氟化锂探测器测量质子时厚度效应的分析
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;厚度效应；热释光效率
航天医学与医学工程000110摘要：目的 分析氟化锂(LiF)探测器在测量质子时的厚度效应。方法 在比较理想与合理的假设下，利用探测器吸收剂量的定义推导计算。结果 质子能穿透探测器时，探测器厚度效应不明显：当质子能量大于12 MeV时，只是当探测器厚度接近于质子射程时其厚度效应才较为明显，小于12 MeV时，探测器没有厚度效应；质子不能穿透探测器时，探测器厚度效应较为显著。结论 测量低能质子的剂量时，应选用较薄的LiF探测器，以避免其厚度效应的影响。
中图分类号：TL 816 文献标识码：A
文章编号：1002-0837((2000)01-0042-03
, 百拇医药
An Analysis on Thickness Effect of Lithium Fluoride Detector in Proton Measurement
WANG Gen-liang,QI Zhang-nian,CHEN Mei,HUANG Zeng-xin,LI Xiang-gao
(Institute of Space Medico-Engineering,Beijing 100094,China)
Abstract：Objective To theoretically analyze the thickness effect of a LiF detector for proton measurement.Method Thickness effect of the detector was calculated by using the definition of the detector dose under ideal and reasonable hypothesis.Result The thickness effect of the detector was not obvious,when protons could penetrate the detector:when proton energy was above 12 MeV,the thickness effect was obvious only on condition that the detector thickness approaches proton range,when proton energy was less than 12 MeV,the thickness effect was not obvious.The thickness effect of the detector was obvious,When protons could not penetrate the detector.Conclusion Thin detectors should be used in low energy proton measurements to avoid thickness effect of the detector.
, 百拇医药
Key words：Lithium fluoride detector;protons;thickness effect;thermoluminescent efficiency
载人航天中，测量空间辐射累积剂量经常使用氟化锂(LiF)探测器[1]，探测器的厚度是否对测量结果有影响(即所谓的厚度效应)是人们关心的问题。当低能粒子入射时，在探测器中沉积的能量不均匀，而且由于探测器材料对热释光的自吸收使LiF热释光效率受到影响，其影响程度与粒子能量、探测器厚度以及探测器的透明度有关[2，3]。本文通过实验测定了LiF的透光效率并理论计算了不同厚度探测器在不同能量质子照射下的热释光效率变化，对LiF探测器测量质子时的厚度效应作了理论分析。
方 法
LiF探测器透光效率的测定 在探测器厚度效应的理论计算中，由于探测器不是透明的，因此需考虑探测器的透光效率，本文用实验的方法得到探测器的透光效率，实验方法如下：用60Coγ射线照射一批经过筛选灵敏度分散性<2%的LiF探测器，照射的剂量为1 Gy。照射后在RGD-3型热释光测量仪上测读。具体步骤是：分别用1～9片未经辐照且退过火的探测器盖在受到1Gy剂量辐照的探测器上，测出9组不同LiF探测器厚度吸收后的热释光量，然后按照同样的方法再测一次，只是在探测器上盖上一个小钢片，其尺寸与探测器一样，目的是测出相应的本底。需注意的是，测读中探测器在测量仪上放置时其受γ射线照射的一面朝上。测读后对得到的9组数据进行曲线拟合，得到探测器的透光效率f(x)，其中x为探测器热释光吸收层的厚度。
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LiF探测器厚度效应的理论计算 由于LiF探测器的厚度效应主要是来自探测器中能量沉积不均匀和热释光自吸收的影响，因此先做如下假设：(1)LiF探测器热释光量与吸收辐射能量呈正比；(2)在探测器中质子注量是常数；(3)将探测器分为层，每层厚度足够小以致热释光自吸收效应可忽略，并且其质量阻止本领
近似看作常数；(4)质子均能穿透LiF探测器。
设探测器的表面积为1 cm2，受到质子照射时，探测器每层吸收的辐射能为:
式中，
为第i层的质量阻止本领(MeV/cm)，
为质子注量(cm-2)，△t为探测器层厚(cm)，和△t均为常数。
, 百拇医药
