FNTD中子个人剂量计测试技术研究

发布时间：2020-10-10 14:04

　　 随着中子在核工业、能源生产以及科学研究等领域中逐渐宽广的应用,人们接触中子辐射的机会越来越多,群体和个人接受中子辐射的可能性也越来越大,而且中子在人体中有较高的能量沉积,产生更加有害的生物效应,因此评估人员接受的中子辐射剂量对人员辐射防护愈加重要。但是准确的评价人员所接受的中子剂量较为复杂,目前还没有覆盖从热中子(0.01eV)到高能中子(20MeV)这样宽能量范围的中子个人剂量计。被动式中子探测器确具有体积小、无需电源、可靠性高、佩戴方便等优点,使其作为法定的中子个人剂量计使用。因此优化或设计新型的被动式中子个人剂量计,成为人员中子辐射防护领域的研究重点。通常使用的被动式中子探测器有:塑料径迹探测器(CR-39)、热释光探测(TLD)、光释光探测(OSL)。这些探测器各有优缺点,研究人员长期以来一直在寻找克服目前被动式中子探测器各种限制的新型中子个人剂量计,比如对重离子传能线密度(LET)灵敏范围更宽,无需化学处理,能够使用自动设备多次读数,多次使用等。蓝道儿实验室开发出了荧光核径迹探测器(fluorescencenuclear track detector)将α-Al2O3:C,Mg单晶材料和共聚焦扫描显微镜结合起来,在探测质子,重带电离子和中子的辐射剂量都表现出优异的性能,可以准确的追踪离子三维径迹,并且达到光学衍射限制的分辨率,为替代常规的被动式中子探测器提供了可能。本文研究了α-Al2O3:C,Mg单晶材料的制备工艺,并在国内首次制备出了大尺寸α-Al2O3:C,Mg单晶(Φ30×70mm);研究了C对晶体中F-type色心形成过程中的影响作用;使用蒙特卡洛模拟软件(Geant4)设计了FNTD中子个人剂量计的整体结构,模拟研究了 FNTD对中子的剂量和能量响应,并且利用最小二乘法研究了在宽能谱范围(0.01eV～20MeV)中子的H*(10)和总注量的展平。第三章和第四章研究的是α-Al2O3:C,Mg单晶的制备、性能和色心形成机理,这一部分也是本文的重点。虽然α-Al2O3:C,Mg单晶材料已由蓝道儿(Landauer,Inc.)制备出来,但在国内对其制备还未见报道。本文首次在国内采用石墨电阻加热的切克劳斯法(Czochralski)法生长了大尺寸α-Al2O3:C,Mg单晶(Φ30 × 70 mm)。该方法使用石墨电阻加热,晶体生长时使用A1203,MgO和石墨粉末作为初始生长材料。单晶衍射测试表明生长的晶体属于三角立方晶系R-3c,为α相的Al2O3:C,Mg单晶。GDMS测试表明在生长过程较好的控制了掺杂元素C和Mg的元素含量,C含量为2768ppm,Mg含量为17ppm,没有引入其它杂质。吸收光谱测试表明在206nm、232nm和256nm出现了明显的吸收峰,由Smacula's公式计算了F色心的浓度为3.81×1016cm-3,两个吸收位置的F+色心浓度为4.1×1015cm-3和1.46×1016cm-3。激发-发射光谱也表明晶体中包含位于(435/510nm)的荧光中心,这是F22-(2Mg)色心所特有的。在对C在晶体中色心形成的实际作用的研究中,将制备好的α-A1203:C,Mg单晶在空气、H2和真空中进行退火处理。单晶衍射表明在空气、H2和真空中退火后单晶的晶体结构没有发生改变,晶体结构依然属于R-3c空间群,退火后晶体的晶胞参数和体积也没有发生改变,与初始生长的晶体一致。GDMS测试表明退火处理后,掺杂C和Mg的浓度比未退火晶体有所增高,说明退火加速了杂质元素的扩散,由内而外的扩散使其分布更加的均匀。吸收光谱测试表明,退火使吸收峰明显降低,破坏了荧光中心。结合荧光测试进一步说明,在高温下退火使晶体中氧空位消失。根据学术界三种关于掺C作用的争议,C2+替换Al3+、C4-替换O2-和形成气氛而不是掺杂,结合实验测试论证,我们倾向于第三种观点,既C在晶体生长过程中形成荧光中心的主要作用并不在于掺杂,而在于在晶体生成过程中保持还原气氛,从而有利于在晶体中形成大量的氧空位。为了排除是退火气氛中的原子进入了晶格,我们在1300℃的10-4Pa的真空中退火了晶体,而光吸收、荧光、GDMS等测试结果与空气、H2中退后一致,这就表明氧空位的消失是间隙C元素扩散导致的。第五章是本文的难点和创新。通过蒙特卡洛模拟(Geant4)设计了FNTD的整体结构、材料类型、元素含量,为了使探测器能够在宽能谱范围(O.O1eV～20MeV)对中子都有较高的响应,在探测器结构中加入了背散射部分,包括前后两个部分,整体材料为含10B聚乙烯,尺寸为4.5×7×1cm3。模拟研究了FNTD的对宽能谱范围(0.01eV～20MeV)中子的注量能量响应和剂量能量响应,使用30×30×15cm3的水箱来代替人体,将FNTD剂量计放置在水箱表面中心位置,设置了 30个能量点的单能中子,通量密度为0.933×1017cm-2。结果表明,使用6LiF转换材料对低能段中子注量能量响应较高(低于10eV),其中1OOum厚时响应最高;使用(CH2)n对高能段中子注量能量响应较高(高于1MeV);背散射结构使用6LiF转换材料对于中能段中子注量能量响应较高。使用周围剂量当量(H*(10))来评价中子辐射场中人体受到的辐射剂量,并建立了响应值和中子个人剂量之间的联系。剂量响应情况和能量响应情况基本一致,使用6LiF转换材料对低于10eV能量的中子剂量能量响应较大,使用(CH2)n对高于1MeV的中子剂量能量响应较大,背散射结构使用6LiF转换材料对于使用对于低能段中子剂量能量响应较高,而高能段较低,这是由于中子注量剂量转换系数u值在高能段是低能段的40倍。利用最小二乘法优化了FNTD在宽能谱范围的中子H*(10)和中子总注量测量。优化后H*(10)响应约束在0.30～1.4之间,其中0.01eV～70keV和4～14MeV较为平坦,约束在0.8～1.4,占到了宽能谱范围(0.01eV～20MeV)9个能量量级中的8个,总注量响应在宽能谱范围(0.01eV～20MeV)约束在0.89～1.1之间。模拟研究表明FNTD剂量计可以较好的测量宽能谱范围(0.01eV～20MeV)中子剂量和总注量。在下一步的工作中,将进一步优化α-Al2O3:C,Mg单晶的生长方法,制备出剂量计成品进行辐照实验。FNTD中子个人剂量计具有极大的潜力发展成新一代被动式中子个人剂量计。
【学位单位】：中国工程物理研究院
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TL72
【部分图文】：

