Detektory termoluminescencyjne

Termoluminescencja jest termicznie aktywowaną fosforescencją. Jest to najbardziej efektywny i dobrze poznany proces z licznych różnych radiacji jonizacyjnych wywołanych termicznie aktywowanym zjawiskiem. Zjawisko termoluminescencji można wyjaśnić w oparciu o teorię pasmową ciała stałego. Teoria ta zakłada rozszczepianie dyskretnych poziomów energetycznych swobodnych atomów podczas tworzenia się ciała stałego.

W efekcie na widmo energetyczne kryształu składają się pasma dozwolonych energii o skończonej szerokości. Idealny kryształ zawierałby trzy pasma: w pełni zapełnione elektronami pasmo walencyjne, puste pasmo przewodnictwa, które jednak zgodnie z prawami mechaniki kwantowej może zostać zapełnione oraz - rozdzielające oba wymienione pasma - pasmo zabronione w postaci przerwy energetycznej, gdzie nie ma poziomów, na których mogłyby znajdować się elektrony.

Kryształy umownie klasyfikuje się ze względu na szerokość przerwy energetycznej.

Jeśli pasmo przewodnictwa nakłada się na pasmo walencyjne, ciało stałe określa się jako metal. Kryształ zalicza się do dielektryków, gdy pasmo zabronione ma szerokość większą od 2 eV, a do półprzewodników, kiedy szerokość jest mniejsza od 2 eV.

Procesy odpowiedzialne za zajście zjawiska termoluminescencji zachodzą w dielektrykach tylko dlatego, że ich struktura nie jest idealna z powodu nieprawidłowych

lokalizacji jonów podstawowych, tzn. ich braku w odpowiednim węźle czy też domieszkowania obcymi jonam i w węzłach i międzywęźlach sieci krystalicznej. Istniejące defekty sieci wprowadzają do szerokiego pasma zabronionego dodatkowe poziomy energetyczne. Są to tzw. pułapki elektronowe zdolne do przechwytywania elektronów wędrujących w paśmie przewodnictwa oraz centra luminescencji zwane też centrami rekombinacji mogące dostarczać elektrony do pasma walencyjnego. Odpowiednie domieszkowanie dielektryka obcymi jonam i pozwala na kontrolowanie koncentracji i rodzaju defektów (Niewiadomski, 1991; Furetta, 2003).

W dozymetrii termoluminescencyjnej wykorzystuje się właściwości jonizujące promieniowania, tj. jego zdolność do wybijania elektronów z pasma walencyjnego lub pasm położonych głębiej. Jeśli energia wybitego elektronu będzie większa od przerwy energetycznej pasma zabronionego, elektron zostanie przeniesiony z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa (Rys. 2.1.4 - A). Elektrony w paśmie przewodnictwa mogą migrować, aż do momentu, w którym zostaną wychwycone przez pułapki elektronowe (C). Jednocześnie powstałe po wybiciu elektronów dziury wędrują w paśmie walencyjnym (F) aż do chwili, w której zrekombinują z defektem kryształu w paśmie zabronionym. W ten sposób powstają centra luminescencji (D). Po napromienieniu detektora kończy się etap jonizacji i pułapkowania elektronów i dziur. Kolejny etap wiąże się z procesem odczytu dawkomierzy.

Gdy podczas podgrzewania do kryształu zostanie dostarczona energia większa od energetycznej głębokości pułapki (En), pułapki elektronowe opróżnią się, a uwolnione elektrony będą przechodzić ponownie do pasma przewodnictwa (Rys. 2.1.4 - A l).

Wędrują one w paśmie przewodnictwa i gdy znajdą się w sąsiedztwie dziury w centrum luminescencji, rekombinują z nią, co jest zjawiskiem pożądanym w dozymetrii TL, ponieważ towarzyszy temu emisja światła (E). Może się jednak zdarzyć, że zajdzie jeden z procesów konkurencyjnych, powodujących spadek wydajności termoluminescencji.

Pierwszym z nich jest bezpromienista rekombinacja z dziurami w paśmie walencyjnym (D), a drugim powtórne związanie elektronu w pułapce elektronowej (A2) (Niewiadomski, 1991).

W dozymetrii termoluminescencyjnej wykorzystuje się charakterystyczną dla danego materiału proporcjonalność liczby zapełnionych pułapek elektronowych do zaabsorbowanej dawki. Powstało kilka teoretycznych opisów zjawiska termoluminescencji. Do najczęściej wymienianych należą modele kinetyki pierwszego rzędu podany w roku 1945 przez RandalFa i W ilkins’a, (Randall i Wilkins, 1945a; Randall i Wilkins, 1945b) oraz drugiego rzędu stworzony przez Garlicka i Gibsona w roku 1948.

