TASLIMAGE固體核徑跡測量系統(tǒng)監(jiān)測中子個(gè)人劑量的應(yīng)用研究*

翟賀爭 張繼勉 曹 磊 王巧娟 張仲健 魏 超 武 權(quán) 張珠博 王小春*

TASLIMAGE固體核徑跡測量系統(tǒng)監(jiān)測中子個(gè)人劑量的應(yīng)用研究*

翟賀爭①張繼勉②曹 磊③王巧娟①張仲?、傥?超①武 權(quán)①張珠博①王小春①*

目的：應(yīng)用TASLIMAGE測量系統(tǒng)測量中子劑量刻度系數(shù)，研究測量系統(tǒng)在中子個(gè)人劑量監(jiān)測中的應(yīng)用。方法：依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GBZ207-2008“外照射個(gè)人劑量系統(tǒng)性能檢驗(yàn)規(guī)范”等的推薦方法，應(yīng)用TASLIMAGE測量系統(tǒng)測量經(jīng)中子源刻度過的CR39中子個(gè)人劑量計(jì)，得到中子劑量刻度系數(shù)；對TASLIMAGE系統(tǒng)測量的中子劑量進(jìn)行檢測并應(yīng)用該系統(tǒng)進(jìn)行中子個(gè)人劑量監(jiān)測。結(jié)果：實(shí)驗(yàn)獲得了符合性較好的劑量線性曲線，刻度系數(shù)為513.57 tr/cm2?mSv-1，中子劑量與參考劑量的測量偏差最大為7.34%。結(jié)論：應(yīng)用TASLIMAGE系統(tǒng)進(jìn)行中子個(gè)人劑量監(jiān)測，使用方便、高效，符合國家標(biāo)準(zhǔn)GBZ128-2013職業(yè)性外照射個(gè)人監(jiān)測規(guī)范等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，可為今后開展中子個(gè)人劑量監(jiān)測提供理論依據(jù)，奠定實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

中子個(gè)人劑量；固體核徑跡；TASLIMAGE測量系統(tǒng)；CR39中子個(gè)人劑量計(jì)

[First-author’s address]Institute of Radiation Medicine, Chinese Academy of Medical Sciences, Tianjin 300192, China.

中子測井技術(shù)廣泛應(yīng)用于我國油田勘探工作，測井工作人員可以接觸到放射性中子源的照射。聯(lián)合國原子輻射效應(yīng)科學(xué)委員會(huì)(UNSCEAR)報(bào)告指出，測井場所輻射危害應(yīng)引起重視[1]；國際輻射防護(hù)委員會(huì)(ICRP)第103報(bào)告指出，在測井場所應(yīng)實(shí)施中子個(gè)人劑量監(jiān)測[2]。中子屬于高線性能量傳遞(linear energy transfer，LET)射線，其輻射權(quán)重因子是X射線、γ射線的5～20倍，因此為了保護(hù)與中子相關(guān)的放射工作人員健康，監(jiān)測中子個(gè)人劑量非常重要。

聚丙烯二甘醇碳酸酯(polyallgl diglycol carbonate，PADC)，分子式為C12H18O7，簡稱CR39，是目前較理想的快中子固體核徑跡探測元件，其測量原理是中子與CR39中的C、H和O原子核作用而產(chǎn)生核反應(yīng)產(chǎn)物(主要是反沖核、裂變碎片等)，在元件表面形成損傷(初始徑跡)，經(jīng)過化學(xué)試劑的蝕刻之后，損傷擴(kuò)大至可以在顯微鏡下觀察到的徑跡，徑跡密度與中子劑量有一定的線性關(guān)系，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)對中子的定量測量。

