JPH09500200A - 感度の増大した放射線検出方法と測定 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 結晶質物質体に暴露された放射線の線量を、該物質体を約５４０ｎｍより大きい第１の波長の光学的放射線に暴露し、そして、第１の波長より長い第２の波長のルミネッセンスによって該物質体から発せられた光学的エネルギーを測定することによって、測定する。バックグランドの減少はより完全なアニールによってなり遂げられ、放射線誘起ルミネッセンスの増大は、該結晶質物質体をその最初の損傷中心が凝集して二次的な損傷中心になるよう処理することにより得られる。

Description

【発明の詳細な説明】 感度の増大した放射線検出方法と測定 関連出願の引照 本出願は、１９９１年６月２８日に出願され、本出願と共に係属している米国 特許出願Ｎｏ．０７／７２３，０６３の一部係属出願である。なお、該一部係属 出願は、１９８９年１１月３日に出願され現在は放棄されている米国特許出願Ｎ ｏ．０７／４３１，３０７の一部継続出願である。 発明の背景 固体結晶を電離線に暴露させると、幾つかの吸収帯が放射線損傷のレベルをま すます高めて出現する。ハロゲン化アルカリの場合には、Ｆ帯が検出可能な吸収 帯を生ずる放射線損傷中心の最初のものである。放射線暴露が増大すると、第２ 損傷中心が吸収スペクトル中で増強する。第２損傷中心はＭ中心として知られ、 一般に２つの隣接Ｆ中心から成ると考えられる。ＬｉＦにおける吸収測定は、Ｍ 中心吸収のピークが４４３ｎｍにおいて生ずることを示す。 高度に精製されたフッ素リチウム（ＬｉＦ）は長い間光学的窓（ｏｐｔｉｃａ ｌ ｗｉｎｄｏｗ）として用いられてきた。光学的等級ＬｉＦは深紫外領域から 赤外領域までのその優れた透過に関して知られている。ＬｉＦ結晶は分光光度計 によって測定される放射線誘導吸収ピークを用いる高レベル（メガーラド）ガン マ線測定に用いられている。しかし、これらの放射線損傷中心を測定するために 、吸収測定は非常に鈍感な方法である。 ハロゲン化アルカリは、結晶物質を公知吸収帯の波長に一致する波長の光学的 放射線（ｏｐｔｉｃａｌ ｒａｄｉａｔｉｏｎ）によって励起させ、ルミネッセ ンスを観察することによってこの結晶物質が暴露された放射線の線量を測定する ために用いられてきた。 Ｆ中心は一定の放射線暴露に関する損傷中心の最大の濃度を与えるが、Ｆ中心 のルミネッセンスは室温未満では熱的に消滅するので、ルミネッセンス方法を用 いる電離線暴露の線量測定に限定された有効性を有する。しかし、室温における より長い波長のＭ中心吸収帯への励起はルミネッセンスを生ずる。Ｍ中心ルミネ ッ センスは、励起波長とは有意に異なる波長でのルミネッセンス観察を可能にする 、実質的なストークスのシフトを含む。 Ｄ．Ｆ．Ｒｅｇｕｌｌａの「ラジオフォトルミネッセンスに基づくフッ化リチ ウム線測量測定（Ｌｉｔｈｉｕｍ Ｆｌｕｏｒｉｄｅ Ｄｏｓｉｍｅｔｒｙ Ｂ ａｓｅｄ ｏｎ Ｒａｄｉｏｐｈｏｔｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）」，Ｈｅａ ｌｔｈ Ｐｈｙｓｉｃｓ，２２巻，４９１−４９６（１９７２）は、照射された ドープト（ｄｏｐｅｄ）ＬｉＦのルミネッセンスが４５０ｎｍの光線によって励 起される線量測定方法を開示する。 Ｓ．ＤａｔｔａとＡ．Ｅ．Ｈｕｇｈｅｓの「フッ化ナトリウム単結晶を用いる ルミネッセンス線量測定（Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ Ｄｏｓｉｍｅｔｒｙ Ｕ ｓｉｎｇ Ｓｏｄｉｕｍ Ｆｌｕｏｒｉｄｅ Ｓｉｎｇｌｅ Ｃｒｙｓｔａｌ） 」，Ｈｅａｌｔｈ Ｐｈｙｓｉｃｓ，２９巻，４２０−４２１（１９７５）は、 ３５０ｎｍの光線によって励起され、６６０ｎｍにルミネッセンスピークを有す るＮａＦを用いる研究を開示する。 Ｒｅｇｕｌｌａによって報告された研究の場合には、照射されるＬｉＦをドー プする。５２０ｎｍにおける報告されたピークは、純粋なＬｉＦによっては観察 されない。 この内容がここに参考文献と引用されている米国特許出願Ｎｏ．０７／４３１ ，３０７（’３０７）は、Ｍ中心ルミネッセンスを測定することによって放射線 損傷を定量することができることを開示する。ＬｉＦにおけるＭ中心発光スペク トルのピークは約６６５ｎｍにおいて生ずる。この出願（’３０７）によると、 Ｍ中心吸収のピークが生ずる波長に密接に一致する波長の光線によるＬｉＦ結晶 の励起は、ＬｉＦのＭ中心のルミネッセンス収率を有意に増幅することが判明し た。 