10 MeV 電子加速器出束能量參數(shù)測(cè)量及其初步應(yīng)用

趙延軍 呂均濤 劉衛(wèi)霞 靖 坤 付玉宸 楊 磊

1（藍(lán)孚醫(yī)療科技（山東）有限公司 濟(jì)南250000）

2（煙臺(tái)大學(xué) 煙臺(tái)264005）

電子束加工技術(shù)在食品、調(diào)味品和農(nóng)產(chǎn)品滅菌保鮮，藥品和醫(yī)療用品消毒，糧食殺蟲檢疫，高分子材料、寶石和半導(dǎo)體改性等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，近年來(lái)每年加速器上線量達(dá)數(shù)百臺(tái)［1］。加速器作為電子束輻照源，具有方向集中、能量利用率高、輻射功率大、照射時(shí)間短、生產(chǎn)效率高、安全性好等優(yōu)點(diǎn)，其最大瞬時(shí)劑量率比60Co γ射線源高出3～4 個(gè)數(shù)量級(jí)，同時(shí)也存在穿透能力較低而使測(cè)量貨物尺寸受限，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性不夠等不足［2］。

近年來(lái)山東藍(lán)孚高能物理技術(shù)股份有限公司各輻照中心對(duì)10 MeV 電子加速器的應(yīng)用日益增多［3］，為完善設(shè)備檢測(cè)用參數(shù)，進(jìn)一步改善輻照加工工藝，提高貨物加工質(zhì)量和效率，同時(shí)也為方便與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)接，有必要對(duì)電子束的能量和劑量參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)測(cè)量和細(xì)致分析，建立起電子束能量、最佳穿透深度和不同材料的劑量不均勻性的自有規(guī)范，完善標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)。

本文基于國(guó)標(biāo)［4-5］，首先采用鋁片疊層法測(cè)量深度-劑量分布曲線，通過(guò)電子射程（Rp）獲得電子束最概然能量Ep，并利用中半值深度（R50）計(jì)算電子束平均能量Ea［6-7］；其次根據(jù)加速器日常主要加工產(chǎn)品的成分和密度特點(diǎn)，選用4種密度差異大的典型均勻材料，獲得相應(yīng)深度劑量分布曲線，計(jì)算出材料的最佳穿透深度和劑量不均勻性，結(jié)合國(guó)標(biāo)，對(duì)藍(lán)孚電子加速器出束能量和劑量參數(shù)進(jìn)行修訂。

1 設(shè)備與材料

10 MeV/20 kW 直線電子加速器（山東藍(lán)孚高能物理技術(shù)股份有限公司）；722N可見光分光光度計(jì)（上海奧普勒儀器有限公司，已校準(zhǔn)）；B3薄膜劑量計(jì)（美國(guó)GEX公司，已校準(zhǔn)）。自制國(guó)標(biāo)疊層鋁堆模體，PP 塑料板（無(wú)錫市勝特環(huán)保科技有限公司）；裝飾低密度板（山東高密市福泰木制品廠）；PVC 泡沫板（鄒平縣利信塑料制品有限公司）；PVC亞克力板（泰興湯臣亞克力有限公司）。

2 電子束能量參數(shù)測(cè)試

能量測(cè)試采用國(guó)標(biāo)鋁堆模體，其純鋁薄片的厚度小于Rp/12，尺寸大于3Rp×3Rp，疊層的總厚度大于1.5Rp。鋁片與薄膜劑量片交替夾放，劑量片在鋁片上面，所有片的中軸線嚴(yán)格對(duì)準(zhǔn)，構(gòu)成能量測(cè)量模體。把模體放置在傳輸裝置的中心，相對(duì)束窗的豎直距離60 cm，按照測(cè)量模體表面吸收劑量為15 kGy 的要求通過(guò)電子輸出窗［8］。輻照結(jié)束后利用分光光度計(jì)讀取吸收劑量值，測(cè)試共進(jìn)行3次，計(jì)算各點(diǎn)的平均值。

深度-劑量分布曲線如圖1所示。

從圖1 可知，因出束電子能量接近10 MeV，在基本不考慮空氣和劑量片真實(shí)厚度影響前提下，電子實(shí)際射程Rp≈19.28 mm，半值深度R50≈15.20 mm。由文獻(xiàn)［5］實(shí)測(cè)經(jīng)驗(yàn)公式可得到藍(lán)孚直線電子加速器出束的最概然能量Ep=10.01 MeV，Ea=9.42 MeV；由文獻(xiàn)［5］中相應(yīng)蒙特卡羅方法模擬得經(jīng)驗(yàn)公式值分別為Ep=9.67 MeV 和Ea=9.64 MeV，相對(duì)誤差分別為3.36%和2.30%，符合國(guó)標(biāo)［4-5］要求。由此確定了設(shè)備出束能量參數(shù)測(cè)量的有效性和精確度。

