Deutsch
General Aspects
Optically Stimulated
Thermally Stimulated
Radioluminescence
Measurement Systems

Die Lumineszenzdosimetrie hat an der Arbeitsgruppe Strahlungsphysik und ihren Vorgängerinstitutionen eine jahrzehntelange Tradition. Schon in den sechziger Jahren wurden intensive Forschungen und Entwicklungen insbesondere auf dem Gebiet der Thermolumineszenz betrieben. Im Mittelpunkt standen und stehen dabei sowohl die Entwicklung und Charakterisierung von Leuchtstoffen als auch die Entwicklung und Optimierung von Messverfahren und Gerätetechnik. Weitere Schwerpunkte neben der Thermolumineszenz waren in der Vergangenheit dosimetrische Messverfahren auf Basis der Exoelektronenemission und der Optisch Stimulierten Lumineszenz (OSL), letztere sowie die Radiolumineszenz bilden heute Schwerpunkte der Tätigkeit der Arbeitsgruppe.

Lumineszenzdosimeter gehören zur Klasse der passiven Dosimeter, das Detektormaterial wird also als Folge der Wechselwirkung mit der Strahlung latent verändert, ohne dass dieser Effekt während der eigentlichen Bestrahlung gemessen wird. Als Materialien kommen Isolatoren mit einer relativ großen Bandlücke in Frage, welche so dotiert sein müssen, dass sich eine streng lokalisierte Trapstruktur ausbildet. Die auf den Detektor übertragene Strahlungsenergie führt zunächst zu einer Ionisation des Isolators, es werden also Ladungsträger aus dem Valenzband ins Leitungsband gehoben, wo sie im Gegensatz zum Grundzustand frei beweglich sind. Ein Teil dieser angeregten Elektronen rekombiniert mit den lokalen Traps (Haftstellen, electron traps). Da diese ohne Energiezufuhr von außen nicht mehr ins Leitungsband gelangen können, ist dieser Zustand metastabil. Parallel zu den Elektronen rekombinieren auch die nach der Ionisation im Valenzband verbliebenen Löcher mit Elektronen aus den im Grundzustand besetzten Traps (Aktivatorterme, hole traps). Alle nicht auf diese Art eingefangenen Ladungsträger rekombinieren innerhalb von typischerweise Nanosekunden, teils unter Aussendung von Fluoreszenzlicht, in den Grundzustand. Der metastabile Zustand kann je nach Leuchtstoff sehr langlebig sein, dosimetrisch interessant sind typische Lebensdauern ab einigen Tagen, ideal sind Werte ab einem Jahr. Charakterisiert wird dieser Zusammenhang durch das sogenannte Fading, die Abnahme eines Messeffektes in Abhängigkeit von der Lagerzeit nach einer Exposition.

Die Dosimeter integrieren den Messeffekt über den Zeitraum der Exposition, also beginnend von der Herstellung des Grundzustandes bis zur Auswertung. Auch wenn ein typischer Lumineszenzdetektor mit Abmessungen von einigen Millimetern und einer Masse von einigen zehn Milligramm sehr klein ist, enthält er typischerweise 1013 bis 1016 Traps. Deshalb kann der Zusammenhang zwischen absorbierter Dosis und der Anzahl der besetzten Traps über viele Größenordnungen linear sein. Dies wird in der sogenannten Dosischarakteristik dargestellt, in der ausgehend von der unteren Nachweisgrenze die Abhängigkeit des Messeffektes von der zuvor absorbierten Dosis bis hin zur vollständigen Sättigung des Detektors beschrieben wird.

Die dritte wesentliche dosimetrische Eigenschaft eine Detektors ist die sogenannte Energieabhängigkeit seines Ansprechvermögens. Hierfür wird zunächst ein Bezugsmaterial gewählt, welches bei Strahlenschutz- oder medizinischen Anwendungen meist Luft, Wasser oder Weichgewebe ist. Unter bestimmten Expositionsbedingungen (Strahlungsart, Energie, Richtung) wird in diesem Bezugsmaterial eine bestimmte Dosis absorbiert. Wird nun an dieselbe Stelle ein Detektor platziert, kann die Anzeige des Detektors mit der im Bezugsmaterial eigentlich absorbierten Dosis verglichen werden. Die entstehende Funktion wird auf eine Referenzstrahlung, meist Cs-137 oder Co-60, normiert und sollte möglichst unabhängig vom Strahlungsfeld sein. Der genaue Verlauf der Funktion wird bei Lumineszenzdetektoren im Wesentlichen von zwei Faktoren bestimmt, und zwar der Energieabhängigkeit des Verhältnisses der Massenenergieabsorptionskoeffizienten von Detektor- und Bezugsmaterial und der Energieabhängigkeit der Lumineszenzeffektivität des Detektormaterials. In letzterer kommen lokale Sättigungseffekte zum Ausdruck, die bei einer kleinen Energie und damit Reichweite der Sekundärelektronen eine Rolle spielen können.

Nach der Exposition des Detektors muss dieser nun ausgewertet werden. Dies erfolgt durch eine Energiezufuhr (Stimulation), um gezielt die getrapten Elektronen ins Leitungsband zu heben, wo sie wieder frei beweglich sind. Die Stimulation kann sowohl thermisch als auch optisch erfolgen, wichtig ist, dass in beiden Fällen nur ein Bruchteil der Bandlückenenergie zugeführt wird. Die freien Elektronen rekombinieren, unter Aussendung von Lumineszenzlicht, mit den an die Aktivatorterme gebundenen Löchern.

Nach der Auswertung können die Detektoren durch ausreichend lange bzw. intensive Stimulation wieder in den Grundzustand versetzt werden, so dass sie wieder verwendbar werden. Die Wiederverwendbarkeit hängt von Faktoren wie Lebenszeitdosis, maximale Ausheiztemperatur und Anzahl der Verwendungszyklen ab. Teilweise sind Detektoren über Jahre und hunderte Verwendungszyklen hinweg uneingeschränkt verwendbar.

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Last Update: 09. 12. 2016
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