徐 陽，林 敏，高 飛，倪 寧，張 曦

(中國原子能科學(xué)研究院 計(jì)量與校準(zhǔn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102413)

目前，國內(nèi)核電站等核設(shè)施、輻射環(huán)境監(jiān)測站等都配備有大量的固定式X、γ輻射劑量儀，用于對(duì)核設(shè)備產(chǎn)生的放射性危害進(jìn)行預(yù)警。目前該類輻射劑量儀表測量的可靠性與準(zhǔn)確性的保障方法是將其拆卸并運(yùn)送至國家級(jí)或地方級(jí)計(jì)量校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行校準(zhǔn)[1]，但此種方法在操作上較為不便，會(huì)改變儀器儀表現(xiàn)場測量的實(shí)驗(yàn)條件，且會(huì)中斷實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的測量。為了增強(qiáng)和提高目前該類儀表的溯源性，國內(nèi)外相關(guān)機(jī)構(gòu)相繼開展了電離輻射現(xiàn)場校準(zhǔn)技術(shù)研究，研制了現(xiàn)場校準(zhǔn)用簡易照射器、檢驗(yàn)源和便攜式γ射線照射裝置[2-3]。上述裝置均采用同位素放射源產(chǎn)生便攜式參考輻射，存在放射源丟失風(fēng)險(xiǎn)、具有運(yùn)輸手續(xù)審批困難等缺點(diǎn)[4]。為了彌補(bǔ)和替代現(xiàn)場用放射源對(duì)固定式X、γ輻射劑量儀進(jìn)行校準(zhǔn)刻度，中國原子能科學(xué)研究院計(jì)量測試部研制了一款用于校準(zhǔn)現(xiàn)場固定式X、γ輻射劑量儀的便攜式X射線照射裝置。利用蒙特卡羅軟件依據(jù)照射裝置、配套設(shè)備及照射間實(shí)際尺寸建立模型，對(duì)X射線管出射口處限束光闌結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，模擬研究了便攜式X射線參考輻射場的輻射特性并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。研究結(jié)論為后續(xù)利用便攜式X射線照射裝置開展現(xiàn)場校準(zhǔn)技術(shù)研究奠定了基礎(chǔ)。

1 便攜式X射線照射裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1 裝置主要構(gòu)成

中國原子能科學(xué)研究院計(jì)量測試部建立的便攜式X射線照射裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，裝置主要包括：便攜式X射線管及專用控制器、屏蔽箱、限束光闌、附加過濾片及配套支架、俯仰角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、高精度三維(X、Y、Z軸)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、本地控制面板及遠(yuǎn)程控制軟件、本地實(shí)時(shí)攝像監(jiān)控單元以及一些必要的輔助設(shè)備。裝置整體尺寸約1.0 m×0.6 m×1.5 m，采用YXLON公司XPO EVO 225D型便攜式X射線管，其主要物理參數(shù)列于表1。

表1 便攜式X射線管主要物理參數(shù)Tab.1 Main physical parameters of portable X-ray tube

圖1 便攜式X射線照射裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of portableX-ray irradiation device

屏蔽箱采用3 mm 304不銹鋼材料，X射線管出射口周圍設(shè)置3 mm鎢合金屏蔽層，可有效加強(qiáng)該位置處的射線屏蔽效果。根據(jù)現(xiàn)場校準(zhǔn)規(guī)范要求[5]，選用國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12162.1—2000[1]中推薦的N-系列與L-系列參考輻射質(zhì)，平整度較好的高純度(≥99.9%)金屬附加過濾片，按照距焦斑由近及遠(yuǎn)、原子序數(shù)逐漸減小的順序排列，可有效減小熒光雜質(zhì)對(duì)出射束的污染。X射線管俯仰角調(diào)節(jié)范圍±15°，調(diào)節(jié)步距1°；X、Y軸方向調(diào)節(jié)范圍± 5 cm，調(diào)節(jié)步距1 mm；Z軸方向調(diào)節(jié)范圍1.3～1.8 m，調(diào)節(jié)步距1 mm。