热释光、光释光、光致发光的都是利用物质接受辐射发出荧光的特性来探测??辐射剂量，虽然原理相似，但是发光机理还是有各自的特点，现做一比较说明。??这三种方式发光过程如图１．１所示［４５］。??Ａ?导带??—Ｘ—ｒ—?ＴＬ??ｉ?Ｌ??ＰＬ??１—?ＯＳＬ????，??—―户―—一??？?价带??图１．１?ＰＬ，ＴＬ和ＯＳＬ发光原理图??物质被辐照时辐射可以在物质中产生离化的自由电子，部分离化的电子会被??物质内缺陷能级俘获。热释光是指用加热被辐照物质的方式来传递能量，使被缺??陷能级俘获的电子逃逸到导带，随后与发光中心复合发出荧光。光释光是指用激??光照射被辐照物质的方式来传递能量，使被缺陷能级俘获的电子逃逸到导带，随??后与发光中心复合发出荧光。光致发光和光释光一样是用激光照射被辐照物质来??传递能量，但是被缺陷俘获的电子并没有逃逸到导带，而只是从缺陷能级的基态??跃迁到了激发态

ａ－Ａｌ２〇３：Ｃ，Ｍｇ单晶表面覆盖高密度聚乙稀（Ｈｉｇｈ?ｄｅｎｓｉｔｙ?ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ，ＨＤＰＥ）用??于快中子探测，覆盖６ＬｉＦ?（ＴＬＤ－１００）用于热中子探测，覆盖聚四氟乙烯（??Ｐｏｌｙｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅ，ＰＴＦＥ）用于中子／伽马区分和背景探测如图１．２所不［５Ｑ］??〇??ＡＩ２０３：Ｃ，Ｍｇ?ｃｒｙｓｔａｌ??ｍ．?Ｊｒ￣?６ｌｉｆ??ｍ—ＰＴＦＥ??Ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ????一匾??图１．２?ＦＮＴＤ应用于中子探测的整体结构。表面覆盖ＨＤＰＥ用于快中子探测，覆盖６ＬｉＦ??用于热中子探测，覆盖ＰＴＦＥ用于中子／伽马区分和背景探测??他将ＯＳＬ传感器和ＦＮＴＤ结合起来首次验证了其应用在了非常低辐射剂量??（＜ｌｍＳｖ）范围的可行性和线性关系，以及在中子／伽马场中探测中子的能力。??ＦＮＴＤ在探测重带电粒子方面表现出优异的性能，几乎不受离子传能线密度大小的??影响，具有较宽的传能线密度（ＬＥＴ）灵敏范围（Ｌ〇〇Ａ１２０３＝０．５?ｋｅＶ／ｐｍ？６１０００??ｋｅＶ／＾ｉｍ）?［３９，５１］。有效探测离子的径迹饱和密度高达?１０６ｃｎＴ２［３９，４（），５２］。ａ－Ａｌ２０３：Ｃ，Ｍｇ??单晶材料允许无限次非破坏性的重复读数

Ｇ．Ｍ．Ａｋｓｅｌｒｏｄ等［４６］用ｉＨ＾Ｈｅ＾Ｃ＾Ｎｅ’Ｆｅ和８４Ｋｒ等重离子轰击??ａ－Ａｌ２０３：Ｃ，Ｍｇ探测材料，这些粒子有较宽的传能线密度（ＬＥＴｏｃＨｚＯ）范围，从较??低的（０．５ｋｅＶ／（ｘｍ）到超高的（＞１８００ｋｅＶ／｜ａｍ），下图１．３是其中部分重离子福照后??的荧光径迹图。??＿＿??图１．３重离子辐照后的荧光径迹图（ａ）３１３ＭｅＶ／ｎ的８４Ｋｒ离子（ｂ）３６７ＭｅＶ／ｎ的２０Ｎｅ离子??（ｃ）１４３ＭｅＶ／ｎ的４Ｈｅ离子（ｄ）６５ＭｅＶ／ｎ的质子。图片面积９０ｘ９０网２??通过图示发现，不同的重离子产生的荧光径迹的亮度有很大的变化，这可能??１２??
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本文编号：2835299