高剂量水平吸收剂量测量用辐射变色薄膜剂量计研究

陈义珍，李　明，李华芝，陈克胜，张卫东，叶宏生，林　敏，徐利军，夏　文，崔　莹

(中国原子能科学研究院 计量与校准技术重点实验室，北京　102413)



高剂量水平吸收剂量测量用辐射变色薄膜剂量计研究

陈义珍，李明，李华芝，陈克胜，张卫东，叶宏生，林敏，徐利军，夏文，崔莹

(中国原子能科学研究院 计量与校准技术重点实验室，北京102413)

摘要：为建立制备高剂量水平吸收剂量测量的辐射变色薄膜剂量计的方法，对相应的配方及制备工艺进行研究，批量制备了以尼龙为基材，副品红氰化物为染料的辐射变色薄膜剂量计。在(60)Co γ参考辐射场中对辐射变色薄膜的各剂量学响应性能进行了研究，结果表明，重复性好于1.0%，在5～210 kGy剂量范围内具有较好的剂量响应线性，辐射变色薄膜剂量计辐照后置于低温条件下贮存2周内信号较稳定。此外，该辐射变色薄膜剂量计在本实验范围内未发现明显的剂量率依赖性。通过上述剂量学性能研究，在线性剂量范围内，测量吸收剂量的扩展不确定度为4.2%(k=2)。通过在加速器上进一步实验表明，该膜可用于电子束辐照参数测量。

关键词：辐射加工；辐射变色薄膜；吸收剂量；γ射线

近年来随着辐射加工技术在我国的快速发展，电子束辐照装置及60Co γ辐照装置不断增加。如何准确、可靠地测量被照产品中所受的吸收剂量，监测和控制辐照装置的工艺参数，提高辐照质量已成为计量监督部门和辐照单位共同关注的问题。在各种辐射变色薄膜剂量计中，由美国远西技术公司生产的以尼龙为基材，六羟基乙基副品红氰化物染料为辐射敏感材料的FWT-60薄膜剂量计的剂量学性能较佳，其剂量测量范围为1～200 kGy。美国标准技术研究院已将该剂量计定为辐射加工用的传递标准剂量计[1-3]。FWT-60系列辐射变色薄膜剂量计目前已成为远西技术公司畅销全球的独家产品。二十世纪八十年代国内也开展过辐射变色薄膜剂量计的研制工作，如：广东测试所、防化研究院、军事医学科学研究院等[4-5]。由于批量小、重现性差等原因至今未得到应用和推广。国内对辐射变色薄膜剂量计的需求全部依赖进口，为了建立γ射线和电子束传递标准用的辐射变色薄膜剂量体系，本研究拟开展高剂量水平的辐射变色薄膜剂量计的研制工作，为辐射加工中高剂量测量建立传递标准提供参考。

1基本原理

辐射变色薄膜剂量计的物理性质参数列于表1。本工作中制备的辐射变色薄膜剂量计选用隐色副品红氰化物(Pararosaniline Cyanide， PR-CN)为辐射敏感材料。该隐色染料在极性介质(活化剂)中经电离辐射或紫外线辐射，授予能大于3.8 eV时，C-N基断裂，碳与苯环间形成双键，染料分子由无色的苯式结构变成着色的醌式结构式示于图1，且染料颜色变化的深浅与吸收剂量成正比关系[6]。在选定波长下用分光光度计测量其吸光度，然后将测得的单位厚度吸光度的变化量(ΔA)作为吸收剂量(D)的函数来确定被照物质所受的吸收剂量。辐照前该辐射变色薄膜(以下称PR-CN膜)呈无色或浅粉透明状，辐照后PR-CN膜变为紫红色。

表1　机制薄膜状丙氨酸剂量计的物理性质

图1　PR-CN膜辐射诱发的光化学反应式Fig.1　Photochemical reaction of PR-CN film

2辐照实验

自制辐射变色薄膜剂量计研制中使用的辐射源为Co-60 γ射线源。γ射线辐照实验在中国原子能科学研究院辐照中心的钴源上进行。

PR-CN膜剂量计对光子的吸收剂量值由Fricke标准剂量计给出。即：首先将Fricke标准剂量计在有机玻璃模体水箱校准点处进行辐照，给出校准点处的吸收剂量率。然后采用替代法在校准点处对PR-CN膜剂量计按预计时间进行辐照，辐照后的PR-CN膜用校准点处Fricke 给出的吸收剂量率赋值。

PR-CN膜裁切成10 mm×10 mm大小，每片均进行厚度修正，其厚度由德国产Mark测厚仪测量，精度为0.001 mm。PR-CN膜和校准用的Fricke剂量计均使用美国产的Cary 4000紫外-可见双光束分光光度计测量其吸光度，最后由其单位厚度吸光度变量与其吸收剂量函数确定吸收剂量。

