射程法測(cè)量低能電子加速器能量方法比較研究

陳義珍 夏 文 張衛(wèi)東 羅 瑞 林 敏 陳克勝

(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)

1 引 言

中國(guó)電子輻照加速器技術(shù)隨著加速器制造技術(shù)的不斷突破，加速器逐漸向產(chǎn)業(yè)化發(fā)展[1,2]。2018年，國(guó)內(nèi)加速器數(shù)量占全球電子輻照加速器總量2 000臺(tái)的近1/4。而中國(guó)用于電線(xiàn)電纜、發(fā)泡材料、熱縮材料等輻射加工的中低能(5MeV以下)電子輻照加速器約占全國(guó)輻射加工加速器數(shù)量的90%，達(dá)到450余臺(tái)[2,3]。電子加速器在日常的運(yùn)行過(guò)程中，為有效控制輻照加工工藝，保證被照產(chǎn)品的輻照質(zhì)量，需定期對(duì)加速器關(guān)鍵輻照參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)。而電子束能量是描述電子束輻射場(chǎng)的一個(gè)重要物理量，是工業(yè)用加速器關(guān)鍵性能指標(biāo)之一，也是輻射加工工藝過(guò)程中的一個(gè)重要控制參數(shù)，必須測(cè)準(zhǔn)[4-6]。

本工作中采用射程法測(cè)量電子束能量。由于低能電子束穿透能力較弱，組織等效材料加工成小角度的楔形模體難度較大，通常采用疊層模體測(cè)量電子束能量。工作中設(shè)計(jì)加工了疊層和楔形兩種不同的能量測(cè)量模體，結(jié)合中國(guó)原子能科學(xué)研究院輻射變色薄膜劑量計(jì)測(cè)量系統(tǒng)[7]，同時(shí)測(cè)量標(biāo)稱(chēng)能量為0.65MeV低能電子加速器能量，比較兩種不同類(lèi)型模體是否可用于低能電子束能量的測(cè)量及測(cè)量的優(yōu)劣性。

2 能量測(cè)量模體

目前，高能電子束能量測(cè)量采用磁譜儀和全吸收閃爍譜儀，能量分辨率分別為0.1%和5%。對(duì)于能量幾MeV以下的電子，可使用半導(dǎo)體為探頭的全吸收譜儀，其能量分辨率約為1%。電子束能量也可利用核反應(yīng)或契倫科夫輻射閾值進(jìn)行測(cè)量[8,9]。上述電子束能量測(cè)量方法需要特定的儀器設(shè)備，不僅價(jià)格昂貴，且操作復(fù)雜。由于電子在均勻材料中的入射深度與它們的初始能量成正比，利用這種關(guān)系，結(jié)合薄膜劑量計(jì)測(cè)量裝置，通過(guò)疊層法能量測(cè)量模體和楔形能量測(cè)量模體可測(cè)量參考材料中深度劑量分布，從而確定電子束能量[10]。射程法能量測(cè)量方法簡(jiǎn)單、方便，準(zhǔn)確度較高，能滿(mǎn)足日常加速器能量監(jiān)測(cè)的需求，且測(cè)量?jī)x器設(shè)備為分光光度計(jì)，實(shí)驗(yàn)室也比較普遍。

采用射程法測(cè)量低能電子束能量，設(shè)計(jì)加工了用于3MeV以下電子束能量的測(cè)量的楔形和疊層兩種不同類(lèi)型模體。低能電子束能量測(cè)量實(shí)驗(yàn)在中國(guó)電科集團(tuán)23所進(jìn)行，對(duì)用于電線(xiàn)電纜輻照處理的由美國(guó)Wasik公司制造的0.65MeV電子加速器標(biāo)稱(chēng)能量進(jìn)行測(cè)試。

2.1 疊層能量測(cè)量模體

低能電子束一般采用疊層法，低能電子束在給定材料中射程短，但由于薄膜劑量計(jì)比較薄，一般為幾十μm到一百μm左右，即使300keV電子束在尼龍膜中的穿透深度僅有0.723mm，如果選用約50μm厚的薄膜劑量計(jì)置于疊層模體中，也能獲得足夠的數(shù)據(jù)點(diǎn)，擬合得到深度分布曲線(xiàn)。

設(shè)計(jì)加工用于3MeV以下能量測(cè)量的疊層模體結(jié)構(gòu)如圖1所示，由模體上蓋、模體下部分、卡槽三部分組成。模體中部有一10.5mm×12mm的準(zhǔn)直孔，并設(shè)計(jì)了一個(gè)可拆卸卡槽，便于取放薄膜劑量計(jì)?？紤]到邊緣效應(yīng)對(duì)薄膜劑量計(jì)的影響，模體外橫向尺寸設(shè)計(jì)大于3MeV電子束在疊層材料中的射程的3倍，實(shí)際設(shè)計(jì)為50mm×50mm。模體材料選擇密度與薄膜劑量計(jì)密度近似，且耐輻照性能較好的聚苯乙烯材料。模體中間用于放置參考材料與薄膜劑量計(jì)交替構(gòu)成的參考疊層或者只用薄膜劑量計(jì)構(gòu)成的參考疊層。單片參考疊層的標(biāo)稱(chēng)厚度應(yīng)該是RP/12或者更薄，這樣可確保有足量的數(shù)據(jù)點(diǎn)繪制深度劑量分布曲線(xiàn)。RP是預(yù)計(jì)的電子實(shí)際射程。