上記方法の欠点は、比較的短い波長で発光する励起源を必要とすることである 。このような短い波長で発光するレーザーは赤領域及び赤外領域で発光するレー ザーよりも非常に費用がかかる。上記方法の更なる欠点は、１ｍＲ未満の放射線 暴露を信頼性高く測定することができないということである。 出願人はフッ化ナトリウム（ＮａＦ）のＭ中心吸収帯のピークを報告する、公 開された研究を知らない。 発明の概要 Ｍ中心ルミネッセンスの測定によって、吸収測定よりも鋭敏な、放射線損傷の 測定方法を得ることができる。４４２ｎｍＨｅ−ＣｄレーザーによるＬｉＦ結晶 の励起はＬｉＦのＭ中心のルミネッセンス収率を有意に増幅することが判明して いる。ＬｉＦにおける吸収測定はＭ中心測定のピークが４４３ｎｍにおいて生ず ることを実証するので、Ｈｅ−Ｃｄレーザーは好ましい励起レーザーであった。 レーザー刺激はＭ中心の励起状態を生じ、これは非常に強いストロークスのシフ トを受ける。Ｍ中心発光スペクトルのピークは０．３６ｅｖの１／２幅を有して 、６６５ｎｍにおいて生ずる。励起波長は発光波長とは有意に異なるので、深赤 発光の測定を励起と同時に行うことができる。それ故、光学的濾過はＭ中心ルミ ネッセンスをＭ中心吸収帯へのレーザー励起と同時に測定する手段を提供する。 放射線損傷の増強と共にＭ中心の集団は提供する、それ故、Ｍ中心ルミネッセン スは放射線の線量測定の基礎を提供する。ＬｉＦの読み取りは１秒の何分の１で 実施することができる。 感度、すなわち、より少ない放射線の線量を識別し測定する能力は、本発明に 従い、（ａ）放射線暴露に先立ち、ＬｉＦ結晶をより完全にアニールし、それに よって、結晶それ自体からのバックグラウンド信号を減少させ；且つ（ｂ）主要 な放射線損傷の中心、例えば、Ｆ中心を合体させて（ｃｏａｌｅｓｃｅ）、二次 的な放射線損傷の中心、例えば、Ｍ中心とし、それによって、結晶の放射線励起 ルミネッセンス収率を増大させる；ことによって、更に増大させることができる ことが判明した。 ハロゲン化アルカリ群の全ての要素がＭ中心ルミネッセンス線量測定のための 候補者であるが、幾つかの理由からフッ化リチウム（ＬｉＦ）を選択した。第一 に、この結晶は光学的窓物質としてのその使用によって大量に商業的に入手可能 である。第二に、ＬｉＦはそのエネルギー反応においてフォトンにほぼ等しい組 織であり、このことがＬｉＦを混合フィールド（ｆｉｅｌｄ）線量測定用途に適 した物質にしている。最後に、ＬｉＦは安価な商業的に入手可能な青色光レーザ ーによって励起させることができ、そのＭ中心ルミネッセンスは可視光線スペク トルの範囲内で有意に生ずる。この特徴は、可視光線スペクトルに敏感である光 電管が容易に利用可能であるので、光線検出を簡素化する。Ｍ中心の線量測定的 性質を表すデータ及びＭ中心に関する他の一般的な物理的データは詳細な説明の 項に述べ、ここでもＬｉＦにおけるＭ中心の線量測定の可能性を検討する。 Ｍ中心ルミネッセンスは、現在人工的に成長させることができる、殆どあらゆ る固体結晶に存在し、ハロゲン化アルカリ群に限定されない。各結晶は大きな放 射線暴露（約１メガＲ）後に測定することができる、特徴的なＭ中心吸収帯を有 する。Ｍ中心吸収帯のレーザー光線による照射は、励起レーザー光線ビームとは 有意に異なる波長で生ずるＭ中心ルミネッセンスを刺激する。励起光線を吸収し 、Ｍ中心ルミネッセンスを透過する光学フィルターを用いることによって、励起 光線と同時に容易に分離し、検出することができる。 放射線損傷ＮａＦのＭ中心吸収ピークが約５００ｎｍの波長において生ずるこ とが判明している。照射されたＮａＦを約５００ｎｍの波長の光線で励起させる と、これは約６２０ｎｍにピークを有し、約５８０ｎｍ〜約７５０ｎｍの範囲に わたって発光する。電離線に暴露させた純粋なＮａＦ物体を約６３２ｎｍの波長 の光線で励起させると、これは約８７５ｎｍのルミネッセンス曲線にピークを有 し、約６８０ｎｍ〜約１０５０ｎｍの範囲にわたって発光する。さらに、電離線 に暴露された、Ｍ中心吸収スペクトルのピークの波長よりも有意に長い波長の光 線によって励起される。純粋な、すなわちドープされないハロゲン化アルカリ体 、特にＬｉＦ物体又はＮａＦ物体は、この体が暴露された放射線の線量に依存す る強度で赤外領域において発光する。 更に、（ａ）より完全なアニールが、バックグラウンド信号を減少させること 、；及び（ｂ）主要な放射線損傷の中心を合体させて（ｃｏａｌｅｓｃｅ）、次 的な放射線損傷の中心をつくると、放射線励起ルミネッセンス収率を約２０〜５ ０倍も増大させることができ、それによって、１ｍＲ皆の放射線暴露の測定を可 能とすることが判明した。 