β射線吸收劑量參考輻射場測量研究

王紅玉，劉川鳳，杭仲斌,2，侯金兵，魏可新，宋明哲

(1.中國原子能科學(xué)研究院，北京 102413；2.東華理工大學(xué)，江西 南昌 330013)

1 β劑量參考輻射場特性

β劑量參考輻射為β劑量(率)儀表的檢定或校準(zhǔn)提供參考輻射場。主要由β放射源、電離室、展平過濾、測量支架、溫濕度氣壓計及控制系統(tǒng)等構(gòu)成，測量環(huán)境溫度為(15～25) ℃，相對濕度≤80%，氣壓處于(86～106) kPa，在實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)時記錄環(huán)境條件。

1.1 剩余最大能量

剩余最大能量Eres是特定核素發(fā)射的1個或幾個β粒子連續(xù)譜中的最大能量，可按式(1)進(jìn)行計算：

(1)

其中，Rres為剩余最大射程，g·cm-2。

剩余最大射程測量方法如下：將外推電離室置于檢定或校準(zhǔn)位置上，使β射線垂直入射電離室，測量由等效組織材料制成的不同厚度的吸收片對β射線吸收的影響。最后取探測器讀數(shù)的對數(shù)與吸收片厚度作圖，求得曲線的直線部分與具有較低水平的剩余光子本底曲線的交點(diǎn)，其橫坐標(biāo)即為剩余最大射程。值得注意的是，對于147Pm源，組織等效材料選用可制成薄膜形式的聚乙烯(密度0.93 g/cm3，等效原子序數(shù)5.99)薄膜，90Sr+90Y和85Kr源組織等效材料選用較厚的PMMA有機(jī)玻璃(密度1.19 g/cm3，等效原子序數(shù)7.97)。在整個測量過程中，使用相應(yīng)的展平過濾，147Pm源刻度距離為20 cm，90Sr+90Y源刻度距離為30 cm，85Kr源的刻度距離為30 cm。

147Pm源、90Sr+90Y源和85Kr源的電離電流與吸收體厚度關(guān)系測量結(jié)果如圖1、2、3所示。通過對上下兩部分曲線擬合，求得兩條直線的交點(diǎn)的橫坐標(biāo)。結(jié)果得到147Pm、90Sr+90Y和85Kr源對應(yīng)的剩余最大射程分別為25.6、935、213 g/cm2。代入式(1)，對應(yīng)的剩余最大能量分別為0.16、2.00、0.58 MeV。通過與表1中ISO 6980規(guī)定的限值進(jìn)行對比，測量結(jié)果均在限定范圍內(nèi)。

表1 ISO 6980規(guī)定的β參考輻射的剩余最大能量Table 1 Residual maximum energy of β reference radiation in ISO 6980

圖1 147Pm源電離電流與吸收體厚度的關(guān)系曲線Fig.1 Relationship between ionization current and absorber thickness of 147Pm source

1.2 β污染

參考輻射要求所使用的β放射源應(yīng)具有足夠的放射化學(xué)純度。ISO 6980指出，若測量的剩余最大射程Rres曲線有明顯的線性變化，或計算得到的剩余最大能量在規(guī)定值范圍內(nèi)，則可說明β譜純度滿足要求，即可作為參考源。以上測量結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)中3種β放射源參考輻射的譜純度均滿足作為參考源的要求。

圖2 90Sr+90Y源電離電流與吸收體厚度的關(guān)系曲線Fig.2 Relationship between ionization current and absorber thickness of 90Sr+90Y source

圖3 85Kr源電離電流與吸收體厚度的關(guān)系曲線Fig.3 Relationship between ionization current and absorber thickness of 85Kr source

1.3 光子污染測量

1.4 輻射場均勻性

在儀表檢定或校準(zhǔn)過程中，要求儀表測量體積處于均勻輻射場中。通過使用PTW34045薄窗電離室分別對3種β源輻射場均勻性進(jìn)行測量，在垂直放射束軸向平面內(nèi)，以射束中心為原點(diǎn)，分別在水平和豎直方向上以2 cm為間隔進(jìn)行測量。

圖4為帶展平過濾的147Pm輻射場均勻性測量結(jié)果，可看出，豎直方向的均勻性要好于水平方向，在±8 cm輻射場內(nèi)，劑量率的變化范圍都在±5%以內(nèi)，滿足ISO 6980規(guī)定的±10%以內(nèi)的變化。圖5為帶展平過濾90Sr+90Y輻射場均勻性測量結(jié)果，在±8 cm的范圍內(nèi)，劑量率變化在±2%以內(nèi)，符合ISO 6980規(guī)定的±5%范圍內(nèi)。圖6為85Kr輻射場劑量率均勻性測量結(jié)果，在±8 cm的輻射場內(nèi)，劑量率變化范圍在±3%以內(nèi)，滿足ISO 6980規(guī)定的±5%要求。

