对两种厚度氟化锂探测器质子响应特性的测量
作者：王根良 祁章年 陈湄 黄增信 李向高
单位：航天医学工程研究所，北京 100094
关键词：氟化锂探测器；质子；热释光效率；能量响应
航天医学与医学工程000213摘要： 目的 研究氟化锂(LiF)探测器对质子注量率和能量的响应特性，并观察探测器的厚度效应。 方法 质子束流由加速器提供，质子能量改变通过改变加速器束流能量或利用探测器叠吸收能量两种方法实现，探测器叠中每层探测器的入射质子能量利用质子在LiF材料中的射程计算得到。 结果 探测器对质子注量率的响应基本不明显；对能量的响应是：当质子能量大于9 MeV时是一常数(误差小于10%),当质子能量小于9 MeV时随质子能量的减少而逐渐降低；0.4 mm和0.8 mm两种厚度探测器的厚度效应不明显。 结论 国产氟化锂探测器比较适合作空间辐射剂量测量应用，但当辐射场存在较多9 MeV以下的低能质子时，需考虑探测器相对热释光效率下降的特点。
中图分类号：X 85；TL 816.7 文献标识码：A 文章编号：1002-0837(2000)02-0136-04
Measurements of Proton Response of two Lithium Fluoride Detectors with Different thicknesses.
WANG Gen-liang, QI Zhang-nian, CHEN Mei, HUANG Zeng-xin, LI Xiang-gao.
Abstract： Objective To study the response characteristics of LiF detectors to proton fluence rate and energy, and to observe the thickness effect of the detector. Method Protons were generated by an accelerator. Proton energy was changed in two ways, i.e. changing the accelerator energy directly, or using detector stacks to absorb the proton energy. The incident proton energy on each chip of detector stacks was calculated according to proton range in LiF. Result The response of the detector to proton fluence rate was almost constant; when proton energy was above 9 MeV, the response of the detector to proton energy was constant (less than 10% errors). When proton energy was below 9 MeV, the response reduced gradually with the decrease of proton energy. Thickness effect for LiF thicknesses of 0.4mm and 0.8mm was not obvious. Conclusion The homemade LiF detector is suitable for measurement of space radiation dose. When proton component (below 9 MeV) was abundant in radiation field, the decrease of the relative thermoluminescence efficiency should be taken into consideration.
Key words：Lithium fluoride detector;protons;thermoluminescent efficiency;response of energy
载人航天期间，来自银河宇宙线、地磁捕获辐射带和太阳事件的质子是舱内辐射环境的主要成分[1],它对航天员造成机体损伤，影响舱内仪器的功能。探测空间剂量的探测器种类很多，有LiF，CaSO4，CaF2，Li2B4O7，BeO，和Al2O3等探测器，但由于CaSO4和CaF2的能量响应较差，Li2B4O7和BeO的灵敏度较低，Al2O3光敏性较强，退火温度高、时间长等缺点，经过前苏联和美国的多次空间测量比较，逐渐淘汰了LiF以外的其它类型探测器，而LiF探测器灵敏度适中、组织等效性好和能量响应好等，已成为测量航天器舱内和航天员累积剂量的常用探测器。