本発明の第１態様によると、純粋なＮａＦ物体を暴露させた放射線の線量の測 定方法であって、該物体を波長が約５００ｎｍの光学的放射線に暴露させる工程 と；約６２０ｎｍの波長のルミネッセンスによって該物体から発せられる光学的 エネルギーを測定する工程；とを含む、方法を提供する。 本発明の第２態様によると、結晶質物質体を暴露させた放射線の線量の測定方 法であって、該物質体を波長が約５４０ｎｍより長い第１の波長の光学的放射線 に暴露させる工程と；該第１の波長より長い第２の波長のルミネッセンスによっ て該物体から発せられる光学的エネルギーを測定する工程；とを含む、方法を提 供する。 本発明の第３態様によると、Ｍ中心吸収を示す結晶質物質体を暴露させた放射 線の線量の測定方法であって、該物質体をＭ中心吸収ピークよりも有意的に長い 第１の波長の光学的放射線に暴露させる工程と；該第１の波長よりも長い範囲内 の波長のルミネッセンスによって該物質体から発せられる光学的エネルギーを測 定する工程；とを含む、方法を提供する。 本発明の第４態様によると、Ｍ中心吸収を示す結晶質物質体を暴露させた放射 線の線量の測定方法であって、該物質体を高温で所定の時間熱処理し、その後に 、該物質体をＭ中心吸収ピークよりも有意的に長い第１の波長の光学的放射線に 暴露させる工程と；該第１の波長よりも長い範囲内の波長のルミネッセンスによ って該物質体から発せられる光学的エネルギーを測定する工程；とを含む、方法 を提供する。 図面の簡単な説明 本発明の一層良好な理解のために、かつ本発明がどのように実施されるかを示 すために、次には実施例によって、添付図面を説明する。 図１はＭ中心ルミネッセンス読み取り系の図である。Ｈｅ−Ｃｄレーザーは、 １ｍｍのビーム直径によって４４２ｎｍにおいて７０ｍＷを生ずる。読み取り器 はＬｉＦ結晶の挿入と取り出しのためのサンプル引出しを備えた光りを通さない 金属ボックスから成る。この室表面は散乱光線を阻止し、遮蔽するために黒色プ ラスチックから形成される。レーザー光線を阻止し、Ｍ中心ルミネッセンスを透 過させるために、広帯域光学的干渉フィルターを備えたＲＣＡ８８５２光電管を 用いる。パーソナルコンピュータは５０ＭＨｚの能力を有するフォトン計数用の マルチチャンネル計数ボードを収容する。 図２はＴｒａｃｏｒ Ｎｏｒｔｈｅｒｎ光学的マルチチャンネルアナライザを 用いて測定されるＬｉＦのＭ中心ルミネッセンス発光スペクトルを示す。このＭ 中心ルミネッセンス発光は４４２ｎｍＨｅ−Ｃｄレーザーによって励起されたも のである。このＬｉＦ結晶に⁶⁰Ｃｏ源を用いて２．６Ｃ／ｋｇの暴露を行った。 発光スペクトルのピークは０．３６ｅｖの半値幅を有する６６５ｎｍである。 図３は２６０Ｃ／ｋｇに暴露させたＬｉＦ結晶の光学的吸収スペクトルを示す 。ＬｉＦの光学距離は６ｍｍである。この光学的吸収スペクトルはＨｅｗ１ｅｔ ｔ−Ｐａｃｋａｒｄダイオードアレイ（ｄｉｏｄｅ ａｒｒａｙ）光度計を用い て測定したものである。吸収スペクトルのピークは４４３ｎｍであると測定され た。 図４は結晶へ投射される４４２ｎｍ Ｈｅ−Ｃｄレーザーエネルギーの関数と してのＭ中心ルミネッセンスの光学ブリーチング率（ｏｐｔｉｃａｌ ｂｌｅａ ｃｈｉｎｇ ｒａｔｅ）を示す。この図に用いた結晶は２６ｍＣ／ｋｇに暴露さ せたものである。光学ブリーチングの時定数は３２ｓであることが判明した。Ｍ 中心ルミネッセンス強度の総減少は３０Ｃの供給エネルギーに対して２０％であ った。 図５はＬｉＦ結晶に基づくパーソナル放射線量計の概略図である。 図６は１０⁷Ｒのガンマ線の線量に暴露させた純粋なＮａＦの吸収スペクトル を示す。 図７は５１４ｎｍの光線によって励起させた後にガンマ線に暴露させた純粋な ＮａＦの吸収スペクトルを示す。 図８は６３２ｎｍの光線によって励起させた後にガンマ線に暴露させた純粋な ＮａＦの吸収スペクトルを示す。 図９は６３２ｎｍの光線によって励起させた後にガンマ線に暴露させた純粋な ＬｉＦの吸収スペクトルを示す。 図１０は、５９Ｒまで照射され、そして、約１時間約２５℃〜約５００℃の範 囲の温度で熱処理されたフッ化リチウム結晶のルミネッセンス応答を示す。 図１１は、約５０ｍＲから約１０Ｒまで照射され、そして、約１時間約３００ ℃Cの温度で熱処理されたフッ化リチウム結晶のルミネッセンス応答を示す。 詳細な説明 Ｍ中心測定のために、光学的等級のＬｉＦ単結晶（６ｍｍ ｘ ６ｍｍ ｘ ６ｍｍ）を選択した。