圖1 疊層測(cè)量模體結(jié)構(gòu)圖

(0.1～3.0)MeV電子束在尼龍薄膜中的實(shí)際射程見(jiàn)表1。模體測(cè)量電子束深度-劑量分布曲線(xiàn)時(shí)，為了準(zhǔn)確得到低能電子束能量，通常先估算電子束標(biāo)稱(chēng)能量射程，然后按照大于1.5RP參考疊層總厚度，確定模體中放置由參考材料與足夠數(shù)量的劑量計(jì)構(gòu)成的參考疊層[10]。

表1 (0.1～3.0)MeV電子束在尼龍薄膜中的實(shí)際射程

在繪制深度分布曲線(xiàn)時(shí)，為了準(zhǔn)確確定電子束入射深度，有必要測(cè)量每片劑量計(jì)厚度。盡量選擇厚度均勻的薄膜劑量計(jì)構(gòu)成參考疊層，如果疊層中有使用參考材料，應(yīng)將參考材料厚度轉(zhuǎn)化成薄膜劑量計(jì)等效厚度，避免因深度計(jì)算的不準(zhǔn)確引起能量測(cè)量較大誤差。

測(cè)試前，按標(biāo)稱(chēng)能量0.65MeV電子束射程估計(jì)疊層總厚度，根據(jù)表1，0.7MeV電子束疊層最小厚度為0.368cm，實(shí)際需要約60片輻射變色薄膜劑量計(jì)組成參考疊層。測(cè)試時(shí)，將60片10mm×10mm尺寸的輻射變色薄膜劑量計(jì)疊放于疊層模體中。為了避免薄膜劑量計(jì)相互擠壓摩擦導(dǎo)致薄膜劑量計(jì)表面出現(xiàn)磨痕，致使測(cè)量時(shí)吸光度值偏大，每片薄膜劑量計(jì)之間放置一層擦鏡紙，可以有效保護(hù)薄膜劑量計(jì)，減小測(cè)量誤差。

2.2 楔形能量測(cè)量模體

對(duì)于中高能電子束能量的測(cè)量，一般采用輕質(zhì)金屬材料鋁加工成楔形模體，配合輻射變色薄膜劑量計(jì)測(cè)量裝置，可測(cè)量高能(5MeV以上)電子束能量。楔子法所用劑量計(jì)為長(zhǎng)條狀薄膜劑量計(jì)，利用分光光度計(jì)連續(xù)掃描測(cè)量系統(tǒng)，能快速測(cè)量深度分布曲線(xiàn)，獲得實(shí)際射程(Rp值)。對(duì)于中低能電子束能量測(cè)量，一般選用低密度耐輻照材料加工成楔形模體配合薄膜劑量測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量。但由于低能電子束射程短，低密度楔形能量測(cè)量模體的楔子角度要非常小，加工難度較大，因此對(duì)于3MeV以下電子束能量測(cè)量，實(shí)驗(yàn)室一般采用疊層方法。選用密度為1.06g/cm3的聚苯乙烯材料加工楔形模體。該模體設(shè)計(jì)可測(cè)量的電子束能量為(0.5～3.0)MeV，根據(jù)該能量段電子束在均勻的聚苯乙烯材料中的實(shí)際射程，為了使測(cè)量0.5MeV電子束能量時(shí)，薄膜劑量計(jì)上有足夠的測(cè)量點(diǎn)，所設(shè)計(jì)的楔形模體角度足夠小，并且外形尺寸滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)GB/T 16841—2008要求。

設(shè)計(jì)加工的楔形測(cè)量模體結(jié)構(gòu)如圖2所示，模體由上下兩部分楔子組成，設(shè)計(jì)的楔子角度僅為8°左右。下部分楔形中間設(shè)有一10mm寬、0.2mm深的凹槽，用于布放長(zhǎng)條狀薄膜劑量計(jì)。

圖2 楔形測(cè)量模體結(jié)構(gòu)圖

3 能量測(cè)量結(jié)果

測(cè)試時(shí)，將疊放有輻射變色薄膜劑量計(jì)的疊層模體與放置有長(zhǎng)條狀薄膜劑量計(jì)的楔形模體一起并放在電子束窗中心正下方70mm處，以靜態(tài)方式輻照。束流強(qiáng)度設(shè)定為2.0mA，線(xiàn)速度為15m/min，輻照時(shí)間45s。采用疊層法和楔形法輻射變色薄膜劑量計(jì)測(cè)得的電子束深度-劑量分布曲線(xiàn)如圖3和圖4所示。

