高 飛,張昕宇,丁雨陽(yáng),劉蘊(yùn)韜,王菲菲,陳義珍,劉佳瑞,倪 寧,王子琳,王子業(yè),趙 旭
(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,中核核工業(yè)計(jì)量與測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 102413)
脈沖X射線具有持續(xù)時(shí)間短,瞬時(shí)劑量率高等特點(diǎn),其輻射劑量測(cè)量難度極大。以ns級(jí)的輻射脈沖為例,其單次脈沖劑量往往會(huì)達(dá)到1 μSv以上,瞬時(shí)劑量率可達(dá)105Sv/h以上。對(duì)于像G-M計(jì)數(shù)器、半導(dǎo)體探測(cè)器等均存在測(cè)量堆積和探測(cè)死時(shí)間問(wèn)題[1-3],難以達(dá)到如此高的劑量率響應(yīng),即儀表存在過(guò)響應(yīng)問(wèn)題,這必然影響監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性[4];主動(dòng)式電子劑量計(jì)存在測(cè)量時(shí)間周期,為了降低劑量計(jì)能耗,兩次測(cè)量周期間隔可達(dá)幾秒,如果脈沖輻射發(fā)生在儀表測(cè)量周期間隔時(shí)間內(nèi),很可能發(fā)生漏記事件從而極大地影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性,造成測(cè)量結(jié)果嚴(yán)重偏低;人員誤闖輻射場(chǎng)事故對(duì)于主動(dòng)式個(gè)人劑量計(jì)來(lái)講也是一次大劑量的脈沖事件。此外,核臨界事故也是典型的脈沖輻射,核臨界事故指的是含易裂變材料的系統(tǒng)由于某種意外原因引起的非預(yù)計(jì)的臨界或超臨界事件。以某典型的核臨界事故為例,總共發(fā)生約1019次裂變,在最初的0.5 s內(nèi)發(fā)生了約1018次裂變,接連在數(shù)小時(shí)內(nèi),每間隔約10 min產(chǎn)生一個(gè)裂變脈沖,每次裂變持續(xù)時(shí)間不超過(guò)0.5 s。因此,核臨界事故產(chǎn)生的中子及X、γ射線屬典型的脈沖輻射。為了解決主動(dòng)式輻射劑量?jī)x的脈沖響應(yīng)測(cè)試技術(shù)難題,有必要建立脈沖X射線參考輻射場(chǎng)以解決主動(dòng)式電子劑量計(jì)的校準(zhǔn)難題。
國(guó)際電工委員會(huì)IEC 60846-1:2009[2]中指出主動(dòng)式輻射劑量?jī)x的響應(yīng)時(shí)間不應(yīng)大于10 s,因此本文對(duì)持續(xù)時(shí)間小于10 s的電離輻射歸為脈沖輻射。對(duì)涉及醫(yī)學(xué)診斷、材料測(cè)試、射線探傷和科學(xué)研究等領(lǐng)域中的脈沖X射線進(jìn)行分類,列于表1。本文對(duì)基于γ放射源、穩(wěn)態(tài)X光機(jī)和脈沖X光機(jī)建立脈沖參考輻射場(chǎng)的可行性進(jìn)行探討,根據(jù)實(shí)際需要基于多種X射線機(jī)研究建立脈沖X射線參考輻射場(chǎng),并對(duì)脈沖寬度、脈沖劑量和瞬時(shí)劑量率等輻射特性進(jìn)行研究。
表1 典型脈沖輻射參數(shù)