商業的に入手可能な結晶には適当なＭ中心群が存在するの で、これらの中心を熱処理によって消去した。空気中８７３Ｋにおける１時間の 熱処理がＭ中心バックグランドの消去に十分であるが、更にバックグランドを減 少させることが望ましい。本発明によれば、バックグランド信号は、以下の表に 示した、より長い時間にわたってより低温で更に熱処理することによって減少さ せることができる。 前述の表に示されたデータは、数時間高温に結晶を保つことによってより完全 なアニール、すなわち、消去がなされたこと示している。しかしながら、６００ ℃でアニールすると、結晶とガラス（Ｐｙｒｅｘ）ディッシュ（ｄｉｓｈｅｓ） との間に反応が起きている。５５０℃での処理では、この反応は生じない。 ６００℃で１時間熱処理した後には、結晶の幾つかは対照として維持したが、 残りは⁶⁰Ｃｏの０．２６、２．６、２６、２６０ｍＣ／ｋｇに暴露させた。照射 後に、好ましい露光を防止するために紙エンベロープ中に結晶を保存した。 図１に示すように、読み取り装置は３種類の機能ユニット：７０ｍＷ Ｈｅ− Ｃｄ４４２ｎｍレーザー２、サンプル室６と光電管８とを含む、光を通さないボ ックス４、及びフォトン計数系１０から成るものであった。このＨｅ−Ｃｄレー ザービームは結晶面においてビーム直径１ｍｍに収束し、２つの対立キューブ面 に中心において結晶を透過した。レーザー励起光線を結晶に与えるために、レー ザービーム路とサンプル室とを散乱室内灯とレーザー散乱との遮蔽を助ける黒色 プラスチックから製造した。４４２ｎｍ Ｈｅ−Ｃｄレーザー光線が光電管８に 達 するのを阻止するために且つＭ中心ルミネッセンスを透過させるために、６５０ ｎｍに集中した広帯域干渉フィルター１２を選択した。このフィルターは５０％ の６５０ｎｍピーク透過と７０ｎｍの帯幅とを与えた。散乱した４４２ｎｍ Ｈ ｅ−Ｃｄレーザー光線の透過はフィルター１２の使用によって０．０１％に減少 した。光学フィルターと結晶との間には、Ｍ中心ルミネッセンスに付随するバッ クグランド光線の一部の阻止を助けるために、１ｍｍの隙間が設けられた。この 実験のために選択された光電管８は赤拡大（ｒｅｄ−ｅｘｔｅｎｄｅｄ）マルチ ーアルカリ光電陰極を備えたＲＣＡ８８５２であり、レーザービームの軸から９ ０°をなして取り付けられた。この光電管はフォトン計数に適しているためとそ の優れた赤色反応とのために選択された。フォトン計数系は前置増幅器、増幅器 、弁別器及びパーソナルコンピュータ内に収容されたマルチチャンネル計数ボー ドからなる。この計数系は５０ＭＨｚ速度（ｒａｔｅ）の能力を有する。 読み取りは７０ｍＷレーザービームをサンプル室とＬｉＦ結晶中とに通しなが ら、同時にコンピュータ内のマルチチャンネル計数ボードによってフォトンを計 数することからなる。問題の領域は４００チャンネルから成り、各チャンネルが ５０ｍｓの時間幅を有するように選択された。２０秒間続く、問題の４００チャ ンネル領域にわたって積分を実施した。 図２はＴｒａｃｏｒ Ｎｏｒｔｈｅｒｎ光学的マルチチャンネルアナライザを 用いて測定されるＬｉＦ Ｍ中心ルミネッセンス発光スペクトルである。このＬ ｉＦ結晶に⁶⁰Ｃｏ源を用いて２．６Ｃ／ｋｇの暴露を行った。発光スペクトルの ピークは０．３６ｅｖの半値幅を有する６６５ｎｍである。この結果を用いて、 Ｍ中心ルミネッセンス読み取り器に用いるための最適干渉フィルターを決定した 。重度に暴露されたＬｉＦ結晶の光学的吸収スペクトルをＨｅｗｌｅｔｔ−Ｐａ ｃｋａｒｄダイオードアレイ光度計を用いて測定した。この吸収スペクトルは図 ３に示す。吸収スペクトルの暴露レベルは２６０Ｃ／ｋｇであった。Ｍ中心吸収 曲線を十分に分析するためんい、２６０Ｃ／ｋｇが使用可能な最低暴露であった 。４４３ｎｍにおける吸収曲線ピークはＨｅ−Ｃｄレーザーの４４２ｎｍライン に一致する。 下記表は、０．２６、２．６、２６及び２６０ｍＣ／ｋｇの⁶⁰Ｃｏガンマ暴露 の関数としてＭ中心の反応を示す。 全７０ｍＷのレーザー電力を用いて２６０ｍＣ／ｋｇ暴露の飽和を計数するた めに、２種類の電力レベルを用いた。実験の不確実性の範囲内で、反応は直線関 係に従う。０．２６ｍＣ／ｋｇに暴露させた結晶は暴露を受けなかった結晶の２ 倍の大きさの総反応を示した。 図４は時間の関数としてＭ中心ルミネッセンスのブリーチング率のプロットで ある。結晶を２６ｍＣ／ｋｇに暴露させ、レーザー電力は７０ｍＷであり、６０ ０秒間供給した。ブリーチングプロセスの時定数は３２ｓであることが判明し、 長時間にわたって（ｏｖｅｒ ｔｉｍｅ）一定であるように思われる。