搜索
李国栋2013.10.13主要内容热释光（TL）的基本概念热释光发光简单模型热释光剂量计（TLD）材料的一般特征热释光的定义热释光是绝缘体或半导体加热时从中发出的光(TL)注意：热释光是物质预先吸收了辐射能量之后受热激发所发出的光，不能与物质加热到白炽化时自发发射的光混淆。物质能吸收并储存辐射能量是其在辐射剂量方面应用的基础。基本概念热释光材料及基本要素热释光材料当受到辐射之后加热时能发出热释光的物质材料的基本要素：1.必须是绝缘体或半导体，金属不存在热释光2.在受辐照时必须吸收能量3.加热时可激发光辐射注意：热释光是一次发光，一旦材料已产生热释光，为了再发光，就必须再次辐照该材料，而不能简单的冷却样品后再加热的想法使其再次发出热释光简单模型一个陷阱中心一个复合中心热释光发光过程热释光发光是基于固体的能带理论，理想的晶体材料（绝缘体或半导体）中电子处于价带，当晶体中存在缺陷时，在禁带中会产生定域能级，此时电子可以处在定域能级上。如下图所示：Ef：费米能级T：势电子陷阱俘获电子H中心R：势空穴陷阱俘获空穴F中心Eg：禁带能a:电子和空穴的产生b:电子和空穴的俘获c:热激发电子的释放d:电子和空穴的复合当辐射吸收能量大于Eg时，引起价带电子的电离(a过程），在导带上产生自由电子，价带上产生自由空穴。这些自由载流子可相互结合(d过程）或者被定域能级俘获（b过程），但在它们各自的非定域能带内保持自由直接复合：导带中的电子与价带中的空穴直接复合间接复合：导带中的自由电子与在R处被俘获的空穴复合。对于半导体或绝缘体，间接复合的概率大于直接复合，尤其对宽禁带的半导体和绝缘体。自由电子被俘获在能级T（b过程）上，被俘获的电子吸收能量E后释放回到导带，则发生复合。单位时间电子从陷阱中释出的概率为p式中s为频率因子，在此模型中是与时间无关的一常量，E是激活能（陷阱深度），к是波尔兹曼常数，T为绝对温度。由知，当EKT₀时,被俘获的电子都将长时间停留在陷阱上,即使在辐照停止后仍有大量的电子处于被俘获的状态，此时处于非平衡状态。当E≤KT，释出概率P增加，电子将从陷阱中释放并进入导带，自由电子与被俘获的空穴复合时产生热释光。发光强度与电子和空穴在R处的复合率成正比，发光强度𝐼t=-𝑑𝑚𝑑𝑡𝐼t=-𝑑𝑚𝑑𝑡，式中m是被俘获空穴的浓度。当温度升高时，电子被释出并产生复合，从而降低了被俘获空穴的浓度，增加了热释光强度。当电子陷阱逐渐排空时，复合率降低，热释光强度随之降低。如下图m𝐼t复合率与导带中自由电子的浓度𝑛𝑐和空穴的浓度m成正比，有𝐼t=-𝑑𝑚𝑑𝑡=𝑛𝑐mA(A是复合系数）（1）被俘获的电子浓度n和自由电子浓度𝑛𝑐的速率方程如下：（2）（3）式中𝐴𝑟是电子再俘获的系数，N是电子陷阱的浓度，（2）式表示被俘获电子浓度的变化率等于热释放率减去再俘获率（3）式表示自由电子的变化率等于热释放的电子减去被再俘获和复合的电子为了求解以上方程，假设以下几点：在导带中自由电子的浓度近似稳定有（4）辐射时电子和空穴成对产生，由电中性有（5)自由电子的浓度𝑛𝑐≈0有（6）以上各式可解的发光强度：（7）简单模型下动力学的“级”一级动力学：Wilkins和Randall假设在加热过程中再俘获概率可忽略，有，（7）式可简化如下：在实验中一般温度随时间线性升高得到一级动力学下热释光曲线的表达式：一级动力学发光曲线的特征:发光峰具有非对称性,峰面积的大部分位于峰温𝑇𝑚的低温侧,对于不同的n,一级峰保持在相同的位置。如下图二级动力学：Garlick和Gibson考虑再俘获的可能，并假设陷阱远没有饱和，有，又（7）式可简化如下：同样采取线性加热，可得到二级动力学发光曲线表达式二级动力学发光曲线特征：发光曲线显得更对称，高温侧宽度略大约低温侧，随n的增加，温峰向低温移动。如下图通用级动力学：在实际的发光过程中一级、二级动力学都不可能存在，May和Partridge给出了如下经验表达式式中b是动力学的级，不等于1和2，S’=式中。当b=1,2时，通用级回到一级、二级动力学表达式。热释光剂量计（TLD）材料的一般特征灵敏度TLD材料的灵敏度是由单位质量、单位吸收剂量发出的热释光强度来确定。由此可看出灵敏度依赖于热释光测量过程，例如加热速率、光探测体系。灵敏度还与样品的制备过程、物理形态（单晶、粉末、薄膜等）和退火过程相关。此外，灵敏度还依赖于电离辐射的种类和能量。敏化：吸收辐射剂量后，材料灵敏度增加的现象。剂量响应曲线剂量响应：TL强度随吸收剂量的变化。在理想情况下，TL随吸收剂量D的变化曲线在很大范围内呈线性变化。但很多实际使用的剂量材料都出现非线性，典型的情况是随着剂量的增加，先是线性响应，再是超线性响应，最后在接近饱和时是亚线性响应。如下图：此外，还应注意剂量率对TL的影响。能量响应热释光材料的热释光强度随辐射能量的变化关系。材料中发射的热释光强度与吸收的能量成正比，故评估材料的吸收系数随辐射能量的变化很重要。在计量学上，要求探测器在很宽的能量范围内都呈现出恒定的响应。对个人剂量学，由于要评估身体细胞的吸收剂量，所以要求有所谓的组织等效剂量计。退火行为退火:将材料缓慢加热到一定温度，保持足够时间，然后以一定速度冷却的过程。我们知道,退火可以改变材料的缺陷分布,从而改变材料的性能。在实际应用中要求TLD材料尽可能的多次使用，而辐射之后经历的退火能有效的重新建立缺陷平衡，进而使之能再次使用。不同的退火温度对陷阱的排空不一样，进而产生不同的发光峰和灵敏度，此外，冷却速率的不同可以影响缺陷的存在形式（如聚合体和离子体）和存在状态（如沉积态和游离态），这些都会影响TL的发光中心和发光曲线形状。探测范围TLD材料的探测范围是指材料可探测到的最小辐射剂量和最大辐射计量。材料的最小辐射计量在实际的一些低剂量应用中很重要，如在环境监测中探测环境背景剂量，在医学领域也需要很低计量范围内很敏感的计量材料。最大辐射计量由于剂量响应度曲线超线性接近于饱和，所以很难测量具体值，我们一般取剂量响应度曲线线性区的结束点为最大探测范围。当然，不管是最大辐射剂量还是最小辐射剂量，都与我们在实验中使用的检测仪器、分析手段等相关。衰退热释光材料辐照后热释光衰减的现象。一般，放置时间越长，放置温度越高，衰退越严重，并且低温热释光峰比高温热释光峰衰退更为严重。造成衰退的原因可能有以下几点：一：在室温下浅陷阱中俘获的载流子可能在热、光等作用下从陷阱中逃出。这就要材料在处理、使用、保存尽可能的避光。二：由于量子隧道效应造成的与温度无关的衰退。物理形态一般TLD材料的物理形态是粉末和固体片。固体片通常由单晶，多晶，磷光体粘合物压合等组成，而它们的几何形状、尺寸，如薄膜，圆片，正方体以及厚度都会影响材料的发光。对粉末，颗粒的大小、直径也会影响材料的发光。以上这些都需要在实验过程中引起注意。Thankyou！