不同排源方式對輻照劑量不均勻度及射線利用率的影響

摘要：利用5.84×1015 Bq 60Co放射源研究了放射源單層排列與3層排列對劑量不均勻度及射線利用率的影響。放射源單層排列時，垂直方向劑量分布不均勻度為5.32，復方甘草片產品箱內劑量不均勻度為1.46，需進行人工換層操作，射線利用率達28.4%。放射源3層排列時，垂直方向劑量不均勻度為1.15，復方甘草片產品箱內劑量不均勻度為1.48，射線利用率達29.0%。兩種排源方式的射線利用率相差0.6個百分點，差異不明顯，但3層排源較單層排源省時省力，產品輻照質量更有保障。

關鍵詞：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：S124 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）13-3113-04

近10年來，輻照加工業作為一種高新技術產業在我國得到了長足發展，輻照裝置日益增多。據不完全統計，我國目前正在運行和使用的各類γ輻照裝置約150座，其中設計裝源容量1.1×1016 Bq以上的輻照裝置101座，最大設計裝源能力已達1.85×1017 Bq。在眾多的輻照裝置中，由于源架結構差異，裝源時源棒在源架上的排列位置不同，放射源劑量場空間分布和射線能量利用率也有所不同[1-3]。湖北輻照實驗中心的放射源為單板源，從1992年投產到2010年10月，放射源一直采用單層排列的方式，這期間采取過靜態堆碼輻照方式和動態步進式輻照方式，前者需要對貨物進行人工翻面操作，后者要進行人工換層操作[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品輻照質量的缺陷。由于單層源架所剩裝源孔有限，不能滿足新增放射源對裝源孔的需求，為了降低輻照生產中操作人員的勞動強度，進一步提高產品輻照質量，2010年11月湖北輻照實驗中心對源架結構進行了改造。改造后的源架為3層窗式結構，放射源的排列方式也由原來的單層排列改成3層排列。本研究用重鉻酸銀劑量計對改造前后兩種排源方式的劑量場進行檢測，對產品箱進行劑量跟蹤，考察了動態步進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，旨在為輻照生產中產品輻照質量控制及提高設備利用率提供參考。

1 材料與方法

1.1 設備與材料

1.1.1 設備 湖北輻照實驗中心大型輻照裝置1座，設計裝源容量1.85×1016 Bq。現有進口60Co放射源44根，國產60Co源102根。進口源規格為ф11 mm×451 mm，分別產自英國和俄羅斯；國產源規格為ф15 mm×90 mm，產自四川四零一所。總裝源活度2.14×1016 Bq，現有放射性活度5.84×1015 Bq。

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

1.1.2 儀器 UV-vis8500紫外可見分光光度計，測定波長范圍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自動雙重純水蒸餾器；SX-80箱式節能茂福爐。

1.1.3 試劑 K2Cr2O7、Ag2Cr2O7為工作基準試劑（容量）；HClO4為優級純。

1.1.4 供試產品 復方甘草片，紙箱包裝，規格500 mm×255 mm×307 mm，單箱重18.4 kg。

1.2 試驗方法

1.2.1 劑量計制備 制備高量程重鉻酸鉀/銀劑量計時，用分析天平準確稱取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。溶液預輻照2 kGy以去除有機雜質。用全玻璃定量加液器將溶液注入標稱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時稱取Ag2Cr2O7 0.151 g，其余步驟與制備高量程重鉻酸鉀/銀劑量計相同。

1.2.2 放射源排列

1）放射源單層排列。用進口源1根/管、國產源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個裝源孔，右邊第1孔為中心孔，源架右半部與之完全對稱。

2）放射源3層排列 1997年和1999年的國產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，每側4管，另外2管分布在中層的右側。1999年的放射源（E）有8管排在下層的兩側，每側4管，另外2管位于中層的左側；44根進口源全部為裸體源，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稱，而中層除兩側的國產源不同外，兩邊的進口源也是對稱排列的。

1.2.3 劑量計布置

1）劑量場檢測。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，用醫用膠布將劑量計捆綁在包裝帶上，并在膠布上標號，劑量計總高度與產品堆碼高度相同。將劑量計垂直掛在吊具的正面，并用透明膠粘牢。

2）產品箱劑量跟蹤。在兩種排源方式下各取吊具1個，將其中的全部復方甘草片或復方甘草片和生理鹽水作為一個整體，在上、下兩界和每兩層交界處及每層中間水平面作橫切面，單層排源作9個橫切面，3層排源作12個橫切面。在每個橫切面前、中、后3條線的兩端和中點上布置高量程重鉻酸鉀/銀劑量計，共9支。1、4、7號劑量計和3、6、9號劑量計位于橫切面靠近源板的兩側，2、5、8號劑量計位于橫切面水平中心線上。

1.2.4 測定和計算。在25 ℃下分別于350 nm和440 nm處測定低量程重鉻酸銀劑量計和高量程重鉻酸鉀/銀劑量計溶液的吸光度，根據以下公式計算相關指標。

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為轉換系數，△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 結果與分析