整个探测器吸收的辐射能为:
探测器的吸收剂量为:
式中，m为探测器的质量(g)，ρ为探测器的密度(g/cm3)，N为探测器被划分的层数。
由假设得知探测器发出的热释光量与吸收辐射能量成正比，再考虑探测器对热释光的自吸收，可得热释光读出仪收集到的热释光量为:
式中，f(i)为探测器第层的透光效率，k为一常数。
则探测器的热释光效率为:
(1)
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探测器的热释光效率有以下几种情况：
f(i)=1,此时η=m.k，是一常数，这相当于探测器材料是完全透明的情况，此时探测器厚度无影响。
0
(1)当
为常数时，这相当于质子为高能情况，此时有:
可以看出，探测器热释光效率与质子能量无关，探测器材料中均匀沉积辐射能，这与60Coγ照射是相似的。热释光效率仅依赖于探测器对热释光的自吸收。
(2)当不为常数时，这相当于质子为低能情况，探测器中沉积的辐射能不是均匀的。热释光效率依赖于质子能量在探测器中的不均匀沉积和探测器对热释光的自吸收。
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由于高能质子照射与60Coγ射线照射相似，因此为了探讨探测器相对于60Coγ射线的热释光效率，将低能与高能质子照射下探测器的热释光效率相比得：
(2)
公式(2)反映了不同质子能量照射下，不同厚度探测器的热释光效率。通过公式(2)，可得到在可被质子穿透情况下LiF探测器的厚度效应。
结 果
LiF探测器的透光效率 LiF探测器自吸收实验的测量结果如表1。
表1 LiF探测器透光效率的测量结果
Table 1 Result of euphotic efficiency of a LiF detector absorpotion
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thickness
(mm)
thermoluminescent
response
(mGy)
background
(mGy)
infact response
(mGy)
0
104.9
14.03
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90.87
0.4
78.26
18.12
60.14
0.8
56.57
21.09
35.48
1.2
44.18
23.50
20.68
, http://www.100md.com
1.6
35.37
23.06
12.31
2.0
32.24
23.29
8.95
2.4
28.89
24.18
4.71
2.8
, 百拇医药
26.59
24.05
2.54
3.2
25.37
25.01
0.36
3.6
25.25
25.19
0.06
以吸收层厚度为0 mm时探测器的热释光响应为基准，对不同透光厚度的热释光响应进行归一，再对归一后的数据进行曲线拟合，得到探测器的透光效率为：
, 百拇医药
f(x)=e-1.36.x (3)
式中，x为探测器热释光吸收层的厚度，单位为mm。
LiF探测器的厚度效应 根据质子的质量阻止本领数据表，先计算出几种不同能量的质子在LiF探测器中的射程，见表2。
表2 质子在LiF探测器中的射程
Table 2 Range of proton in LiF detector proton energy(MeV)
proton range(mm)
7
0.3
10
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0.5
12
0.8
15
1.2
20
2.0
根据公式(1)、(2)和表2的质子射程，可计算出在可被质子穿透的情况下，不同厚度探测器的热释光效率比值
随质子能量的变化(图1)。 
图1 不同厚度LiF探测器的热释光效率比值
, 百拇医药
Fig.1 Ratio of thermoluminescence efficiency(TLE) of detectors different thickness
从图1可以看出，在质子能穿透探测器的情况下，探测器厚度效应不明显：当质子能量大于12 MeV时，只是当探测器厚度接近于质子射程时其厚度效应才较为明显，如质子能量为15 MeV时，1.1 mm厚的探测器才有厚度效应，质子能量为20 MeV时，1.6 mm厚的探测器才有厚度效应，探测器厚度小于质子射程时及当质子能量小于12 MeV时，探测器却没有厚度效应。
讨 论
质子能量较高时，质子的贯穿能力较强，探测器的质量阻止本领接近于常数，此时与60Coγ照射相似，因此热释光效率近似为常数，探测器基本没有厚度效应；当质子能量较低时，质子贯穿能力较弱，探测器里面沉积的辐射能不均匀，随着探测器厚度的增加，质子入射能量逐渐减小，导致沉积的辐射能量增大，而此时热释光的透光效率也随探测器厚度的增加而减小，这二者原因导致热释光效率下降，此时探测器厚度响应较为明显。本研究只计算了在质子能穿透探测器情况下探测器的厚度效应，当质子不能穿透探测器时，质子在探测器中沉积的能量更加不均匀，这和低能质子照射一致，因此，此时探测器的厚度效应将较为显著。目前，国产LiF探测器有0.4 mm和0.8 mm两种厚度[4]，从以上分析可以得出，当质子能量小于10 MeV时，质子不能穿透0.8 mm厚的LiF探测器，此时0.8 mm厚的LiF探测器将有厚度效应；当质子能量小于7 MeV时，质子不能穿透0.4 mm厚的LiF探测器，此时0.4 mm厚的LiF探测器将有厚度效应。从计算结果还可以看出，如果LiF探测器更薄一些，那么即使质子能量很低，只要质子能穿透探测器，探测器厚度效应也不明显。由于航天器舱内的质子能量较高，大部分为几十MeV以上，因此LiF探测器的厚度效应没有太大影响；但航天员出舱活动时，外环境存在大量低能质子成分[5]，这时探测器的厚度效应比较明显，为了测量低能质子的剂量，建议国内应尽早研制更薄一点的LiF探测器，以避免在测量时有厚度效应的影响。
