Auswertung der TL-Dosimeter

Zum Auswerten der TLD werden diese in einem so genannten Reader ausgeheizt. Dieser setzt sich aus der Lese- und der Heizeinrichtung zusammen. Die beim Ausleseprozess entstehenden Lichtquanten werden von einem Photomultiplier registriert. Die emittierte Lichtintensität bzw. Lichtmenge ist proportional zu der im Photomultiplier erzeugten Ladung. Das Aufheizen der TLD kann mittels einer elektrischen Heizplatte oder mit heißem Gas erfolgen.

Beim Auslesen mit heißem Gas erfolgt eine besonders gleichmäßige und schnelle Erhitzung der TLD. Eine genauere Beschreibung des verwendeten Auslesegeräts erfolgt in Kap. 3.1.3.

Eine komplette thermische Behandlung setzt sich aus der Vorheizphase (Preheat), der Lesephase (Readout) und der Nachheizphase (Annealing) zusammen. Der Ablauf einer kompletten TLD-Messung und der Einfluss der einzelnen Arbeitsschritte auf die Messgenauigkeit sind in Abb. 6 dargestellt.

Abb. 6: Prinzipieller Ablauf einer TLD-Messung und Einfluss der einzelnen Parameter auf die Messgenauigkeit.

Das Annealing kann auch in einem separaten Temperofen erfolgen (s. Kap. 3.1.4). Nach der Strahlenexposition der TLD werden durch die Vorheizphase (Preheat) nahe am Leitungsband liegende Traps gelöscht, die sich bereits bei niedrigen Temperaturen entleeren. Diese Signalbeiträge aus instabilen Zuständen würden zu einer Verschlechterung der Messgenauigkeit führen und das Messergebnis verfälschen, da möglichst nur die Signalbeiträge des Hauptpeaks (s. Kap. 2.1.5.3) in die Auswertungen eingehen sollen. Die Messgenauigkeit wird durch die Verwendung einer Preheatphase somit erhöht. Die Höhe der Preheattemperatur hängt zum einen vom TLD-Material und zum anderen von der angestrebten Messgenauigkeit ab. Nach Beendigung der Preheatphase werden die TLD weiter

Bestrahlung

aufgeheizt, bis die gewünschte Readouttemperatur erreicht ist. Das emittierte Licht wird im Photomultiplier registriert. Die Verweildauer bei der maximalen Temperatur und die Höhe der Temperatur sind vom jeweiligen Material, der Heizrate und dem zu untersuchenden Dosisbereich abhängig. Werden die TLD auf einer Heizplatte mit einer linearen Heizrate aufgeheizt, ermöglicht der damit verbundene lineare Temperaturanstieg eine direkte Zuordnung der Glowkurvenpeaks zu den Temperaturen der TLD, da Zeit und Temperatur zueinander proportional sind (KRIEGER 2001, S. 249 – 258, KRON 1994).

2.1.5.2 Annealing der TLD

Unter dem Begriff „Annealing“ versteht man das Ausheizen von TLD-Materialien bei einer bestimmten Temperatur, um alle Traps zu entleeren. Es werden auch die Begriffe

„Regeneration“ und „Tempern“ verwendet. Das Annealing findet auch Verwendung, um das TLD-Material zu stabilisieren. Das Backgroundsignal soll möglichst gering gehalten werden.

Darunter versteht man das Signal, das ausgegeben wird, wenn die TLD ohne vorherige Bestrahlung ausgelesen werden. Des Weiteren soll durch das Annealing erreicht werden, dass das Ansprechvermögen, also das erzielte TL-Signal pro absorbierter Dosis, möglichst hoch ist und auch über viele Verwendungsdurchgänge stabil bleibt (KRIEGER 2001, S. 249 – 258).

Durch das Annealing werden verschiedene Effekte im TLD-Material ausgelöst. Die Elektronenfallen werden von so genannten „Restsignalen“ befreit, so dass das Background-Signal bei der nächsten Verwendung möglichst gering ausfällt. Außerdem kommt es zu einer Stabilisierung der Elektronenfallen, und das Ansprechvermögen des Materials bleibt konstant.

Es wird ein Gleichgewicht der Fehlerstellen im Kristall hergestellt, um das Ansprechvermögen des Materials zu verbessern.

