摘要：利用5.84×1015 Bq 60Co放射源研究了放射源單層排列與3層排列對(duì)劑量不均勻度及射線利用率的影響。放射源單層排列時(shí)，垂直方向劑量分布不均勻度為5.32，復(fù)方甘草片產(chǎn)品箱內(nèi)劑量不均勻度為1.46，需進(jìn)行人工換層操作，射線利用率達(dá)28.4%。放射源3層排列時(shí)，垂直方向劑量不均勻度為1.15，復(fù)方甘草片產(chǎn)品箱內(nèi)劑量不均勻度為1.48，射線利用率達(dá)29.0%。兩種排源方式的射線利用率相差0.6個(gè)百分點(diǎn)，差異不明顯，但3層排源較單層排源省時(shí)省力，產(chǎn)品輻照質(zhì)量更有保障。

關(guān)鍵詞：放射源；單層排源；3層排源；劑量不均勻度；射線利用率

中圖分類號(hào)：S124 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2013）13-3113-04

近10年來(lái)，輻照加工業(yè)作為一種高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)在我國(guó)得到了長(zhǎng)足發(fā)展，輻照裝置日益增多。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)目前正在運(yùn)行和使用的各類γ輻照裝置約150座，其中設(shè)計(jì)裝源容量1.1×1016 Bq以上的輻照裝置101座，最大設(shè)計(jì)裝源能力已達(dá)1.85×1017 Bq。在眾多的輻照裝置中，由于源架結(jié)構(gòu)差異，裝源時(shí)源棒在源架上的排列位置不同，放射源劑量場(chǎng)空間分布和射線能量利用率也有所不同[1-3]。湖北輻照實(shí)驗(yàn)中心的放射源為單板源，從1992年投產(chǎn)到2010年10月，放射源一直采用單層排列的方式，這期間采取過(guò)靜態(tài)堆碼輻照方式和動(dòng)態(tài)步進(jìn)式輻照方式，前者需要對(duì)貨物進(jìn)行人工翻面操作，后者要進(jìn)行人工換層操作[4]，這兩種操作方式都存在人為因素造成的不能完全保證產(chǎn)品輻照質(zhì)量的缺陷。由于單層源架所剩裝源孔有限，不能滿足新增放射源對(duì)裝源孔的需求，為了降低輻照生產(chǎn)中操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，進(jìn)一步提高產(chǎn)品輻照質(zhì)量，2010年11月湖北輻照實(shí)驗(yàn)中心對(duì)源架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改造。改造后的源架為3層窗式結(jié)構(gòu)，放射源的排列方式也由原來(lái)的單層排列改成3層排列。本研究用重鉻酸銀劑量計(jì)對(duì)改造前后兩種排源方式的劑量場(chǎng)進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)產(chǎn)品箱進(jìn)行劑量跟蹤，考察了動(dòng)態(tài)步進(jìn)式輻照方式下兩種不同排源方式的劑量分布不均勻度和射線能量利用率，旨在為輻照生產(chǎn)中產(chǎn)品輻照質(zhì)量控制及提高設(shè)備利用率提供參考。

1 材料與方法

1.1 設(shè)備與材料

1.1.1 設(shè)備 湖北輻照實(shí)驗(yàn)中心大型輻照裝置1座，設(shè)計(jì)裝源容量1.85×1016 Bq。現(xiàn)有進(jìn)口60Co放射源44根，國(guó)產(chǎn)60Co源102根。進(jìn)口源規(guī)格為ф11 mm×451 mm，分別產(chǎn)自英國(guó)和俄羅斯；國(guó)產(chǎn)源規(guī)格為ф15 mm×90 mm，產(chǎn)自四川四零一所。總裝源活度2.14×1016 Bq，現(xiàn)有放射性活度5.84×1015 Bq。

ZT×125積放式懸掛輸送裝置1套。73個(gè)吊具，尺寸為630 mm×550 mm×1 650 mm。

1.1.2 儀器 UV-vis8500紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)，測(cè)定波長(zhǎng)范圍190～1 100 nm；DTG單盤分析天平，最大稱重160 g，微讀分度值0.1 mg；SZ-93自動(dòng)雙重純水蒸餾器；SX-80箱式節(jié)能茂福爐。

