1MeV电子加速器辐照剂量的测量

杜纪富，姜 灿，王 升，陈 思，李月生

（湖北科技学院非动力核技术湖北省协同创新中心，湖北咸宁 437100）

0 引 言

辐射加工是人类和平利用核能的重大成果，现已广泛应用于材料改性、消毒灭菌、食品保鲜、环境保护、航空航天、石油化工等各个领域.目前，全世界经辐射加工的产品产值已达每年数千亿美元，仍以10%～15%的年增长速度递增.我国2010底电子加速器装置投入运行160台，以辐射化工为主产品的产值约为670亿元，目前的工业用电子加速器装置数量正在快速增长.辐照加工装置的正常运行需要对加速器的辐照参数进行校准，其中吸收剂量值（D）的测量和校准是辐射加工剂量学中的一项重要内容，是电子加速器辐照加工的关键参数之一，它直接影响到被辐照产品的质量.如何有效控制产生电子束的辐射剂量、保证产品质量一直是人们比较关注的技术难题.目前我国辐照级电离辐射计量体系建设尚在初始阶段，无法适应飞速发展的中国辐照加工业.中国计量科学研究院于2010年12月24日宣布建成基于化学剂量计的辐照加工级电离辐射标准，设计了电子直线加速器辐射剂量测定的解决方案，建立了相应的电离辐射标准［1，2］.

国际原子能机构发布的TRS277技术报告中规定，对于能量低于10 MeV且高于5 Me V的电子束，推荐使用平行板电离室测量其吸收剂量，在TRS398号技术报告中明确提出了能量低于5 Me V的电子束必须使用平行板电离室［3］.电离室测量吸收剂量是通过测量电离辐射在与物质相互作用过程中产生的次级粒子的电离电荷量计算出吸收剂量.先测量由电离辐射产生的电离电荷，然后利用空气的平均电离能计算并转换成电离辐射所沉积的能量，即吸收剂量.另外还有化学剂量计，如重铬酸银剂量计、显色薄膜剂量计等.化学剂量计有价格低廉的优点，但也有测量精度相对较低、不可重复使用、需要离线测读设备等缺陷.然而对于1 Me V电子加速器加速的低能电子来说，其穿透深度只有几个毫米，因此无法利用平行板电离室和化学剂量计测量，目前已有辐射变色化学剂量片可实时测读.

本文介绍采用薄膜显色剂量片标定加速器辐照剂量的方法，并用该方法校准美国Wasik公司生产的1 Me V绝缘芯型电子加速器，采用辐射显示薄膜剂量片进行低能加速器标定在国内的报道很少，对同类产品的辐照剂量的检测有一定的指导意义.

1 实验方法

辐射显色薄膜剂量片为美国的FWT－60－00剂量片，大小为10 mm×10 mm，不准确度为6%（k＝2），经过中国计量科学研究院标定，溯源到剂量测量的国家标准.辐照时3片剂量片为一组，同时叠放在束下小车的中部，小车运动的速度分别为6 m／s，8 m／s，10 m／s和12 m／s，辐照能量选550 keV，750 ke V和1 000 ke V，束流在0～50 m A之间选择几个点.辐照后采用Cary 4G型紫外可见分光光度计在510 nm波长下测量剂量片的吸光度，3片剂量片的吸光度值取平均值，根据标定的该批次剂量片的剂量标准曲线计算辐照的剂量，测定剂量片的不均匀度.电子束输出能量的校准采用CTA薄膜叠层法，聚苯乙烯法，束流为40 m A，小车速度v＝10 m／min.

图1 同电压和束流下，吸收剂量和小车速度的关系Fig.1 Dose－velocity relation at the same voltage and beam

2 结果与讨论

2.1 吸收剂量与束下装置运行速度的关系

根据辐照加工中辐照产品的种类不同，常常需要不同的辐照参数，包括电子束能量、束流强度、束下装置运行速度.要校准的设备束下装置运行速度可调，最大速度12 m／min，小车行进方向不均匀度≤3%.图1为在同一电压和同一束流下测量吸收剂量和小车速度之间的关系，因为电子加速器的电子扫描区域在小车前进方向上的长度一定，所以相同的小车速度运行时代表相同的辐照时间.从图1中发现，小车在速度大于6 m／s时，吸收剂量与小车速度呈现出良好的线性关系，而在小车速度低于6 m／s时，因为速度慢，小车运转不平稳，所以偏离线性关系，引起吸收剂量测量的误差较大.通常，在辐照加工过程中，为了取得最大的工作效率和经济效益，应当选择较快的小车速率，同时会提高辐照的剂量准确率.

2.2 吸收剂量与束流和能量之间的关系

图2为电子束能量E＝1 000 keV，小车速度V＝10 m／min，图3为E＝550 keV，v＝6 m／min，图4为在小车速度V＝6 m／min，能量为1 000 ke V和750 ke V条件下，吸收剂量和束流之间的关系，可以看出，在相同的小车速度即相同的辐照时间，相同的电子束辐照能量下，吸收剂量随束流的增加呈线性增长，通过该曲线可以推算出任意束流辐照时的吸收剂量.