Rys. 2.1.4. M odel zjaw iska termolum inescencji: A - przeniesienie elektronu do pasma przewodnictwa w wyniku absorpcji kwantu prom ieniowania jonizującego, B - wędrówka przestrzenna i energetyczna elektronu w paśm ie przewodnictwa, C - związanie elektronu w pułapce, E„ - energetyczna głębokość pułapki elektronow ej, A l - opuszczenie pułapki elektronowej przez elektron i przejście do pasma przew odnictw a, A2 - ponowne zw iązanie elektronu w pułapce, D - rekom binacja elektronu z dziurą w paśmie w alencyjnym (nie prowadzi do lum inescencji), E - rekom binacja elektronu z centrum lum inescencji dająca światło lum inescencji, F - migracja dziury w paśmie walencyjnym, pe - pułapka elektronowa, cl - centrum lum inescencji (rekom binacji)

Odczytu detektorów termoluminescencyjnych dokonuje się w specjalnie do tego celu przeznaczonych czytnikach. Podstawę systemu odczytu dawkomierzy stanowi grzejnik, który zapewnia kontrolowane, liniowe lub wielostopniowe narastanie temperatury. W wyniku podgrzewania dawkomierza dochodzi do emisji światła, które w fotopowielaczu jest wzmacnianie i przetwarzane na sygnał elektryczny. Umieszcza się na nim detektor poddany wcześniejszej ekspozycji na promieniowanie jonizujące. Fotopowielacz wyposażony jest w układ chłodzenia zapewniający zmniejszenie prądu ciemnego. Impulsy prądowe są przekazywane do elektronicznego układu przetwarzania sygnału, a stamtąd do komputera.

W yniki w formie zależności liczby emitowanych kwantów luminescencji od zmian temperatury podczas odczytu przedstawione są jako tzw. krzywa wyświecania lub krzywa TL.

Termoluminescencyjna krzywa wyświecania jest generowana podczas rozłożonej w czasie emisji światła luminescencji, która ma miejsce podczas podgrzewania detektorów TL w czasie odczytu. Uwalnianie elektronów z poszczególnych pułapek elektronowych jest reprezentowane na krzywej w postaci oddzielonych pików lub gdy pułapki mają zbliżone energie wiązania, w postaci zlanego piku. Gdyby termoluminofor zawierał jedynie jeden rodzaj pułapek elektronowych o takiej samej głębokości, krzywa wyświecania miałaby postać izolowanego piku. Amplituda tego piku zależałaby od szybkości podnoszenia temperatury (szybsze grzanie wiąże się z większą amplitudą i powoduje przesunięcie maksimum piku w stronę wyższych temperatur). Niezależna od szybkości grzania byłaby natomiast scałkowana powierzchnia pod pikiem i to ona stanowiłaby najpewniejszą miarę dawki

pochłoniętej w trakcie napromieniania. W rzeczywistych materiałach termoluminescencyjnych istnieje co najmniej kilka rodzajów pułapek o różnej głębokości.

W związku z tym krzywe TL składają się z kilku wzajemnie na siebie nachodzących pików.

Standardowo podczas odczytu temperatura jest podnoszona liniowo, dzięki czemu uzyskuje się różniczkową krzywą wyświecania będącą wykresem zależności natężenia światła termoluminescencji od temperatury. Z krzywej TL można odczytać nie tylko informacje 0 rozkładzie energetycznym pułapek, ale także o wydajności luminescencji w czasie rekombinacji elektron-dziura zachodzącej podczas opróżniania pułapek (Furetta, 2003).

W aplikacjach medycznych stosowane są zwykle TLD następujących typów:

LiF:Mg,Ti, LiF:Mg,Cu,P oraz Li2B4C>7:Mn, z uwagi na ich ekwiwalent tkankowy. Inne TLD używane ze względu na ich wysoką czułość to: CaSO^Dy, AfeC^C i CaF:Mn. Detektory TLD stosuje się w dozymetrii in vivo w rutynowej procedurze zapewnienia jakości jak i do monitorowania dawki w specjalnych przypadkach, takich jak napromienianie technikami konformalnymi (Kron, 1999). Ponadto detektory TL znajdują zastosowanie do pomiaru dawki dla organów krytycznych, w napromienianiu całego ciała (TBI), w brachyterapii. TLD stosuje się także do weryfikacji technik leczenia w różnych fantomach (np. fantomy antropomorficzne). Stosuje się je także w audytach dozymetrycznych, w szpitalach prowadzących działalność z wykorzystaniem promieniowania jonizującego, które są przeprowadzane przez International Atomie Energy Agency - World Health Organization (WHO) (Niewiadomski, 1991).