20世纪90年代兴起的回顾性剂量学主要是解决辐射流行病学研究及事故剂量中的剂量学问题而兴起的, 在回顾性剂量学中最主要的技术方法是剂量重建。目前已有多种物理学和生物学的方法进行剂量重建。石英的前剂量热释光技术(pre-dose)便是其中之一^[1-3]。前剂量热释光技术以石英110℃TL峰灵敏度的增加具有剂量依赖性为依据。若石英样品先前受到过照射, 通过热激活(即将样品加热到500℃), 其110℃TL峰值的灵敏度有很大提高, 提高的强度与先前受到的剂量(前剂量)成正比。这种技术除了在考古断代、热处理研究中有广泛应用外, 也开始应用到其他领域。即使辐射事故已发生很长时间, 仍可利用此技术获得较为准确的辐射剂量学资料; 尤其适用于缺少监测数据的地区; 通过现场建筑物不同空间位置的取材, 还可用来说明不同材料的屏蔽效果; 方法的测量灵敏度高、准确性好, 检测下限可达0.01Gy。但前剂量技术也有一些缺点, 如当事故剂量较低时, 测量结果的扩展不确定度受天然辐射照射的影响较大, 此外此实验的测量过程也较繁琐。

1 前剂量热释光技术的基本原理

所谓前剂量效应是指石英等材料在受电离辐射后, 能以某种形式记录下受照射剂量的大小。当通过适当的温度激活后, 测量其110℃TL峰(对石英)的响应来确定受照射剂量的大小。先前受照射的石英样品通过热激活使其110℃峰的响应值有很大提高, 且提高的程度正比于先前受照射的剂量的大小, 可用图 1所示的模型来解释。在此模型中假设发光中心有两种状态, 一种是激活状态, 在此状态下发光中心可以接受电子并发光。另一种状态是退激活状态。在此状态下发光中心不能接受电子也不能发光。激活状态可以通过失去空穴而变为退激活状态。在图中L是发光中心, R是储存中心。它们均为空穴陷阱。T₁和T₂是电子陷阱。辐照期间空穴被优先捕获在储存中心R上。电子分别被捕获在T₁和T₂电子陷阱上。由于T₁的深度很浅, 因此电子保持在此陷阱的时间仅数小时, 而在T₂陷阱上是很稳定的。在室温下R中心上的空穴是稳定的, 在高温时空穴将被驱赶出来。在热激活期间一旦空穴被驱赶出来就被L中心捕获。这样L中心的空穴数目超过了最初所存在的数目。使得从T₁中跳出的电子被L中心捕获的几率增大。因此, 当我们进行110℃TL峰的测量时其TL响应也相应的增加。

前剂量技术是基于上述基本原理建立的一种剂量测定方法在实验室用石英进行实验研究的基本过程是:首先将先前受过照射的样品照射一小的实验剂量, 测量其110℃峰的TL响应值为S₀。然后进行热激活处理, 再照一相同的实验剂量并测量110℃峰的TL响应值为S_n, 接着再照一大的刻度剂量β, 并再一次进行热激活处理, 处理后再照一相同的实验剂量并测量110℃峰的TL响应值为S_n+β.可按公式(1)计算前剂量的大小^[2]。见图 2。

(1)

式中: S₀:热激活前的灵敏度; S_n:热激活(约500℃)后的灵敏度; S_n+β:照射一刻度剂量β并热激活后的灵敏度。

2 材料与方法

受辐射事故照射的现场样品中(砖、瓦等)的总的吸收剂量包含两种成分: ①天然本底剂量。②来源于放射事故的事故剂量。事故剂量等于总剂量与自然本底剂量之差。利用热释光前剂量技术测定出现场样品中(砖、瓦等)的总的剂量和本底剂量即可求出事故剂量。

2.1 样品处理方法 2.1.1 现场样品的预处理

取受事故照射的现场样品(砖、瓦)和现场对照样品若干块, 将两组样品分别去除表面3mm后的表层, 经粉碎的砖块颗粒利用标准筛筛取80目以下的颗粒, 用XZY-1100*500摇床将矿砂和粘土分离, 然后利用WCF- 1-63自动磁分离仪对样品进行磁分离弃去磁性颗粒, 经鉴定非电磁性颗粒80%以上为石英颗粒, 因石英颗粒外有粘土包被, 故呈红色。