1.1.3 試劑 K2Cr2O7、Ag2Cr2O7為工作基準(zhǔn)試劑（容量）；HClO4為優(yōu)級(jí)純。

1.1.4 供試產(chǎn)品 復(fù)方甘草片，紙箱包裝，規(guī)格500 mm×255 mm×307 mm，單箱重18.4 kg。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 劑量計(jì)制備 制備高量程重鉻酸鉀/銀劑量計(jì)時(shí)，用分析天平準(zhǔn)確稱取K2Cr2O7 0.588 g和Ag2Cr2O7 0.216 g，用0.1 mol/L HClO4溶解，四重蒸餾水定容至1 L。溶液預(yù)輻照2 kGy以去除有機(jī)雜質(zhì)。用全玻璃定量加液器將溶液注入標(biāo)稱2 mL的玻璃安瓿中，在煤氣與氧氣混合氣體的微型火焰上封口[5]。制備低量程重鉻酸銀劑量計(jì)時(shí)稱取Ag2Cr2O7 0.151 g，其余步驟與制備高量程重鉻酸鉀/銀劑量計(jì)相同。

1.2.2 放射源排列

1）放射源單層排列。用進(jìn)口源1根/管、國(guó)產(chǎn)源5根/管的方法，將146根放射源裝入65根不銹鋼管中，并將這65管放射源全部集中在源架的一層，作單層排列。圖1所示為源架左半部，每條豎線代表1個(gè)裝源孔，右邊第1孔為中心孔，源架右半部與之完全對(duì)稱。

2）放射源3層排列 1997年和1999年的國(guó)產(chǎn)源依然用不銹鋼管裝，每年10管，共20管。1997年的放射源（H）有8管分布在源架上層的兩側(cè)，每側(cè)4管，另外2管分布在中層的右側(cè)。1999年的放射源（E）有8管排在下層的兩側(cè)，每側(cè)4管，另外2管位于中層的左側(cè)；44根進(jìn)口源全部為裸體源，分布在源架的上、中、下3層，源棒在源架上左半部分的排列位置如圖2所示。上、下層的右半部分與同層所示左半部分完全對(duì)稱，而中層除兩側(cè)的國(guó)產(chǎn)源不同外，兩邊的進(jìn)口源也是對(duì)稱排列的。

1.2.3 劑量計(jì)布置

1）劑量場(chǎng)檢測(cè)。在1根塑料包裝帶上每隔5 cm（單層源）或10 cm（3層源）布1支低量程重鉻酸銀劑量計(jì)，用醫(yī)用膠布將劑量計(jì)捆綁在包裝帶上，并在膠布上標(biāo)號(hào)，劑量計(jì)總高度與產(chǎn)品堆碼高度相同。將劑量計(jì)垂直掛在吊具的正面，并用透明膠粘牢。

2）產(chǎn)品箱劑量跟蹤。在兩種排源方式下各取吊具1個(gè)，將其中的全部復(fù)方甘草片或復(fù)方甘草片和生理鹽水作為一個(gè)整體，在上、下兩界和每?jī)蓪咏唤缣幖懊繉又虚g水平面作橫切面，單層排源作9個(gè)橫切面，3層排源作12個(gè)橫切面。在每個(gè)橫切面前、中、后3條線的兩端和中點(diǎn)上布置高量程重鉻酸鉀/銀劑量計(jì)，共9支。1、4、7號(hào)劑量計(jì)和3、6、9號(hào)劑量計(jì)位于橫切面靠近源板的兩側(cè)，2、5、8號(hào)劑量計(jì)位于橫切面水平中心線上。

1.2.4 測(cè)定和計(jì)算。在25 ℃下分別于350 nm和440 nm處測(cè)定低量程重鉻酸銀劑量計(jì)和高量程重鉻酸鉀/銀劑量計(jì)溶液的吸光度，根據(jù)以下公式計(jì)算相關(guān)指標(biāo)。

吸收劑量D=K△A；

劑量不均勻度u=DMAX/DMIN；

射線利用率ε=Q×D0/3 600×24×P[6]。

式中，D為吸收劑量（kGy），K為轉(zhuǎn)換系數(shù)，△A為吸光度差值；u為劑量不均勻度；DMAX、DMIN分別為最大吸收劑量和最小吸收劑量；ε為射線利用率；Q為日輻照量（kg），D0為最低吸收劑量，P為輻射功率（kW）。

