现场校准用便携式X射线照射装置的优化设计及辐射特性研究

2021-05-21 06:18阳,林敏,高飞,倪宁,张
辐射防护 2021年2期
关键词:剂量率参考点X射线

徐 阳,林 敏,高 飞,倪 宁,张 曦

(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)

目前,国内核电站等核设施、辐射环境监测站等都配备有大量的固定式X、γ辐射剂量仪,用于对核设备产生的放射性危害进行预警。目前该类辐射剂量仪表测量的可靠性与准确性的保障方法是将其拆卸并运送至国家级或地方级计量校准实验室进行校准[1],但此种方法在操作上较为不便,会改变仪器仪表现场测量的实验条件,且会中断实时数据的测量。为了增强和提高目前该类仪表的溯源性,国内外相关机构相继开展了电离辐射现场校准技术研究,研制了现场校准用简易照射器、检验源和便携式γ射线照射装置[2-3]。上述装置均采用同位素放射源产生便携式参考辐射,存在放射源丢失风险、具有运输手续审批困难等缺点[4]。为了弥补和替代现场用放射源对固定式X、γ辐射剂量仪进行校准刻度,中国原子能科学研究院计量测试部研制了一款用于校准现场固定式X、γ辐射剂量仪的便携式X射线照射装置。利用蒙特卡罗软件依据照射装置、配套设备及照射间实际尺寸建立模型,对X射线管出射口处限束光阑结构进行优化设计,模拟研究了便携式X射线参考辐射场的辐射特性并进行实验验证。研究结论为后续利用便携式X射线照射装置开展现场校准技术研究奠定了基础。

1 便携式X射线照射装置优化设计

1.1 装置主要构成

中国原子能科学研究院计量测试部建立的便携式X射线照射装置结构如图1所示,装置主要包括:便携式X射线管及专用控制器、屏蔽箱、限束光阑、附加过滤片及配套支架、俯仰角调节机构、高精度三维(X、Y、Z轴)调节机构、本地控制面板及远程控制软件、本地实时摄像监控单元以及一些必要的辅助设备。装置整体尺寸约1.0 m×0.6 m×1.5 m,采用YXLON公司XPO EVO 225D型便携式X射线管,其主要物理参数列于表1。

表1 便携式X射线管主要物理参数Tab.1 Main physical parameters of portable X-ray tube

图1 便携式X射线照射装置示意图Fig.1 Schematic diagram of portableX-ray irradiation device

屏蔽箱采用3 mm 304不锈钢材料,X射线管出射口周围设置3 mm钨合金屏蔽层,可有效加强该位置处的射线屏蔽效果。根据现场校准规范要求[5],选用国家标准GB/T 12162.1—2000[1]中推荐的N-系列与L-系列参考辐射质,平整度较好的高纯度(≥99.9%)金属附加过滤片,按照距焦斑由近及远、原子序数逐渐减小的顺序排列,可有效减小荧光杂质对出射束的污染。X射线管俯仰角调节范围±15°,调节步距1°;X、Y轴方向调节范围± 5 cm,调节步距1 mm;Z轴方向调节范围1.3~1.8 m,调节步距1 mm。

位于出射口处的限束光阑对便携式X射线参考辐射场的形状与射束范围起着决定性作用,由于所采用的钨合金材质密度较大(ρ钨合金=18.75 g/cm3),出于轻量化考虑,需要对其结构进行优化设计。

1.2 蒙特卡罗模型建立

为了对便携式X射线照射装置限束光阑进行优化设计并开展参考辐射场特性研究,利用MCNP模拟软件建立装置模型,如图2所示。

图2 便携式X射线照射装置的MCNP模型Fig.2 MCNP model of portable X-ray irradiation device

模型主要包括:X射线管、屏蔽箱、限束光阑、高精度可移动小车及一系列探测栅元(探测栅元数量、形状及排列方式随测量目的的变化略作调整)。与标准实验室固定式X射线照射装置的不同之处在于,便携式X射线照射装置并非通过固定在地面上的导轨与小车进行定位,而是通过安装在X射线机下方水平导轨上的两个激光测距仪(如图1所示)以及位于焦斑正下方的一个激光测距仪(图1中未显示)实现的,故模型中仅包含便携式X射线照射装置。

