni ciu tego stanu i przy dalszym wzro cie temperatury

liczba uwalnianych elektronów szybko spada z powodu „wyschni cia ródła”. Przy liniowym

podnoszeniu temperatury otrzymuje si zatem ró niczkow krzyw wy wiecania b d c

wykresem zale no ci nat enia wiatła termoluminescencji od temperatury. Przykładowo na

rys.4 przedstawiono krzywe najcz ciej u ywanych materiałów termoluminescencyjnych na

bazie LiF.

10000

8000

6000

4000

2000

100

140

180

220

260

300

340

temperatura

Rys.4. Krzywe TL najcz ciej u ywanych dawkomierzy termoluminescencyjnych na

bazie LiF (linia ci gła – dawkomierz MTS, linia przerywana – MCP 0.002, linia kropkowana

– MCP 0.05). Dawkomierz MTS na wietlono dawk 10 razy wi ksz ni pozostałe. Przy

dawkomierzach MCP podano zawarto miedzi w % molowych.

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: