CN113277533A

CN113277533A - 探测材料、光释光剂量元件及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN113277533A
Application number: CN202110579934.5A
Authority: CN
Inventors: 赵修良; 周芷千; 刘丽艳; 贺三军; 周超; 黄顺; 高波; 李哲旭
Original assignee: Nanhua University
Current assignee: Nanhua University
Priority date: 2021-05-26
Filing date: 2021-05-26
Publication date: 2021-08-20
Anticipated expiration: 2041-05-26
Also published as: CN113277533B

Abstract

探测材料、光释光剂量元件及其制备方法和应用，涉及核辐射探测技术领域。本发明以氯化钠为主体、氯化亚铜为掺杂物，将两者进行混合，控制混合物中Cu⁺的含量为0.03%‑0.11%，压制后加热至泰曼温度以上进行烧结，得到NaCl：Cu⁺，然后将其制成剂量片，作为光释光剂量元件。制备上述NaCl：Cu⁺的过程中，烧结温度低，工艺较为简单，对设备的要求相对较低，且减少了能源消耗，降低了生产成本，经测试，NaCl：Cu⁺剂量片在标准辐射场中辐照显示其光释光剂量响应良好，具有较好的剂量学特性，并且在1‑1000mGy内线性拟合度高，故可作为一种良好的光释光剂量元件探测材料，为光释光剂量元件探测材料提供了一个新的选择，适合规模化生产应用。

Description

探测材料、光释光剂量元件及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及核辐射探测技术领域，尤其涉及一种探测材料、光释光剂量元件及其制备方法和应用。

背景技术

目前常用的个人剂量计主要有三种，分别是胶片剂量计、热释光剂量计和光释光剂量计，其中热释光剂量计是研究最多，市场上应用最为广泛，且普遍商业化的成熟剂量计，但是存在需要加热，不能重复测读的缺点；胶片剂量计也存在随时间衰退大，不能重复使用的缺点。而以光释光剂量测量技术（OSL）为基础的光释光个人剂量计却有着环境稳定性高、能量响应宽、可重复性高和无需加热等优点，是一种公认的具有代表性且性能优异的个人累计剂量计。然而国内光释光探测技术的引入和剂量读出仪的开发起步尚晚，还不足以跟进市场与研究的匹配度，故需要加强对光释光剂量测量技术的研究，包括探测材料、激发方式和测量方法等。

目前研究最为深入、市场接受度最高的的材料是Al₂O₃:C，但使用该材料的探测器价格昂贵，供应受限且技术被垄断。而现有的C掺杂α-Al₂O₃透明陶瓷光释光材料，如中国专利CN200910052018公开了“C 掺杂α-Al₂O₃透明陶瓷热释光和光释光材料的制备方法”，其采用陶瓷工艺进行制备，先将基体材料和各掺杂材料搅拌后在蒸馏水中混磨24小时，接着在150℃下烘干，然后加入粘结剂，进行造粒，再将粉粒在200MPa 冷等静压下压成片状试样，随后还需要在800℃预烧 3 小时，将粘结剂烧掉，然后将试样放在钼丝氢气炉或真空炉中进行烧结，烧结温度达到1650 ～ 1800℃，烧结时间为 8 ～ 12 小时，获得α-Al₂O₃ 透明陶瓷，然后再将α-Al₂O₃ 透明陶瓷放在盛有石墨块的坩埚中，再放在钼丝氢气炉或真空炉中，进行渗碳热处理，其热处理的温度范围为1400～1650℃，保温时间为3～15小时，制备要求较高，工艺较为复杂，并且采用的烧结温度和热处理温度均较高，不仅能源消耗较大，而且对设备的要求较高，导致成本较高。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种探测材料，以氯化钠为主体，其中掺杂有Cu⁺，所述Cu⁺的含量为0.03%-0.11%。经测试，该探测材料可以作为一种良好的光释光剂量元件探测材料。