目前，為解決人工顯微鏡下測讀中子徑跡效率低、準(zhǔn)確性差的問題，國內(nèi)外均研發(fā)出了核徑跡蝕刻測量系統(tǒng)，如軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院研發(fā)的BR自動(dòng)測量系統(tǒng)、英國的TASLIMAGE自動(dòng)測量系統(tǒng)和匈牙利的RADOSYS測量系統(tǒng)等，在視野透視、徑跡參數(shù)設(shè)定和徑跡分辨力等方面均具有較好的優(yōu)勢。中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院放射醫(yī)學(xué)研究所于2012年引進(jìn)了英國的TASLIMAGE固體核徑跡測量系統(tǒng)和CR39中子個(gè)人劑量計(jì)，初步建立了放射職業(yè)場所個(gè)人中子劑量監(jiān)測方法，從而定期監(jiān)測職業(yè)性中子危害水平，保障職業(yè)人員健康，為個(gè)人劑量監(jiān)測數(shù)據(jù)庫提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 徑跡測量系統(tǒng)

TASLIMAGE固體核徑跡測量系統(tǒng)包括掃描平臺、聚焦裝置的光學(xué)顯微鏡、CCD攝像機(jī)、計(jì)算機(jī)顯示裝置及配套軟件，其能夠?qū)桔E識別率、徑跡密度等參數(shù)進(jìn)行測量，并可給出徑跡面積、周長、軸比及深度。由于實(shí)驗(yàn)需要擬合中子劑量刻度曲線，因此選擇半自動(dòng)測量模式，以便對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。

1.2 實(shí)驗(yàn)對象及刻度

采用Fukuvi公司生產(chǎn)的厚度為0.9 mm的CR39固體核徑跡探測元件，將其用激光雕刻機(jī)切割成規(guī)格為10 mm×10 mm的探測元件。選擇40片CR39探測元件，本底組為10片，其余均分至5個(gè)組，放置在ICRP推薦30 cm×30 cm×15 cm的水模中軸線上，在原子能科學(xué)研究院(國家電離輻射計(jì)量一級站)的241Am-Be中子參考輻射場垂直照射，根據(jù)現(xiàn)場照射的中子注量(單位是n/cm2)和241Am-Be中子源的中子劑量換算系數(shù)(3.98×10-7mSv/n?cm2)，擬合出5組的中子參考劑量分別為0.3 mSv、1.0 mSv、2.0 mSv、3.0 mSv和5.0 mSv。

1.3 蝕刻徑跡形成原理

被中子照射過的CR39探測元件，其表面會(huì)形成初始徑跡，經(jīng)過一定的化學(xué)蝕刻后，會(huì)形成在光學(xué)顯微鏡下觀測到的徑跡(如圖1所示)[3]。

圖1 蝕刻徑跡的形成示意圖

徑跡形成的動(dòng)力學(xué)參數(shù)包括徑跡蝕刻速率、體刻蝕速率等，顯微鏡觀測到的徑跡輪廓由蝕刻速率比V決定(公式1)。

1.4 徑跡蝕刻及計(jì)算方法

實(shí)驗(yàn)采用的CR39徑跡蝕刻條件是目前較公認(rèn)的方法，即化學(xué)蝕刻試劑濃度為6.25 mol/L的NaOH溶液，選用溫控范圍為(70±0.2) ℃，蝕刻時(shí)間為10.0 h[4-5]。應(yīng)用TASLIMAGE系統(tǒng)對刻度且蝕刻過的CR39進(jìn)行測量，記錄數(shù)據(jù)并擬合線性曲線。根據(jù)國家相關(guān)規(guī)范，并結(jié)合實(shí)際運(yùn)算情況進(jìn)行中子劑量計(jì)算(公式2)[6-7]。

式中，E為暴露期間工作人員中子個(gè)人劑量當(dāng)量Hp(10)劑量(mSv)；Nc和Nb分別為暴露片和未暴露片的徑跡密度(tr/cm2)；Nc-Nb為中子劑量片的凈徑跡密度(tr/ cm2)；K為中子劑量刻度系數(shù)(tr/cm2?mSv-1)。

1.5 中子劑量測量比對

準(zhǔn)備9個(gè)CR39探測元件，分成3組，分別在241Am-Be中子參考輻射場中給予2.0 mSv、3.0 mSv和5.0 mSv的劑量，然后用TASLIMAGE系統(tǒng)及其刻度系數(shù)得到3組CR39元件的劑量，并與參考劑量進(jìn)行比對，從而檢驗(yàn)測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1.6 中子個(gè)人劑量監(jiān)測