3结果与讨论

3.1薄膜剂量计剂量学性能

3.1.1重复性

PR-CN膜剂量计剂量测量重复性结果列于表2。剂量计测量重复性是辐射变色薄膜剂量计剂量学性能的重要指标。为了考察自制PR-CN膜的测量重复性，选用30片PR-CN膜，3片为一组，共10组，经厚度归一后，用单次测量的相对标准偏差来表示测量结果，表2结果表明，自制PR-CN膜照后剂量测量重复性好于1%。

表2　PR-CN膜剂量计剂量测量重复性(n=3)

3.1.2响应曲线

在Co-60 γ射线参考辐射场中辐照若干组PR-CN膜，测量得到的剂量响应线性曲线示于图2。PR-CN膜辐照后颜色变化趋势示于图3。在557 nm波长下， PR-CN膜剂量计的剂量响应范围很宽(5.2～92.6 kGy)，在此范围内其单位厚度吸光度变化值ΔA与吸收剂量之间存在对数线性关系。实验结果表明，其剂量响应曲线的线性相关系数R2为0.999 1。

图2　PR-CN膜剂量计的剂量响应曲线(557 nm)Fig.2　Dose-response curves of the PR-CN films at 557 nm

此外，实验中发现PR-CN膜在不同波长处均有很好的线性响应，在不同波长处PR-CN膜剂量计吸光度变量随吸收剂量的变化列于表3。在7.7～92.6 kGy剂量范围内，其剂量响应曲线的R2值大于0.999 3，表明该薄膜剂量计的测量上限及剂量响应范围可进一步扩展。

图3　PR-CN膜辐照后颜色变化趋势Fig.3　Color change of the PR-CN films irradiated at different doses

吸收剂量/kGy不同测量波长下吸光度/nm5205455575605655755907.72.122.883.473.383.182.190.9412.13.164.315.125.094.783.341.4015.63.915.356.366.335.994.191.8131.26.889.3911.1311.1210.607.603.2855.211.0615.1417.9918.0117.2712.725.5992.616.1522.0426.2826.4525.7119.558.91R20.99940.99930.99950.99940.99950.99980.9999

3.1.3剂量率依赖性

为了进一步拓展PR-CN膜剂量计的剂量响应线性范围，在590 nm波长下进一步测量PR-CN膜剂量计在Co-60 γ射线下的剂量响应曲线，结果示于图4。由图4可见， PR-CN膜被照剂量达到210 kGy以上时，辐照引起的变色反应达到饱和，在7.7～210 kGy剂量范围内，其剂量响应曲线的线性相关系数达到0.999 0。

图4　PR-CN膜剂量计剂量响应曲线(590 nm)Fig.4　Dose-response curves of the PR-CN films at 590 nm

该辐照实验在中国原子能科学研究院辐照中心的钴源上进行。辐射变色薄膜剂量计分别放置在离源一定距离的聚四氟乙烯固体模体的中心孔位，吸收剂量率分别为52.0 Gy·min-1和19.2 Gy·min-1，不同吸收剂量率下的剂量响应曲线符合较好，这表明在本剂量率范围内辐射变色薄膜剂量计不存在剂量率依赖性。

3.1.4温度对剂量计性能的影响

受照产品在辐射加工过程中温度将升高，温度升高对薄膜剂量计的响应有影响。在5～45 ℃范围内，对批制的PR-CN膜辐照30 kGy来考察其对温度的响应，结果示于图5。

由图5可见，PR-CN膜剂量计的吸光度随辐照温度的升高基本上呈线性上升趋势，经拟合得辐照温度响应系数为每升高1 ℃光密度升高0.33%。这与文献[5]中尼龙基质的HPR-CN膜通常温度每升高1 ℃光密度按0.3%加以修正结果一致。因此，用该剂量计测量吸收剂量时，要对辐照温度进行监测以便进行温度修正。

3.1.5剂量计的稳定性

稳定性是辐射变色薄膜剂量计剂量学性能的重要指标之一。为了考察自制PR-CN膜剂量计的本底稳定性及辐照后稳定性，将未辐照及辐照30 kGy的PR-CN膜分别置于不同湿度(75%、59%、33%、23%、12%)及温度(25 ℃、16 ℃和低温4～6 ℃)下保存，相隔一定时间进行测量，结果列于表4和表5。

图5　温度对PR-CN膜剂量计响应的影响Fig.5　The impact of irradiation temperature to the response of PR-CN films

由表4可见，未辐照的PR-CN膜在低温(4～6 ℃)不同湿度下存放半年时间，吸光度变化小于2%，当温度在16～25 ℃保存时，湿度应控制在59%左右，半年内PR-CN膜吸光度基本不变，变化小于2%。由表5可见，辐照后的PR-CN膜剂量计在低温(4～16 ℃)下存放，20 d以内吸光度变化小于2%。因此，为了延长辐射变色薄膜的货架时间或保持照后薄膜的稳定性，辐照前后自制PR-CN膜剂量计均宜在低温下(4～16 ℃)下密封保存。

