Физические основы термолюминесцентной дозиметрии (ТЛД)
Термолюминесцентная дозиметрия (ТЛД) основана на способности некоторых диэлектриков и полупроводников накапливать энергию ионизирующего излучения в виде метастабильных состояний, а затем, при нагреве, высвобождать эту энергию в виде света. Измеряя интенсивность испускаемого света, можно количественно определить поглощённую дозу излучения.
Механизм термолюминесценции
Когда ионизирующее излучение проходит через кристаллический материал, в нём возбуждаются электроны из валентной зоны в зону проводимости, оставляя позади дырки. При наличии ловушек (дефектов кристаллической решётки или примесей) часть электронов и дырок может быть захвачена в эти ловушки и оставаться там длительное время. Нагревание кристалла приводит к тому, что электроны освобождаются из ловушек и рекомбинируют с дырками, испуская фотон. Интенсивность света пропорциональна количеству захваченной энергии, а значит — дозе излучения.
Основные этапы процесса ТЛД:
Термолюминесцентные материалы
Наиболее широко применяемые ТЛД-материалы:
LiF:Mg,Ti (литий-фторид, легированный магнием и титаном): Обеспечивает высокую тканеэквивалентность (Z_eff ≈ 8,2), линейную дозовую характеристику в широком диапазоне (от микрогреев до нескольких грей), хорошую стабильность сигнала. Используется для персонального и клинического дозиметрического контроля.
CaF₂:Mn (кальций-фторид, легированный марганцем): Обладает высокой чувствительностью, но большим эффективным атомным номером (Z_eff ≈ 16,3), что делает его чувствительным к фотонному излучению и менее подходящим для оценки дозы в тканях человека.
Al₂O₃:C (оксид алюминия, легированный углеродом): Очень высокая чувствительность и стабильность сигнала. Используется также в оптически стимулируемой люминесценции (OSL), но имеет применение и в термолюминесцентной дозиметрии.
Аппаратура для считывания сигнала
Для регистрации термолюминесценции применяются специальные дозиметрические считыватели. Основные компоненты:
Кривая свечения и её анализ
Кривая свечения представляет собой график интенсивности излучения как функции температуры. Она обычно состоит из нескольких пиков, каждый из которых соответствует определённому типу ловушек:
Для аналитических целей используют аппроксимацию пиков функциями Гаусса или другими моделями. Также применяется метод интегрального сигнала в заданном диапазоне температур.
Дозиметрические характеристики ТЛД
Линейность отклика: ТЛД-материалы обладают линейной зависимостью сигнала от дозы в широком диапазоне (от мкГр до десятков Гр). В некоторых случаях наблюдается сублинейность или суперлинейность на высоких дозах.
Порог чувствительности: Минимальная доза, при которой сигнал достоверно превышает уровень фона. Для LiF:Mg,Ti — порядка 10–100 мкГр.
Тканеэквивалентность: Важна для персонального мониторинга. Материалы с Z_eff близким к эффективному атомному номеру мягких тканей дают более точную оценку эквивалентной дозы.
Стабильность сигнала: Сигнал может сохраняться в течение месяцев, но подвержен fading — спонтанному снижению интенсивности с течением времени, особенно при повышенных температурах хранения.
Энергетическая зависимость: На низких энергиях фотонов отклик может зависеть от Z_eff материала. Используются фильтры и калибровка для коррекции.
Угловая зависимость: При применении в полях с разными направлениями излучения (например, при персональном мониторинге) необходимо учитывать возможную зависимость отклика от угла облучения.
Калибровка и использование ТЛД в медицинской физике
Для обеспечения точности измерений дозиметры проходят калибровку в известных полях излучения, обычно в условиях, приближенных к клиническим. Используются стандартизированные источники: Cs-137, Co-60, рентгеновские трубки. Калибровка осуществляется в терминах поглощённой дозы в воздухе или в тканеэквивалентной среде.
В клинической практике ТЛД применяются в следующих направлениях:
Персональный дозиметрический контроль: Нагрудные и наручные дозиметры для медицинского персонала, работающего с источниками ионизирующего излучения.
Контроль доз в лучевой терапии: Верификация дозных распределений, контроль доз на границе мишени, оценка доз вне поля облучения.
Внутритканевая дозиметрия: Малые размеры ТЛД-дозиметров позволяют помещать их внутрь фантомов или пациента, например, при брахитерапии.
Калибровка и верификация медицинского оборудования: Использование ТЛД для проверки точности и стабильности источников облучения, верификации выходных доз рентгенотерапевтических аппаратов и линейных ускорителей.
Повторное использование и обработка дозиметров
После считывания сигнала кристалл может быть повторно использован, однако перед этим проводится процедура термообработки:
Число циклов “облучение — считывание — отжиг” может достигать нескольких сотен, но требуется регулярная проверка стабильности отклика и рекалибровка.
Преимущества и ограничения ТЛД
Преимущества:
Ограничения:
Современные тенденции в развитии ТЛД
Ведутся работы по разработке новых термолюминесцентных материалов с повышенной чувствительностью, селективностью к различным типам излучения и устойчивостью к fading. Особое внимание уделяется:
ТЛД сохраняет устойчивое положение среди основных методов индивидуальной и клинической дозиметрии благодаря своей надёжности, воспроизводимости и универсальности.