將CR39探測元件放置于由中國疾病預(yù)防控制中心輻射防護(hù)與核安全醫(yī)學(xué)所提供的劑量盒中，發(fā)給某測井公司的放射工作人員佩戴，周期為2013年7月1日至2013年9月30日，回收后采用TASLIMAGE系統(tǒng)測量中子個(gè)人劑量水平，完成對職業(yè)人員的個(gè)人劑量監(jiān)測。

2 結(jié)果

2.1 劑量刻度曲線

應(yīng)用TASLIMAGE核徑跡測量系統(tǒng)測量刻度過的CR39探測元件，徑跡圖如圖2所示。根據(jù)視場面積計(jì)算出對應(yīng)參考劑量的徑跡密度及各參考劑量的刻度系數(shù)，其結(jié)果見表1。

圖2 TASLIMAGE測量的徑跡圖

表1顯示，TASLIMAGE測量系統(tǒng)對CR39在不同參考劑量下的刻度系數(shù)有所不同，原因主要是徑跡識別誤差和計(jì)數(shù)系統(tǒng)差異造成的。用最小二乘法擬合CR39劑量片的凈徑跡密度與中子參考劑量曲線如圖3所示，從而得到中子劑量刻度曲線。

表1 TASLIMAGE對標(biāo)定CR39的徑跡測量結(jié)果

圖3 TASLIMAGE測量CR39的刻度曲線

TASLIMAGE測量系統(tǒng)擬合曲線的決定系數(shù)為0.9994、斜率為513.57，故線性刻度系數(shù)為513.57 tr/ cm2?mSv-1。根據(jù)不同徑跡密度，可以從劑量曲線上得到相應(yīng)的中子劑量。

2.2 中子劑量比對

采用TASLIMAGE系統(tǒng)及中子劑量線性刻度系數(shù)KT對9個(gè)CR39劑量片進(jìn)行中子劑量測量，測量偏差最大為7.34%，結(jié)果見表2。

表2 TASLIMAGE系統(tǒng)中子測量比對結(jié)果

2.3 中子劑量監(jiān)測

某測井公司2013年第3季度CR39探測元件在70℃的NaOH溶液蝕刻10 h后，采用純水沖洗→酸浸2 h→純水沖洗→酒精浸泡10 min→熱風(fēng)機(jī)吹干后應(yīng)用TASLIMAGE系統(tǒng)監(jiān)測中子劑量，其結(jié)果見表3。

表3 某測井公司第3季度中子個(gè)人劑量監(jiān)測(部分)

3 討論

在實(shí)驗(yàn)中每一批次的CR39有所不同，應(yīng)用徑跡測量系統(tǒng)重新測量其中子劑量刻度系數(shù)非常重要。本次實(shí)驗(yàn)采用的化學(xué)蝕刻條件(溫度、堿液濃度及蝕刻時(shí)間)是按照目前普遍接受的蝕刻條件，蝕刻過的CR39在自動(dòng)測量系統(tǒng)中獲得了較好的徑跡圖像，但也有學(xué)者采用不同的蝕刻條件，因此采取進(jìn)一步的研究來確定適合TASLIMAGE系統(tǒng)和本批次CR39的最佳蝕刻條件非常必要[8-9]。

中子劑量刻度系數(shù)可以稱為中子劑量靈敏度，表征了每單位注量(劑量)中子轟擊CR39探測元件后的徑跡條數(shù)，是中子個(gè)人監(jiān)測中的重要參數(shù)。TASLIMAGE測量系統(tǒng)在不同參考劑量下的刻度系數(shù)有所不同，測量結(jié)果在參考劑量為0.3 mSv和1 mSv時(shí)相對應(yīng)的刻度系數(shù)為562.1 tr/cm2?mSv-1和465 tr/ cm2?mSv-1，與曲線刻度系數(shù)513.57 tr/cm2?mSv-1相差較大，而在2～5 mSv參考劑量時(shí)，測量結(jié)果相差較小。究其可能原因是：①反沖核在CR39表面形成的徑跡深淺不同，顯微鏡選擇計(jì)數(shù)的層面不同而導(dǎo)致計(jì)數(shù)差異；②考慮到中子劑量較低時(shí)CR39劑量片上徑跡較少，且有微觀雜質(zhì)干擾徑跡識別，以致計(jì)數(shù)偏差較大。比對實(shí)驗(yàn)研究中劑量測量偏差最大為7.34%，滿足了國家職業(yè)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)GBZ207-2008“外照射個(gè)人劑量系統(tǒng)性能檢驗(yàn)規(guī)范”中子測量結(jié)果擴(kuò)展不確定度≤8%的要求，可見測量系統(tǒng)具有較高的準(zhǔn)確度[7]。因此，TASLIMAGE系統(tǒng)用于中子個(gè)人劑量監(jiān)測其結(jié)果可信。

