1 绪论
1.1 研究背景与意义
光释光（Optically Stimulated Luminescence, OSL）是指用一定波长的光照射在光释光材料上时，光释光材料会激发出另一波长光的现象[1-3]。光释光晶体材料受到环境中的核辐射后，内部结构会发生改变，产生自由电子，这些自由电子被材料中的杂质或者缺陷能级俘获，当受到合适频率的光照射时，释放光子，产生光释光。
光释光技术自 20 世纪中期出现后已被广泛的应用于医学、环境、空间、个人、中子以及事故剂量和考古学等诸多领域。有关 OSL 材料及相关应用、参数详情如下表 1-1所示。
目前国际主要的商业化光释光材料及系统主要由美国兰道尔公司和荷兰 Riso 公司提供。而探测系统的主要技术被这两家公司垄断而且购买价格昂贵。随着国内核辐射相关产业的蓬勃发展，对先进辐射监测技术需求也日益广泛和深入，而国内光释光探测技术和探测系统的研究还远远不能满足发展的要求，因此开展对光释光剂量测量技术的系统研究具有很好的应用前景。
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1.2 国内外研究现状
1921 年，Przibram 在实验过程中首次观测到光释光现象[4]，一年后证实了光释光晶体材料的发光强度与激发光的波长有关。1926 年 Urbach 使用红外光源激发辐照 CsBr和 KCL，和 Schwarziff 共同证实了受光激发辐照的盐岩的发光机理[5]。表明了光释光材料具有的荧光特性，而 Al2O3:C 是最早被发现具有荧光特性的敏感材料。
1956 年，Antonov-Romanovskii[6]等人从硫化锶（SrS）中成功地激发出荧光，并发现 SrS 在较宽的剂量范围内有良好的线性响应。由于光释光探测对探测材料要求比较高，要求探测材料具有高的光激发效率、高的灵敏度、低原子序数和良好的衰减特性，因此，在光释光探测方面关于 OSL 的相关技术成果相对比较少。直到二十世纪五十到六十年代 Sanboern、Antonov Romanovskii 和 Braunlich[7]才首次提出了 OSL 在剂量学中的应用。
1985 年，Huntley[8]首次使用氩离子激光器来进行石英和长石的 OSL 测量。到了二十世纪八十年代末，Al2O3:C 材料被应用于辐射防护领域的商业 OSL 剂量探测系统。随着兰道尔公司的光释光剂量系统的发展，OSL 逐渐被应用到辐射剂量学领域。伴随着对 OSL 技术深入研究，越来越多的关于 OSL 材料的激发方式被提出。其中常用的激发方式有三种，一种是恒定光源激发模式 (Continuous Wave OSL)，简称 CW-OSL[9]，即激发光源的光强保持恒定不变，光释光信号的采集在整个激发过程中也保持连续状态；一种是线性光源激发模式（Linear Modulation OSL），简称 LM-OSL[10]，即激发光源的光强以一定的比例呈线性增加趋势，同样光释光信号的采集在激发过程中保持连续状态；还有一种是脉冲光源激发模式（Pulsed OSL），简称 POSL[11]，即激发光源的光强以脉冲形式发送，且在脉冲间隔间对光释光信号进行采集。
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2 OSL 理论基础
2.1 光释光探测原理
光释光的简单模型[27]如图 2-1 所示，主要包括如下两个过程：
（其中 Ef能级表示费米能级； R 表示势空穴陷阱，用以俘获空穴 F 中心；T 表示势电子陷阱，用以俘获电子 H 中心；a 表示电子和空穴的形成；b 表示电子和空穴的俘获；c 表示电子的释放；d表示电子跟空穴的复合。）
辐射能量的吸收：将光释光探测模块放置于 γ 辐射场中，光释光材料吸收并存储辐射场的能量。辐射能量的存储机理可简化为：光释光材料中的电子通过吸收辐射能量由价带跃迁到导带，留下空穴在价带（跃迁 a），导带中的电子和空穴可以在晶体中自由移动，然后电子从导带回跳到杂质形成的位于禁带的 T（跃迁 b）或者 R（跃迁 d）陷阱能级，从而实现辐射能量的存储。
辐射能量的释放：用激光发生器发出的波长为 532nm 的激发光照射光释光材料（激发过程），位于陷阱内的电子获得能量再次跃迁到导带（跃迁 c），跃迁到导带的电子在与空穴复合的过程中发射荧光[28]（跃迁 b 与跃迁 d），完成能量的释放。OSL 的辐射强度即是俘获电子浓度的相关表征，因此与吸收剂量成正比。（注：在辐射能量的吸收过程中，如果导带的电子没有被陷阱俘获，而是与空穴复合（未被捕获，直接和空穴复合），也会发射荧光。所以在光释光材料被辐射的过程中，也有微弱的荧光发射，称为辐射荧光。
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2.2 OSL 敏感材料 Al2O3:C 及特性
OSL 材料主要分为两种[29]，一种是天然的，一种是人工合成的。其中天然的 OSL材料包括陶瓷、长石、石英、牙釉质[30-33]等，这些材料主要运用在考古剂量学和 OSL断代等科研上；而人工合成的材料种类非常多，主要有 Al2O3:C 材料、Be O 材料、MgS材料、Li F 材料、CaSO4材料等，还有各种掺杂的石英晶体等，这些材料主要运用在空间剂量、个人剂量、环境剂量、医学剂量等领域。