1.3 限束光阑优化设计

限束光阑设置并安装在屏蔽箱出射口位置,主要用于对X射线出射束的限束与整形。限束光阑内孔通常呈圆锥状,考虑到减重与便于拆卸等因素,需要对光阑结构进行优化。利用MCNP程序模拟计算了三种内孔形状(即阶梯状、圆锥状及切片状,如图3所示)条件下,距焦斑1 m处均匀性在±5%以内的辐射场范围,结果列于表2。模型中,限束光阑材料为钨合金,内孔半张角θ依次设置为3°、5°、8°、10°、15°,17°,源项采用30°角偏倚的带N-150谱分布点源。

图3 三种限束光阑内孔形状的MCNP模型示意图Fig.3 MCNP model of three different aperture shapes

由表2可知,在所列6种半张角条件下,距焦斑1 m处由不同内孔形状限束光阑所产生均匀性在±5%以内的辐射场直径完全相同(即,限束效果完全相同),而切片状的重量仅为其余两种形状光阑的1/3,故将内孔形状设置为切片状,可有效减轻重量。除此之外,当内孔半张角为15°与17°时,所形成的辐射场范围相同,这主要是由于装置(屏蔽箱)出射口自身尺寸限制,导致无法继续通过增加限束光阑内孔来增加辐射场范围大小。表3为常见的不同类型固定式X、γ辐射剂量(率)仪探头尺寸(均参照产品说明书)的调研情况。

表2 不同限束光阑内孔形状、半张角条件下距焦斑1 m处均匀性在±5%以内的辐射场范围模拟计算结果Tab.2 Simulation results of radiation field range withuniformity within ± 5% at 1m from focal spot underdifferent aperture shapes and half opening angles

由表3可知,探头尺寸最大可达310 mm×310 mm×360 mm(对应GE RSS-131ER型高气压电离室γ辐射监测仪)。故由表2可知,模拟计算中涉及的限束光阑内孔半张角所产生的参考辐射场可基本覆盖被校仪表尺寸范围。

综上所述,结合蒙特卡罗模拟结果,最终采用三级切片状钨合金限束光阑设计,每级光阑厚度3 mm,相邻两级光阑间距10 mm,内孔呈圆锥状,半张角θ共5种:3°、5°、8°、10°与15°(考虑到散射因素,半张角不易过大,必要时可增大参考点-焦斑之间的距离以增大辐射场范围),用于满足不同尺寸被校仪表的现场校准需要。限束光阑最终设计的剖面示意图如图4所示。

2 便携式X射线参考辐射场特性研究

2.1 辐射场均匀性研究

均匀性是描述辐射场特性的一项重要指标,是影响仪表检定与校准工作的关键因素。选取参考辐射质N-150,利用TW32005电离室配合UNIDOS E静电计对不同限束光阑半张角θ(θ=3°、5°、8°、10°与15°)条件下,距焦斑不同位置处辐射场射束范围进行测量,图5为以θ=3°为例辐射场射束范围测量结果。将实测结果与模拟结果进行比较,结果列于表4。

注:φi (i=1,2,3)为光阑内孔直径,随半张角θ的不同而变化。图4 三级限束光阑剖面示意图Fig.4 Schematic diagram of three-stage beamcollimating aperture diaphragm section

表4 不同限束光阑半张角条件下便携式X射线参考辐射场范围MCNP模拟结果与实测结果对比Tab.4 Comparison between simulated and measured results in the range of portable X-rayreference radiation field under different half opening angles of beam collimating apertures

1)前者对应MCNP模拟数据,后者对应实验数据;2)实验数据-MCNP模拟数据。

由表4可知,辐射野的大小是随着限束光阑内孔直径φi的变化而变化,蒙卡模拟结果与实际测量结果基本一致,符合要求。当参考点-焦斑距离为2 m时,限束光阑半张角为3°时,95%均匀辐射野的直径约为12~14 cm;限束光阑半张角为15°时,95%均匀辐射野的直径约为58~60 cm。事实上过大的辐射野会增加散射份额,实际测量中需要根据参考点处仪器探头尺寸的大小选择合适的光阑大小,以此减小散射份额所带来的不确定度。