2 結(jié)果與分析

2.1 放射源單層排列的劑量場(chǎng)分布和產(chǎn)品吸收劑量

2.1.1 放射源單層排列的劑量場(chǎng)垂直分布 此次測(cè)定共布置低量程重鉻酸銀劑量計(jì)27支，總高度130 cm。輻照時(shí)放射源距地高91 cm，距吊具底部高65 cm，鏈速1.28 m/min。輻照1圈后取下劑量計(jì)，測(cè)定吸光度，計(jì)算吸收劑量，結(jié)果見(jiàn)表1。表中0 cm高度為吊具底部。由表1可知，當(dāng)源棒在源架上作單層排列時(shí)，劑量場(chǎng)的垂直分布是以源棒中心（高度65 cm）為對(duì)稱點(diǎn)，上、下對(duì)稱分布。源棒中心劑量最高，達(dá)1.65 kGy，最低劑量點(diǎn)在測(cè)定范圍的邊界，僅為0.32 kGy，不均勻度達(dá)到5.32。由于放射源劑量場(chǎng)在垂直方向分布極度不均勻性，所以產(chǎn)品在動(dòng)態(tài)輻照運(yùn)行中需要進(jìn)行上下?lián)Q層的人工操作，以將產(chǎn)品吸收劑量不均勻度控制在規(guī)定的范圍內(nèi)。

2.1.2 復(fù)方甘草片產(chǎn)品箱內(nèi)吸收劑量分布 產(chǎn)品箱在吊具中按2×4件堆碼，總高度123 cm。輻照條件為鏈速1.28 m/min，源心距吊具底部高65 cm，輻照6圈。當(dāng)輻照時(shí)間為全部輻照時(shí)間的一半（3圈）時(shí)以第2層和第3層交界處為分界線進(jìn)行上下?lián)Q層的人工操作，如圖3所示。換層后仍按原來(lái)的輻照條件繼續(xù)輻照，當(dāng)達(dá)到全部輻照時(shí)間（6圈）時(shí)，將產(chǎn)品從吊具上卸下來(lái)，堆放在成品倉(cāng)庫(kù)中。從輻照完畢的產(chǎn)品中取出劑量計(jì)，進(jìn)行吸光度測(cè)定，并計(jì)算吸收劑量，結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知，每個(gè)橫切面前后靠近源板的劑量高于中間的劑量，最高劑量點(diǎn)劑量7.29 kGy，最低劑量點(diǎn)劑量4.99 kGy，不均勻度為1.46，能滿足該產(chǎn)品對(duì)輻照質(zhì)量的要求。

2.2 放射源3層排列的劑量場(chǎng)分布及產(chǎn)品吸收劑量

2.2.1 放射源3層排列的劑量場(chǎng)垂直分布 共布置17支低量程重鉻酸銀劑量計(jì)，這些劑量計(jì)與復(fù)方甘草片一同輻照。輻照時(shí)放射源距吊具底部高82.5 cm，鏈速1.28 m/min。輻照1圈后取下劑量計(jì)，測(cè)定吸光度，計(jì)算吸收劑量，結(jié)果如表3所示。從表3可以看出，在160 cm范圍內(nèi)，吸收劑量分布非常均勻，其最高劑量為1.07 kGy，最低劑量為0.93 kGy，相差僅0.14 kGy，劑量不均勻度1.15，可滿足輻照產(chǎn)品對(duì)輻照質(zhì)量的要求，不必進(jìn)行人工換層操作。

2.2.2 復(fù)方甘草片產(chǎn)品箱內(nèi)劑量分布 復(fù)方甘草片按2×5件堆碼，在其上面的空余空間再加兩件生理鹽水，總高度164 cm。輻照條件為鏈速1.28 m/min，源心高度82.5 cm，共照7圈，其吸收劑量見(jiàn)表4。由表4可以看出，在10件復(fù)方甘草片和兩件生理鹽水的產(chǎn)品箱內(nèi)所作的12個(gè)橫切面上的劑量分布是一致的，依然是靠近源板的位置劑量高，中間劑量低，其最高劑量點(diǎn)劑量6.62 kGy，最低劑量點(diǎn)劑量4.50 kGy，不均勻度1.48，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求。

2.3 放射源單層排列與3層排列的射線利用率

以復(fù)方甘草片為例，計(jì)算單層排源和3層排源兩種排源方式的射線利用率，結(jié)果見(jiàn)表5。由表5知，單層排源方式下，鏈速1.28 m/min，產(chǎn)品輻照6圈，最低劑量達(dá)到4.99 kGy，日輻照量11 513.1 kg，射線利用率28.4%。在3層排源方式下，鏈速1.28 m/min，產(chǎn)品輻照7圈，最低劑量為4.50 kGy，日輻照量13 011.1 kg，射線利用率29.0%，兩者射線利用率相差0.6個(gè)百分點(diǎn)，差異不明顯。

