氟化锂晶体的色心效应在环境热点剂量监测中的研究

徐伟 乌晓燕

摘 要：核电厂需要监测高成本的关键设备或更换难度极大的设备，监测结果可用于优化设备维修与更换方案，为设备延寿和老化管理提供依据。这些设备通常处于环境热点中，氟化锂晶体剂量计可用作这些环境热点的工作剂量计。正常运行工况下，一台1000 MW机组核岛内典型测点在一个运行周期内的剂量范围为102-104 Gy。本文介绍了室温下该剂量范围内氟化锂晶体剂量计辐照试验的结果，分析了色心生成的阈值及其分光光度计读数随剂量的变化关系，为上述设备的老化管理与延寿工作奠定基础，以提高核电运营的经济性与安全性。

关键词：氟化锂晶体剂量计；色心；剂量监测

核电站需要监测设备的环境剂量，以修正设计的初始值，优化设备的维护、更新与延寿方案，并为事故后决策提供依据，从而提高核电设计与运营的经济性与安全性。这些设备主要为核岛内成本极高的关键设备或更换难度极大的设备，如控制棒驱动装置、主蒸汽隔离阀的驱动装置等。

正常运行工况下，一台1000 MW机组核岛内典型测点在一个运行周期内（通常为12个月或18个月）的累计剂量为102-104 Gy。[ 1 ] 根据行业标准，满足此范围的剂量计系统主要有氟化锂晶体剂量计、丙氨酸剂量计、红色有机玻璃剂量计等。[ 2 ]此前的文章中，我们讨论了上述环境热点的特点，并确定了氟化锂晶体剂量计为此类环境热点的最优剂量计系统。[ 3 ]

下文介绍了102-104 Gy的剂量范围内氟化锂晶体剂量计的研究结果。

1 原理

受到电离辐照后，氟化锂晶体内离子的位置会发生变化，形成阳离子空位、阴离子空位、空位聚集、填隙离子等缺陷色心，这就是氟化锂晶体的色心效应。随着剂量增加，氟化锂晶体内会产生一系列缺陷色心，如F色心、M色心、R色心等。

如图1所示，F色心由一个阴离子空穴俘获一个电子组成，M色心由相邻的两个F色心聚合而成。[ 4-5 ]剂量达到102 Gy时F色心开始生成，达到104 Gy时F色心开始聚合生成M色心。随着剂量增加，新的色心还会继续生成。特定剂量范围内，相应色心的数量随剂量增加而增多。[ 6-7 ]，分光光度计可读取色心的特征吸收光谱，通过建立色心的分光光度计读数（辐照前后氟化锂晶体探测片的吸光度变化值）与剂量的关系，可准确计算被监测对象的环境剂量。

2 实验

辐照实验以水为背景，在室温下进行。钴源的出厂活度为150 TBq（2007年12月），样品位置与钴源中心等高，距离钴源中心为1.00m，剂量率为0.29 Gy/min。样品放置在以钴源中心为圆心，剂量率差异小于2.0%的辐照场内，通过改变辐照时间得到预设的剂量值。在102-104 Gy的范围内均匀选取了11个剂量测点，每个剂量测点设置6个氟化锂晶体探测片，共66片。氟化锂晶体探测片由北京烁光特晶科技有限公司生产和加工，从单一晶体上沿（0，0，1）晶体面切割成片状样品，规格为6.0×6.0×2.0 mm，每个样品的表面均磨平并拋光，使其厚度均勻且透明。探测片的读数通过Cary 5E型紫外可见分光光度计测量，波长扫查范围为190-500 nm。

实验分为探测片准备、钴源辐照和分光光度计读数三个阶段。探测片先后在无水乙醇和丙酮中超声清洁各5 min，再置于500℃中热退火1 hour；用无毛纸保护并编号，经妥善包装后进行辐照；辐照完成后立刻用分光光度计读取190-500nm波长范围内的扫查结果。