Ｍ中心ル ミネッセンスを監視した全時間にわたって、ブリーチングによる総減少は僅か２ ０％であった。励起Ｍ中心の減衰に関係する時定数を直接方法で測定した。時定 数の測定には今までの測定に用いられた装置と同じ装置を用いた。読み取り装置 内の照射ＬｉＦ結晶を励起させるために、窒素ポンプト（ｐｕｍｐｅｄ）色素レ ーザーを用いて、Ｈｅｗｌｅｔｔ−Ｐａｃｋａｒｄ数字化高速記憶オシロスコー プ中にシグナルを供給した。このオシロスコープはデータの平滑なセットが得ら れるまでＭ中心減衰シグナルの平均化を可能にした。測定された時定数は７０ｎ ｓであった。これは他の著者（５，６）の測定と一致するように思われる。 ＬｉＦにおけるＭ中心ルミネッセンスは７０ｎｓのオーダーの時定数によって 生ずる。この測定に基づくと、ＬｉＦにおけるＭ中心は飽和時に約１０⁷フォト ン／秒を形成できるべきである。ＬｉＦにおけるＭ中心の発振強度（ｏｓｃｉｌ ｌａｔｏｒ ｓｔｒｅｎｇｔｈ）に基づく簡単な計算は４０ｋｗにおける４４２ ｎｍレーザービームによるＭ中心ルミネッセンス飽和を予測する。本発明の実験 に用いたレーザーは７０ｍＷであるので、例えば、高強度アルゴンレーザーの使 用によって、励起電力を高めることによってＭ中心ルミネッセンスシグナルの大 きな増加を得ることができる。 Ｍ中心ルミネッセンスを記録する場合には、パーソナルモニターリングを可能 にする高感度線量測定を実現すべきであるならば、赤−赤外発光スペクトルに対 して非常に敏感でなければならない。残念ながら、単独フォトン計数を可能にす る赤拡大光電管は熱電子放出に関連した特徴的に大きい暗カウント（ｂｌａｃｋ ｃｏｕｎｔ）を有する。商業的に入手可能な色素励起はこの高い暗カウント問 題にエレガントな解決を与え、Ｍ中心ルミネッセンスの飽和に達するための大き いピーク電力の必要性をも満たす。色素レーザーは典型的に非常に短いパルス長 さを有するので、色素レーザーパルスの持続時間内の赤拡大光電管暗カウントは 無視できるものになる。励起Ｍ中心の減衰の時定数よりも数桁長い、１０〜１０ ０μｓの時定数を有する非常に大きいピーク電力を生ずるためには、フラッシュ ランプ−ポンプト色素レーザーを作製することができる。それ故、フラッシュラ ンプ−ポンプト色素レーザーの使用によって、Ｍ中心ルミネッセンスは飽和を生 じて最大化され、Ｍ中心の減衰時定数よりも非常に長い時間でのルミネッセンス のサンプリングを可能にする。この条件は良好な統計的結果を与えると思われる 。幸運にも、飽和時のＭ中心ルミネッセンス収率は無視できる暗カウントを生ず るレーザーと同じレーザーによって最適化される。 ＬｉＦにおけるＭ中心ルミネッセンス方法の最も制限的な面（ａｓｐｅｃｔ） は大きい蛍光バックグランドである。直接の散乱レーザー光線によって剌激され る好ましくないバックグランドは、幾つかの発生源から発せられる。このような 発生源の第一はレーザー光線散乱から室表面内に生ずる蛍光である。形状と材料 選択との両方における細心の室設計はこの好ましくない光線源を大きく減ずるこ とができる。第２発生源は結晶表面から発せられる蛍光である。表面蛍光は適当 な条件下で人の目によって明白に目視可能であり、好ましくない光線の最大の発 生源を表す。表面蛍光は表面における蛍光発生種の性質に依存する。好ましくな い光線の第３発生源は結晶の全体（ｂｕｌｋ）からである。レーザービームによ って励起される結晶内の不純物は所望のシグナルを妨げる光線を生ずる。この発 生源の光線は、全体的な結晶効果を遮蔽する大きい蛍光シグナルのために、現在 観察されていない。バックグランド光線の第４発生源はレーザーを調整するため と、散乱レーザー光線が光電管に達するのを阻止するためとの両方に用いられる 光学フィルターの漏出しからである。光電管は励起レーザーの波長に非常に敏感 であるので、適切な濾過が重要である。高品質フィルターと、マルチプルフィル ターの使用は、この種のバックグランド問題を惹起するするのを阻止する。最後 の種類のバックグランド光線が恐らく最も厄介であると思われる。 線量測定用途では、線量測定計が再使用可能であることが好ましく、このこと はＭ中心を除去するために結晶をアニールする必要性を意味する。既述したよう に、熱処理を用いて、Ｍ中心を除去することができる。しかしながら、熱処理の ある箇所では、Ｍ中心が平衡レベルに達し、この箇所ではＭ中心濃度のそれ以上 の減少が困難になる。十分なパーソナル放射線モニターリングを実施するために 、この濃度レベルが適切に低いかどうかはまだ不明である。 