1MeV電子加速器輻照劑量的測(cè)量

杜紀(jì)富，姜 燦，王 升，陳 思，李月生

（湖北科技學(xué)院非動(dòng)力核技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北咸寧 437100）

0 引 言

輻射加工是人類和平利用核能的重大成果，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于材料改性、消毒滅菌、食品保鮮、環(huán)境保護(hù)、航空航天、石油化工等各個(gè)領(lǐng)域.目前，全世界經(jīng)輻射加工的產(chǎn)品產(chǎn)值已達(dá)每年數(shù)千億美元，仍以10%～15%的年增長(zhǎng)速度遞增.我國(guó)2010底電子加速器裝置投入運(yùn)行160臺(tái)，以輻射化工為主產(chǎn)品的產(chǎn)值約為670億元，目前的工業(yè)用電子加速器裝置數(shù)量正在快速增長(zhǎng).輻照加工裝置的正常運(yùn)行需要對(duì)加速器的輻照參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)，其中吸收劑量值（D）的測(cè)量和校準(zhǔn)是輻射加工劑量學(xué)中的一項(xiàng)重要內(nèi)容，是電子加速器輻照加工的關(guān)鍵參數(shù)之一，它直接影響到被輻照產(chǎn)品的質(zhì)量.如何有效控制產(chǎn)生電子束的輻射劑量、保證產(chǎn)品質(zhì)量一直是人們比較關(guān)注的技術(shù)難題.目前我國(guó)輻照級(jí)電離輻射計(jì)量體系建設(shè)尚在初始階段，無(wú)法適應(yīng)飛速發(fā)展的中國(guó)輻照加工業(yè).中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院于2010年12月24日宣布建成基于化學(xué)劑量計(jì)的輻照加工級(jí)電離輻射標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)了電子直線加速器輻射劑量測(cè)定的解決方案，建立了相應(yīng)的電離輻射標(biāo)準(zhǔn)［1，2］.

國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)發(fā)布的TRS277技術(shù)報(bào)告中規(guī)定，對(duì)于能量低于10 MeV且高于5 Me V的電子束，推薦使用平行板電離室測(cè)量其吸收劑量，在TRS398號(hào)技術(shù)報(bào)告中明確提出了能量低于5 Me V的電子束必須使用平行板電離室［3］.電離室測(cè)量吸收劑量是通過(guò)測(cè)量電離輻射在與物質(zhì)相互作用過(guò)程中產(chǎn)生的次級(jí)粒子的電離電荷量計(jì)算出吸收劑量.先測(cè)量由電離輻射產(chǎn)生的電離電荷，然后利用空氣的平均電離能計(jì)算并轉(zhuǎn)換成電離輻射所沉積的能量，即吸收劑量.另外還有化學(xué)劑量計(jì)，如重鉻酸銀劑量計(jì)、顯色薄膜劑量計(jì)等.化學(xué)劑量計(jì)有價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn)，但也有測(cè)量精度相對(duì)較低、不可重復(fù)使用、需要離線測(cè)讀設(shè)備等缺陷.然而對(duì)于1 Me V電子加速器加速的低能電子來(lái)說(shuō)，其穿透深度只有幾個(gè)毫米，因此無(wú)法利用平行板電離室和化學(xué)劑量計(jì)測(cè)量，目前已有輻射變色化學(xué)劑量片可實(shí)時(shí)測(cè)讀.

本文介紹采用薄膜顯色劑量片標(biāo)定加速器輻照劑量的方法，并用該方法校準(zhǔn)美國(guó)Wasik公司生產(chǎn)的1 Me V絕緣芯型電子加速器，采用輻射顯示薄膜劑量片進(jìn)行低能加速器標(biāo)定在國(guó)內(nèi)的報(bào)道很少，對(duì)同類產(chǎn)品的輻照劑量的檢測(cè)有一定的指導(dǎo)意義.

