高劑量水平吸收劑量測(cè)量用輻射變色薄膜劑量計(jì)研究

陳義珍，李　明，李華芝，陳克勝，張衛(wèi)東，葉宏生，林　敏，徐利軍，夏　文，崔　瑩

(中國(guó)原子能科學(xué)研究院 計(jì)量與校準(zhǔn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京　102413)

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高劑量水平吸收劑量測(cè)量用輻射變色薄膜劑量計(jì)研究

陳義珍，李明，李華芝，陳克勝，張衛(wèi)東，葉宏生，林敏，徐利軍，夏文，崔瑩

(中國(guó)原子能科學(xué)研究院 計(jì)量與校準(zhǔn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102413)

摘要：為建立制備高劑量水平吸收劑量測(cè)量的輻射變色薄膜劑量計(jì)的方法，對(duì)相應(yīng)的配方及制備工藝進(jìn)行研究，批量制備了以尼龍為基材，副品紅氰化物為染料的輻射變色薄膜劑量計(jì)。在(60)Co γ參考輻射場(chǎng)中對(duì)輻射變色薄膜的各劑量學(xué)響應(yīng)性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，重復(fù)性好于1.0%，在5～210 kGy劑量范圍內(nèi)具有較好的劑量響應(yīng)線性，輻射變色薄膜劑量計(jì)輻照后置于低溫條件下貯存2周內(nèi)信號(hào)較穩(wěn)定。此外，該輻射變色薄膜劑量計(jì)在本實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)明顯的劑量率依賴性。通過上述劑量學(xué)性能研究，在線性劑量范圍內(nèi)，測(cè)量吸收劑量的擴(kuò)展不確定度為4.2%(k=2)。通過在加速器上進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)表明，該膜可用于電子束輻照參數(shù)測(cè)量。

關(guān)鍵詞：輻射加工；輻射變色薄膜；吸收劑量；γ射線

近年來隨著輻射加工技術(shù)在我國(guó)的快速發(fā)展，電子束輻照裝置及60Co γ輻照裝置不斷增加。如何準(zhǔn)確、可靠地測(cè)量被照產(chǎn)品中所受的吸收劑量，監(jiān)測(cè)和控制輻照裝置的工藝參數(shù)，提高輻照質(zhì)量已成為計(jì)量監(jiān)督部門和輻照單位共同關(guān)注的問題。在各種輻射變色薄膜劑量計(jì)中，由美國(guó)遠(yuǎn)西技術(shù)公司生產(chǎn)的以尼龍為基材，六羥基乙基副品紅氰化物染料為輻射敏感材料的FWT-60薄膜劑量計(jì)的劑量學(xué)性能較佳，其劑量測(cè)量范圍為1～200 kGy。美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院已將該劑量計(jì)定為輻射加工用的傳遞標(biāo)準(zhǔn)劑量計(jì)[1-3]。FWT-60系列輻射變色薄膜劑量計(jì)目前已成為遠(yuǎn)西技術(shù)公司暢銷全球的獨(dú)家產(chǎn)品。二十世紀(jì)八十年代國(guó)內(nèi)也開展過輻射變色薄膜劑量計(jì)的研制工作，如：廣東測(cè)試所、防化研究院、軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)研究院等[4-5]。由于批量小、重現(xiàn)性差等原因至今未得到應(yīng)用和推廣。國(guó)內(nèi)對(duì)輻射變色薄膜劑量計(jì)的需求全部依賴進(jìn)口，為了建立γ射線和電子束傳遞標(biāo)準(zhǔn)用的輻射變色薄膜劑量體系，本研究擬開展高劑量水平的輻射變色薄膜劑量計(jì)的研制工作，為輻射加工中高劑量測(cè)量建立傳遞標(biāo)準(zhǔn)提供參考。

1基本原理

輻射變色薄膜劑量計(jì)的物理性質(zhì)參數(shù)列于表1。本工作中制備的輻射變色薄膜劑量計(jì)選用隱色副品紅氰化物(Pararosaniline Cyanide， PR-CN)為輻射敏感材料。該隱色染料在極性介質(zhì)(活化劑)中經(jīng)電離輻射或紫外線輻射，授予能大于3.8 eV時(shí)，C-N基斷裂，碳與苯環(huán)間形成雙鍵，染料分子由無色的苯式結(jié)構(gòu)變成著色的醌式結(jié)構(gòu)式示于圖1，且染料顏色變化的深淺與吸收劑量成正比關(guān)系[6]。在選定波長(zhǎng)下用分光光度計(jì)測(cè)量其吸光度，然后將測(cè)得的單位厚度吸光度的變化量(ΔA)作為吸收劑量(D)的函數(shù)來確定被照物質(zhì)所受的吸收劑量。輻照前該輻射變色薄膜(以下稱PR-CN膜)呈無色或淺粉透明狀，輻照后PR-CN膜變?yōu)樽霞t色。