目前，国外对LiF探测器的质子响应特性已进行了较多的研究[2～5]，而国产LiF探测器对质子的响应特性的研究尚未见报道。航天员出舱活动时，外环境存在大量9MeV以下的低能质子成分，国外资料表明[3]，低能质子将影响探测器的响应特性。本研究内容包括国产LiF:Mg,Ti探测器对质子的注量率响应和能量响应，以及探测器的厚度效应，为空间辐射剂量学研究提供实验依据。
方 法
LiF探测器测量质子剂量的机理 探测器受到质子照射时，储存受照得到的质子能量，当探测器在热释光测量仪上测读时，测量仪的加热装置使探测器受热而发出热释光，在一定范围内，发出的热释光量与探测器所受的质子剂量成正比，从而由比例系数得到质子剂量。探测器采用中国防化研究院生产的天然LiF:Mg,Ti-M探测器(规格为4.0 mm×4.0 mm×0.4 mm和4.0 mm×4.0 mm×0.8 mm)。实验前探测器经过了退火处理。退火炉是中国辐射防护研究院生产的HW-3型热释光精密退火炉，退火温度为290℃，退火时间为30 min。
质子束流由中国原子能研究院同位素研究所的CYCIA1-30型回旋加速器和该院核物理研究所的HI-13型串列加速器提供。用金靶对质子进行弹性散射，以减弱照射时的质子注量率。监测探头是锂漂移硅半导体探测器。在CYCIA1-30型回旋加速器实验时，进行单能质子照射，使用S40型多道分析器获得数据；在HI-13型串列加速器实验时，进行连续能谱质子照射，数据获取系统由ORTEC公司生产的电荷灵敏前置放大器(142A)、谱仪放大器(571)、线性门展宽器(542)，及MVAX计算机组成。
照射实验在空气中进行。实验布局如图1所示，其中，法拉第筒和监测探头距散射靶的距离均为40cm，LiF探测器距散射靶的距离为30cm。
图1 实验布局示意图
Fig.1 Diagram of the experimental setup
照射后，在RGD-3型热释光测量仪上测读，测读时将探测器受质子照射的一面朝上放置在测量仪上。
质子注量率响应实验 实验采用0.4mm厚的LiF探测器。每次照射4片。加速器质子束流能量为30 MeV。选用的质子注量率分别是2.65×102、4.27×102、3.84×103、1.33×104、2.36×104和2.44×105/(cm2.s)。前5个注量率照射时间为5 min，最后一个注量率照射时间为30 min。
质子能量响应实验 实验采用0.4mm厚的LiF探测器。质子能量改变通过改变加速器束流能量和利用探测器叠吸收能量两种方法实现。
改变加速器束流能量 每次照射4片探测器。为扣除实验场内γ等其他杂散射线的影响，在与入射质子散射角度相同的对称位置上设立了对照组。对照组前放置2mm厚铜板以屏蔽质子束流。在CYCIA1-30型回旋加速器实验时，质子注量率控制在104/(cm2.s)量级，束流能量分别调整为30、27、24、22和15.5 MeV，照射时间均为5 min；在HI-13型串列加速器实验时，质子注量率控制在103/(cm2.s)量级，束流能量分别为22、20、16、13和11 MeV，照射时间均为5 min。
利用探测器叠吸收能量 探测器叠包括两种：8片0.4mm厚和4片0.8mm厚。两种探测器叠按对角线放置。每次照射两组探测器叠，分别放置在与入射质子散射角度相同的对称位置上。对照组放置在对应的照射组后面，中间用5 mm厚铝板隔开。质子注量率为3.46×103/(cm2.s)，束流能量为22 MeV。照射时间为5 min。
γ射线剂量响应实验 为了比较LiF探测器对质子和60Coγ射线的热释光效率的异同，用不同剂量60Coγ射线照射LiF探测器。γ射线的标准照射量分别是0.87×10-3、0.435×10-2、0.87×10-2、0.435×10-1和0.174Gy。
计算方法
为确定探测器的吸收剂量，建立以下计算方法。
单能质子照射 对于回旋加速器实验中给出的是单能质子，探测器吸收剂量的公式为：
(1)式中，D—吸收剂量(Gy)；N—射入探测器的质子数，ΔE—单个质子沉积在质量为Δm物质中的能量(MeV)。
N由监测仪提供的注量经位置(包括距离和角度)和面积修正后得到，Δm由探测器的密度ρ和外形尺寸计算得到。ΔE=E0-E，E0为质子入射能量。根据剩余射程法，查射程表，求出贯穿探测器后所对应的能量E，即可得到ΔE。
连续能谱质子照射 在串列加速器实验中，给出的质子能量是一连续能谱，本研究采用划分区间的方法计算连续能谱下探测器的吸收剂量：将质子能谱划分成若干区间，每区间按单能计算出其吸收剂量，相加后得到整个能谱的吸收剂量。
对于探测器叠，先计算第一片的吸收剂量，再将第一片和第二片作为一片，计算出其吸收剂量，然后将其吸收剂量减去第一片的吸收剂量，即为第二片的吸收剂量。依此类推，分别计算出探测器叠中各个探测器片的吸收剂量。
探测器的相对热释光效率 定义探测器对质子的相对热释光效率(相对于60Coγ射线)为
式中，M(E)p、Mγ分别是探测器吸收质子剂量DP和吸收γ射线剂量Dγ后发出的热释光量。探测器对γ射线的热释光效率Mγ/Dγ为常数，而探测器对质子的热释光效率M(E)P/DP随质子能量发生变化。
结 果
