杜紀富，姜 燦，王 升，陳 思，李月生

（湖北科技學院非動力核技術湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北咸寧 437100）

0 引 言

輻射加工是人類和平利用核能的重大成果，現(xiàn)已廣泛應用于材料改性、消毒滅菌、食品保鮮、環(huán)境保護、航空航天、石油化工等各個領域.目前，全世界經(jīng)輻射加工的產品產值已達每年數(shù)千億美元，仍以10%～15%的年增長速度遞增.我國2010底電子加速器裝置投入運行160臺，以輻射化工為主產品的產值約為670億元，目前的工業(yè)用電子加速器裝置數(shù)量正在快速增長.輻照加工裝置的正常運行需要對加速器的輻照參數(shù)進行校準，其中吸收劑量值（D）的測量和校準是輻射加工劑量學中的一項重要內容，是電子加速器輻照加工的關鍵參數(shù)之一，它直接影響到被輻照產品的質量.如何有效控制產生電子束的輻射劑量、保證產品質量一直是人們比較關注的技術難題.目前我國輻照級電離輻射計量體系建設尚在初始階段，無法適應飛速發(fā)展的中國輻照加工業(yè).中國計量科學研究院于2010年12月24日宣布建成基于化學劑量計的輻照加工級電離輻射標準，設計了電子直線加速器輻射劑量測定的解決方案，建立了相應的電離輻射標準［1，2］.

國際原子能機構發(fā)布的TRS277技術報告中規(guī)定，對于能量低于10 MeV且高于5 Me V的電子束，推薦使用平行板電離室測量其吸收劑量，在TRS398號技術報告中明確提出了能量低于5 Me V的電子束必須使用平行板電離室［3］.電離室測量吸收劑量是通過測量電離輻射在與物質相互作用過程中產生的次級粒子的電離電荷量計算出吸收劑量.先測量由電離輻射產生的電離電荷，然后利用空氣的平均電離能計算并轉換成電離輻射所沉積的能量，即吸收劑量.另外還有化學劑量計，如重鉻酸銀劑量計、顯色薄膜劑量計等.化學劑量計有價格低廉的優(yōu)點，但也有測量精度相對較低、不可重復使用、需要離線測讀設備等缺陷.然而對于1 Me V電子加速器加速的低能電子來說，其穿透深度只有幾個毫米，因此無法利用平行板電離室和化學劑量計測量，目前已有輻射變色化學劑量片可實時測讀.

本文介紹采用薄膜顯色劑量片標定加速器輻照劑量的方法，并用該方法校準美國Wasik公司生產的1 Me V絕緣芯型電子加速器，采用輻射顯示薄膜劑量片進行低能加速器標定在國內的報道很少，對同類產品的輻照劑量的檢測有一定的指導意義.

1 實驗方法

輻射顯色薄膜劑量片為美國的FWT－60－00劑量片，大小為10 mm×10 mm，不準確度為6%（k＝2），經(jīng)過中國計量科學研究院標定，溯源到劑量測量的國家標準.輻照時3片劑量片為一組，同時疊放在束下小車的中部，小車運動的速度分別為6 m／s，8 m／s，10 m／s和12 m／s，輻照能量選550 keV，750 ke V和1 000 ke V，束流在0～50 m A之間選擇幾個點.輻照后采用Cary 4G型紫外可見分光光度計在510 nm波長下測量劑量片的吸光度，3片劑量片的吸光度值取平均值，根據(jù)標定的該批次劑量片的劑量標準曲線計算輻照的劑量，測定劑量片的不均勻度.電子束輸出能量的校準采用CTA薄膜疊層法，聚苯乙烯法，束流為40 m A，小車速度v＝10 m／min.

圖1 同電壓和束流下，吸收劑量和小車速度的關系Fig.1 Dose－velocity relation at the same voltage and beam

2 結果與討論

2.1 吸收劑量與束下裝置運行速度的關系

根據(jù)輻照加工中輻照產品的種類不同，常常需要不同的輻照參數(shù)，包括電子束能量、束流強度、束下裝置運行速度.要校準的設備束下裝置運行速度可調，最大速度12 m／min，小車行進方向不均勻度≤3%.圖1為在同一電壓和同一束流下測量吸收劑量和小車速度之間的關系，因為電子加速器的電子掃描區(qū)域在小車前進方向上的長度一定，所以相同的小車速度運行時代表相同的輻照時間.從圖1中發(fā)現(xiàn)，小車在速度大于6 m／s時，吸收劑量與小車速度呈現(xiàn)出良好的線性關系，而在小車速度低于6 m／s時，因為速度慢，小車運轉不平穩(wěn)，所以偏離線性關系，引起吸收劑量測量的誤差較大.通常，在輻照加工過程中，為了取得最大的工作效率和經(jīng)濟效益，應當選擇較快的小車速率，同時會提高輻照的劑量準確率.