表1　機(jī)制薄膜狀丙氨酸劑量計(jì)的物理性質(zhì)

圖1　PR-CN膜輻射誘發(fā)的光化學(xué)反應(yīng)式Fig.1　Photochemical reaction of PR-CN film

2輻照實(shí)驗(yàn)

自制輻射變色薄膜劑量計(jì)研制中使用的輻射源為Co-60 γ射線源。γ射線輻照實(shí)驗(yàn)在中國(guó)原子能科學(xué)研究院輻照中心的鈷源上進(jìn)行。

PR-CN膜劑量計(jì)對(duì)光子的吸收劑量值由Fricke標(biāo)準(zhǔn)劑量計(jì)給出。即：首先將Fricke標(biāo)準(zhǔn)劑量計(jì)在有機(jī)玻璃模體水箱校準(zhǔn)點(diǎn)處進(jìn)行輻照，給出校準(zhǔn)點(diǎn)處的吸收劑量率。然后采用替代法在校準(zhǔn)點(diǎn)處對(duì)PR-CN膜劑量計(jì)按預(yù)計(jì)時(shí)間進(jìn)行輻照，輻照后的PR-CN膜用校準(zhǔn)點(diǎn)處Fricke 給出的吸收劑量率賦值。

PR-CN膜裁切成10 mm×10 mm大小，每片均進(jìn)行厚度修正，其厚度由德國(guó)產(chǎn)Mark測(cè)厚儀測(cè)量，精度為0.001 mm。PR-CN膜和校準(zhǔn)用的Fricke劑量計(jì)均使用美國(guó)產(chǎn)的Cary 4000紫外-可見雙光束分光光度計(jì)測(cè)量其吸光度，最后由其單位厚度吸光度變量與其吸收劑量函數(shù)確定吸收劑量。

3結(jié)果與討論

3.1薄膜劑量計(jì)劑量學(xué)性能

3.1.1重復(fù)性

PR-CN膜劑量計(jì)劑量測(cè)量重復(fù)性結(jié)果列于表2。劑量計(jì)測(cè)量重復(fù)性是輻射變色薄膜劑量計(jì)劑量學(xué)性能的重要指標(biāo)。為了考察自制PR-CN膜的測(cè)量重復(fù)性，選用30片PR-CN膜，3片為一組，共10組，經(jīng)厚度歸一后，用單次測(cè)量的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差來表示測(cè)量結(jié)果，表2結(jié)果表明，自制PR-CN膜照后劑量測(cè)量重復(fù)性好于1%。

表2　PR-CN膜劑量計(jì)劑量測(cè)量重復(fù)性(n=3)

3.1.2響應(yīng)曲線

在Co-60 γ射線參考輻射場(chǎng)中輻照若干組PR-CN膜，測(cè)量得到的劑量響應(yīng)線性曲線示于圖2。PR-CN膜輻照后顏色變化趨勢(shì)示于圖3。在557 nm波長(zhǎng)下， PR-CN膜劑量計(jì)的劑量響應(yīng)范圍很寬(5.2～92.6 kGy)，在此范圍內(nèi)其單位厚度吸光度變化值ΔA與吸收劑量之間存在對(duì)數(shù)線性關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，其劑量響應(yīng)曲線的線性相關(guān)系數(shù)R2為0.999 1。

圖2　PR-CN膜劑量計(jì)的劑量響應(yīng)曲線(557 nm)Fig.2　Dose-response curves of the PR-CN films at 557 nm

此外，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)PR-CN膜在不同波長(zhǎng)處均有很好的線性響應(yīng)，在不同波長(zhǎng)處PR-CN膜劑量計(jì)吸光度變量隨吸收劑量的變化列于表3。在7.7～92.6 kGy劑量范圍內(nèi)，其劑量響應(yīng)曲線的R2值大于0.999 3，表明該薄膜劑量計(jì)的測(cè)量上限及劑量響應(yīng)范圍可進(jìn)一步擴(kuò)展。

圖3　PR-CN膜輻照后顏色變化趨勢(shì)Fig.3　Color change of the PR-CN films irradiated at different doses

吸收劑量/kGy不同測(cè)量波長(zhǎng)下吸光度/nm5205455575605655755907.72.122.883.473.383.182.190.9412.13.164.315.125.094.783.341.4015.63.915.356.366.335.994.191.8131.26.889.3911.1311.1210.607.603.2855.211.0615.1417.9918.0117.2712.725.5992.616.1522.0426.2826.4525.7119.558.91R20.99940.99930.99950.99940.99950.99980.9999