3 電子束工藝劑量參數(shù)測(cè)試

為進(jìn)一步規(guī)范輻照工藝劑量［9］，選取4種典型均勻材料：PP 塑料板（密度為0.95 g/cm3）、裝飾低密度板（密度為0.78 g/cm3）、PVC泡沫板（密度為0.44 g/cm3）和PVC亞克力板（密度為0.31 g/cm3），其密度、元素成分分布在常見加工貨物中具有典型代表性。現(xiàn)場(chǎng)照射時(shí)除替換為當(dāng)前4 種材料外，受照模體的布置與鋁堆模體類似，結(jié)果如表1 所示。相應(yīng)深度-劑量分布曲線如圖2（a）～（d）所示。

表1 測(cè)試用材料厚度及劑量Table 1 Thicknesses of test materials and the corresponding absorbed dose results

從表1和圖2可知，電子加速器出束在輻照均勻材料中的深度吸收劑量分布曲線均服從如下規(guī)律：劑量隨材料的深度而增加，在到達(dá)約電子射程的中點(diǎn)后，其劑量曲線迅速下降，但不同材料的劑量曲線間存在差別；這表明劑量同時(shí)受到出束能量參數(shù)、受照材料密度、成分原子組成等多個(gè)參數(shù)影響；完全通用于不同類型設(shè)備的工藝用公式是不存在的，需要具體設(shè)備具體測(cè)量和分析，每一臺(tái)裝置需要獨(dú)立精確測(cè)量和標(biāo)定。

在保證貨物受照劑量不均勻度滿足國(guó)標(biāo)的前提下，進(jìn)一步分析圖2可得到電子束在4種材料中的核心劑量參數(shù)值：半值深度R50、單面最佳穿透深度和雙面最佳穿透深度。同時(shí)再分別換算到基于水的標(biāo)準(zhǔn)單面穿透深度和標(biāo)準(zhǔn)雙面穿透深度等，具體結(jié)果如表2所示。

從表2可知，標(biāo)準(zhǔn)單面穿透深度和標(biāo)準(zhǔn)雙面穿透深度的數(shù)據(jù)約3.6 cm和8.8 cm，其標(biāo)準(zhǔn)差僅分別為9.3%和7.0%，這驗(yàn)證了在受照材料成分和密度相差不大的前提下，質(zhì)量厚度保持不變的基本規(guī)律，并借此可推算成分相近而密度不同貨物的最佳穿透深度值，而不需要頻繁實(shí)測(cè)；同時(shí)也反映藍(lán)孚加速器以平均能量為基準(zhǔn)設(shè)定輻照工藝，更能準(zhǔn)確反映產(chǎn)品的實(shí)際穿透深度。

表2 四種受照材料的最佳穿透厚度測(cè)量結(jié)果Table 2 Measurement results of the best penetration thickness of above four irradiated materials

4 電子束在不同材料中的劑量不均勻性測(cè)試

在上述工作基礎(chǔ)上，貨物中劑量分布情況即劑量不均勻度，按照國(guó)標(biāo)定義，由最大劑量值和受照材料表面劑量相除即可，結(jié)果如表3所示。

以材料密度ρ和不均勻度DUR（記為RDU）為數(shù)據(jù)對(duì)，基于文獻(xiàn)［10-12］，本文利用二次多項(xiàng)式擬合方法得到經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，曲線見圖3。

從圖3可知，電子束在不同密度的材料中劑量不均勻性是不同的且整體是單調(diào)遞減函數(shù)，電子束劑量不均勻度隨材料密度的減小而增大，由此可以推算不同密度材料的劑量不均勻性，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)的形式編寫一個(gè)程序，輸入被輻照粉末或顆粒產(chǎn)品的密度和輻照深度，系統(tǒng)便可自動(dòng)計(jì)算出該材料被輻照時(shí)的劑量不均勻度，從而可以快速確定并設(shè)定各類產(chǎn)品的輻照工藝和控制輻照，因此既保證了輻照質(zhì)量，又提高了工作效率。

表3 四種受照材料的劑量不均勻度測(cè)量結(jié)果Table 3 Dose uniformity ratios of above four irradiated materials

圖3 材料密度ρ與劑量不均勻度的擬合曲線Fig.3 Fitting curve for material density ρ with DUR

5 結(jié)論

本文測(cè)量、分析并得到了10 MeV直線電子加速器出束的系列核心能量和劑量參數(shù)，結(jié)果表明：電子束的穿透深度以平均能量為基本數(shù)據(jù)更具可靠性；電子束在不同密度的材料中劑量不均勻性是不同的，在材料密度為0.3～1.0 g/cm3材料中，電子束劑量不均勻性約為1.20～1.46，并隨材料密度的減小而增大。以此為標(biāo)定參數(shù)，結(jié)合國(guó)標(biāo)，應(yīng)用在加速器參數(shù)檢測(cè)和輻照工藝應(yīng)用中，可更好地控制輻照質(zhì)量，提高加工效率，為實(shí)現(xiàn)加速器的輻照標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)打下基礎(chǔ)。