位于出射口處的限束光闌對(duì)便攜式X射線參考輻射場的形狀與射束范圍起著決定性作用，由于所采用的鎢合金材質(zhì)密度較大(ρ鎢合金=18.75 g/cm3)，出于輕量化考慮，需要對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1.2 蒙特卡羅模型建立

為了對(duì)便攜式X射線照射裝置限束光闌進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)并開展參考輻射場特性研究，利用MCNP模擬軟件建立裝置模型，如圖2所示。

圖2 便攜式X射線照射裝置的MCNP模型Fig.2 MCNP model of portable X-ray irradiation device

模型主要包括：X射線管、屏蔽箱、限束光闌、高精度可移動(dòng)小車及一系列探測柵元(探測柵元數(shù)量、形狀及排列方式隨測量目的的變化略作調(diào)整)。與標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室固定式X射線照射裝置的不同之處在于，便攜式X射線照射裝置并非通過固定在地面上的導(dǎo)軌與小車進(jìn)行定位，而是通過安裝在X射線機(jī)下方水平導(dǎo)軌上的兩個(gè)激光測距儀(如圖1所示)以及位于焦斑正下方的一個(gè)激光測距儀(圖1中未顯示)實(shí)現(xiàn)的，故模型中僅包含便攜式X射線照射裝置。

1.3 限束光闌優(yōu)化設(shè)計(jì)

限束光闌設(shè)置并安裝在屏蔽箱出射口位置，主要用于對(duì)X射線出射束的限束與整形。限束光闌內(nèi)孔通常呈圓錐狀，考慮到減重與便于拆卸等因素，需要對(duì)光闌結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。利用MCNP程序模擬計(jì)算了三種內(nèi)孔形狀(即階梯狀、圓錐狀及切片狀，如圖3所示)條件下，距焦斑1 m處均勻性在±5%以內(nèi)的輻射場范圍，結(jié)果列于表2。模型中，限束光闌材料為鎢合金，內(nèi)孔半張角θ依次設(shè)置為3°、5°、8°、10°、15°，17°，源項(xiàng)采用30°角偏倚的帶N-150譜分布點(diǎn)源。

圖3 三種限束光闌內(nèi)孔形狀的MCNP模型示意圖Fig.3 MCNP model of three different aperture shapes

由表2可知，在所列6種半張角條件下，距焦斑1 m處由不同內(nèi)孔形狀限束光闌所產(chǎn)生均勻性在±5%以內(nèi)的輻射場直徑完全相同(即，限束效果完全相同)，而切片狀的重量僅為其余兩種形狀光闌的1/3，故將內(nèi)孔形狀設(shè)置為切片狀，可有效減輕重量。除此之外，當(dāng)內(nèi)孔半張角為15°與17°時(shí)，所形成的輻射場范圍相同，這主要是由于裝置(屏蔽箱)出射口自身尺寸限制，導(dǎo)致無法繼續(xù)通過增加限束光闌內(nèi)孔來增加輻射場范圍大小。表3為常見的不同類型固定式X、γ輻射劑量(率)儀探頭尺寸(均參照產(chǎn)品說明書)的調(diào)研情況。

表2 不同限束光闌內(nèi)孔形狀、半張角條件下距焦斑1 m處均勻性在±5%以內(nèi)的輻射場范圍模擬計(jì)算結(jié)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，探頭尺寸最大可達(dá)310 mm×310 mm×360 mm(對(duì)應(yīng)GE RSS-131ER型高氣壓電離室γ輻射監(jiān)測儀)。故由表2可知，模擬計(jì)算中涉及的限束光闌內(nèi)孔半張角所產(chǎn)生的參考輻射場可基本覆蓋被校儀表尺寸范圍。