上記に基づいて、⁶⁰Ｃｏガンマ源を用いたＬｉＦにおけるＭ中心ルミネッセン スが０．０２６〜２６０ｍＣ／ｋｇの暴露範囲内の有用な線量測定計であると実 証されたことが理解されるであろう。Ｍ中心ルミネッセンス線量測定へのＬｉＦ 使用の主要な困難性は、Ｍ中心ルミネッセンスシグナルに付随する大きな蛍光バ ックグランドである。赤外領域にそれらのＭ中心吸収帯を有するような結晶の励 起に使用可能である、赤外領域で発光する安価なダイオードレーザーが現在入手 可 能である。 多くのハロゲン化アルカリは赤外領域にそれらのＭ中心ルミネッセンス吸収帯 を有する。赤外ルミネッセンスの検出に安価な赤外線検出計を用いることができ 、このことは工業的に利用可能である安価なレーザー検出系を可能にする。この ようにして、Ｍ中心ルミネッセンスはパーソナル線量測定又は環境線量測定の手 段として用いることができる。小型赤外線源を赤外線検出計及び適当な光フィル ターと組み合わせることによって、この組み合わせは実時間分析を行う放射線モ ニターとなる。図５は、ダイオードレーザーのような電池電力供給ダイオード光 源２２を取り付けた結晶２０、結晶のＭ中心ルミネッセンスを検出するための例 えばアバランシュ（ａｖａｌａｎｃｈｅ）フォトダイオードのような光線検出計 ２４、及びレーザー光線を阻止し、結晶のＭ中心ルミネッセンスを透過させるた めの光学フィルターを含む、このような線量測定計を説明する。 光学的に刺激されるルミネッセンスは、同時係属米国特許出願０７／２１３， ２４５号、現在の米国特許第４，９５４，７０７号と、同時係属米国特許出願０ ７／４２０，２９３号、現在の米国特許第５，０２５，１５９号に述べられてお り、これらの内容は参考文献として本明細書中に引用されている。 図６は１０⁷Ｒの線量に暴露させた純粋なＮａＦの吸収スペクトル（曲線Ａ） と、対照（曲線Ｂ）としての照射されなかったＮａＦの吸収スペクトルを示す。 図６に示した吸収スペクトルは公知方法と通常の装置とを用いて測定したもので ある。曲線Ａが約５０５ｎｍにピークを示すことが見られる。これはＭ中心吸収 スペクトルである。曲線Ａから、測定領域内にＭ中心吸収ピークの波長より長い 波長には有意な吸収ピークが存在しないことも見られるであろう。 純粋なＮａＦの単結晶を室温（約２０℃）においてＣｏ−６０源からのガンマ 線に暴露させた。例えば、５１４ｎｍにおいて発光するアルゴンレーザーのよう な、約５１０ｎｍの波長において発光するレーザー光源源をその出力光線源ビー ムが結晶に投射されるように配慮し、光度計を結晶から放出される光線を受容し て、受容した光線の強度を波長の関数として測定するように配慮した。測定され たルミネッセンススペクトルを図７に示す。このルミネッセンススペクトルは約 ６２０ｎｍに顕著なピークを有する。 照射された純粋なＮａＦの単結晶を用いた別の実験では、アルゴンレーザーの 代わりに６３２ｎｍにおいて発光するヘリウムーネオンレーザーを用いた。測定 されたルミネッセンススペクトルは図８に示すが、６８０〜１０５０ｎｍの範囲 であり、約８７５ｎｍに赤外領域におけるピークを有する。ルミネッセンス発光 のピークの振幅は約１Ｒ〜１００，０００Ｒのガンマ線の線量に実質的に関係す ることが判明した。 図６はＮａＦの吸収スペクトルが約６３０ｎｍにピークを有さないことを示す ので、図８によって示される効果があまり波長依存性ではなく、例えば、５６０ 〜７５０ｎｍのような、広範囲の波長に及ぶ光線による純粋なＮａＦの励起が図 ８に示す発光スペクトルと同様な発光スペクトルを生ずると出願人は考える。 ＬｉＦによる同様な実験において、ルミネッセンススペクトル（図４）は約６ ５０〜約１０５０ｎｍの範囲であり、赤外領域（約７３０ｎｍ）にピークを有し た。ＬｉＦのＭ中心吸収スペクトルが約４３３ｎｍにそのピークを有するという 事実に基づいて、約５５０〜７００ｎｍの波長の光線によるＬｉＦの励起が図９ に示す発光スペクトルと同様な発光スペクトルを生ずると出願人は結論する。 図８と図９に関連して述べた観察は、放射線損傷した結晶質物質、特に、純粋 状態のハロゲン化アルカリのルミネッセンスが赤及び赤外領域で発光するレーザ ーによって励起されることができることと、このようなルミネッセンスがガンマ 線線量の高感度測定を可能にすることを示唆する。 感度増強の他に、Ｍ中心吸収スペクトルのピークの波長よりも有意に大きい波 長の光線による励起によってルミネッセンスを剌激する方法は、結晶を励起させ るのに用いるレーザー光源が、同時係属出願で詳述されているＭ中心発光を刺激 するのに用いるレーザー光源よりも非常に安価であるという利点がある。 