LiF探测器对质子的注量率响应 质子注量率在2.62×103/(cm2.s)到2.42×106/(cm2.s)范围内变化时，0.4mm厚LiF探测器热释光效率未随注量率而变化(图2)。这里，LiF探测器的注量率响应相对于响应均值的变异系数为7.4 %，在实验控制误差范围内。
图2 LiF探测器对质子注量率响应
Fig.2 Response of the LiF detector to proton fluence
LiF探测器对γ射线的热释光效率 本实验得到0.4mm厚LiF探测器对γ射线的热释光效率为0.94±0.05，0.8 mm厚LiF探测器对γ射线的热释光效率为1.61±0.04。
LiF探测器对质子的能量响应 改变加速器束流能量的实验结果表明，质子能量大于9 MeV左右时，相对热释光效率在1附近，低于9 MeV时，相对热释光效率明显降低(图3)。图中，η表示相对热释光效率。
图3 0.4 mm厚LiF探测器对质子的能量响应
Fig.3 Response of LiF detector (0.4 mm) to proton energy
图4 LiF探测器对质子的能量响应(探测器叠)
Fig.4 Response of LiF detector to proton energy (detector stacks)
利用探测器叠吸收能量的实验结果显示，对于0.4 mm厚探测器，在大于13 MeV时，相对热释光效率基本在1.0附近，在8.39 MeV时有所降低(图4)。从相对热释光效率随质子能量的变化趋势估计，当质子能量大于9 MeV时，探测器相对热释光效率对质子能量没有显著的依赖性，小于9 MeV时，相对热释光效率逐渐降低。0.8 mm厚探测器显示了相似的结果。0.4 mm和0.8 mm厚氟化锂探测器厚度效应的差异不明显。
讨 论
两种改变入射质子能量方法的比较 直接改变加速器束流能量的方法可以根据实验要求调节出所需要的各个能量点，不足之处是，由于每次调节加速器束流能量，实验条件(照射点的注量和每次放置探测器的位置等)难以完全重复。另一个比较大的误差来源是由监测仪数据经位置修正和探测面积修正得到的入射质子注量。位置修正系数是在照射前测量的，照射时的束流中心位置以及注量率很难重复照射前的测量条件；此外，监测仪设置了直径为3 mm长度为6 mm的准直孔，而LiF探测器未有准直，照射面积的修正也会带来误差，因此得到的实验结果误差是比较大的。
通过探测器叠吸收能量的方法是在某一固定条件下一次照射完成的，避免了由于条件改变而造成的测量误差，虽然入射质子注量的位置和面积修正同样存在，但对于研究热释光效率随质子能量的相对变化来说该条件是相同的。有一误差源是质子穿过探测器叠时存在射程歧离，根据玻尔射程歧离理论计算表明，当探测器厚度不太大时，射程歧离的影响不大。这一方法的缺点是由于单个探测器较厚，使得到的低能量点较少，需使用更薄的探测器来增加低能部分的实验数据。
两种厚度探测器的能量响应比较 实验结果显示，在实验得到的质子能量点上，两种厚度探测器的相对热释光效率未有显著差异。
理论计算表明[6]，质子能量较高时，探测器厚度效应不明显；质子能量较低时，若探测器较薄，厚度影响不大；若探测器较厚，厚度效应将较为显著。本实验中质子能量较高，再有探测器的厚度最厚仅为0.8mm，质子在探测器中沉积较为均匀，因此未观察到0.4mm厚和0.8mm厚探测器的响应差异。
LiF探测器对低能质子响应的分析 实验结果表明，随着质子能量的降低，探测器的相对热释光效率开始逐渐下降。这可从质子传能线密度(LET)来分析，关于LiF探测器的相对热释光效率与质子传能线密度的关系，Jahnert(1972)计算的理论数据如图5所示[7]。
图5 LiF热释光响应与质子LET的关系
Fig.5 Relation between thermoluminescence response of LiF and LET of proton
图5表明，当质子LET>10keV/μm时，LiF探测器的相对热释光效率开始随 LET 的增加而降低。查表得知，质子在LiF中LET为10keV/μm时所对应的质子能量为9.5MeV，这表明当质子能量低于9.5MeV时，LiF探测器的相对热释光效率下降，原因是当LET增加时，在单位路径上辐射能的沉积率增大，使得探测器陷阱的俘获效率有所降低。
当质子的LET<10keV/μm时，探测器相对热释光效率是平坦的。因此，当质子能量大于9.5MeV时，LiF探测器对质子的相对热释光效率为1.0。本实验结果和这一理论分析基本一致。
从以上可知，国产LiF热释光探测器对质子的注量率响应以及能量响应都比较好，又根据多次卫星搭载数据表明，空间一天的累积辐射剂量为6×10-5Gy～5×10-4Gy，而LiF探测器的最小可测剂量为5×10-5Gy，其灵敏度足以实用，因此国产LiF热释光探测器较适合作空间辐射剂量监测应用。需注意的是，当辐射场存在较多9MeV以下的质子成分时，要考虑探测器相对热释光效率下降的特点。
[参考文献]
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收稿日期：1999-03-10