, 百拇医药
[参考文献]
[1]Janni JF and Holly FE[J].Aerospace Medicine.1969,40(12):1465～1470
[2]Dalrymple GV,Lindsay IR,Ghidoni JJ et al.Some effects of wholebody 32-MeV proton irradiations on primates[J].Radiation Res.1966,28:406～433
[3]QI Zhangnian,CHEN Mei,LI Xianggao et al.Relationship between particle fluence and dose in cabin of recoverable satellite[J].Space Medicine & Medical Engineering,1996,9(4):267～270
, 百拇医药
祁章年，陈 湄，李向高等.卫星舱内粒子注量和剂量的关系[J].航天医学与医学工程,1996,9(4):267～270
[4]ZHANG Jian,GUO Yong,WANG Xinggong et al.Study on thermolumimescence detectors series BLRM[J].Bulletin of the Academy of Military Medical Sciences,1994,18(3):195～196
张 建，郭 勇,王兴功等.BIRM系列热释光探测器的研究[J].军事医学科学院院刊，1994,18(3):195～196
[5]都 亨，叶宗海.低轨道航天器空间环境手册[M].北京：国防工业出版社.1996：1～2
收稿日期：1999-03-10, 百拇医药
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;厚度效应；热释光效率
航天医学与医学工程000110摘要：目的 分析氟化锂(LiF)探测器在测量质子时的厚度效应。方法 在比较理想与合理的假设下，利用探测器吸收剂量的定义推导计算。结果 质子能穿透探测器时，探测器厚度效应不明显：当质子能量大于12 MeV时，只是当探测器厚度接近于质子射程时其厚度效应才较为明显，小于12 MeV时，探测器没有厚度效应；质子不能穿透探测器时，探测器厚度效应较为显著。结论 测量低能质子的剂量时，应选用较薄的LiF探测器，以避免其厚度效应的影响。
中图分类号：TL 816 文献标识码：A
文章编号：1002-0837((2000)01-0042-03
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An Analysis on Thickness Effect of Lithium Fluoride Detector in Proton Measurement
WANG Gen-liang,QI Zhang-nian,CHEN Mei,HUANG Zeng-xin,LI Xiang-gao
(Institute of Space Medico-Engineering,Beijing 100094,China)
Abstract：Objective To theoretically analyze the thickness effect of a LiF detector for proton measurement.Method Thickness effect of the detector was calculated by using the definition of the detector dose under ideal and reasonable hypothesis.Result The thickness effect of the detector was not obvious,when protons could penetrate the detector:when proton energy was above 12 MeV,the thickness effect was obvious only on condition that the detector thickness approaches proton range,when proton energy was less than 12 MeV,the thickness effect was not obvious.The thickness effect of the detector was obvious,When protons could not penetrate the detector.Conclusion Thin detectors should be used in low energy proton measurements to avoid thickness effect of the detector.