圖4 147Pm β參考輻射在20 cm距離處的 劑量率均勻性Fig.4 Uniformity of dose rate of 147Pm β radiation field at 20 cm

圖5 90Sr+90Y β參考輻射在30 cm距離處的 劑量率均勻性Fig.5 Uniformity of dose rate of 90Sr+90Y β radiation field at 30 cm

圖6 85Kr β參考輻射在30 cm距離處的 劑量率均勻性Fig.6 Uniformity of dose rate of 85Kr β radiation field at 30 cm

2 吸收劑量率的測量

2.1 β吸收劑量測量原理

建立滿足要求的β參考輻射后，對測量點(diǎn)處的吸收劑量進(jìn)行測量，以獲得參考點(diǎn)處β吸收劑量。測量β輻射場劑量的標(biāo)準(zhǔn)裝置采用外推電離室[9]，外推電離室是基于空腔電離理論[10]，建立極板間距可變的平行極板電離室。入射窗選用低原子序數(shù)材料，以減少對β射線的吸收，所研究的外推電離室的入射窗質(zhì)量厚度等于0.75 mg/cm2。外推電離室測量的優(yōu)勢在于極板間距可調(diào)至足夠小，幾乎為0，使小空腔的存在不會扭曲β射線的注量。電離室的后壁和側(cè)壁由足夠厚的組織等效體膜組成。整體結(jié)構(gòu)如圖7所示[8]。

1——涂有石墨的PMMA有機(jī)玻璃塊，作為收集極 和保護(hù)極的支撐體；2——入射窗，為涂有石墨的有機(jī)薄膜； 3——收集極；4——保護(hù)極；L——電離室深度圖7 外推電離室結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Diagram of extrapolation chamber

(2)

(3)

其中：a為外推電離室有效收集面積；ρ0在溫度為20 ℃時，氣體壓強(qiáng)為101.325 kPa下的空氣密度，為1.199 5 g/cm3；I為經(jīng)收集電壓的極性、漏電流和電荷收集損失進(jìn)行校正后的電離電流；k′=kbrkbakrakwi，kbr為對于β源的軔致輻射的修正因子，kba為對于組織與收集電極材料作為散射體方面的差別的修正因子，kra為對于射線束的徑向不均勻性的修正因子，kwi為入射窗對β射線的散射和阻止方面的修正因子；k=kadkabkelkinkdikpekackde，kad為對空氣密度與ρ0的差別的修正因子，kab為對β射線在β源和入射窗之間的空氣減弱的修正因子，kel為對由于收集電壓引起的入射窗膜的靜電吸引的修正因子，kin為對收集體積中的空氣和臨近的入射窗和收集極之間的界面效應(yīng)的修正因子，kdi為對射線束發(fā)散的修正因子，kpe為對外推電離室外電離體積的側(cè)壁對β輻射的擾動的修正因子，kac為對β射線在收集體積內(nèi)的空氣減弱的修正因子，kde為對β源的放射性衰變的修正因子。

2.2 外推電離室有效面積的測量

測量電離室收集極的有效面積通常采用電壓階躍法進(jìn)行測量，測量原理如圖8所示，電離室收集極接靜電計，并將靜電計調(diào)到電荷收集檔位。

圖8 外推電離室面積測量原理圖Fig.8 Illustration of extrapolation chamber area measurement

外推電離室極板間電容Ce與極板間電壓滿足式(4)關(guān)系，同時，電離室極板間電容是極板間距L的函數(shù)，由于測量過程中存在一些混雜電子，引起的雜散電容C0，用L0進(jìn)行補(bǔ)償(式(5))，結(jié)合式(4)、(5)可推導(dǎo)出極板間距L與電容1/Ce之間的關(guān)系(式(6))。

(4)

(5)

(6)

其中：ΔQ為靜電計輸出電荷的變化；ΔU為外推電離室高壓極和收集極之間的電壓變化；L0為雜散電容引起的極板間距偏差，m；εr為空氣的介電常數(shù)，取1.000 537 F·m-1；ε0為真空的介電常數(shù)，取 8.854 2×1012F·m-1。

在測量ΔU和ΔQ時，電離室所加電壓應(yīng)處在電離室飽和曲線坪區(qū)，值得注意的是，改變極板電壓瞬間，電容充電，由于充電時間極短，因此最好在2 s內(nèi)記錄電荷，并為減少誤差，每個極板間距下進(jìn)行6次測量，最后取平均值。測量過程中保證在不同極板間距時，有相同的電場強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)測得不同極板間距L時的電容Ce，通過對極板間距L與1/Ce進(jìn)行線性擬合，如圖9所示，求得斜率為εrε0a，再計算得到有效測量面積a為7.100×10-4m2。

圖9 外推電離室極板間距與電容倒數(shù)的曲線Fig.9 Curve of L and 1/Ce of extrapolation chamber

2.3 修正因子

1) 電離電流

由于施加正負(fù)電壓時電離室的收集效率不同，導(dǎo)致電離電流不同，對電離電流的修正可根據(jù)式(7)求得：

I=(I+-I-)/2f

(7)