根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO 4037-1[5]相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求,在計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)需要采用多枚不同活度的同位素放射源(60Co和137Cs)和X光機(jī)以建立多種參考輻射用于儀表校準(zhǔn)。137Cs同60Co相比,γ射線能量更低,便于屏蔽,因此國(guó)際上通?;?37Cs放射源研究建立脈沖輻射場(chǎng)?;?37Cs放射源建立脈沖輻射場(chǎng)通常有兩種技術(shù)方案,即“穩(wěn)態(tài)源法”和“動(dòng)態(tài)源法”,技術(shù)路線如圖1和圖2所示。
圖1 “穩(wěn)態(tài)源法”產(chǎn)生脈沖γ輻射場(chǎng)
圖2 “動(dòng)態(tài)源法”產(chǎn)生脈沖γ輻射場(chǎng)
如圖1所示,基于“穩(wěn)態(tài)源”和“動(dòng)態(tài)快門”的方式產(chǎn)生脈沖γ射線,“穩(wěn)態(tài)源”產(chǎn)生的γ射線經(jīng)準(zhǔn)直光闌準(zhǔn)直后形成連續(xù)均勻的γ射線輻射場(chǎng),經(jīng)“動(dòng)態(tài)快門”切割后形成脈沖γ射線輻射場(chǎng)。“動(dòng)態(tài)快門”通常采用輪盤設(shè)計(jì),如圖3所示。要獲得快脈沖,需要采用軸承及高速驅(qū)動(dòng)技術(shù)對(duì)快門進(jìn)行支撐和旋轉(zhuǎn)。假設(shè)輪盤半徑為15 cm,切割光闌孔徑為3 cm,以轉(zhuǎn)速為60 r/s為例,由此產(chǎn)生的脈沖γ輻射場(chǎng)的脈沖寬度約為0.5 ms,脈沖頻率為60 Hz。以目前工藝水平,最高轉(zhuǎn)速可達(dá)6 000 r/s以上,由此產(chǎn)生的脈沖γ輻射場(chǎng)的脈沖寬度可達(dá)5 μs。此外,相同轉(zhuǎn)速條件下通過(guò)調(diào)整切割光闌孔徑也可調(diào)節(jié)脈沖寬度,如圖4所示,調(diào)節(jié)輪盤轉(zhuǎn)速可以調(diào)節(jié)脈沖頻率。
圖3 輪盤式動(dòng)態(tài)快門
圖4 寬光闌輪盤式動(dòng)態(tài)快門
如圖2所示,基于“動(dòng)態(tài)源”和“穩(wěn)態(tài)準(zhǔn)直光闌”的方式同樣可以產(chǎn)生脈沖γ射線。通常將137Cs同位素放射源置于輪盤上,通過(guò)旋轉(zhuǎn)輪盤的方式實(shí)現(xiàn)γ射線的脈沖輸出。通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速可以獲得不同的脈沖頻率。還可以將137Cs同位素放射源置于屏蔽管道中,利用高壓氣體推動(dòng)同位素放射源在屏蔽管道中快速移動(dòng)以實(shí)現(xiàn)γ射線的脈沖輸出,原理如圖5所示。
圖5 氣動(dòng)脈沖γ輻射場(chǎng)
本文列舉了幾種基于γ輻射源的脈沖γ射線參考輻射場(chǎng)的產(chǎn)生方法,由于γ射線能量高,不便于屏蔽,機(jī)械設(shè)計(jì)難度大,旋轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)快門對(duì)軸承強(qiáng)度和同軸度要求較高,不便于加工且后續(xù)維護(hù)成本高,因此擬基于X光機(jī)建立脈沖X射線輻射場(chǎng),用于開(kāi)展脈沖輻射劑量?jī)x中低能量范圍內(nèi)的脈沖響應(yīng)特性研究。
穩(wěn)態(tài)X光機(jī)的管電壓調(diào)節(jié)范圍為10~225 kV,管電流調(diào)節(jié)范圍為0~15 mA,最大功率2.25 kW,雙焦點(diǎn)尺寸分別為0.4 mm和1.0 mm。X光管置于屏蔽箱中,X光管焦點(diǎn)置于準(zhǔn)直光闌軸線上,通過(guò)脈沖快門實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)X射線的脈沖化輸出,如圖6所示。