3 小結(jié)與討論

由于放射源源棒在源架上的排列位置差異，形成了單層排源和3層排源兩種不同的排源方式。通過(guò)考察兩種排源方式的劑量場(chǎng)及產(chǎn)品吸收劑量分布以及射線利用率，可以看出3層排源的明顯優(yōu)勢(shì)。

3.1 降低劑量不均勻度，提高射線利用率

輻照裝置中的源板結(jié)構(gòu)和裝源方式?jīng)Q定了放射源空間劑量場(chǎng)分布，也決定了放射源射線能量利用率。將全部放射源集中在源架的1層作單層排列時(shí)，其空間劑量場(chǎng)垂直分布是以源棒中點(diǎn)為對(duì)稱點(diǎn)，上、下對(duì)稱分布，中心劑量最高，距中心越遠(yuǎn)劑量越低，呈現(xiàn)極度不均勻性。而且，為了提高放射源能量利用率，在實(shí)際輻照生產(chǎn)過(guò)程中放射源覆蓋面遠(yuǎn)低于貨物立面，貨物上、下兩端的吸收劑量較中間低，必須進(jìn)行人工換層操作，以降低產(chǎn)品吸收劑量不均勻度，其勞動(dòng)強(qiáng)度較大，而射線利用率達(dá)到28.4%。當(dāng)采取上下強(qiáng)、中間弱的排源方式，將所有放射源分3層排列在源架上時(shí)，立面劑量場(chǎng)在吊具高度范圍內(nèi)分布均勻，不均勻度只有1.15，又由于3層排源增加了放射源覆蓋面，放射源超蓋于貨物，使貨物均勻受照，這樣既可省去人工換層操作，又保障了產(chǎn)品輻照質(zhì)量，而且放射源能量利用率高達(dá)29.0%，比單層排源的射線利用率高0.6個(gè)百分點(diǎn)。

3.2 降低返照率，提高產(chǎn)品輻照質(zhì)量

放射源3層排列以后，立面劑量場(chǎng)分布均勻一致，輻照產(chǎn)品不用采取上下移位的人工換層操作，同批貨物吸收劑量也能均勻一致，不會(huì)出現(xiàn)單層排源時(shí)不換層或換錯(cuò)層等使同一吊具內(nèi)吸收劑量也有較大差異的現(xiàn)象。因而3層排源使產(chǎn)品輻照質(zhì)量得到了較大的提高，降低了返照率，節(jié)約了輻照時(shí)間。

3.3 簡(jiǎn)化輻照生產(chǎn)工藝，提高輻照工作效率

在單層排源的輻照工藝中，產(chǎn)品堆碼層數(shù)須為偶數(shù)層，輻照圈數(shù)都為偶數(shù)圈，從而保證換層后吊具中貨物吸收劑量的均勻性，改成3層排源后可不受此限。3層排源在生產(chǎn)操作上只需將產(chǎn)品裝滿吊具，當(dāng)達(dá)到輻照圈數(shù)時(shí)再將產(chǎn)品卸下即可，可有效降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高輻照工作效率。

3.4 增加吊具高度，進(jìn)一步提高輻照產(chǎn)率

動(dòng)態(tài)步進(jìn)式輻照時(shí)，吊具是堆放產(chǎn)品的唯一設(shè)備，吊具的規(guī)格尺寸直接影響著吊具載重量，進(jìn)而影響放射源的有效利用。3層排源時(shí)，源棒總高度180 cm，而吊具高度165 cm，造成部分放射源及劑量場(chǎng)未被利用。如果吊具足夠高，可以對(duì)吊具進(jìn)行分層處理，分成均勻場(chǎng)和非均勻場(chǎng)兩部分。在均勻場(chǎng)貨物輻照可以不進(jìn)行換層處理。均勻場(chǎng)以外仍可堆放貨物，可以通過(guò)對(duì)貨物進(jìn)行整體翻身和上、下?lián)Q層的操作方法，降低吸收劑量不均勻度，保證產(chǎn)品輻照質(zhì)量，進(jìn)一步提高射線能量利用率。

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