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Key words：Lithium fluoride detector;protons;thickness effect;thermoluminescent efficiency
载人航天中，测量空间辐射累积剂量经常使用氟化锂(LiF)探测器[1]，探测器的厚度是否对测量结果有影响(即所谓的厚度效应)是人们关心的问题。当低能粒子入射时，在探测器中沉积的能量不均匀，而且由于探测器材料对热释光的自吸收使LiF热释光效率受到影响，其影响程度与粒子能量、探测器厚度以及探测器的透明度有关[2，3]。本文通过实验测定了LiF的透光效率并理论计算了不同厚度探测器在不同能量质子照射下的热释光效率变化，对LiF探测器测量质子时的厚度效应作了理论分析。
方 法
LiF探测器透光效率的测定 在探测器厚度效应的理论计算中，由于探测器不是透明的，因此需考虑探测器的透光效率，本文用实验的方法得到探测器的透光效率，实验方法如下：用60Coγ射线照射一批经过筛选灵敏度分散性<2%的LiF探测器，照射的剂量为1 Gy。照射后在RGD-3型热释光测量仪上测读。具体步骤是：分别用1～9片未经辐照且退过火的探测器盖在受到1Gy剂量辐照的探测器上，测出9组不同LiF探测器厚度吸收后的热释光量，然后按照同样的方法再测一次，只是在探测器上盖上一个小钢片，其尺寸与探测器一样，目的是测出相应的本底。需注意的是，测读中探测器在测量仪上放置时其受γ射线照射的一面朝上。测读后对得到的9组数据进行曲线拟合，得到探测器的透光效率f(x)，其中x为探测器热释光吸收层的厚度。
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LiF探测器厚度效应的理论计算 由于LiF探测器的厚度效应主要是来自探测器中能量沉积不均匀和热释光自吸收的影响，因此先做如下假设：(1)LiF探测器热释光量与吸收辐射能量呈正比；(2)在探测器中质子注量是常数；(3)将探测器分为层，每层厚度足够小以致热释光自吸收效应可忽略，并且其质量阻止本领
近似看作常数；(4)质子均能穿透LiF探测器。设探测器的表面积为1 cm2，受到质子照射时，探测器每层吸收的辐射能为:
式中，
为第i层的质量阻止本领(MeV/cm)，为质子注量(cm-2)，△t为探测器层厚(cm)，和△t均为常数。, 百拇医药
整个探测器吸收的辐射能为:
探测器的吸收剂量为:
式中，m为探测器的质量(g)，ρ为探测器的密度(g/cm3)，N为探测器被划分的层数。
由假设得知探测器发出的热释光量与吸收辐射能量成正比，再考虑探测器对热释光的自吸收，可得热释光读出仪收集到的热释光量为:
式中，f(i)为探测器第层的透光效率，k为一常数。
则探测器的热释光效率为:
(1), http://www.100md.com
探测器的热释光效率有以下几种情况：
f(i)=1,此时η=m.k，是一常数，这相当于探测器材料是完全透明的情况，此时探测器厚度无影响。
0
(1)当
为常数时，这相当于质子为高能情况，此时有:可以看出，探测器热释光效率与质子能量无关，探测器材料中均匀沉积辐射能，这与60Coγ照射是相似的。热释光效率仅依赖于探测器对热释光的自吸收。
(2)当
不为常数时，这相当于质子为低能情况，探测器中沉积的辐射能不是均匀的。热释光效率依赖于质子能量在探测器中的不均匀沉积和探测器对热释光的自吸收。, http://www.100md.com
由于高能质子照射与60Coγ射线照射相似，因此为了探讨探测器相对于60Coγ射线的热释光效率，将低能与高能质子照射下探测器的热释光效率相比得：
(2)公式(2)反映了不同质子能量照射下，不同厚度探测器的热释光效率。通过公式(2)，可得到在可被质子穿透情况下LiF探测器的厚度效应。
结 果
LiF探测器的透光效率 LiF探测器自吸收实验的测量结果如表1。
表1 LiF探测器透光效率的测量结果
Table 1 Result of euphotic efficiency of a LiF detector absorpotion
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thickness
(mm)
thermoluminescent
response
(mGy)
background
(mGy)
infact response
(mGy)
0
104.9
14.03
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90.87
0.4
78.26
18.12
60.14
0.8
56.57
21.09
35.48
1.2
44.18
23.50
20.68
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1.6
35.37
23.06
12.31
2.0
32.24
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8.95
2.4
28.89
24.18
4.71
2.8
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26.59