3 结果与讨论

图2为氟化锂晶体探测片在190-500nm波长范围内分光光度计读数的扫查结果。受到辐照后，F色心首先生成，其浓度随辐照剂量的增大而增加。当辐照剂量大于103 Gy后，M色心开始生成，其浓度也随辐照的剂量增大而增加。因此，在102-104 Gy范围内氟化锂晶体内主要包含F色心与M色心，这与彭郁卿和陈范欣的实验结果相一致。[ 4，7 ]

a）为190-375 nm范围内的扫查结果

b）为375-500 nm范围内的扫查结果

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

试验选取了11个剂量测点，每个剂量测点设置了6片氟化锂晶体探测片。图3为F色心（247 nm）的分光光度计测量结果，6片氟化锂晶体探测片的分光光度计读数的百分差均小于6%，这说明试验用的氟化锂晶体探测片的材料均匀性、表面加工的光洁渡和一致性都很好，辐照测量结果的可重复性高。辐照剂量大于103 Gy时，随着剂量增加，氟化锂晶体探测片F色心的分光光度计读数的增速减慢，这与F色心的数量逐渐饱和，开始聚合形成M色心的过程相一致。[ 7 ]

氟化锂晶体中F色心的生成需要累积一定数量的阴离子空穴和电子，M色心的生成也需要累积一定数量的F色心，因此F色心和M色心的生成都有剂量阈值。

根据文献，室温下特定范围内，相应色心的分光光度计读数与剂量的平方根成正比[ 7，8 ]，因此可以用公式1拟合氟化锂晶体内特定色心的分光光度计读数与辐照剂量的关系。使用公式1得到的回归曲线对试验数据的拟合优度较高，F色心的R2为0.996，M色心的R2为0.968。回归曲线与彭郁卿等人的试验结果相一致。[ 7 ]

通过回归曲线算的F色心生成的剂量阈值为32.01 Gy，M色心生成的剂量阈值为1724.26 Gy。利用回归曲线算的各剂量测点的分光光度计读数的计算值，其与试验值的百分差均小于10%。辐照监测通常要求计算值与真实值之间的百分差小鱼20%，因此回归曲线符合工程应用的要求。

其中a）为F色心的回归曲线，b）为M色心的回归曲线

Figure 4 Regeneration of Spectroscopy Readings against Radiation Dose，

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

试验剂量范围内，两个色心回归曲线的拟合程度均很高，满足剂量监测的工程应用需要，但M色心范围内的回归曲线的拟合优度相对较低，这是由于本次试验的剂量范围虽然达到了M色心的剂量监测范围（103-106 Gy），但處于M色心生产的起步阶段，试验结果尚未能反映M色心后续的完整变化趋势，可以通过拓展辐照剂量的范围来进一步丰富M色心的实验数据，以进一步提高回归曲线其准确性。

4 结论

本文介绍了102-104 Gy的剂量范围内氟化锂晶体剂量计试验与分析的结果，结论如下：

1）氟化锂晶体剂量计包含F色心和M色心，试验结果可重复性好；

2）两种色心的分光光度计读数均与辐照剂量的平方根成正比，回归曲线的拟合优度均较高，满足核岛内环境热点剂量监测的要求；

3）通过回归曲线算得F色心生成的剂量阈值为32.01 Gy，M色心生成的剂量为1724.26 Gy。

4）在32.01 Gy-1724.26 Gy剂量范围内，剂量监测使用F色心的回归曲线，在1724.26 Gy-104 Gy剂量范围内，使用M色心的回归曲线

随着更大功率机组（如CAP1400和CAP1700）的研发与投入运行，核岛中环境热点的剂量率将不断增高；一些异常工况（如一回路硼酸溶液泄漏等）也可能造成核岛中环境热点的剂量异常增加，这些都要求我们进一步拓展剂量范围。

今后的试验将着重研究M色心及后续R色心范围内氟化锂晶体剂量计的分光光度计读数与辐照剂量关系的研究，得到准确的剂量阈值和回归曲线，为环境热点的剂量监测奠定基础。利用氟化锂晶体剂量计可更准确地计算核岛内环境热点的辐照剂量，为环境热点中电气设备的老化管理、维修更换方案决策、设备延寿等提供数据支持，保证核电厂安全、经济地运营。

参考文献：

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

[2] GB/T-6640-2008-辐射加工剂量测量系统的选择和校准导则[S].北京：中国标准出版社，2008.

[3] 徐伟，乌晓燕.氟化锂晶体剂量计用于我国核电站环境热点剂量监测[J].辐射防护通讯，2016，36（3）：10-12.

[4] 陈范欣.LiF晶体辐照赋色的原理和应用[J].辐射防护通讯，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.不同温度辐照的LiF晶体色心的实验研究[J].核技术，1991，14（10）：598-600.

[8] 彭郁卿，郑万辉，张怡萍，等.LiF晶体中色心的吸收光谱与正电子湮没辐射多普勒展宽研究[J].核技术，1985，8（1）：11-15.