ＬｉＦの格子定数は約４であるが、ＮａＦの格子定数は約５である。出願人は 、赤外ルミネッセンスを与えるための結晶質物質の刺激に最適な波長は物質の格 子定数に依存すると信ずる。すなわち、格子定数がより大きい結晶は最適な剌激 波長がより長く、ピーク発光は、結局より長い波長側にシフトすると信ずる。格 子定数がより小さくなるにつれて、ルミネッセンスを生ずる損傷中心は熱力学的 に不安定になり、結果として、そのような物質は線量測定（ｄｏｓｉｍｅｔｒｙ ） に関して限定された有用性しかもたない。 図８と図９に関連して述べた観察に対する根拠は、完全には理解されていない 。赤外線ルミネッセンスは、従来観察された中心から起こる可能性もあるし、従 来観察されていなかった中心から起こる可能性もある。 図５に示された装置に類似した装置を使用して、Ｍ中心ルミネッセンスとは対 照的な、図８と図９に関連して述べられた広い帯域効果によって発生した赤外線 ルミネッセンスを検出し測定することによって放射線の線量又はレベルを測定す ることもできる。 ルミネッセンス応答における驚くべき増大は、アニール曲線を測定するこによ って見いだされた。フッ化リチウム結晶をオーブン中で１時間６００℃まで加熱 することによってアニールした後に、５０Ｒの放射線レベルに暴露し、幾つかの 群に分けた。そして、それぞれの群を、別々に、約１時間所定の温度まで加熱し 、その後周囲温度まで冷却することによって熱処理した。対照の群は、熱処理せ ず、周囲温度に保持しておいた。続いて、それぞれの群の結晶の、二次的な損傷 中心（Ｍ中心）のルミネッセンスを既述の方法で測定した。アニール曲線が図１ ０中の点線（１０１）によって示されている、凹面形の下方に向かって４分の１ 円の軌跡を有することが予想されていた。しかしながら、予想もしなかった驚く べきピーク（１０２）が、図１０に示されるように、観察された。これは、予想 されていたよりも約２３倍も大きい応答を実証するものである。 最初の観察の確認のために、５５０℃で１時間アニールしたＬｉＦ結晶を幾つ かの組に分け、それぞれの組を、約５０ｍｒ〜約１０Ｒの放射線に暴露した。そ れぞれの組は、約３００℃で約１時間熱処理した。それぞれの放射線レベルに対 するピーク応答は図１１に示されている。このグラフは、増強効果は放射線暴露 に対して線形関係にあることを示唆している。それぞれのデータ点は、応答が熱 処理しなかった結晶よりも４０倍以上も大きいことを示している。 更なる観察を、５５０℃で１時間アニールした後に３つの試料対に分け、それ ぞれを、１０³Ｒ、１０⁴Ｒ、１０⁵Ｒに暴露した結晶に関して行った。それぞれ の対の１つの試料を約３００℃で約１時間熱処理し、残りの試料は熱処理しなか った。それぞれの対をレーザー励起に供した後に、熱処理された試料と熱処理し な かった試料との間にはルミネッセンスに関して有意的に量的な違いがあることが 目視観察された。 結果として、増大したルミネッセンス応答は、熱処理の温度と照射のレベルの 両方の関数であるように思われる。 ピークの標準的な偏差は約８〜１５％であった。一方、熱処理しなった試料の ピークの標準的な偏差は約２〜３％であった。しかしながら、おり大きな標準偏 差は、結晶が不均一に加熱される小さなオーブンの使用によるものである。より 均一な温度分布を示すオーブンを使用した場合には、より均一な結果が期待され る。 より完全なアニールによるバックグランドの減少と熱処理による放射線誘起ル ミネッセンスの増大に関しては、１ｍＲ未満の放射線に暴露された結晶が光増幅 （ｐｈｏｔｏｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ）管で測定可能な約８０，０００カウント未 満の放射線誘起ルミネッセンスカウントを与えることが予想さえる。これは、１ ｍＲ未満の放射線に関する約２，０００カウント未満の誘起ルミネッセンスカウ ントを与えるものとは対照的である。 続いての精査は、増大されたルミネッセンス応答ピークが主要な放射線応答ピ ークが主要な放射線損傷中心が合体して二次的な放射線損傷中心になったためで あると示唆している。この精査からのデータは、以下に示す、増大ファクターの 表において示されている。増大ファクターは、所定の放射線暴露に 上述の表でのデータは、３００℃を超える温度では、同様な増大ファクターを 得るためには、時間をより短くする必要があることを示唆している。３００℃未 満の温度では、時間をより長くする必要があることが仮定される。