24.05
2.54
3.2
25.37
25.01
0.36
3.6
25.25
25.19
0.06
以吸收层厚度为0 mm时探测器的热释光响应为基准，对不同透光厚度的热释光响应进行归一，再对归一后的数据进行曲线拟合，得到探测器的透光效率为：
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f(x)=e-1.36.x (3)
式中，x为探测器热释光吸收层的厚度，单位为mm。
LiF探测器的厚度效应 根据质子的质量阻止本领数据表，先计算出几种不同能量的质子在LiF探测器中的射程，见表2。
表2 质子在LiF探测器中的射程
Table 2 Range of proton in LiF detector proton energy(MeV)
proton range(mm)
7
0.3
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0.5
12
0.8
15
1.2
20
2.0
根据公式(1)、(2)和表2的质子射程，可计算出在可被质子穿透的情况下，不同厚度探测器的热释光效率比值
随质子能量的变化(图1)。 图1 不同厚度LiF探测器的热释光效率比值
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从图1可以看出，在质子能穿透探测器的情况下，探测器厚度效应不明显：当质子能量大于12 MeV时，只是当探测器厚度接近于质子射程时其厚度效应才较为明显，如质子能量为15 MeV时，1.1 mm厚的探测器才有厚度效应，质子能量为20 MeV时，1.6 mm厚的探测器才有厚度效应，探测器厚度小于质子射程时及当质子能量小于12 MeV时，探测器却没有厚度效应。
讨 论
质子能量较高时，质子的贯穿能力较强，探测器的质量阻止本领接近于常数，此时与60Coγ照射相似，因此热释光效率近似为常数，探测器基本没有厚度效应；当质子能量较低时，质子贯穿能力较弱，探测器里面沉积的辐射能不均匀，随着探测器厚度的增加，质子入射能量逐渐减小，导致沉积的辐射能量增大，而此时热释光的透光效率也随探测器厚度的增加而减小，这二者原因导致热释光效率下降，此时探测器厚度响应较为明显。本研究只计算了在质子能穿透探测器情况下探测器的厚度效应，当质子不能穿透探测器时，质子在探测器中沉积的能量更加不均匀，这和低能质子照射一致，因此，此时探测器的厚度效应将较为显著。目前，国产LiF探测器有0.4 mm和0.8 mm两种厚度[4]，从以上分析可以得出，当质子能量小于10 MeV时，质子不能穿透0.8 mm厚的LiF探测器，此时0.8 mm厚的LiF探测器将有厚度效应；当质子能量小于7 MeV时，质子不能穿透0.4 mm厚的LiF探测器，此时0.4 mm厚的LiF探测器将有厚度效应。从计算结果还可以看出，如果LiF探测器更薄一些，那么即使质子能量很低，只要质子能穿透探测器，探测器厚度效应也不明显。由于航天器舱内的质子能量较高，大部分为几十MeV以上，因此LiF探测器的厚度效应没有太大影响；但航天员出舱活动时，外环境存在大量低能质子成分[5]，这时探测器的厚度效应比较明显，为了测量低能质子的剂量，建议国内应尽早研制更薄一点的LiF探测器，以避免在测量时有厚度效应的影响。
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[参考文献]
[1]Janni JF and Holly FE[J].Aerospace Medicine.1969,40(12):1465～1470
[2]Dalrymple GV,Lindsay IR,Ghidoni JJ et al.Some effects of wholebody 32-MeV proton irradiations on primates[J].Radiation Res.1966,28:406～433
[3]QI Zhangnian,CHEN Mei,LI Xianggao et al.Relationship between particle fluence and dose in cabin of recoverable satellite[J].Space Medicine & Medical Engineering,1996,9(4):267～270
, 百拇医药
祁章年，陈 湄，李向高等.卫星舱内粒子注量和剂量的关系[J].航天医学与医学工程,1996,9(4):267～270
[4]ZHANG Jian,GUO Yong,WANG Xinggong et al.Study on thermolumimescence detectors series BLRM[J].Bulletin of the Academy of Military Medical Sciences,1994,18(3):195～196
张 建，郭 勇,王兴功等.BIRM系列热释光探测器的研究[J].军事医学科学院院刊，1994,18(3):195～196
[5]都 亨，叶宗海.低轨道航天器空间环境手册[M].北京：国防工业出版社.1996：1～2
收稿日期：1999-03-10, 百拇医药