2.2 吸收劑量與束流和能量之間的關系

圖2為電子束能量E＝1 000 keV，小車速度V＝10 m／min，圖3為E＝550 keV，v＝6 m／min，圖4為在小車速度V＝6 m／min，能量為1 000 ke V和750 ke V條件下，吸收劑量和束流之間的關系，可以看出，在相同的小車速度即相同的輻照時間，相同的電子束輻照能量下，吸收劑量隨束流的增加呈線性增長，通過該曲線可以推算出任意束流輻照時的吸收劑量.

圖2 E＝1 000 ke V，v＝10 m／min時，吸收劑量和束流之間的關系Fig.2 Dose－velocity relation at 1 000 ke V with the velocity 10 m／min

圖3 E＝550 ke V，V＝6 m／min時，吸收劑量和束流之間的關系Fig.3 Dose－velocity relation at 550 ke V with the velocity 6 m／min

圖5為小車運行速度V＝6 m／min時，吸收劑量與能量之間的關系.從圖5中可以看出，在束流小于20 m A時，吸收劑量與能量之間呈良好的線性關系，而束流大于30 m A時，550 ke V能量下吸收劑量偏高，這個主要是由于加速器本身參數(shù)的設置引起的，在加速器進行調節(jié)束流時，我們發(fā)現(xiàn)在550 keV能量下儀器設備束流的設定值與實際顯示值有較大差別，實際顯示值為30 m A時，需要設定加速器束流參數(shù)為50 m A，這也正是在低能端吸收劑量偏離線性關系的原因.對于1 MeV的電子加速器，其低能量的電子輸出性能不理想，因此，該1 Me V電子加速器適合在750 ke V～1 000 ke V的能量范圍下正常工作.

圖4 V＝6 m／min時，1 000 ke V和750 keV時劑量隨束流的變化關系Fig.4 Dose－velocity relation at 1 000 keV and 750 ke V with the velocity 6 m／min

圖5 V＝6 m／min時，吸收劑量和能量之間的關系Fig.5 Dose－energy relation with the velocity 6 m／min

2.3 輻照材料中吸收劑量深度分布和電子束能量校正

電子束在材料中的穿透能力弱，吸收劑量的深度分布梯度很大，因此測量輻照材料中的吸收劑量深度分布，確定最佳厚度，對改善輻照工藝，保證產品質量具有重要意義.但絕對測量電子束的能量是比較復雜的，實際應用中采用電子在密度均勻的材料中的射程Rp來確定電子的實際能量.文獻檢索表明，在輻照加工電子束能量測量方面以射程法最為普遍.電子的實際射程Rp定義為：深度劑量分布曲線（如圖6）的直線下降部分的外推線和軔致輻射所產生的本底的外推線的交點處的深度.

圖6～圖8分別為標稱能量為550 ke V，750 ke V，1 000 ke V時電子束在CTA和聚苯乙烯材料中的吸收劑量深度分布.電子束輸出能量的校準采用CTA薄膜疊層法，聚苯乙烯法.根據(jù)計算，電子束的實際能量E及在該能量下在CTA、聚苯乙烯材料中的最佳輻照厚度Ropt見表1.

圖6 示值能量為0.5 Me V時電子束在CTA薄膜中的深度劑量分布曲線Fig.6 Depth－dose distribution curve of 550 ke V electron beam in the CTA film

圖7 示值能量為0.75 MeV時電子束在CTA薄膜中的深度劑量分布曲線Fig.7 Depth－dose distribution curve of 750 keV electron beam in the CTA film

圖8 示值能量為1 MeV時電子束在聚苯乙烯薄膜中的深度劑量分布曲線Fig.8 Depth－dose distribution curve of 1 000 ke V electron beam in the PS film

表1 不同能量電子束輻照時的射程與能量值Tab.1 The range and energy of electron irradiation with different energy

3 結 語

1）輻射加工時束下小車的速度在6 m／min～12 m／min，可以提高工作效率，同時會提高輻照的劑量準確率.

2）在相同的小車速度即相同的輻照時間，相同的電子束輻照能量下，吸收劑量隨束流的增加呈線性增長.

3）電子的實際能量與設定值有差別，美國Wasik公司生產1 Me V電子加速器的最高能量為1MeV，適合在750 ke V～1 000 ke V的能量范圍工作.

［1］ 郭雄彬，趙敏，陳祖良，等.輻照電子直線加速器輻射劑量測定的技術研究［J］.核電子學與探測技術，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］ 中國同位素與輻射行業(yè)協(xié)會輻射加工專業(yè)委員會.輻射加工產業(yè)十二五發(fā)展規(guī)劃及建議［J］.中國核工業(yè)，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］ 張園月，陳曉淵，鄢玲，等.醫(yī)用電子束吸收劑量測量中的平行板電離室校準［J］.中國測試，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）