2.2.1 Al2O3:C 敏感材料
很久之前Rieke等人[34]就发现Al2O3具有优良的热释光性能,但由于 Al2O3 对γ射线的热释光灵敏度很低，因此没有很好被应用于商用。直到 20 世九十年代，Akselrod 等[35]利用提拉法，将 C 掺入 Al2O3 中生成 Al2O3:C 晶体，并通过一系列的研究得知, Al2O3:C晶体具有高灵敏度，Al2O3:C 做成的探测模块的灵敏度是 LiF：Mg，Ti 探测模块的 60倍，同时 Al2O3:C 具有线性剂量响应范围宽、对辐射敏感、背底和剂量阈值低、有效原子数少、热释光特性衰减慢(衰减率低于 5% 每年)、低剂量下重复使用性能好、光释光效率高等诸多优点[36]。因此 Al2O3:C 晶体是极具应用潜质的热释光和光释光材料。表 2-1 表示 Al2O3:C 作为释光材料的发展历程。
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3 OSL 探测系统设计...................14
3.2 荧光强度测量系统 ..................................18
3.3 远距离辐射剂量测量系统 ..........................21
4 荧光光谱曲线测量实验.................26
4.1 Al2O3:C 材料的光谱吸收率测量 .........................26
4.2 荧光光谱测量 .........................27
5 光释光探测系统仿真.................32
5.1 光学仿真软件 ASAP 简介 ..........................32
5.2 激光器的仿真 ............................33
5 光释光探测系统仿真
5.1 光学仿真软件 ASAP 简介
ASAP 全称为 Advanced System Analysis Program，即高级系统分析程序，是由美国BRO（Breault Research Organization. Inc）公司开发出来的高级光学系统分析模拟软件。
在利用 ASAP 仿真的系统中，当光束通过整个光学系统时，光束可以自动的分裂为反射，折射，偏振光及散射的分量，各光束可以根据物理可实施的路径独立的行进。这类光束的光线追迹通常被称作“无限制的”或“非序列”的。所以 ASAP 就是根据真实光线在真实世界里的路径所做的一个模拟。
ASAP 使用高斯光束分解的光线追迹的方法，可以同时仿真相干光学系统和衍射光学系统，复杂的光场大都可以使用高斯光束分解的方法来描述，还可以使用该方法来处理相干、衍射、干涉、耦合效率等与相位有关的问题。但直到 2004 年 ASAP 仿真软件才被允许进入中国销售，此前 ASAP 仿真软件只供给美国军方或者欧美企业研发使用，目前 ASAP 已经被 Philips、Osram、Samsung、KOITO、GE 等很多著名国际公司的研发中心采用。
在利用 ASAP 软件进行光源仿真时，可以利用灯源影像、点光源、平行光源、和扇形光来进行高仿真的光源模拟，或者模型化完整的光源几何模型，再结合其光学特性来仿真白热灯泡、LED、冷阴极荧光灯（CCFLs）和高强度的放电弧形灯泡。ASAP的核心是非续列光线追迹引擎，此非续列光线追迹引擎以它的效率和准确度闻名整个光学软件界，它可以将光线以任何次序或是次数投射在光学器件表面，而且光线会自动发生分裂。
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6 总结与展望
6.1 总结
光释光探测技术已经广泛的应用于考古、食品、环境、空间等诸多领域。针对环境中辐射剂量的测量需求，本论文进行了实验方案的设计和仿真，通过搭建的实验装置，测量了光释光材料激发荧光的光谱曲线，为后续的研究方案提供了指导。综合全文，本论文的主要工作如下：
(1) 在大量检索国内外相关文献的基础上，分析了光释光荧光探测的基本原理，包括辐射能量的吸收、辐射能量的释放；分析了光释光材料 Al2O3:C 的一些特性，包括离散系数、剂量响应、能量响应、重复性、探测下限等；最后探讨了光释光探测技术的主要部分，包括激发光源、激发模式、滤光技术、光子探测器等。
(2) 在对光释光探测技术有着清晰认识的基础上，根据项目需求设计了系统原理方案，选择利用激光发生器、二向色镜、光纤耦合器、光纤、光谱仪、滤光片、光电倍增管、信号处理装置、光释光探测器、脉冲延时发生器、光学快门、光功率计以及测试光源等器材进行了实验设计，并根据不同的设计需求和目的，选取其中部分设备搭建不同用途的系统平台。
(3) 选取了 Al2O3:C 为光释光材料，并将激发器的激发模式设置为 CW-OSL 激发模式，测量了 Al2O3:C 的荧光光谱曲线。通过对光谱曲线数据分析，得到了 Al2O3:C 材料激发出荧光的中心波长为 414.9nm 和光强随时间衰减的曲线图，证明光释光强度随时间呈指数衰减关系。
参考文献（略）