本发明的目的之二是提供一种光释光剂量元件，包含有上述的探测材料。其中，所述Cu⁺来自氯化亚铜。

本发明的目的之三是提供光释光剂量元件的制备方法，该制备方法工艺简单。

为达上述目的，本发明采用如下技术方案：光释光剂量元件的制备方法，包括如下步骤：

（1）以氯化钠为主体、氯化亚铜为掺杂物，将二者研磨混合，混合物中Cu⁺的含量为0.03%-0.11%；

（2）将混合粉末放入模具中，在60s内以0.3T-1.2T的压力对混合粉末进行压制成坯；

（3）将坯料加热至泰曼温度以上烧结6-10h，固态化学反应完成后制得NaCl：Cu⁺；

（4）将NaCl：Cu⁺制成剂量片，作为光释光剂量元件。

其中，步骤（3）中固态化学反应温度条件为大约400-650℃。

其中，步骤（3）中的加热速度为5℃/min。

其中，在步骤（1）中，研磨混合后进行过筛处理，过筛的目数为170-250目。

其中，在步骤（1）中，所述氯化钠和氯化亚铜均为分析纯级别。

本发明还涉及上述探测材料在制备光释光剂量元件中的应用以及上述光释光剂量元件在个人剂量计的应用。

本发明以氯化钠为主体、氯化亚铜为掺杂物，将两者进行混合，控制混合物中Cu⁺的含量为0.03%-0.11%，压制后加热至泰曼温度以上进行烧结，得到NaCl：Cu⁺，然后将其制成剂量片，作为光释光剂量元件。制备上述NaCl：Cu⁺的过程中，烧结温度低，工艺较为简单，对设备的要求相对较低，且减少了能源消耗，降低了生产成本，经测试， NaCl：Cu⁺剂量片在标准辐射场中辐照显示其光释光剂量响应良好，具有较好的剂量学特性，并且在1-1000mGy内线性拟合度高，故可作为一种良好的光释光剂量元件探测材料，为光释光剂量元件探测材料提供了一个新的选择，适合规模化生产应用。

附图说明

图1为探测材料NaCl：Cu⁺的制备流程；

图2为NaCl：Cu⁺剂量片的示意图；

图3为测试光释光剂量元件得到的光释光衰减曲线；

图4为测试光释光剂量元件得到的剂量线性响应曲线。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例和附图对本发明作进一步的说明，实施例提及的内容并非对本发明的限定。需要提前说明的是，以下实施例是在实验室完成的，本领域技术人员应当明白，实施例中给出的各组分用量仅代表了各组分之间的配比关系，而非具体的限定。

一、光释光剂量元件的制备

1、探测材料NaCl：Cu⁺的制备

（1）原料为分析纯的氯化钠和氯化亚铜，其中Cu⁺的含量为0.03%-0.11%，原料采用分析纯级别可以减少杂质。

（2）计算出原料应称取的理论质量，用分析天平以克为单位并精确到小数点后四位称取，其中，氯化钠的相对分子质量为58.44，氯化亚铜的相对分子质量为99。

（3）称量完毕后，将一定重量百分比的氯化亚铜高纯度粉末加入到NaCl盐中，然后在玛瑙研钵中研磨混合均匀，实现预混合，其中，选用玛瑙研钵使得研磨后不会有任何乳钵本体物质混入被研磨物中，可以减少杂质的混入。

（4）为了保证样品颗粒度大小，用过筛器进行过筛，过筛的目数为170-250目，可以使样品颗粒粒度大小尽可能小，有利于提高固相之间的反应速率。

（5）固相相互接触是发生物质迁移的前提，将混合粉末的样品放入模具中，并使用压力机在60s内以0.3吨-1.2吨的压力对其进行压制，在钢模中挤压成型，以促进反应物粒子的扩散。

（6）将混合均匀成型后的原料转移至氧化铝坩埚中。

（7）将坩埚置于马弗炉中，在空气氛围条件下调整至5℃/min的速度加热至泰曼温度400-650℃（泰曼温度：系统内部出现明显扩散的温度，是固相反应的开始温度）烧结6-10h进行固态化学反应，制得NaCl：Cu⁺，通过严格控制温度范围，可保证烧结的效果，并且，采用的烧结温度较低，有利于控制能源消耗，并降低对设备的要求，降低成本。

上述NaCl：Cu⁺的制备过程中，烧结温度低，工艺较为简单，对设备的要求相对较低，且减少了能源消耗，降低了生产成本，适合规模化生产应用。

2、NaCl：Cu⁺剂量片的制作

（1）用扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射仪（XRD）对样品进行表征，观察其特征峰并与标准PDF卡片对比，确认上述制得的样品为NaCl：Cu⁺。