圖6 基于穩(wěn)態(tài)X光機(jī)的脈沖X射線輻射場(chǎng)
本文使用脈沖快門實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)X射線的脈沖化輸出,脈沖快門由高速氣缸、滑軌、氣缸支架和鎢合金快門等部分組成,如圖7所示??扉T速度約為1 m/s,可實(shí)現(xiàn)脈沖寬度為15 ms的單脈沖X射線輸出,距離參考點(diǎn)0.5~3 m處,輻射場(chǎng)直徑7~70 cm。
圖7 脈沖快門組成圖
參考國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 4037-1[5]的要求建立窄譜系列脈沖式X射線參考輻射(N系列),參考國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC 61267—2005[6]的要求建立醫(yī)用診斷系列脈沖式X射線參考輻射(RQR系列),脈沖X射線輻射質(zhì)的平均能量參數(shù)列于表2和表3。
表2 脈沖X射線參考輻射場(chǎng)中N系列輻射質(zhì)的基本參數(shù)
表3 脈沖X射線參考輻射場(chǎng)中RQR輻射質(zhì)的基本參數(shù)
放射診斷X光機(jī)是能夠產(chǎn)生毫秒級(jí)脈沖X射線的典型設(shè)備,具有功率高、脈沖寬度可調(diào)等優(yōu)點(diǎn),因此本文基于放射診斷用X光機(jī)建立毫秒級(jí)脈沖X射線參考輻射場(chǎng)。脈沖X射線照射裝置主要包括:診斷X射線機(jī)(包括:高壓發(fā)生器、旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極X射線管、陽(yáng)極靶材和Be窗等)、附加過(guò)濾、定位裝置、準(zhǔn)直器、墊板、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、屏蔽室、監(jiān)視和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以及控制軟件等,如圖8所示。結(jié)合MCNP程序?qū)γ}沖X射線參考輻射場(chǎng)進(jìn)行建模[7-13],計(jì)算模型主要包括:陽(yáng)極靶材、準(zhǔn)直光闌、附加過(guò)濾、墊板和實(shí)驗(yàn)臺(tái)等,模擬計(jì)算了空氣比釋動(dòng)能-劑量當(dāng)量轉(zhuǎn)換因子[14]。脈沖X光機(jī)的高壓發(fā)生器由加拿大生產(chǎn),該產(chǎn)品采用“電子杠桿”技術(shù)精確控制脈沖時(shí)間Tpulse,脈沖電壓信號(hào)無(wú)機(jī)械慣性延時(shí),控制靈敏,脈沖上升和下降時(shí)間分別為0.6 ms和1.2 ms,輸出的脈沖波形滿足實(shí)驗(yàn)要求。旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極X射線管由美國(guó)生產(chǎn),該射線管的靶材料為鎢-錸合金。脈沖X射線系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo):管電壓范圍:40~150 kV,1 kV連續(xù)可調(diào);管電流調(diào)節(jié)范圍:1~800 mA;脈沖持續(xù)時(shí)間Tpulse:1 ms~10 s?;诿}沖X光機(jī)并參考IEC 61267[7]和ISO 4037-1[5]標(biāo)準(zhǔn)建立了RQR5、RQR10、N60、N80和N150等輻射質(zhì)[14-15]。
圖8 基于脈沖X光機(jī)的參考輻射示意圖