3.2合成不确定度的估计

自制PR-CN膜剂量计用于γ射线剂量测量的总不确定度由用于校准的次级标准—Fricke的不确定度、辐射变色薄膜剂量计以及分光光度计固有不确定度的结合。Fricke剂量计的不确定度由中国计量科学院国家基准实验室的Fricke剂量计提供，对于Co-60 γ射线约为2.1%(k=2)。自制辐射变色薄膜剂量计用于γ射线剂量测量的不确定度来源列于表6。

3.3加速器应用

由于辐射变色薄膜剂量计比较薄，剂量响应灵敏且测量简便，适合测量电子束深度剂量分布、能量等参数[7]。电子束射程和能量对辐射加工有着重要的意义。

表4　PR-CN膜剂量计本底稳定性

表5　PR-CN膜剂量计辐照后稳定性

表6　PR-CN膜剂量计用于γ射线剂量测量

实验使用的加速器为中国原子能科学研究院计量测试部新建的DZ-12/4多能量档电子直线加速器。测量深度分布曲线时以动态方式辐照。

采用叠层法测量电子束深度-剂量分布曲线，同时使用自制辐射变色PR-CN膜剂量计及FJL-01 型 CTA薄膜剂量计对DZ-12/4多能量档电子直线加速器在一定参数下的电子束深度-剂量分布曲线进行了测试，实验将批制PR-CN膜和CTA薄膜各16组，分别与有机玻璃片相互叠放于两个自制的有机玻璃模体中，然后将其并排置于电子加速器钛窗下50 cm处动态辐照一定的剂量，结果示于图6。

图6　电子束在有机玻璃中的深度-剂量分布曲线Fig.6　Depth-dose distribution curve of electron beam in PMMA

两种薄膜剂量计测量得到的深度-剂量分布曲线基本重合，电子在有机玻璃模体中的实际射程分别为3.75 cm和3.69 cm，根据GB/T 16841—1997报告推荐的计算公式计算能量分别为8.77 MeV和8.63 MeV。两种薄膜测量结果符合较好，因此，自制的辐射变色薄膜可用于加速器辐照参数的测量。

4结论

本文对自制的辐射变色薄膜剂量计的各剂量学响应性能进行了研究，结果表明其重复性好于1.0%，在5～210 kGy吸收剂量范围内，对Co-60 γ射线的剂量响应线性相关系数大于0.999 0，在5～45 ℃范围内对辐照温度的响应系数为每1 ℃ 0.33%，制备好的PR-CN膜剂量计宜置于低温密封条件下贮存，能明显延长薄膜货架时间，辐照后的PR-CN膜剂量计置于低温条件下贮存时2周内信号变化小于2%，在本实验范围内未发现明显的剂量率依赖性。

在5～210 kGy剂量范围内，PR-CN膜剂量计测量吸收剂量的扩展不确定度对Co-60 γ射线为4.2%(k=2)，该膜适合于辐射加工中高剂量水平的吸收剂量监测。

参考文献：

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Study of the Radiochromic Film for High Dose Measurement in Radiation Processing

CHEN Yi-zhen, LI Ming, LI Hua-zhi, CHEN Ke-sheng, ZHANG Wei-dong,YE Hong-sheng, LIN Min, XU Li-jun, XIA Wen, CUI Ying

(NationalKeyLaboratoryforMetrologyandCalibrationTechniques,ChinaInstituteofAtomicEnergy,Beijing102413,China)

Abstract:To establish the radiochromic film dosimeter for high dose level measurement during radiation processing, By corresponding formula and its preparation process research, batches of radiochromic film dosimeters were prepared using nylon as substrate and pararosaniline cyanide as dye. In Co-60 gamma reference radiation field, dosimetry response performance of radiochromic film was studied and results showed that the repeatability was good to 1.0%. The response curves demonstrated good linearity in the dose range of 5-210 kGy, and the signal of radiochromic film dosimeters after irradiation under the condition of low temperature storage within 2 weeks was stable. In addition, the radiochromic film dosimeters were not found to have noticeable dose rate dependence in the range of this experiment. In the linear dose range, radiochromic film dosimeter measures the absorbed dose, with extended uncertainty 4.2% (k=2) for Co-60 gamma rays. The film was suitable as dosimeters for the parameters measurement of the electron beam on the accelerator.

Key words：radiation processing; radiochromic film; absorbed dose; γ-ray

doi：10.7538/tws.2016.29.01.0036

中图分类号：TL818+.9

文献标志码：A

文章编号：1000-7512(2016)01-0036-06

作者简介：陈义珍(1982—)，女，湖北咸宁人，助理研究员，电离辐射剂量专业通信作者：叶宏生，研究员，E-mail: ysh622@ciae.ac.cn

收稿日期：2015-07-13;修回日期：2015-09-08