綜上所述，結(jié)合蒙特卡羅模擬結(jié)果，最終采用三級(jí)切片狀鎢合金限束光闌設(shè)計(jì)，每級(jí)光闌厚度3 mm，相鄰兩級(jí)光闌間距10 mm，內(nèi)孔呈圓錐狀，半張角θ共5種：3°、5°、8°、10°與15°(考慮到散射因素，半張角不易過大，必要時(shí)可增大參考點(diǎn)-焦斑之間的距離以增大輻射場范圍)，用于滿足不同尺寸被校儀表的現(xiàn)場校準(zhǔn)需要。限束光闌最終設(shè)計(jì)的剖面示意圖如圖4所示。

2 便攜式X射線參考輻射場特性研究

2.1 輻射場均勻性研究

均勻性是描述輻射場特性的一項(xiàng)重要指標(biāo)，是影響儀表檢定與校準(zhǔn)工作的關(guān)鍵因素。選取參考輻射質(zhì)N-150，利用TW32005電離室配合UNIDOS E靜電計(jì)對(duì)不同限束光闌半張角θ(θ=3°、5°、8°、10°與15°)條件下，距焦斑不同位置處輻射場射束范圍進(jìn)行測量，圖5為以θ=3°為例輻射場射束范圍測量結(jié)果。將實(shí)測結(jié)果與模擬結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果列于表4。

注：φi (i=1,2,3)為光闌內(nèi)孔直徑，隨半張角θ的不同而變化。圖4 三級(jí)限束光闌剖面示意圖Fig.4 Schematic diagram of three-stage beamcollimating aperture diaphragm section

表4 不同限束光闌半張角條件下便攜式X射線參考輻射場范圍MCNP模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果對(duì)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)前者對(duì)應(yīng)MCNP模擬數(shù)據(jù)，后者對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；2)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)-MCNP模擬數(shù)據(jù)。

由表4可知，輻射野的大小是隨著限束光闌內(nèi)孔直徑φi的變化而變化，蒙卡模擬結(jié)果與實(shí)際測量結(jié)果基本一致，符合要求。當(dāng)參考點(diǎn)-焦斑距離為2 m時(shí)，限束光闌半張角為3°時(shí)，95%均勻輻射野的直徑約為12～14 cm；限束光闌半張角為15°時(shí)，95%均勻輻射野的直徑約為58～60 cm。事實(shí)上過大的輻射野會(huì)增加散射份額，實(shí)際測量中需要根據(jù)參考點(diǎn)處儀器探頭尺寸的大小選擇合適的光闌大小，以此減小散射份額所帶來的不確定度。

2.2 散射輻射研究

散射輻射是衡量參考輻射場特性的另一重要指標(biāo)，GB/T 12162.1中指出，在各參考距離上散射輻射的貢獻(xiàn)應(yīng)小于該點(diǎn)總空氣比釋動(dòng)能率的5%。散射輻射研究包括兩個(gè)部分：平方反比規(guī)律檢驗(yàn)和移出實(shí)驗(yàn)。

2.2.1平方反比規(guī)律檢驗(yàn)

選取參考輻射質(zhì)N-150，限束光闌半張角θ=3°、5°，分別對(duì)距焦斑0.5～4.5 m處參考點(diǎn)的空氣比釋動(dòng)能率進(jìn)行測量得到實(shí)驗(yàn)值，并將實(shí)驗(yàn)值經(jīng)空氣衰減修正因子修正得到修正值a，將修正值a乘以距離d的平方，得到ad2隨距離的變化關(guān)系，結(jié)果列于表5。

表5 限束光闌半張角θ=3°與5°時(shí)平方反比規(guī)律檢驗(yàn)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范圍內(nèi)，經(jīng)空氣衰減修正后各位置處劑量的距離平方反比與0.5 m位置處的相對(duì)偏差在5%以內(nèi)，滿足GB/T 12162.1標(biāo)準(zhǔn)中平方反比規(guī)律要求。與此同時(shí)，建立平方反比規(guī)律檢驗(yàn)的MCNP模型，如圖6所示。利用DE/DF卡，將參考點(diǎn)處光子注量經(jīng)轉(zhuǎn)換因子轉(zhuǎn)化得到劑量值，模擬中將周圍環(huán)境設(shè)置為真空。將測量結(jié)果與上述實(shí)測結(jié)果(經(jīng)空氣衰減修正)進(jìn)行比較，如圖7所示。

