自顯色個人劑量計研究

夏 文，葉宏生，林 敏，徐利軍，陳克勝，陳義珍

(中國原子能科學研究院 計量測試部，北京 102413)

自顯色個人劑量計是從輻射變色薄膜劑量計發展而來的。輻射變色薄膜劑量計能在吸收輻射能量后不經加熱、化學、光學或放大等處理自動變色。Niepce在1826年首次發現并證明了不飽和碳氫聚合體混合物的輻射自顯色過程。近年來，一種基于聚丁二炔材料的輻射變色薄膜劑量計發展很快，劑量下限低至10-3Gy，其中最有代表性的是美國ISP公司生產的GAFCHROMIC劑量計以及美國JP公司的SIRAD自顯色個人劑量計[1-2]。自顯色個人劑量計具有成本低、易攜帶、穩定性好、可肉眼直接觀測(比色范圍0～2 Gy)等優勢，在國外主要作為個人預警劑量計使用，如在臟彈處理以及核事故應急等可能遭受高劑量輻照的條件下，操作人員可隨時了解個人所受劑量[3]。

我國對輻射變色薄膜劑量計的研究始于20世紀80年代，且主要偏重于輻射加工水平的劑量測量研究，如軍事醫學科學院、北京師范大學、中國原子能科學研究院等，主要開展了酸敏體系變色染料的研究，其主要基材為尼龍，劑量測量下限最低為100 Gy。作為個人劑量計用輻射變色薄膜的研制尚未見報道。

本工作擬在輻射變色薄膜劑量計研究的基礎上，對丁二炔類聚合變色體系進行研究，在低量程范圍內(0～2 Gy)開展劑量學性能研究，驗證其作為自顯色個人劑量計的可行性。

1 實驗

1.1 實驗儀器和材料

Cary4000雙光束紫外-可見分光光度計：美國VARIAN公司；光柵測微儀：德國HEIDENHAIN公司；恒溫加熱磁力攪拌器：杭州儀表電機有限公司；流延制膜裝置：自制。

感光材料丁二炔單體(PCDA)：98%，美國Alfa Aesar公司；聚氯乙烯(PVC)：粉末，深圳杰立泰公司；聚乙烯醇(PVA)：粉末，日本Kuraray公司；聚乙烯縮丁醛(PVB)：粉末，阿拉丁試劑公司；添加劑：北京美揚時代公司；乙酸丁酯：分析純，北京化學試劑公司。

1.2 實驗原理

類丁二炔單體聚合變色體系在制備成膜時為白色固體，在電離輻照下，發生固相輻射聚合及交聯反應，生成有共軛結構的聚合物，使其在可見光區681.5 nm處具有特征吸收，呈現藍色。聚合體數量增加表現為劑量計顏色的加深，并與輻射劑量呈一定的比例關系。其輻照聚合變色原理如圖1所示。

圖1 丁二炔單體聚合變色原理

1.3 實驗方法

1) 采用恒溫加熱磁力攪拌器將按一定配比溶解好的變色染料、基體材料以及添加劑充分混合于稀釋劑中，控制加熱溫度為70～80 ℃，之后緩慢冷卻至室溫，同時控制冷卻后溶液黏度為玻璃棒抬起約1～2 s內有溶液滴下為適宜。

2) 采用流延法制膜：將已調至水平的玻璃板作為制備平臺，通過濃度計算控制液膜厚度(200 μm)。制膜結束后避光自然干燥。為增加厚度的均勻性，采取加蓋緩慢揮發的方式，防止局部干燥過快造成成膜缺陷。

3) 對劑量計薄膜進行厚度均勻性檢驗，選較優者進行本底等劑量學性能測試。采用國防科技工業電離輻射一級計量站γ照射量標準裝置中的60Co源進行輻照，分光光度法測量輻照后薄膜在681.5 nm處的吸光度。

2 結果與討論

2.1 感光材料與基體材料配比對成膜的影響

采用PCDA為感光材料，對感光材料與基體材料的不同配比對變色薄膜吸光度的影響進行研究，PCDA與基體材料的質量比(m(PCDA)∶m(基體))為1∶4、1∶2、1∶1時，受照后單位厚度吸光度變化ΔA示于圖2。當m(PCDA)∶m(基體)<1∶20時，所形成的變色薄膜為透明狀，不易觀察顏色變化；當(m(PCDA)∶m(基體)>2∶1時，成膜過程中有大量PCDA析出。