2.2 散射辐射研究

散射辐射是衡量参考辐射场特性的另一重要指标,GB/T 12162.1中指出,在各参考距离上散射辐射的贡献应小于该点总空气比释动能率的5%。散射辐射研究包括两个部分:平方反比规律检验和移出实验。

2.2.1平方反比规律检验

选取参考辐射质N-150,限束光阑半张角θ=3°、5°,分别对距焦斑0.5~4.5 m处参考点的空气比释动能率进行测量得到实验值,并将实验值经空气衰减修正因子修正得到修正值a,将修正值a乘以距离d的平方,得到ad2随距离的变化关系,结果列于表5。

表5 限束光阑半张角θ=3°与5°时平方反比规律检验Tab.5 Test of inverse square law for the half opening angle θ=3° and 5° of beam collimating apertures

由表5可知,在距焦斑0.5~4.5 m范围内,经空气衰减修正后各位置处剂量的距离平方反比与0.5 m位置处的相对偏差在5%以内,满足GB/T 12162.1标准中平方反比规律要求。与此同时,建立平方反比规律检验的MCNP模型,如图6所示。利用DE/DF卡,将参考点处光子注量经转换因子转化得到剂量值,模拟中将周围环境设置为真空。将测量结果与上述实测结果(经空气衰减修正)进行比较,如图7所示。

图6 便携式X射线参考辐射场平平方反比规律模拟MCNP模型Fig.6 MCNP simulation model of portable inversesquare law of X-ray reference radiation field

由图7中可以看出,模拟结果较实测结果略低,且更符合平方反比规律的要求,这主要是由于实际测量中除了空气衰减因素外,周围环境对参考点处剂量值同样具有一定影响,而非理想情况。

图7 平方反比规律检验的模拟与实验结果对比Fig.7 Comparison between simulation and experimentalresults of square inverse law test

2.2.2移出实验

选取辐射质N-150,限束光阑半张角3°、5°及8°。首先,利用次级标准电离室配合静电计测量出射束中轴线上各参考点处(距焦斑1 m与2 m)剂量率值,将扣除本底并做空气衰减修正的平均值记做“束中剂量率”;随后,将电离室沿中轴线垂直方向左右两侧各外推两倍辐射场半径加一个半影区,将扣除本底并做空气衰减修正的平均值记做“移出剂量率”,移出实验结果列于表6。

表6 限束光阑半张角θ=3°、5°、8°移出实验结果Tab.6 Experimental results of displacement test of beam collimatingapertures at a half opening angle of θ = 3°, 5°, 8°

由表6可知,在距焦斑1 m与2 m处,移出剂量率占束中剂量率的百分比最小为1.43%,最大为2.18%,故便携式X射线参考辐射场满足GB/T 12162.1标准中移出实验要求。

2.2.3散射辐射来源研究

便携式X射线参考辐射场中各部件及墙壁等均会产生不同程度的散射辐射,辐射场中参考点处的剂量率来自两大部分:出射X射线主射束以及散射辐射(以下简称“总散射”)。其中,总散射主要由以下四部分构成:屏蔽箱/高精度三维移动小车散射辐射、限束光阑散射辐射、地面/墙壁/天花板(以下简称“墙壁”)散射辐射、电离室支架散射辐射。由于空气对参考点处的剂量率更多的是衰减作用,故此处忽略空气散射对剂量率的影响。

利用MCNP计算便携式X射线参考辐射场中各部分对散射辐射的贡献。在原有模型的基础上加入9.7 m×5.5 m×3.45 m(长×宽×高,厚度30 cm)水泥墙壁、球型计数栅元及电离室支架,如图8所示。选取辐射质N-150,限束光阑半张角8°,三维移动小车固定不动,球型计数栅元及电离室支架依次置于距焦斑0.5~7.5 m范围内,采用CF栅元标记卡对辐射场中各部分进行标记,计算来自被标记物体的散射光子,计算结果如图9所示。