2.1 放射源單層排列的劑量場分布和產品吸收劑量

2.1.1 放射源單層排列的劑量場垂直分布 此次測定共布置低量程重鉻酸銀劑量計27支，總高度130 cm。輻照時放射源距地高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，測定吸光度，計算吸收劑量，結果見表1。表中0 cm高度為吊具底部。由表1可知，當源棒在源架上作單層排列時，劑量場的垂直分布是以源棒中心（高度65 cm）為對稱點，上、下對稱分布。源棒中心劑量最高，達1.65 kGy，最低劑量點在測定范圍的邊界，僅為0.32 kGy，不均勻度達到5.32。由于放射源劑量場在垂直方向分布極度不均勻性，所以產品在動態輻照運行中需要進行上下換層的人工操作，以將產品吸收劑量不均勻度控制在規定的范圍內。

2.1.2 復方甘草片產品箱內吸收劑量分布 產品箱在吊具中按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。當輻照時間為全部輻照時間的一半（3圈）時以第2層和第3層交界處為分界線進行上下換層的人工操作，如圖3所示。換層后仍按原來的輻照條件繼續輻照，當達到全部輻照時間（6圈）時，將產品從吊具上卸下來，堆放在成品倉庫中。從輻照完畢的產品中取出劑量計，進行吸光度測定，并計算吸收劑量，結果見表2。由表2可知，每個橫切面前后靠近源板的劑量高于中間的劑量，最高劑量點劑量7.29 kGy，最低劑量點劑量4.99 kGy，不均勻度為1.46，能滿足該產品對輻照質量的要求。

2.2 放射源3層排列的劑量場分布及產品吸收劑量

2.2.1 放射源3層排列的劑量場垂直分布 共布置17支低量程重鉻酸銀劑量計，這些劑量計與復方甘草片一同輻照。輻照時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，測定吸光度，計算吸收劑量，結果如表3所示。從表3可以看出，在160 cm范圍內，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，可滿足輻照產品對輻照質量的要求，不必進行人工換層操作。

2.2.2 復方甘草片產品箱內劑量分布 復方甘草片按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，其吸收劑量見表4。由表4可以看出，在10件復方甘草片和兩件生理鹽水的產品箱內所作的12個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，其最高劑量點劑量6.62 kGy，最低劑量點劑量4.50 kGy，不均勻度1.48，符合國家標準的要求。

2.3 放射源單層排列與3層排列的射線利用率

以復方甘草片為例，計算單層排源和3層排源兩種排源方式的射線利用率，結果見表5。由表5知，單層排源方式下，鏈速1.28 m/min，產品輻照6圈，最低劑量達到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個百分點，差異不明顯。

3 小結與討論

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。通過考察兩種排源方式的劑量場及產品吸收劑量分布以及射線利用率，可以看出3層排源的明顯優勢。

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構和裝源方式決定了放射源空間劑量場分布，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，其空間劑量場垂直分布是以源棒中點為對稱點，上、下對稱分布，中心劑量最高，距中心越遠劑量越低，呈現極度不均勻性。而且，為了提高放射源能量利用率，在實際輻照生產過程中放射源覆蓋面遠低于貨物立面，貨物上、下兩端的吸收劑量較中間低，必須進行人工換層操作，以降低產品吸收劑量不均勻度，其勞動強度較大，而射線利用率達到28.4%。當采取上下強、中間弱的排源方式，將所有放射源分3層排列在源架上時，立面劑量場在吊具高度范圍內分布均勻，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，又保障了產品輻照質量，而且放射源能量利用率高達29.0%，比單層排源的射線利用率高0.6個百分點。

3.2 降低返照率，提高產品輻照質量

放射源3層排列以后，立面劑量場分布均勻一致，輻照產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，不會出現單層排源時不換層或換錯層等使同一吊具內吸收劑量也有較大差異的現象。因而3層排源使產品輻照質量得到了較大的提高，降低了返照率，節約了輻照時間。

3.3 簡化輻照生產工藝，提高輻照工作效率

在單層排源的輻照工藝中，產品堆碼層數須為偶數層，輻照圈數都為偶數圈，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層排源在生產操作上只需將產品裝滿吊具，當達到輻照圈數時再將產品卸下即可，可有效降低勞動強度，提高輻照工作效率。

3.4 增加吊具高度，進一步提高輻照產率

動態步進式輻照時，吊具是堆放產品的唯一設備，吊具的規格尺寸直接影響著吊具載重量，進而影響放射源的有效利用。3層排源時，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未被利用。如果吊具足夠高，可以對吊具進行分層處理，分成均勻場和非均勻場兩部分。在均勻場貨物輻照可以不進行換層處理。均勻場以外仍可堆放貨物，可以通過對貨物進行整體翻身和上、下換層的操作方法，降低吸收劑量不均勻度，保證產品輻照質量，進一步提高射線能量利用率。

參考文獻：

[1] 曹 宏，陳秀蘭，包建忠，等.輻照裝置劑量場最佳分布對源棒排布要求初探[J].核農學報， 2000，14（6）：367-370.

[2] 劉宏躍，施培新.不同排源方式對輻照產率的影響[J]. 核農學報，1999，13（3）：163-167.

[3] 鄭向華，陳文捷，董智挺，等.60Co輻照裝置增源后劑量場分布及劑量測定[J].中國農學通報，2005，21（11）：392-394.

[4] 陳玉霞，夏和舟，林 勇，等.單板源動態輻照的劑量不均勻度及射線利用率[J]. 核農學報， 2002，16（6）：370-375.

[5] JJG 1018-1990 使用重鉻酸鉀（銀）劑量計測量γ射線水吸收劑量標準方法[S].

[6] 李承華.輻射技術基礎[M].北京：原子能出版社，1988.