1 實(shí)驗(yàn)方法

輻射顯色薄膜劑量片為美國(guó)的FWT－60－00劑量片，大小為10 mm×10 mm，不準(zhǔn)確度為6%（k＝2），經(jīng)過(guò)中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院標(biāo)定，溯源到劑量測(cè)量的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).輻照時(shí)3片劑量片為一組，同時(shí)疊放在束下小車的中部，小車運(yùn)動(dòng)的速度分別為6 m／s，8 m／s，10 m／s和12 m／s，輻照能量選550 keV，750 ke V和1 000 ke V，束流在0～50 m A之間選擇幾個(gè)點(diǎn).輻照后采用Cary 4G型紫外可見分光光度計(jì)在510 nm波長(zhǎng)下測(cè)量劑量片的吸光度，3片劑量片的吸光度值取平均值，根據(jù)標(biāo)定的該批次劑量片的劑量標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算輻照的劑量，測(cè)定劑量片的不均勻度.電子束輸出能量的校準(zhǔn)采用CTA薄膜疊層法，聚苯乙烯法，束流為40 m A，小車速度v＝10 m／min.

圖1 同電壓和束流下，吸收劑量和小車速度的關(guān)系Fig.1 Dose－velocity relation at the same voltage and beam

2 結(jié)果與討論

2.1 吸收劑量與束下裝置運(yùn)行速度的關(guān)系

根據(jù)輻照加工中輻照產(chǎn)品的種類不同，常常需要不同的輻照參數(shù)，包括電子束能量、束流強(qiáng)度、束下裝置運(yùn)行速度.要校準(zhǔn)的設(shè)備束下裝置運(yùn)行速度可調(diào)，最大速度12 m／min，小車行進(jìn)方向不均勻度≤3%.圖1為在同一電壓和同一束流下測(cè)量吸收劑量和小車速度之間的關(guān)系，因?yàn)殡娮蛹铀倨鞯碾娮訏呙鑵^(qū)域在小車前進(jìn)方向上的長(zhǎng)度一定，所以相同的小車速度運(yùn)行時(shí)代表相同的輻照時(shí)間.從圖1中發(fā)現(xiàn)，小車在速度大于6 m／s時(shí)，吸收劑量與小車速度呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系，而在小車速度低于6 m／s時(shí)，因?yàn)樗俣嚷≤囘\(yùn)轉(zhuǎn)不平穩(wěn)，所以偏離線性關(guān)系，引起吸收劑量測(cè)量的誤差較大.通常，在輻照加工過(guò)程中，為了取得最大的工作效率和經(jīng)濟(jì)效益，應(yīng)當(dāng)選擇較快的小車速率，同時(shí)會(huì)提高輻照的劑量準(zhǔn)確率.

2.2 吸收劑量與束流和能量之間的關(guān)系

圖2為電子束能量E＝1 000 keV，小車速度V＝10 m／min，圖3為E＝550 keV，v＝6 m／min，圖4為在小車速度V＝6 m／min，能量為1 000 ke V和750 ke V條件下，吸收劑量和束流之間的關(guān)系，可以看出，在相同的小車速度即相同的輻照時(shí)間，相同的電子束輻照能量下，吸收劑量隨束流的增加呈線性增長(zhǎng)，通過(guò)該曲線可以推算出任意束流輻照時(shí)的吸收劑量.

圖2 E＝1 000 ke V，v＝10 m／min時(shí)，吸收劑量和束流之間的關(guān)系Fig.2 Dose－velocity relation at 1 000 ke V with the velocity 10 m／min

圖3 E＝550 ke V，V＝6 m／min時(shí)，吸收劑量和束流之間的關(guān)系Fig.3 Dose－velocity relation at 550 ke V with the velocity 6 m／min

圖5為小車運(yùn)行速度V＝6 m／min時(shí)，吸收劑量與能量之間的關(guān)系.從圖5中可以看出，在束流小于20 m A時(shí)，吸收劑量與能量之間呈良好的線性關(guān)系，而束流大于30 m A時(shí)，550 ke V能量下吸收劑量偏高，這個(gè)主要是由于加速器本身參數(shù)的設(shè)置引起的，在加速器進(jìn)行調(diào)節(jié)束流時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)在550 keV能量下儀器設(shè)備束流的設(shè)定值與實(shí)際顯示值有較大差別，實(shí)際顯示值為30 m A時(shí)，需要設(shè)定加速器束流參數(shù)為50 m A，這也正是在低能端吸收劑量偏離線性關(guān)系的原因.對(duì)于1 MeV的電子加速器，其低能量的電子輸出性能不理想，因此，該1 Me V電子加速器適合在750 ke V～1 000 ke V的能量范圍下正常工作.

