氟化鋰晶體的色心效應在環境熱點劑量監測中的研究

徐偉 烏曉燕

摘 要：核電廠需要監測高成本的關鍵設備或更換難度極大的設備，監測結果可用于優化設備維修與更換方案，為設備延壽和老化管理提供依據。這些設備通常處于環境熱點中，氟化鋰晶體劑量計可用作這些環境熱點的工作劑量計。正常運行工況下，一臺1000 MW機組核島內典型測點在一個運行周期內的劑量范圍為102-104 Gy。本文介紹了室溫下該劑量范圍內氟化鋰晶體劑量計輻照試驗的結果，分析了色心生成的閾值及其分光光度計讀數隨劑量的變化關系，為上述設備的老化管理與延壽工作奠定基礎，以提高核電運營的經濟性與安全性。

關鍵詞：氟化鋰晶體劑量計；色心；劑量監測

核電站需要監測設備的環境劑量，以修正設計的初始值，優化設備的維護、更新與延壽方案，并為事故后決策提供依據，從而提高核電設計與運營的經濟性與安全性。這些設備主要為核島內成本極高的關鍵設備或更換難度極大的設備，如控制棒驅動裝置、主蒸汽隔離閥的驅動裝置等。

正常運行工況下，一臺1000 MW機組核島內典型測點在一個運行周期內（通常為12個月或18個月）的累計劑量為102-104 Gy。[ 1 ] 根據行業標準，滿足此范圍的劑量計系統主要有氟化鋰晶體劑量計、丙氨酸劑量計、紅色有機玻璃劑量計等。[ 2 ]此前的文章中，我們討論了上述環境熱點的特點，并確定了氟化鋰晶體劑量計為此類環境熱點的最優劑量計系統。[ 3 ]

下文介紹了102-104 Gy的劑量范圍內氟化鋰晶體劑量計的研究結果。

1 原理

受到電離輻照后，氟化鋰晶體內離子的位置會發生變化，形成陽離子空位、陰離子空位、空位聚集、填隙離子等缺陷色心，這就是氟化鋰晶體的色心效應。隨著劑量增加，氟化鋰晶體內會產生一系列缺陷色心，如F色心、M色心、R色心等。

如圖1所示，F色心由一個陰離子空穴俘獲一個電子組成，M色心由相鄰的兩個F色心聚合而成。[ 4-5 ]劑量達到102 Gy時F色心開始生成，達到104 Gy時F色心開始聚合生成M色心。隨著劑量增加，新的色心還會繼續生成。特定劑量范圍內，相應色心的數量隨劑量增加而增多。[ 6-7 ]，分光光度計可讀取色心的特征吸收光譜，通過建立色心的分光光度計讀數（輻照前后氟化鋰晶體探測片的吸光度變化值）與劑量的關系，可準確計算被監測對象的環境劑量。

2 實驗

輻照實驗以水為背景，在室溫下進行。鈷源的出廠活度為150 TBq（2007年12月），樣品位置與鈷源中心等高，距離鈷源中心為1.00m，劑量率為0.29 Gy/min。樣品放置在以鈷源中心為圓心，劑量率差異小于2.0%的輻照場內，通過改變輻照時間得到預設的劑量值。在102-104 Gy的范圍內均勻選取了11個劑量測點，每個劑量測點設置6個氟化鋰晶體探測片，共66片。氟化鋰晶體探測片由北京爍光特晶科技有限公司生產和加工，從單一晶體上沿（0，0，1）晶體面切割成片狀樣品，規格為6.0×6.0×2.0 mm，每個樣品的表面均磨平并拋光，使其厚度均勻且透明。探測片的讀數通過Cary 5E型紫外可見分光光度計測量，波長掃查范圍為190-500 nm。

實驗分為探測片準備、鈷源輻照和分光光度計讀數三個階段。探測片先后在無水乙醇和丙酮中超聲清潔各5 min，再置于500℃中熱退火1 hour；用無毛紙保護并編號，經妥善包裝后進行輻照；輻照完成后立刻用分光光度計讀取190-500nm波長范圍內的掃查結果。

3 結果與討論

圖2為氟化鋰晶體探測片在190-500nm波長范圍內分光光度計讀數的掃查結果。受到輻照后，F色心首先生成，其濃度隨輻照劑量的增大而增加。當輻照劑量大于103 Gy后，M色心開始生成，其濃度也隨輻照的劑量增大而增加。因此，在102-104 Gy范圍內氟化鋰晶體內主要包含F色心與M色心，這與彭郁卿和陳范欣的實驗結果相一致。[ 4，7 ]

a）為190-375 nm范圍內的掃查結果

b）為375-500 nm范圍內的掃查結果

Figure 2 Spectroscopy Scaning Results of Lithium Fluoride Samples

a）Results in the range of 190-375 nm

b）Results in the range of 375-500 nm

試驗選取了11個劑量測點，每個劑量測點設置了6片氟化鋰晶體探測片。圖3為F色心（247 nm）的分光光度計測量結果，6片氟化鋰晶體探測片的分光光度計讀數的百分差均小于6%，這說明試驗用的氟化鋰晶體探測片的材料均勻性、表面加工的光潔渡和一致性都很好，輻照測量結果的可重復性高。輻照劑量大于103 Gy時，隨著劑量增加，氟化鋰晶體探測片F色心的分光光度計讀數的增速減慢，這與F色心的數量逐漸飽和，開始聚合形成M色心的過程相一致。[ 7 ]