式中：I+為收集電壓為正極性時的電離電流；I-為收集電壓為負(fù)極性時的電離電流；f為收集效率，可根據(jù)式(8)求得：

(1-2k*e-1v-1)

(8)

在測量147Pm、90Sr-90Y和85Kr 3個放射源劑量率時，電離室深度L分別0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 mm，計算得到的f-1分別為1.010 65、1.005 52、1.003 82、1.002 97和1.002 47。

2) 入射窗引起的散射和吸收修正因子kwi

測量結(jié)果如圖10～12所示，對于147Pm源，20 cm刻度距離處加展平過濾時測得的窗吸收曲線結(jié)果如圖10所示，利用最小二乘法進(jìn)行線性擬合，得到窗厚為7.40 mg/cm2時I1=35.12 fA，窗厚為0.65 mg/cm2時，I2=161.47 fA，則kwi=I1/I2=0.217 5。利用同樣的計算方法得到，90Sr-90Y β輻射，30 cm刻度距離處，加展平過濾的kwi=1.058。85Kr β輻射，30 cm刻度距離處加展平過濾，kwi=0.982。從圖11看出，lnI隨入射窗厚度的增加而增加，這是因?yàn)橄鄬τ?47Pm和85Kr源，90Sr+90Y源具有較高能量，在此厚度的入射窗下，對電子造成的衰減較少，而由于電子與入射窗相互作用，產(chǎn)生了更多的電子進(jìn)入探測體積進(jìn)而沉積了能量，因此kwi>1，這與吳琦等[13]的測量結(jié)論一致。

圖10 147Pm輻射場的ln I與窗厚度的關(guān)系Fig.10 Relationship between ln I and window thickness of 147Pm

圖11 90Sr+90Y輻射場的ln I與窗厚度的關(guān)系Fig.11 Relationship between ln I and window thickness of 90Sr+90Y

圖12 85Kr輻射場的ln I與窗厚度的關(guān)系Fig.12 Relationship between ln I and window thickness of 85Kr

3) 空氣密度修正kad

空氣密度修正可根據(jù)下式計算：

(9)

其中：ρa(bǔ)0為參考條件下密度；ρa(bǔ)為實(shí)際測量條件下的空氣密度，kg/m3；p為大氣壓強(qiáng)，kPa；r為空氣濕度；T為測量條件下收集體積內(nèi)的絕對溫度，K；T0為參考條件下收集體積內(nèi)的絕對溫度，K；當(dāng)p0=101.325 kPa、T0=293.15 K、r0=0.65時，ρa(bǔ)0=1.197 40 kg/m3。

4) β源衰變修正kde

在測量過程中，β放射源會發(fā)生衰變，修正因子kde可根據(jù)下式進(jìn)行計算：

kde=exp(τln 2/t1/2)

(10)

其中：t1/2為核素的半衰期；τ為待修正的衰變時間；147Pm的t1/2=958.2 d，90Sr-90Y的t1/2=10 523 d，85Kr的t1/2=3 915 d。

5) 其他修正因子

β源韌致輻射引起的修正因子kbr、反散射修正因子kba、束線徑向不均勻性修正因子kra、源于電離室窗間空氣衰減的修正因子kab、入射窗靜電吸引的修正因子kel、射線束發(fā)散修正因子kdi、界面效應(yīng)修正因子kin、側(cè)壁對粒子流密度擾動修正因子kpe及由于收集體內(nèi)空氣衰減修正因子kac采用文獻(xiàn)[8]中的數(shù)據(jù)。

2.4 劑量率測量

表2 147Pm劑量率測量修正因子Table 2 Correction factor of absorbed dose of 147Pm

表3 90Sr+90Y劑量率測量修正因子Table 3 Correction factor of absorbed dose of 90Sr+90Y

表4 85Kr劑量率測量修正因子Table 4 Correction factor of absorbed dose of 85Kr

3 結(jié)論

通過對新購置的β放射源、外推電離室及輔助設(shè)備構(gòu)成的β輻射場的特性進(jìn)行測量，根據(jù)ISO 6980標(biāo)準(zhǔn)，分別測量得到147Pm、90Sr+90Y和85Kr放射源在測量點(diǎn)為20、30、30 cm處的剩余最大能量為0.16、2.00、0.58 MeV。在垂直β射線平面的水平和豎直方向的±8 cm的范圍內(nèi)劑量率的變化分別在±5%、±2%和±3%以內(nèi)，輻射場均勻性滿足ISO 6980參考輻射場建立的要求。同時利用外推法對測量點(diǎn)的吸收劑量率進(jìn)行測量，并與廠家給出的值進(jìn)行對比，誤差均在可接受范圍內(nèi)。通過以上研究說明，研建的β參考輻射滿足ISO 6980的基本要求，日后需要對各測量值進(jìn)行不確定度評定，以建立完整的標(biāo)準(zhǔn)輻射場。