如圖8所示,脈沖X射線經(jīng)Be窗、準(zhǔn)直光闌、附加過(guò)濾準(zhǔn)直器和定位裝置后垂直向下照射。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)尺寸為30 cm×30 cm,位于脈沖X射線參考輻射的軸線上,可在導(dǎo)軌上進(jìn)行x、y、z三維移動(dòng)與定位,定位精度1 mm。墊板位于脈沖X射線參考輻射的最底端,由5 mm厚的鋁材料制成,能夠有效降低地面的散射輻射。
納秒級(jí)脈沖X射線主要用于加速器輻照應(yīng)用、輻射加工、放射治療、瞬態(tài)成像和等離子體研究等領(lǐng)域,應(yīng)用廣泛。本文基于美國(guó)Golden公司生產(chǎn)的XRS-3便攜式脈沖X射線發(fā)生器產(chǎn)生納秒級(jí)脈沖X射線參考輻射場(chǎng),如圖9所示。其中便攜式脈沖X射線發(fā)生器的管電壓為270 kV,脈沖寬度為25 ns,頻率為15 Hz。附加0.5 mmAl過(guò)濾以降低低能X射線,距離便攜式脈沖X射線發(fā)生器焦點(diǎn)15 cm處設(shè)置有監(jiān)督電離室(德國(guó)PTW公司生產(chǎn),型號(hào)為TW34014)和鎢合金準(zhǔn)直光闌,張角為15°。
圖9 納秒級(jí)脈沖X射線輻射場(chǎng)示意圖
脈沖X射線次級(jí)標(biāo)準(zhǔn)電離室由自研的SSPR型平板電離室[16]和德國(guó)PTW公司生產(chǎn)的34035型平板電離室組成,量值均溯源至德國(guó)聯(lián)邦物理技術(shù)研究院(以下簡(jiǎn)稱德國(guó)PTB)。
SSPR型脈沖X射線平板電離室用于確定毫秒級(jí)脈沖X射線的單脈沖劑量Dpulse[16],電離室結(jié)構(gòu)如圖10所示。
圖10 平板型空腔電離室結(jié)構(gòu)示意圖
SSPR型脈沖X射線次級(jí)標(biāo)準(zhǔn)電離室在連續(xù)穩(wěn)態(tài)X、γ射線參考輻射場(chǎng)完成輻射劑量學(xué)性能測(cè)試后[16],在德國(guó)PTB脈沖X射線參考輻射場(chǎng)中進(jìn)行校準(zhǔn)。德國(guó)PTB同德國(guó)西門子公司共同研建脈沖X射線發(fā)生系統(tǒng),該系統(tǒng)采用“柵控”的方式提供脈沖輻射,上升時(shí)間和下降時(shí)間可以縮短至50 μs。脈沖X射線管置于屏蔽箱中,沿著射束方向分別設(shè)計(jì)有快門、附加過(guò)濾、準(zhǔn)直器、監(jiān)督電離室和背散射屏蔽器等,結(jié)構(gòu)如圖11所示[17]。
圖11 德國(guó)PTB脈沖X射線照射裝置結(jié)構(gòu)圖
在對(duì)脈沖X射線平板電離室進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí),分別使用了德國(guó)PTB建立的RQR系列和N系列脈沖X射線參考輻射場(chǎng),曝光時(shí)間分別為:1 ms、10 ms、100 ms和500 ms,次級(jí)標(biāo)準(zhǔn)電離室到X光機(jī)焦點(diǎn)的距離為70~200 cm,如圖12所示。
圖12 平板電離室脈沖X射線校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)
校準(zhǔn)過(guò)程中自研的脈沖X射線平板電離室置于參考位置處,配合使用PTW公司生產(chǎn)的UNIDOSwebline劑量計(jì),置于輻射劑量檔(又稱:累積檔),開(kāi)啟脈沖X光機(jī),并根據(jù)式(1)確定脈沖X射線次級(jí)標(biāo)準(zhǔn)電離室的校準(zhǔn)因子,具體結(jié)果列于表4。
(1)