圖6 便攜式X射線參考輻射場平平方反比規(guī)律模擬MCNP模型Fig.6 MCNP simulation model of portable inversesquare law of X-ray reference radiation field

由圖7中可以看出，模擬結(jié)果較實(shí)測結(jié)果略低，且更符合平方反比規(guī)律的要求，這主要是由于實(shí)際測量中除了空氣衰減因素外，周圍環(huán)境對(duì)參考點(diǎn)處劑量值同樣具有一定影響，而非理想情況。

圖7 平方反比規(guī)律檢驗(yàn)的模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.7 Comparison between simulation and experimentalresults of square inverse law test

2.2.2移出實(shí)驗(yàn)

選取輻射質(zhì)N-150，限束光闌半張角3°、5°及8°。首先，利用次級(jí)標(biāo)準(zhǔn)電離室配合靜電計(jì)測量出射束中軸線上各參考點(diǎn)處(距焦斑1 m與2 m)劑量率值，將扣除本底并做空氣衰減修正的平均值記做“束中劑量率”；隨后，將電離室沿中軸線垂直方向左右兩側(cè)各外推兩倍輻射場半徑加一個(gè)半影區(qū)，將扣除本底并做空氣衰減修正的平均值記做“移出劑量率”，移出實(shí)驗(yàn)結(jié)果列于表6。

表6 限束光闌半張角θ=3°、5°、8°移出實(shí)驗(yàn)結(jié)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與2 m處，移出劑量率占束中劑量率的百分比最小為1.43%，最大為2.18%，故便攜式X射線參考輻射場滿足GB/T 12162.1標(biāo)準(zhǔn)中移出實(shí)驗(yàn)要求。

2.2.3散射輻射來源研究

便攜式X射線參考輻射場中各部件及墻壁等均會(huì)產(chǎn)生不同程度的散射輻射，輻射場中參考點(diǎn)處的劑量率來自兩大部分：出射X射線主射束以及散射輻射(以下簡稱“總散射”)。其中，總散射主要由以下四部分構(gòu)成：屏蔽箱/高精度三維移動(dòng)小車散射輻射、限束光闌散射輻射、地面/墻壁/天花板(以下簡稱“墻壁”)散射輻射、電離室支架散射輻射。由于空氣對(duì)參考點(diǎn)處的劑量率更多的是衰減作用，故此處忽略空氣散射對(duì)劑量率的影響。

利用MCNP計(jì)算便攜式X射線參考輻射場中各部分對(duì)散射輻射的貢獻(xiàn)。在原有模型的基礎(chǔ)上加入9.7 m×5.5 m×3.45 m(長×寬×高，厚度30 cm)水泥墻壁、球型計(jì)數(shù)柵元及電離室支架，如圖8所示。選取輻射質(zhì)N-150，限束光闌半張角8°，三維移動(dòng)小車固定不動(dòng)，球型計(jì)數(shù)柵元及電離室支架依次置于距焦斑0.5～7.5 m范圍內(nèi)，采用CF柵元標(biāo)記卡對(duì)輻射場中各部分進(jìn)行標(biāo)記，計(jì)算來自被標(biāo)記物體的散射光子，計(jì)算結(jié)果如圖9所示。

圖8 散射輻射來源研究模型Fig.8 Research model of scattering radiation sources

結(jié)合圖9進(jìn)行分析，在參考輻射場中距焦斑最初的0.5～1 m范圍內(nèi)，散射貢獻(xiàn)從大到小依次為：電離室支架>限束光闌>屏蔽箱/多維可移動(dòng)小車>水泥墻壁。由于X射線束呈圓錐狀出射，光子與電離室支架的作用概率(或作用面積)隨距離增大，并在1 m處達(dá)到最大值76.1%。在隨后的1～3.7 m范圍內(nèi)，除水泥墻壁以外的其余部分散射貢獻(xiàn)均隨距離的增加呈減小趨勢。在距焦斑3.7 m處，水泥墻壁與電離室支架的散射貢獻(xiàn)均達(dá)到了47%，而屏蔽箱/多維可移動(dòng)小車與限束光闌的散射貢獻(xiàn)則分別下降到3.6%與2.4%。