（2）将样品放入模具中，即可得到NaCl：Cu⁺剂量片，尺寸为5*1.5mm，其中，模具的规格大小与四元件容器规格大小一致，剂量片为圆形片状，也可以是其他形状。

二、NaCl：Cu⁺剂量片的一致性与重复性测试

1、NaCl：Cu⁺剂量片的一致性测试

（1）将NaCl：Cu⁺剂量片装入四元件容器作为光释光剂量测量元件待用。

（2）将剂量元件批量光退火处理，整体去除可能含有的剂量残余。

（3）利用光释发光原理，将剂量元件辐射一定剂量后完全激发出剂量材料内部储存的能量，记录光释光计数，根据结果确定最佳参数为：掺杂Cu⁺的百分比为0.03%-0.11%，烧结温度为400-650℃，颗粒大小为170-250目，并在此条件下制备大批量样品。

（4）剂量元件的一致性是其作为剂量响应的媒介最重要的性质之一，具有良好的一致性可提高剂量元件的可靠性。因此，可对研制的批量元件做一致性测试，剔除离群值，优选具有良好剂量响应标称值的剂量元件备用。本实施例中通过将所有剂量片辐照相同剂量（5mGy）后激发测试，舍弃偏离度较高的剂量片，可以确定得到的批量剂量片一致性程度，保证光释光相对剂量测量的可靠性。

2、NaCl：Cu⁺剂量片的重复性测试

对剂量元件进行多次辐照，以测试剂量元件的重复性，测试显示，在多次辐照退火下，元件依旧保持一定的灵敏度，重复性良好。

三、测量NaCl：Cu⁺剂量片的剂量学特性

（1）在标准辐射场下将封装好的剂量元件以及球形电离室固定在升降装置上。

（2）通过控制系统测定活度为7.4x10¹¹Bq的Cs-137标准γ放射源在距离为1m处的辐射剂量率，判定距离时间与剂量之间的关系。

（3）根据所得剂量率计算每次辐照剂量所耗费的时间，通过改变时间得到不同的辐照梯度，。

（4）准备十组封装好的剂量元件，对元件光退火处理至本底后标号。

（5）依次辐照1 mGy、5mGy、10 mGy、20 mGy、50 mGy、100 mGy、200 mGy、500 mGy、1000 mGy，避光静置保存24h。

（6）通过确定光释光激发参数对辐照后的剂量元件激发测试，并将计数拟合得到线性响应曲线，由附图4可看出，其光释光剂量响应良好，在1-1000mGy内线性拟合度高。

通过上述分析可知，NaCl：Cu⁺剂量片在标准辐射场中辐照显示其光释光剂量响应良好，在1-1000mGy内线性拟合度高，因此，NaCl：Cu⁺可以作为一种良好的光释光剂量元件探测材料，为光释光剂量元件探测材料提供了一个新的选择。

此外，由于上述探测材料的制备要求较低，制备工艺较为简单，因此上述探测材料还具有在制备光释光剂量元件中的应用前景，并且，包含有上述探测材料的光释光剂量元件具有较好的性能，因此上述光释光剂量元件还具有在个人剂量计的应用前景。

上述实施例为本发明较佳的实现方案，除此之外，本发明还可以其它方式实现，在不脱离本技术方案构思的前提下任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之内。

最后，应该强调的是，为了让本领域普通技术人员更方便地理解本发明相对于现有技术的改进之处，本发明的一些描述已经被简化，并且为了清楚起见，本申请文件还省略了一些其它元素，本领域技术人员应该意识到这些省略的元素也可构成本发明的内容。

Claims

1.探测材料，其特征在于：以氯化钠为主体，掺杂Cu⁺，所述Cu⁺的含量为0.03%-0.11%。

2.光释光剂量元件，其特征在于：包含有权利要求1所述的探测材料。

3.根据权利要求2所述的光释光剂量元件，其特征在于：所述Cu⁺来自氯化亚铜。

4.光释光剂量元件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

（4）将NaCl：Cu⁺制成剂量片，作为光释光剂量元件。

5.根据权利要求4所述光释光剂量元件的制备方法，其特征在于：步骤（3）中固态化学反应温度条件为大约400-650℃。

6.根据权利要求4所述光释光剂量元件的制备方法，其特征在于：步骤（3）中的加热速度为5℃/min。

7.根据权利要求4所述光释光剂量元件的制备方法，其特征在于：在步骤（1）中，研磨混合后进行过筛处理，过筛的目数为170-250目。

8.根据权利要求4所述光释光剂量元件的制备方法，其特征在于：在步骤（1）中，所述氯化钠和氯化亚铜均为分析纯级别。

9.权利要求1所述探测材料在制备光释光剂量元件中的应用。

10.权利要求2或3所述光释光剂量元件在个人剂量计中的应用。