氟化鋰晶體中F色心的生成需要累積一定數量的陰離子空穴和電子，M色心的生成也需要累積一定數量的F色心，因此F色心和M色心的生成都有劑量閾值。

根據文獻，室溫下特定范圍內，相應色心的分光光度計讀數與劑量的平方根成正比[ 7，8 ]，因此可以用公式1擬合氟化鋰晶體內特定色心的分光光度計讀數與輻照劑量的關系。使用公式1得到的回歸曲線對試驗數據的擬合優度較高，F色心的R2為0.996，M色心的R2為0.968。回歸曲線與彭郁卿等人的試驗結果相一致。[ 7 ]

通過回歸曲線算的F色心生成的劑量閾值為32.01 Gy，M色心生成的劑量閾值為1724.26 Gy。利用回歸曲線算的各劑量測點的分光光度計讀數的計算值，其與試驗值的百分差均小于10%。輻照監測通常要求計算值與真實值之間的百分差小魚20%，因此回歸曲線符合工程應用的要求。

其中a）為F色心的回歸曲線，b）為M色心的回歸曲線

Figure 4 Regeneration of Spectroscopy Readings against Radiation Dose，

Figure a）Results of F Center， Figure b）Results of M Center

試驗劑量范圍內，兩個色心回歸曲線的擬合程度均很高，滿足劑量監測的工程應用需要，但M色心范圍內的回歸曲線的擬合優度相對較低，這是由于本次試驗的劑量范圍雖然達到了M色心的劑量監測范圍（103-106 Gy），但處于M色心生產的起步階段，試驗結果尚未能反映M色心后續的完整變化趨勢，可以通過拓展輻照劑量的范圍來進一步豐富M色心的實驗數據，以進一步提高回歸曲線其準確性。

4 結論

本文介紹了102-104 Gy的劑量范圍內氟化鋰晶體劑量計試驗與分析的結果，結論如下：

1）氟化鋰晶體劑量計包含F色心和M色心，試驗結果可重復性好；

2）兩種色心的分光光度計讀數均與輻照劑量的平方根成正比，回歸曲線的擬合優度均較高，滿足核島內環境熱點劑量監測的要求；

3）通過回歸曲線算得F色心生成的劑量閾值為32.01 Gy，M色心生成的劑量為1724.26 Gy。

4）在32.01 Gy-1724.26 Gy劑量范圍內，劑量監測使用F色心的回歸曲線，在1724.26 Gy-104 Gy劑量范圍內，使用M色心的回歸曲線

隨著更大功率機組（如CAP1400和CAP1700）的研發與投入運行，核島中環境熱點的劑量率將不斷增高；一些異常工況（如一回路硼酸溶液泄漏等）也可能造成核島中環境熱點的劑量異常增加，這些都要求我們進一步拓展劑量范圍。

今后的試驗將著重研究M色心及后續R色心范圍內氟化鋰晶體劑量計的分光光度計讀數與輻照劑量關系的研究，得到準確的劑量閾值和回歸曲線，為環境熱點的劑量監測奠定基礎。利用氟化鋰晶體劑量計可更準確地計算核島內環境熱點的輻照劑量，為環境熱點中電氣設備的老化管理、維修更換方案決策、設備延壽等提供數據支持，保證核電廠安全、經濟地運營。

參考文獻：

[1] E. T. Hayes. Equipment LIFETIMETM Monitor Radoation amd Thermal Evironment Report[R].Pittsburgh：Westinghouse Electric Company LLC，2004.

[2] GB/T-6640-2008-輻射加工劑量測量系統的選擇和校準導則[S].北京：中國標準出版社，2008.

[3] 徐偉，烏曉燕.氟化鋰晶體劑量計用于我國核電站環境熱點劑量監測[J].輻射防護通訊，2016，36（3）：10-12.

[4] 陳范欣.LiF晶體輻照賦色的原理和應用[J].輻射防護通訊，1994，14（4）：61-63.

[5] G.Baldacchini，A.T.Davidson，V.S.Kalinov et al.Thermoluminescence of Pure LiF Crystals and Color Centers [J]. Journal of Luminescence， 2007，（122-123）：371-373.

[6] W.L.Mclaughlin，Color Centers in LiF for Measurement of Absorbed Doses up to 100 MGy[J]. Radiation Protection Dosimetry，1996，66（1-4）：197-200.

[7] 彭郁卿，張怡萍.不同溫度輻照的LiF晶體色心的實驗研究[J].核技術，1991，14（10）：598-600.

[8] 彭郁卿，鄭萬輝，張怡萍，等.LiF晶體中色心的吸收光譜與正電子湮沒輻射多普勒展寬研究[J].核技術，1985，8（1）：11-15.