圖9 輻射場中參考點(diǎn)處各部分對(duì)散射的貢獻(xiàn)Fig.9 The scattering at the reference point in the radiation field and thechange of the scattering of each part with the distance

從圖9(a)中可以看出，在距焦斑2～5 m范圍內(nèi)總散射變化相對(duì)平緩，并在4.5 m處達(dá)到最小值(約為總散射最大值的1/11)。由圖9(b)可以看出，在距焦斑較遠(yuǎn)的3.7～7.5 m范圍內(nèi)，隨著探測柵元與水泥墻壁距離的不斷減小，水泥墻壁所引起的散射光子將更加容易被探測到，水泥墻壁散射貢獻(xiàn)顯著增加，并由3.7 m處的47%迅速增加至97.4%，成為散射輻射的最主要來源。此時(shí)，由于電離室支架與焦斑的距離不斷增加，散射貢獻(xiàn)逐漸減小到2.5%，屏蔽箱/多維可移動(dòng)小車與限束光闌的散射貢獻(xiàn)則分別減小至0.09%與0.06%。

2.3 劑量率約定真值測量

便攜式X射線參考輻射場參考點(diǎn)處的劑量率約定真值由傳遞標(biāo)準(zhǔn)裝置(即可溯源至國家基準(zhǔn)的次級(jí)標(biāo)準(zhǔn)電離室)測量得到。利用標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12162.1推薦的轉(zhuǎn)換系數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，即可得到周圍劑量當(dāng)量約定真值。分別選取三種N-系列(N-100、N-150、N-200)與三種L-系列(L-70、L-100、L-170)輻射質(zhì)，測量得到不同距離處劑量率約定真值，結(jié)果列于表7和表8。

由表7、表8可知，在上述所選輻射質(zhì)、管電流及參考點(diǎn)-焦斑距離條件下，可得到參考點(diǎn)處空氣比釋動(dòng)能率范圍0.08～565 mGy/h，周圍劑量當(dāng)量率范圍0.13～892 mSv/h，初步滿足現(xiàn)場校準(zhǔn)劑量率要求。

表7 便攜式X射線參考輻射場N-系列劑量率約定真值測量Tab.7 True value measurement of N-series dose rate of portable X-ray reference radiation field

1)前者對(duì)應(yīng)空氣比釋動(dòng)能率，后者對(duì)應(yīng)周圍劑量當(dāng)量率。表8同。

表8 便攜式X射線參考輻射場L-系列劑量率約定真值測量Tab.8 True value measurement of L-series dose rate of portable X-ray reference radiation field

3 結(jié)論

利用蒙特卡羅方法建立模型，對(duì)中國原子能科學(xué)研究院計(jì)量測試部研制的現(xiàn)場校準(zhǔn)用便攜式X射線照射裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用模擬計(jì)算與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方法對(duì)建立的便攜式X射線參考輻射場進(jìn)行了輻射特性研究。研究結(jié)果表明，輻射場均勻性、散射輻射均滿足GB/T 12162.1要求；在本研究所選輻射質(zhì)、管電流及參考點(diǎn)-焦斑距離條件下，所建立的輻射場能量范圍為60～164 keV，空氣比釋動(dòng)能率在0.08～565 mGy/h，周圍劑量當(dāng)量率在0.13～892 mSv/h，初步滿足現(xiàn)場校準(zhǔn)需求，可用于現(xiàn)場校準(zhǔn)工作。為后續(xù)利用便攜式X射線照射裝置開展現(xiàn)場校準(zhǔn)技術(shù)研究奠定了基礎(chǔ)。