3.1.3劑量率依賴性

為了進(jìn)一步拓展PR-CN膜劑量計(jì)的劑量響應(yīng)線性范圍，在590 nm波長(zhǎng)下進(jìn)一步測(cè)量PR-CN膜劑量計(jì)在Co-60 γ射線下的劑量響應(yīng)曲線，結(jié)果示于圖4。由圖4可見， PR-CN膜被照劑量達(dá)到210 kGy以上時(shí)，輻照引起的變色反應(yīng)達(dá)到飽和，在7.7～210 kGy劑量范圍內(nèi)，其劑量響應(yīng)曲線的線性相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.999 0。

圖4　PR-CN膜劑量計(jì)劑量響應(yīng)曲線(590 nm)Fig.4　Dose-response curves of the PR-CN films at 590 nm

該輻照實(shí)驗(yàn)在中國(guó)原子能科學(xué)研究院輻照中心的鈷源上進(jìn)行。輻射變色薄膜劑量計(jì)分別放置在離源一定距離的聚四氟乙烯固體模體的中心孔位，吸收劑量率分別為52.0 Gy·min-1和19.2 Gy·min-1，不同吸收劑量率下的劑量響應(yīng)曲線符合較好，這表明在本劑量率范圍內(nèi)輻射變色薄膜劑量計(jì)不存在劑量率依賴性。

3.1.4溫度對(duì)劑量計(jì)性能的影響

受照產(chǎn)品在輻射加工過程中溫度將升高，溫度升高對(duì)薄膜劑量計(jì)的響應(yīng)有影響。在5～45 ℃范圍內(nèi)，對(duì)批制的PR-CN膜輻照30 kGy來考察其對(duì)溫度的響應(yīng)，結(jié)果示于圖5。

由圖5可見，PR-CN膜劑量計(jì)的吸光度隨輻照溫度的升高基本上呈線性上升趨勢(shì)，經(jīng)擬合得輻照溫度響應(yīng)系數(shù)為每升高1 ℃光密度升高0.33%。這與文獻(xiàn)[5]中尼龍基質(zhì)的HPR-CN膜通常溫度每升高1 ℃光密度按0.3%加以修正結(jié)果一致。因此，用該劑量計(jì)測(cè)量吸收劑量時(shí)，要對(duì)輻照溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)以便進(jìn)行溫度修正。

3.1.5劑量計(jì)的穩(wěn)定性

穩(wěn)定性是輻射變色薄膜劑量計(jì)劑量學(xué)性能的重要指標(biāo)之一。為了考察自制PR-CN膜劑量計(jì)的本底穩(wěn)定性及輻照后穩(wěn)定性，將未輻照及輻照30 kGy的PR-CN膜分別置于不同濕度(75%、59%、33%、23%、12%)及溫度(25 ℃、16 ℃和低溫4～6 ℃)下保存，相隔一定時(shí)間進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果列于表4和表5。

圖5　溫度對(duì)PR-CN膜劑量計(jì)響應(yīng)的影響Fig.5　The impact of irradiation temperature to the response of PR-CN films

由表4可見，未輻照的PR-CN膜在低溫(4～6 ℃)不同濕度下存放半年時(shí)間，吸光度變化小于2%，當(dāng)溫度在16～25 ℃保存時(shí)，濕度應(yīng)控制在59%左右，半年內(nèi)PR-CN膜吸光度基本不變，變化小于2%。由表5可見，輻照后的PR-CN膜劑量計(jì)在低溫(4～16 ℃)下存放，20 d以內(nèi)吸光度變化小于2%。因此，為了延長(zhǎng)輻射變色薄膜的貨架時(shí)間或保持照后薄膜的穩(wěn)定性，輻照前后自制PR-CN膜劑量計(jì)均宜在低溫下(4～16 ℃)下密封保存。

3.2合成不確定度的估計(jì)

自制PR-CN膜劑量計(jì)用于γ射線劑量測(cè)量的總不確定度由用于校準(zhǔn)的次級(jí)標(biāo)準(zhǔn)—Fricke的不確定度、輻射變色薄膜劑量計(jì)以及分光光度計(jì)固有不確定度的結(jié)合。Fricke劑量計(jì)的不確定度由中國(guó)計(jì)量科學(xué)院國(guó)家基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室的Fricke劑量計(jì)提供，對(duì)于Co-60 γ射線約為2.1%(k=2)。自制輻射變色薄膜劑量計(jì)用于γ射線劑量測(cè)量的不確定度來源列于表6。

3.3加速器應(yīng)用

由于輻射變色薄膜劑量計(jì)比較薄，劑量響應(yīng)靈敏且測(cè)量簡(jiǎn)便，適合測(cè)量電子束深度劑量分布、能量等參數(shù)[7]。電子束射程和能量對(duì)輻射加工有著重要的意義。