2.1.2 样品的化学处理

在经过对红砖样品的去除表层、粉碎、筛分、磁分离后, 经下列步骤进一步处理: ①用蒸馏水清洗至水清为止; ②丙酮中清洗10min, 然后再用蒸馏水清洗2 ~ 3次; ③40%HF处理:将样品置于一塑料杯中, 加入40%HF, 浸泡1h, 其间可用一塑料棒搅拌以加快粘土的分离, 直至样品基本呈白色, 用蒸馏水清洗, 如果样品仍呈少许红色, 可再加少许40%HF, 至样品呈白色, 再用蒸馏水清洗; ④样品经上述步骤处理后, 在50℃的AlCl₃饱和溶液中浸泡15min; ⑤样品浓盐酸中处理30min; 蒸馏水中清洗2 ~ 3次, 80℃干燥。将处理好的样品用标准筛分离出80 ~ 200目的样品备用。

2.2 现场样品的前剂量的测定

首先, 选取适宜的未受事故照射的砖块作为对照样品。对对照样品的要求: ①出产年代与受事故照射的砖块一致; ②块中的石英颗粒的类型、前剂量特性应尽可能与受照射的砖块一致。

总之对照与受照射样品之间除了接受与未接受事故照射之外应尽可能保持一致。

利用前剂量热释光技术对事故现场样品的γ辐射剂量重建方法的基本过程可如图 3所示:

激活温度取450℃, 0.5h, 实验剂量照射50mGy左右。实验剂量照射的目的是提高灵敏度(注意在测量中也应照射同样的实验剂量), 用现场样品测量结果估算剂量的方法与公式(1)一样, 但这时各种量的含义不同, 即:

(2)

式中: S₀为对照样品激活后的110℃的TL响应值本底; S_N为受照样品激活后110℃的TL响应; S_N+β为受照样品+β刻度剂量激活后110℃的TL响应。

3 结果与讨论

在应用热释光前剂量技术进行核事故剂量重建时, 由于样品成分的差异, 确定不同样品的最佳化学处理方法、最佳激活时间、最佳激活温度和线性测量范围是非常重要的。在我们研究中使用的样品的上述几个主要因素的研究结果如下。

3.1 样品的制备

样品制备时采用的不同化学处理方法, 对样品中石英的纯度影响是非常明显的, 而样品中石英的纯度又直接影响前剂量技术的灵敏度和准确度。因此首先应确定其最佳样品制备方法。样品的粒度大小对测量的灵敏度的影响也不可忽视。表 1给出了不同样品粒度其110℃TL响应的结果。从表 1可看出样品的粒度可选择70 ~ 160目的范围^[4]。

3.2 最佳激活温度及激活时间

激活温度是否合适, 对前剂量估算来讲是一个重要的影响因素^[5], 在热激活处理时, 经磁分离的红砖样品, 利用最佳化学处理方法进行化学处理, 分离出石英颗粒。分别按不同温度进行激活, 对石英110℃热释光峰的灵敏度与激活温度的函数作图, 就可得到石英的热激活曲线。表 2给出了几种不同激活温度下由砖块样品提取得石英的热释光响应结果。从表 2可以看出本研究所用样品的最佳激活温度为450℃。激活时间也是重要的因素之一, 本研究所采用的最佳激活时间为30min ^[5-7]。

3.3 线性测量范围及方法的准确度

利用前剂量技术进行事故现场样品的测定给出受事故照射的剂量, 利用本技术可给出14.27 ×10^-4C/kg~ 28.51 ×10^-3C/kg的剂量。在此剂量范围经线性回归分析其相关系数达到0.998。表 3给出了利用本方法进行前剂量模拟测量的结果, 从测量结果来看, 按本方法进行前剂量的测定三次重复测量的平均值与实际照射剂量值仅相差5%, 即使单次测量与实际照射剂量值的误差均在±20%之内。

从表 3可以看出, 每次估算的结果的相对误差均不大于20%, 这已能满足事故剂量重建对准确度要求。

除上述的几个因素需要注意外, 在测量前剂量时应注意, 因样品激活后照射刻度剂量后其110℃的TL信号衰退非常明显而且迅速, 所以激活后前剂量测定时应在照射刻度剂量后尽快的测量110℃的TL响应, 以减少因衰退引起的误差^{[6, 7]}。

4 结论

前剂量技术在回顾剂量学中是一种有用的方法。它具有取材方便、方法简单和快速等优点。在应用中, 对一些关键影响因素如激活温度、激活时间、随存放时间的衰退和线性响应范围等, 必须给予重视, 应严格控制实验条件, 以便提高测量准确度。