Vor der ersten Verwendung kann ein Annealing bei hoher Temperatur durchgeführt werden, um die richtige räumliche Aufteilung der für die Elektronenfallen benötigten Fehlerstellen zu schaffen. Ist das Ansprechvermögen eines Materials im gewünschten Bereich, so ist ein weiteres Annealing bei hohen Temperaturen nicht wünschenswert, da es zu einer weiteren Veränderung der räumlichen Aufteilung der Fehlerstellen führen würde. Es werden nur noch Standard-Annealingprozeduren durchgeführt, die dazu dienen, die Stabilität und das

Ansprechvermögen des Materials zu erhalten. Die in der Literatur üblicherweise verwendeten Annealingparameter sind in Kap. 2.3.1 beschrieben. Die in der vorliegenden Studie verwendeten Annealingparameter sind in den Heizprofilen im Anhang (s. Kap. 8.1) angegeben.

2.1.5.3 Glühkurven der TLD

Wie schon beschrieben, werden die TLD im Auslesegerät zur Auswertung ausgeheizt. Die in den Traps eingefangenen Elektronen oder Löcher gewinnen dadurch Energie, wodurch sie zurück ins Leitungs- oder Valenzband gelangen können. Durch die Dotierung des TLD-Materials mit Fremdatomen werden mehrere metastabile Energieniveaus (Traps) in der Energielücke zwischen Valenz- und Leitungsband geschaffen. Einige der Traps liegen näher am Leitungsband als andere (s. Abb. 7). Um die eingefangenen Elektronen aus diesen nah am Leitungsband gelegenen Traps zu befreien, ist eine relativ geringe Energiedosis nötig. Die Elektronen können bereits bei Raumtemperatur ins Leitungsband gelangen, so dass ihre Dosisinformationen für die Auswertung verloren sind. Dieses Phänomen wird als Fading bezeichnet. Weiter vom Leitungsband entfernt liegende Traps haben tiefere Energieniveaus.

Es ist eine höhere Energiezufuhr nötig, um die Elektronen aus diesen zu befreien. Trägt man beim Auslesen der TLD die Lichtintensität in Abhängigkeit von der Zeit auf, erhält man eine so genannte Glühkurve (s. Abb. 7). Da es verschiedene energetische Lagen von Traps innerhalb eines TLDs gibt, enthalten Glühkurven in der Regel mehrere Intensitätsmaxima, die als Peaks bezeichnet werden. Die Fläche unter der Glühkurve entspricht der Lichtausbeute und ist ein Maß für die absorbierte Dosis. Die Lage der Peaks entspricht der energetischen Lage der Traps in der verbotenen Zone. Die Form der Glühkurven hängt vor allem vom verwendeten TLD-Material ab. Auch die thermische Vorgeschichte und die Strahlungsvorgeschichte des Dosimeters sowie die Heizrate und die Abkühlgeschwindigkeit nach dem Annealing haben Einfluss auf die Form und Größe der Peaks. Die Amplituden der Glühkurven werden umso höher, je schneller die Heiztemperatur erhöht wird. Meist werden nicht die Amplituden, sondern die Fläche unter den Glowpeaks zur Berechnung der gespeicherten Energie verwendet. Diese Flächen sind proportional zu dem Zeitintegral über den Lichtstrom im Auswertgerät, also proportional zur Lichtsumme.

Abb. 7: Zusammenhang zwischen der energetischen Tiefe der Traps und der Lage der Glühkurvenpeaks auf der Temperaturskala, vereinfacht nach KRIEGER (2001, S. 186 – 194), (LB: Leitungsband, VB: Valenzband, 1 – 3 Elektronentraps und dazugehörige

Glühkurvenpeaks.

In Abb. 8 ist exemplarisch eine Glühkurve des Materials GR-200 dargestellt. Auf der Abszisse ist die Zeit aufgetragen. Der Zeitraum des Readouts wird in 200 Zeitabschnitte (Kanäle, engl.: channel) unterteilt. Das TL-Signal und die Gastemperatur werden in Abhängigkeit von der Zeit auf der Ordinate dargestellt.

Abb. 8: Exemplarische Glühkurve von GR-200 bei einer Auslesetemperatur von 250 °C.