表4　PR-CN膜劑量計(jì)本底穩(wěn)定性

表5　PR-CN膜劑量計(jì)輻照后穩(wěn)定性

表6　PR-CN膜劑量計(jì)用于γ射線劑量測(cè)量

實(shí)驗(yàn)使用的加速器為中國(guó)原子能科學(xué)研究院計(jì)量測(cè)試部新建的DZ-12/4多能量檔電子直線加速器。測(cè)量深度分布曲線時(shí)以動(dòng)態(tài)方式輻照。

采用疊層法測(cè)量電子束深度-劑量分布曲線，同時(shí)使用自制輻射變色PR-CN膜劑量計(jì)及FJL-01 型 CTA薄膜劑量計(jì)對(duì)DZ-12/4多能量檔電子直線加速器在一定參數(shù)下的電子束深度-劑量分布曲線進(jìn)行了測(cè)試，實(shí)驗(yàn)將批制PR-CN膜和CTA薄膜各16組，分別與有機(jī)玻璃片相互疊放于兩個(gè)自制的有機(jī)玻璃模體中，然后將其并排置于電子加速器鈦窗下50 cm處動(dòng)態(tài)輻照一定的劑量，結(jié)果示于圖6。

圖6　電子束在有機(jī)玻璃中的深度-劑量分布曲線Fig.6　Depth-dose distribution curve of electron beam in PMMA

兩種薄膜劑量計(jì)測(cè)量得到的深度-劑量分布曲線基本重合，電子在有機(jī)玻璃模體中的實(shí)際射程分別為3.75 cm和3.69 cm，根據(jù)GB/T 16841—1997報(bào)告推薦的計(jì)算公式計(jì)算能量分別為8.77 MeV和8.63 MeV。兩種薄膜測(cè)量結(jié)果符合較好，因此，自制的輻射變色薄膜可用于加速器輻照參數(shù)的測(cè)量。

4結(jié)論

本文對(duì)自制的輻射變色薄膜劑量計(jì)的各劑量學(xué)響應(yīng)性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明其重復(fù)性好于1.0%，在5～210 kGy吸收劑量范圍內(nèi)，對(duì)Co-60 γ射線的劑量響應(yīng)線性相關(guān)系數(shù)大于0.999 0，在5～45 ℃范圍內(nèi)對(duì)輻照溫度的響應(yīng)系數(shù)為每1 ℃ 0.33%，制備好的PR-CN膜劑量計(jì)宜置于低溫密封條件下貯存，能明顯延長(zhǎng)薄膜貨架時(shí)間，輻照后的PR-CN膜劑量計(jì)置于低溫條件下貯存時(shí)2周內(nèi)信號(hào)變化小于2%，在本實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)明顯的劑量率依賴性。

在5～210 kGy劑量范圍內(nèi)，PR-CN膜劑量計(jì)測(cè)量吸收劑量的擴(kuò)展不確定度對(duì)Co-60 γ射線為4.2%(k=2)，該膜適合于輻射加工中高劑量水平的吸收劑量監(jiān)測(cè)。

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Study of the Radiochromic Film for High Dose Measurement in Radiation Processing

CHEN Yi-zhen, LI Ming, LI Hua-zhi, CHEN Ke-sheng, ZHANG Wei-dong,YE Hong-sheng, LIN Min, XU Li-jun, XIA Wen, CUI Ying

(NationalKeyLaboratoryforMetrologyandCalibrationTechniques,ChinaInstituteofAtomicEnergy,Beijing102413,China)

Abstract:To establish the radiochromic film dosimeter for high dose level measurement during radiation processing, By corresponding formula and its preparation process research, batches of radiochromic film dosimeters were prepared using nylon as substrate and pararosaniline cyanide as dye. In Co-60 gamma reference radiation field, dosimetry response performance of radiochromic film was studied and results showed that the repeatability was good to 1.0%. The response curves demonstrated good linearity in the dose range of 5-210 kGy, and the signal of radiochromic film dosimeters after irradiation under the condition of low temperature storage within 2 weeks was stable. In addition, the radiochromic film dosimeters were not found to have noticeable dose rate dependence in the range of this experiment. In the linear dose range, radiochromic film dosimeter measures the absorbed dose, with extended uncertainty 4.2% (k=2) for Co-60 gamma rays. The film was suitable as dosimeters for the parameters measurement of the electron beam on the accelerator.

Key words：radiation processing; radiochromic film; absorbed dose; γ-ray

doi：10.7538/tws.2016.29.01.0036

中圖分類號(hào)：TL818+.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1000-7512(2016)01-0036-06

作者簡(jiǎn)介：陳義珍(1982—)，女，湖北咸寧人，助理研究員，電離輻射劑量專業(yè)通信作者：葉宏生，研究員，E-mail: ysh622@ciae.ac.cn

收稿日期：2015-07-13;修回日期：2015-09-08