式中,Kpulse為脈沖X射線參考輻射場(chǎng)中參考點(diǎn)處的單脈沖約定真值,μGy;MSSPR為脈沖X射線次級(jí)標(biāo)準(zhǔn)電離室的指示值,μGy;NSSPR為脈沖X射線次級(jí)標(biāo)準(zhǔn)電離室的校準(zhǔn)因子,無(wú)量綱。
SSPR型脈沖X射線次級(jí)標(biāo)準(zhǔn)電離室經(jīng)校準(zhǔn)后可用于毫秒級(jí)脈沖X射線輻射場(chǎng)的劑量定值工作。此外,將德國(guó)PTW公司生產(chǎn)的34035型平板電離室在德國(guó)PTB建立的納秒級(jí)脈沖X射線輻射場(chǎng)中進(jìn)行了校準(zhǔn),其納秒級(jí)脈沖X射線輻射場(chǎng)能量不可調(diào),且管電流不可調(diào),校準(zhǔn)用脈沖X光機(jī)管電壓為220 kV,管電流為0.25 mA,脈沖寬度為25 ns,單脈沖劑量為5.72 μSv。校準(zhǔn)后的34035型平板電離室可用于本項(xiàng)目建立的納秒級(jí)脈沖X射線參考輻射場(chǎng)的劑量測(cè)量,該電離室校準(zhǔn)因子為0.99。
脈沖時(shí)間測(cè)量系統(tǒng)由閃爍體探測(cè)元件、光收集器、光電轉(zhuǎn)換器件(Si-PIN光電二極管)、前放、示波器和直流電源等幾部分組成。閃爍體探頭受到脈沖X射線照射時(shí)產(chǎn)生熒光,熒光通過(guò)光收集器傳送到光電轉(zhuǎn)換器件(Si-PIN光電二極管)產(chǎn)生電信號(hào),經(jīng)電子學(xué)系統(tǒng)顯示脈沖X射線持續(xù)時(shí)間。脈沖寬度測(cè)量系統(tǒng)是通過(guò)將脈沖輻射轉(zhuǎn)化為脈沖電信號(hào),測(cè)量電信號(hào)波形寬度得出脈沖輻射的持續(xù)時(shí)間。根據(jù)時(shí)間測(cè)量的一般要求,測(cè)試系統(tǒng)響應(yīng)需比待測(cè)脈沖信號(hào)快3倍以上。本工作采用CsI(Tl)晶體作為獲取毫秒級(jí)脈沖X射線時(shí)間的探測(cè)器,使用日本Hamamatsu公司的S3590-19型Si-PIN光電二極管作為CsI晶體輸出的光電轉(zhuǎn)換器。該型號(hào)硅光二極管的光譜響應(yīng)范圍為340~1 100 nm,適用于CsI晶體,其光靈敏度約為0.58 A/W,暗電流最大值約為10 nA,截止頻率為40 MHz,經(jīng)測(cè)試,該系統(tǒng)可用于毫秒級(jí)脈沖寬度測(cè)量,如圖13所示。
圖13 脈沖時(shí)間測(cè)量系統(tǒng)
脈沖時(shí)間測(cè)量系統(tǒng)會(huì)在示波器上顯示脈沖X射線輸出波形,脈沖時(shí)間由式(2)得出:
tpulse=ta-tb
(2)
式中,tpulse為脈沖時(shí)間;ta為脈沖起始時(shí)間;tb為脈沖結(jié)束時(shí)間。根據(jù)示波器顯示的脈沖輸出波形確定脈沖時(shí)間。脈沖X射線時(shí)間寬度tpulse如圖14~18所示。
圖14 基于穩(wěn)態(tài)X光機(jī)的脈沖X射線輻射寬度(平臺(tái)區(qū)+上升沿+下降沿)
圖15 基于診斷X光機(jī)的脈沖X射線寬度(脈沖寬度:5 ms)
圖16 基于診斷X光機(jī)的脈沖X射線寬度(脈沖寬度:10 ms)
圖17 基于診斷X光機(jī)的脈沖X射線寬度(脈沖寬度:50 ms)
圖18 基于診斷X光機(jī)的脈沖X射線寬度(脈沖寬度:100 ms)