更に、それ未 満では効果が観察されない臨界温度があることも仮定される。 ＬｉＦ結晶を用いたときに効果が判明されているが、他の固体状態の結晶、特 にハロゲン化アルカリ結晶もこの現象を示すことが予想される。温度と時間は、 ＬｉＦと、同じときもあれば違う場合もあるであろう。なぜなら、これは新しい 発見であり、基礎となるメカニズムの特性は完全には判明していないためであり 、ＬｉＦとその他の固体状態の結晶に関する最適な熱処理パラメータを特定する には、追加的な精査が必要である。 工程の順が重要であるか否かを精査するために、追加的な試験を実施した。２ つの群のフッ化リチウム結晶を５５０℃で１時間アニールした。ある群はその後 ３００℃で１時間アニールした。残りの群は熱処理しなかった。その後、両方の 群を、約５Ｒの電離線に暴露した。続くレーザー剌激とルミネッセンスの測定に よれば、２つの群の結晶の間にルミネッセンスの違いはなかった。それ故、放射 線暴露は、ルミネッセンスのシグナルを増大させるためには熱処理に先立って行 わなければならないと結論した。 本発明は、本明細書中で詳述されている特別な実施態様に限定されるものでは なく、特許請求の範囲に記載されている発明及びその均等物の範囲から逸脱する ことなく種々の改変を行えるものであることは理解されたい。例えば、図８と図 ９に関連した観察は、２つの物質、すなわち、ＬｉＦとＮａＦに関してのみ詳述 されているが、同様な結果が他の結晶質物質、特に他のハロゲン化アルカリでも 得られると信ずる。更に、アニールと熱処理に関する観察は、１種類の物質、す なわち、ＬｉＦに関してなされたにすぎないが、同様な結果が他の結晶質物質、 特に他のハロゲン化アルカリでも得られると信ずる。付言するに、上述の現象は 熱的な加熱処理を用いたときに発見され実証されているが、例えば、マイクロウ エーブ加熱、超音波などの機械的振動、及び光学的剌激のような、アニールする ことなく拡散を促進するような処理手段も利用可能である。更に言えば、初期ア ニールは大部分の線量測定用途において好適なものであるが、偶発的な線量測定 、考古学的時代測定、及び環境的な試料分析のような（なお、これに限定される ものではない）用途においては、アニールに不適切であり、求める情報を破壊す る可能性がある。しかしながら、熱処理を用いて測定の制度を改善するためにル ミネッセンスシグナルを増大させることもできる。 上記文献の開示は、本明細書中において引用されている。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．損傷中心吸収を示す結晶質物質体で放射線線量を測定する方法であって、 （ａ）前記の結晶質物質体を放射線に暴露させ； （ｂ）前記の暴露された物質体をその損傷中心のルミネッセンスが増大するよう 処理し； （ｃ）前記の処理された物質体を、ピーク損傷中心吸収中心に近い第１の波長の 光学的放射線を用いて励起させ；そして、 （ｄ）該第１の波長よりも長い第２の波長のルミネッセンスによって前記の励起 された物質体から発せられた光学的エネルギーを測定する； 各工程を含む測定方法。 ２．請求項１に記載の測定方法であって、処理工程が、 （ａ）温度とそれに対応した所定の時間を選択し； （ｂ）該暴露された物質体を前記の温度で前記の時間にわたって加熱し； （ｃ）前記の加熱された物質体を周囲温度まで冷却させる； 各工程を含む、測定方法。 ３．請求項２に記載の測定方法であって、 前記温度が約３００℃〜約６００℃であって、前記所定の時間が約１時間〜約 ２時間である、測定方法。 ４．請求項１に記載の測定方法であって、 放射線に暴露させるに先立って、前記物質体の損傷中心を消去する工程を更に 含む、測定方法。 ５．請求項４に記載の測定方法であって、消去工程が、 該物質体を少なくとも約９時間にわたって約５５０℃の温度まで加熱すること を含む、測定方法。 ６．請求項１に記載の測定方法であって、 処理工程が最初の損傷中心を凝集させて二次的な損傷中心とする工程である、 測定方法。 ７．請求項６に記載の測定方法であって、 主要な損傷中心がＦ中心であり、二次的な損傷中心がＭ中心である、測定方法 。 ８．請求項６に記載の測定方法であって、 励起工程を、二次的な損傷中心のピーク吸収波長に近い波長を用いて行う、測 定方法。 ９．請求項１に記載の測定方法であって、 処理工程は、結晶質のバックグランドを約１７５，０００カウント又はそれ未 満まで減少させるアニール処理である、測定方法。 １０．請求項１に記載の測定方法であって、 励起はコヒーレントな光学的放射線を用いて行う、測定方法。