图8 散射辐射来源研究模型Fig.8 Research model of scattering radiation sources

结合图9进行分析,在参考辐射场中距焦斑最初的0.5~1 m范围内,散射贡献从大到小依次为:电离室支架>限束光阑>屏蔽箱/多维可移动小车>水泥墙壁。由于X射线束呈圆锥状出射,光子与电离室支架的作用概率(或作用面积)随距离增大,并在1 m处达到最大值76.1%。在随后的1~3.7 m范围内,除水泥墙壁以外的其余部分散射贡献均随距离的增加呈减小趋势。在距焦斑3.7 m处,水泥墙壁与电离室支架的散射贡献均达到了47%,而屏蔽箱/多维可移动小车与限束光阑的散射贡献则分别下降到3.6%与2.4%。

图9 辐射场中参考点处各部分对散射的贡献Fig.9 The scattering at the reference point in the radiation field and thechange of the scattering of each part with the distance

从图9(a)中可以看出,在距焦斑2~5 m范围内总散射变化相对平缓,并在4.5 m处达到最小值(约为总散射最大值的1/11)。由图9(b)可以看出,在距焦斑较远的3.7~7.5 m范围内,随着探测栅元与水泥墙壁距离的不断减小,水泥墙壁所引起的散射光子将更加容易被探测到,水泥墙壁散射贡献显著增加,并由3.7 m处的47%迅速增加至97.4%,成为散射辐射的最主要来源。此时,由于电离室支架与焦斑的距离不断增加,散射贡献逐渐减小到2.5%,屏蔽箱/多维可移动小车与限束光阑的散射贡献则分别减小至0.09%与0.06%。

2.3 剂量率约定真值测量

便携式X射线参考辐射场参考点处的剂量率约定真值由传递标准装置(即可溯源至国家基准的次级标准电离室)测量得到。利用标准GB/T 12162.1推荐的转换系数进行转化,即可得到周围剂量当量约定真值。分别选取三种N-系列(N-100、N-150、N-200)与三种L-系列(L-70、L-100、L-170)辐射质,测量得到不同距离处剂量率约定真值,结果列于表7和表8。

由表7、表8可知,在上述所选辐射质、管电流及参考点-焦斑距离条件下,可得到参考点处空气比释动能率范围0.08~565 mGy/h,周围剂量当量率范围0.13~892 mSv/h,初步满足现场校准剂量率要求。

表7 便携式X射线参考辐射场N-系列剂量率约定真值测量Tab.7 True value measurement of N-series dose rate of portable X-ray reference radiation field

1)前者对应空气比释动能率,后者对应周围剂量当量率。表8同。

表8 便携式X射线参考辐射场L-系列剂量率约定真值测量Tab.8 True value measurement of L-series dose rate of portable X-ray reference radiation field

3 结论

利用蒙特卡罗方法建立模型,对中国原子能科学研究院计量测试部研制的现场校准用便携式X射线照射装置进行优化设计,采用模拟计算与实验验证方法对建立的便携式X射线参考辐射场进行了辐射特性研究。研究结果表明,辐射场均匀性、散射辐射均满足GB/T 12162.1要求;在本研究所选辐射质、管电流及参考点-焦斑距离条件下,所建立的辐射场能量范围为60~164 keV,空气比释动能率在0.08~565 mGy/h,周围剂量当量率在0.13~892 mSv/h,初步满足现场校准需求,可用于现场校准工作。为后续利用便携式X射线照射装置开展现场校准技术研究奠定了基础。

猜你喜欢
剂量率参考点X射线
基于TCAD仿真建模的瞬时剂量率效应研究
典型油气田辐射环境现状调查
X射线
数控机床回参考点故障诊断及维修
绵阳市地表γ辐射剂量率调查与分析
基于多目标蚁群算法的稳定参考点选择
天鹅座X-1——最容易看到的黑洞迹象
国产双极工艺线性电路低剂量率辐照效应评估方法
为何可以通过X射线看穿人体?
准单色X射线机替代241Am放射源的测厚应用研究