图2 E＝1 000 ke V，v＝10 m／min时，吸收剂量和束流之间的关系Fig.2 Dose－velocity relation at 1 000 ke V with the velocity 10 m／min

图3 E＝550 ke V，V＝6 m／min时，吸收剂量和束流之间的关系Fig.3 Dose－velocity relation at 550 ke V with the velocity 6 m／min

图5为小车运行速度V＝6 m／min时，吸收剂量与能量之间的关系.从图5中可以看出，在束流小于20 m A时，吸收剂量与能量之间呈良好的线性关系，而束流大于30 m A时，550 ke V能量下吸收剂量偏高，这个主要是由于加速器本身参数的设置引起的，在加速器进行调节束流时，我们发现在550 keV能量下仪器设备束流的设定值与实际显示值有较大差别，实际显示值为30 m A时，需要设定加速器束流参数为50 m A，这也正是在低能端吸收剂量偏离线性关系的原因.对于1 MeV的电子加速器，其低能量的电子输出性能不理想，因此，该1 Me V电子加速器适合在750 ke V～1 000 ke V的能量范围下正常工作.

图4 V＝6 m／min时，1 000 ke V和750 keV时剂量随束流的变化关系Fig.4 Dose－velocity relation at 1 000 keV and 750 ke V with the velocity 6 m／min

图5 V＝6 m／min时，吸收剂量和能量之间的关系Fig.5 Dose－energy relation with the velocity 6 m／min

2.3 辐照材料中吸收剂量深度分布和电子束能量校正

电子束在材料中的穿透能力弱，吸收剂量的深度分布梯度很大，因此测量辐照材料中的吸收剂量深度分布，确定最佳厚度，对改善辐照工艺，保证产品质量具有重要意义.但绝对测量电子束的能量是比较复杂的，实际应用中采用电子在密度均匀的材料中的射程Rp来确定电子的实际能量.文献检索表明，在辐照加工电子束能量测量方面以射程法最为普遍.电子的实际射程Rp定义为：深度剂量分布曲线（如图6）的直线下降部分的外推线和轫致辐射所产生的本底的外推线的交点处的深度.

图6～图8分别为标称能量为550 ke V，750 ke V，1 000 ke V时电子束在CTA和聚苯乙烯材料中的吸收剂量深度分布.电子束输出能量的校准采用CTA薄膜叠层法，聚苯乙烯法.根据计算，电子束的实际能量E及在该能量下在CTA、聚苯乙烯材料中的最佳辐照厚度Ropt见表1.

图6 示值能量为0.5 Me V时电子束在CTA薄膜中的深度剂量分布曲线Fig.6 Depth－dose distribution curve of 550 ke V electron beam in the CTA film

图7 示值能量为0.75 MeV时电子束在CTA薄膜中的深度剂量分布曲线Fig.7 Depth－dose distribution curve of 750 keV electron beam in the CTA film

图8 示值能量为1 MeV时电子束在聚苯乙烯薄膜中的深度剂量分布曲线Fig.8 Depth－dose distribution curve of 1 000 ke V electron beam in the PS film

表1 不同能量电子束辐照时的射程与能量值Tab.1 The range and energy of electron irradiation with different energy

3 结 语

1）辐射加工时束下小车的速度在6 m／min～12 m／min，可以提高工作效率，同时会提高辐照的剂量准确率.

2）在相同的小车速度即相同的辐照时间，相同的电子束辐照能量下，吸收剂量随束流的增加呈线性增长.

3）电子的实际能量与设定值有差别，美国Wasik公司生产1 Me V电子加速器的最高能量为1MeV，适合在750 ke V～1 000 ke V的能量范围工作.

［1］ 郭雄彬，赵敏，陈祖良，等.辐照电子直线加速器辐射剂量测定的技术研究［J］.核电子学与探测技术，2011，31（9）：1035－1038.

Guo Xiongbin，Zhao Min，Chen Zhuliang，et al.A project to determine the radiation dose of irradiation electron linac［J］.Nuclear Electronics ＆Detection Technology，2011，31（9）：1035－1038.（in Chinese）

［2］ 中国同位素与辐射行业协会辐射加工专业委员会.辐射加工产业十二五发展规划及建议［J］.中国核工业，2011（1）：34－39.

Committee of radiation processing of China isotope and radiation industry association.Plan and suggestion of radiation processing industry during the twelfth five－year development［J］.Zhongguo He Gongye，2011（1）：34－39.（in Chinese）

［3］ 张园月，陈晓渊，鄢玲，等.医用电子束吸收剂量测量中的平行板电离室校准［J］.中国测试，2009，35（3）：24－28.

Zhang Yuanyue，Chen Xiaoyuan，Yan Ling，et al.Parallel－plane chamber calibration for measuring medical electron beam absorbed dose［J］.China Measurement ＆Test，2009，35（3）：24－28.（in Chinese）