固體核徑跡法測量中子劑量，能夠有效地區(qū)分出n-γ混合場的中子劑量貢獻(xiàn)量。國內(nèi)學(xué)者對CR39做了大量的實(shí)驗(yàn)研究并且提出一種高靈敏度的CR39劑量片，有效地對低能譜中子進(jìn)行測量，對個(gè)人劑量監(jiān)測有較好的應(yīng)用前景[10-11]。TASLIMAGE測量系統(tǒng)屬于全自動(dòng)固體徑跡蝕刻測量系統(tǒng)，測量CR39劑量片方便、高效，為以后批量做中子個(gè)人劑量監(jiān)測打下良好的基礎(chǔ)，并為建立規(guī)范的中子個(gè)人劑量監(jiān)測方法提供依據(jù)。實(shí)施個(gè)人劑量監(jiān)測的質(zhì)量保證工作也不容忽視，為確保測量結(jié)果準(zhǔn)確、可信，開展中子劑量測量比對工作具有重要的實(shí)際意義。

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Application research on solid state nuclear track TASLIMAGE system on neutron individual dose monitoring

ZHAI He-zheng, ZHANG Ji-mian, CAO Lei, et al// China Medical Equipment,2014,11(3):1-4.

Objective: To measure the neutron dose calibration coefficient of CR39 and the application of the TASLIMAGE system in neutron individual dose monitoring.Methods: According to the requirements of GBZ207-2008 , neutron dose calibration coefficients were obtained by TASLIMAGE measurement system; Tests were performed to evaluate the precision of neutron dose of TASLIMAGE system. Meanwhile, the system was applied to the neutron dose monitoring.Results: The calibration coefficient of CR39 was 513.57tr/cm2?mSv-1, and the relative measuring deviation of neutron dose was 7.34%.Conclusion: The TASLIMAGE system is reliable and efficient, and that it could be a useful tool for neutron dose monitoring.

Neutron dose; Solid state nuclear track; TASLIMAGE measurement system; CR39 neutron dosimeter

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2014.03.001

1672-8270(2014)03-0001-04

R144.1

A

2013-12-02

國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(81272511)“SKP2作為食管癌放射治療的新靶向基因研究”；天津市自然科學(xué)基金(11JCYBJC13700)“CKS1影響乳腺癌侵襲轉(zhuǎn)移的分子機(jī)制研究”；中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院放射醫(yī)學(xué)研究所發(fā)展基金(所1330)“CKS1對肺癌輻射敏感性的影響及機(jī)制研究”；協(xié)和青年教師基金(2012Y03)“CKS1對食管癌輻射敏感性的影響及機(jī)理研究”

①中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院放射醫(yī)學(xué)研究所 天津市放射醫(yī)學(xué)與分子核醫(yī)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津 300192

②天津市疾病預(yù)防控制中心 天津 300011

③中國疾病預(yù)防控制中心輻射防護(hù)與核安全醫(yī)學(xué)所 北京 100088

*通訊作者：wxc3188@126.com

翟賀爭,男,(1986- ),碩士，實(shí)習(xí)研究員。中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院放射醫(yī)學(xué)研究所 天津市放射醫(yī)學(xué)與分子核醫(yī)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，從事中子個(gè)人劑量監(jiān)測與診療設(shè)備質(zhì)量控制工作。