圖4 V＝6 m／min時(shí)，1 000 ke V和750 keV時(shí)劑量隨束流的變化關(guān)系Fig.4 Dose－velocity relation at 1 000 keV and 750 ke V with the velocity 6 m／min

圖5 V＝6 m／min時(shí)，吸收劑量和能量之間的關(guān)系Fig.5 Dose－energy relation with the velocity 6 m／min

2.3 輻照材料中吸收劑量深度分布和電子束能量校正

電子束在材料中的穿透能力弱，吸收劑量的深度分布梯度很大，因此測(cè)量輻照材料中的吸收劑量深度分布，確定最佳厚度，對(duì)改善輻照工藝，保證產(chǎn)品質(zhì)量具有重要意義.但絕對(duì)測(cè)量電子束的能量是比較復(fù)雜的，實(shí)際應(yīng)用中采用電子在密度均勻的材料中的射程Rp來(lái)確定電子的實(shí)際能量.文獻(xiàn)檢索表明，在輻照加工電子束能量測(cè)量方面以射程法最為普遍.電子的實(shí)際射程Rp定義為：深度劑量分布曲線（如圖6）的直線下降部分的外推線和軔致輻射所產(chǎn)生的本底的外推線的交點(diǎn)處的深度.

圖6～圖8分別為標(biāo)稱能量為550 ke V，750 ke V，1 000 ke V時(shí)電子束在CTA和聚苯乙烯材料中的吸收劑量深度分布.電子束輸出能量的校準(zhǔn)采用CTA薄膜疊層法，聚苯乙烯法.根據(jù)計(jì)算，電子束的實(shí)際能量E及在該能量下在CTA、聚苯乙烯材料中的最佳輻照厚度Ropt見表1.

圖6 示值能量為0.5 Me V時(shí)電子束在CTA薄膜中的深度劑量分布曲線Fig.6 Depth－dose distribution curve of 550 ke V electron beam in the CTA film

圖7 示值能量為0.75 MeV時(shí)電子束在CTA薄膜中的深度劑量分布曲線Fig.7 Depth－dose distribution curve of 750 keV electron beam in the CTA film

圖8 示值能量為1 MeV時(shí)電子束在聚苯乙烯薄膜中的深度劑量分布曲線Fig.8 Depth－dose distribution curve of 1 000 ke V electron beam in the PS film

表1 不同能量電子束輻照時(shí)的射程與能量值Tab.1 The range and energy of electron irradiation with different energy

3 結(jié) 語(yǔ)

1）輻射加工時(shí)束下小車的速度在6 m／min～12 m／min，可以提高工作效率，同時(shí)會(huì)提高輻照的劑量準(zhǔn)確率.

2）在相同的小車速度即相同的輻照時(shí)間，相同的電子束輻照能量下，吸收劑量隨束流的增加呈線性增長(zhǎng).

3）電子的實(shí)際能量與設(shè)定值有差別，美國(guó)Wasik公司生產(chǎn)1 Me V電子加速器的最高能量為1MeV，適合在750 ke V～1 000 ke V的能量范圍工作.

［1］ 郭雄彬，趙敏，陳祖良，等.輻照電子直線加速器輻射劑量測(cè)定的技術(shù)研究［J］.核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù)，2011，31（9）：1035－1038.

Guo Xiongbin，Zhao Min，Chen Zhuliang，et al.A project to determine the radiation dose of irradiation electron linac［J］.Nuclear Electronics ＆Detection Technology，2011，31（9）：1035－1038.（in Chinese）

［2］ 中國(guó)同位素與輻射行業(yè)協(xié)會(huì)輻射加工專業(yè)委員會(huì).輻射加工產(chǎn)業(yè)十二五發(fā)展規(guī)劃及建議［J］.中國(guó)核工業(yè)，2011（1）：34－39.

Committee of radiation processing of China isotope and radiation industry association.Plan and suggestion of radiation processing industry during the twelfth five－year development［J］.Zhongguo He Gongye，2011（1）：34－39.（in Chinese）

［3］ 張園月，陳曉淵，鄢玲，等.醫(yī)用電子束吸收劑量測(cè)量中的平行板電離室校準(zhǔn)［J］.中國(guó)測(cè)試，2009，35（3）：24－28.

Zhang Yuanyue，Chen Xiaoyuan，Yan Ling，et al.Parallel－plane chamber calibration for measuring medical electron beam absorbed dose［J］.China Measurement ＆Test，2009，35（3）：24－28.（in Chinese）