利用SSPR型脈沖X射線平板電離室對(duì)基于穩(wěn)態(tài)X光機(jī)和診斷X光機(jī)的脈沖X射線參考輻射場(chǎng)劑量進(jìn)行測(cè)量,脈沖次級(jí)標(biāo)準(zhǔn)電離室采用相應(yīng)輻射質(zhì)下校準(zhǔn)因子,測(cè)量單位為空氣比釋動(dòng)能,可通過(guò)乘以相應(yīng)的轉(zhuǎn)換系數(shù)得到周圍劑量當(dāng)量和個(gè)人劑量當(dāng)量[15-17],測(cè)量位置到X光機(jī)焦點(diǎn)的距離為1 m。利用德國(guó)PTW公司生產(chǎn)的34035型平板電離室對(duì)便攜式脈沖X射線發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖X射線進(jìn)行測(cè)量,測(cè)量單位為個(gè)人劑量當(dāng)量,測(cè)量位置到便攜式脈沖X射線發(fā)生器焦點(diǎn)的距離為1 m。脈沖X射線參考輻射場(chǎng)部分輻射質(zhì)的單脈沖劑量和瞬時(shí)劑量率列于表5。
表5 脈沖X射線參考輻射場(chǎng)劑量測(cè)量結(jié)果
如表5所示,本文所建立的脈沖X射線參考輻射場(chǎng)可用于開(kāi)展各類輻射防護(hù)儀器及個(gè)人劑量計(jì)的脈沖輻射響應(yīng)特性研究,并可為核臨界事故γ輻射報(bào)警儀提供測(cè)試條件。
利用已經(jīng)建立的脈沖X射線參考輻射場(chǎng)對(duì)四款主動(dòng)式輻射劑量?jī)x進(jìn)行測(cè)試,探測(cè)器置于脈沖X射線參考輻射場(chǎng)的軸線上,焦點(diǎn)到探測(cè)器參考點(diǎn)的距離為1 m,其中個(gè)人劑量計(jì)配備體模。調(diào)節(jié)脈沖X光機(jī)管電壓和管電流,曝光時(shí)間分別為10 ms(單脈沖曝光)和25 ns(99次脈沖曝光)。根據(jù)式(3)計(jì)算主動(dòng)式探測(cè)器的響應(yīng):
(3)
式中,Rpulse為主動(dòng)式探測(cè)器的脈沖響應(yīng);M為主動(dòng)式探測(cè)器的讀數(shù);Dpulse為脈沖X射線輻射場(chǎng)中參考點(diǎn)處的約定真值,該值由研制的SSPR型次級(jí)標(biāo)準(zhǔn)電離室測(cè)量給出,參考值列于表5。
表6 幾種儀表在單次脈沖輻射場(chǎng)中劑量響應(yīng)情況
表7 幾種儀表在連續(xù)脈沖輻射場(chǎng)中劑量響應(yīng)情況
本文探討了基于γ放射源建立脈沖γ射線參考輻射場(chǎng)的可行性,并基于穩(wěn)態(tài)X光機(jī)、診斷X光機(jī)和便攜式X射線發(fā)生器建立了脈沖X射線參考輻射場(chǎng)?;诿}沖X射線次級(jí)標(biāo)準(zhǔn)電離室和脈沖時(shí)間測(cè)量系統(tǒng)完成了脈沖X射線參考輻射場(chǎng)輻射劑量特性研究?;诜€(wěn)態(tài)X光機(jī)的脈沖X射線參考輻射場(chǎng)脈沖寬度為15 ms,基于脈沖X光機(jī)的脈沖X射線參考輻射場(chǎng)脈沖寬度為1 ms~10 s,基于便攜式脈沖X射線發(fā)生器的脈沖X射線參考輻射場(chǎng)脈沖寬度為25 ns,瞬時(shí)劑量率范圍為:5 mSv/h~6.7×105Sv/h,可用于開(kāi)展各類輻射防護(hù)儀器及個(gè)人劑量計(jì)的脈沖輻射響應(yīng)特性研究,并可為核臨界事故γ輻射報(bào)警儀提供測(cè)試條件?;谒⒌拿}沖X射線輻射場(chǎng)針對(duì)四款主動(dòng)式輻射劑量計(jì)進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試結(jié)果顯示主動(dòng)式輻射劑量計(jì)在脈沖輻射場(chǎng)中響應(yīng)不足,存在讀數(shù)偏低的現(xiàn)象,不適用于短脈沖、高劑量率輻射場(chǎng)的劑量測(cè)量,在人員誤闖事故及核事故情況下,易發(fā)生漏記事件,危害人員安全。為了確保放射性工作人員的安全,后續(xù)將開(kāi)展更多種類探測(cè)器的脈沖響應(yīng)特性研究。