圖3 疊層模體測(cè)量得到的0.65MeV電子束深度-劑量分布曲線(xiàn)圖

圖4 楔形模體測(cè)量得到的0.65MeV電子束深度-劑量分布曲線(xiàn)圖

根據(jù)薄膜劑量計(jì)測(cè)量的深度-劑量分布曲線(xiàn)，利用射程法在曲線(xiàn)下降最陡處選取部分點(diǎn)做直線(xiàn)擬合，該直線(xiàn)與該曲線(xiàn)尾部韌致輻射劑量的外推線(xiàn)相交，該相交點(diǎn)處所對(duì)應(yīng)的深度為電子束在輻射變色薄膜劑量計(jì)材料中的實(shí)際射程Rp。根據(jù)文獻(xiàn)[10]，由Monte Carlo方法推導(dǎo)得到的能量與電子束在聚苯乙烯材料中射程的對(duì)應(yīng)關(guān)系(0.3MeV≤E≤2MeV)如下

Ep=1.972Rp+0.245

(1)

Ea=2.421R50+0.278

(2)

式中：Rp——最可幾射程，單位：g·cm-2；R50——半值深度，單位：g·cm-2；Ep——最可幾能量，單位：MeV；Ea——平均能量，單位：MeV。

對(duì)于疊層模體，深度-劑量分布曲線(xiàn)擬合得到的射程實(shí)際為電子束在輻射變色薄膜劑量計(jì)中的射程，由于劑量計(jì)與聚苯乙烯模體材料密度存在一定差異，需要進(jìn)行射程轉(zhuǎn)換。根據(jù)圖3，將射程修正到聚苯乙烯材料中的射程為0.215g·cm-2。

對(duì)于楔形模體，根據(jù)圖4，0.65MeV電子束照射聚苯乙烯模體，長(zhǎng)條輻射變色薄膜劑量計(jì)上有足夠的測(cè)量點(diǎn)擬合得到深度劑量分布曲線(xiàn)，電子束在聚苯乙烯材料中的射程為0.207g·cm-2。

利用射程法，疊層模體和楔形模體分別結(jié)合輻射變色薄膜劑量計(jì)劑量測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)量得到的最可幾射程Rp、半值深度R50以及最可幾能量Ep、平均能量Ea結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 能量測(cè)量結(jié)果匯總表

根據(jù)表2結(jié)果，疊層模體能量測(cè)量結(jié)果偏高，可能是由于輻射變色薄膜劑量計(jì)厚度以及擦鏡紙厚度不均勻造成的，薄膜劑量計(jì)和擦鏡紙數(shù)量越多，對(duì)結(jié)果影響越大。應(yīng)盡量選擇厚度均勻的薄膜劑量計(jì)，薄膜劑量計(jì)數(shù)量能滿(mǎn)足曲線(xiàn)擬合即可，一般深度劑量分布曲線(xiàn)20～30個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)為佳。

楔形模體能量測(cè)量結(jié)果與標(biāo)稱(chēng)能量一致性?xún)?yōu)于±1%。結(jié)果符合較好。RP/R50比值與Monte Carlo方法計(jì)算得到的單能電子在聚苯乙烯中的RP/R50比值1.344符合較好。

4 結(jié)束語(yǔ)

本研究中加工的疊層模體和楔形模體均可用于測(cè)量能量低至0.65MeV電子束能量的測(cè)量，結(jié)果符合較好。與楔形模體相比，疊層模體測(cè)量電子束能量時(shí)，首先需要預(yù)估疊層厚度，根據(jù)厚度放置合適數(shù)量的薄膜劑量計(jì)和參考材料，輻照后需要逐片測(cè)量每片劑量計(jì)的吸光度值。其次，在擬合深度劑量分布曲線(xiàn)時(shí)，需要測(cè)量每片薄膜劑量計(jì)厚度并扣除引入擦鏡紙或其他參考疊層帶來(lái)的厚度影響。另外，由于薄膜劑量計(jì)密度與標(biāo)準(zhǔn)推薦的能量計(jì)算公式的參考材料密度不一致，需要進(jìn)行射程轉(zhuǎn)換，因此，能量計(jì)算過(guò)程中影響的因素較多，致使測(cè)量過(guò)程及數(shù)據(jù)處理過(guò)程比較復(fù)雜，時(shí)間較長(zhǎng)，也容易給結(jié)果帶來(lái)較大不確定度。疊層模體與薄膜劑量計(jì)結(jié)合更適合測(cè)量幾百keV較低電子束能量；與疊層模體相比，楔形模體測(cè)量電子束能量時(shí)，測(cè)試前期準(zhǔn)備一條長(zhǎng)膜劑量計(jì)即可，輻照后利用分光光度計(jì)掃膜測(cè)量系統(tǒng)，幾分鐘即可測(cè)量得到劑量深度分布曲線(xiàn)，不需要多余的密度轉(zhuǎn)換等過(guò)程，測(cè)量方法簡(jiǎn)便、快速、準(zhǔn)確。且設(shè)計(jì)加工的楔形模體與薄膜劑量計(jì)結(jié)合可測(cè)量(0.65～3.0)MeV能量區(qū)間電子束能量。