圖2 PCDA與基體材料不同配比下吸光度的變化

2.2 基體材料的選擇

由于丁二炔類染料具有憎水性，易溶于有機溶液，而PVA類基體材料具有親水性，兩者難以混溶，無法成膜。加熱條件下，PVB可溶于無水乙醇溶劑中，PVC可溶于乙酸丁酯溶劑中。經測量，以PVB為基體制備的薄膜變色下限高于PVC，可能是兩者所含的不同功能團對染料輻射聚合的三鍵反應率影響不同，導致生成的共軛雙鍵濃度不同，變色靈敏度不同。因此本工作采用PVC為基體材料。

2.3 厚度均勻性

制備的劑量計薄膜邊緣處因掛壁、溶劑蒸發較快等會有厚度畸變問題，使用時宜剪棄邊緣處薄膜約1 cm。為檢驗所得薄膜厚度的均勻性，對薄膜中間部位5處不同位置進行厚度測量，結果顯示，所測5處的厚度分別為0.184 7、0.187 1、0.184 9、0.182 2、0.190 1 mm，平均0.185 8 mm，相對標準偏差為1.7%。

2.4 本底吸光度測量

選取劑量計薄膜厚度較均勻的中間部位，按1 cm×1 cm規格剪切5片進行本底吸光度測量。結果顯示，本文制備的薄膜劑量計本底吸光度均勻一致，相對標準偏差約1%。

2.5 輻照劑量與薄膜的顏色變化

圖3為劑量計在用60Co γ源不同劑量輻照后的顏色變化。實驗中觀察到薄膜在受到輻照后，由白色變為藍色，且隨輻照劑量的增大而逐漸加深，因此可直觀地通過劑量計顏色變化，大體分辨受到的輻照劑量大小。肉眼可分辨的最低劑量約0.1 Gy。

圖3 不同輻照劑量下的變色情況

2.6 輻照劑量響應

在γ射線照射量標準裝置中對制備的自顯色個人劑量計進行劑量學性能研究，通過調節輻照時間對劑量計施以不同劑量的輻照后，采用分光光度計測量吸光度以確定劑量測量范圍。圖4為輻照劑量分別為0.1、0.5、0.9、1.3、1.7、2.1、2.5 Gy時，劑量計的吸收光譜，圖5為681.5 nm處劑量響應曲線。由圖4、5可見，本劑量計在681.5 nm處吸光度的變化與所受吸收劑量呈良好的響應關系，R2=0.999 8。該性能與美國JP公司商用劑量計性能[4]相似。

圖4 不同劑量照射后的吸收光譜

圖5 劑量響應曲線

2.7 劑量計輻照后的穩定性

將輻照后的劑量計進行吸光度跟蹤測量，觀察其顏色隨時間的變化，結果示于圖6。圖6中吸光度的相對標準偏差為1%，但也可看出，吸光度整體呈上升趨勢，這可能是因避光不足，受紫外線照射造成的，因此，本劑量計在使用時，應參考美國JP公司的SIRAD劑量計，添加一層防紫外線的保護膜[5]。

圖6 劑量計輻照后的穩定性

3 結論

以PCDA為變色染料，PVC為基體，采用流延法制備的自顯色個人劑量劑厚度均勻性優于2%，本底均勻性約為1%；在0.1～2.5 Gy劑量輻照后，薄膜的吸光度與輻射劑量具有良好的響應關系，肉眼可觀察到顏色變化明顯；劑量計受紫外線照射產生響應，應采取避光措施，避光保存條件下具有良好的照后穩定性。

以上結果表明，本工作所制得的自顯色個人劑量計無需讀數裝置，可通過顏色變化及時判斷個人輻照劑量，成本低廉，測量范圍上限略低于人體各器官發生確定性效應的閾值，因此，可作為特殊場所或應急條件下個人輻照劑量預警劑量計使用。

參考文獻：

[1] TSANG C, BUTSON M J, PETER K N Y. Reflection spectrometry analysis of irradiated GAFCHROMIC XR type R radiochromic films[J]. Appl Radiat Isot, 2005, 63: 127-129.

[2] TSANG C, BUTSON M J, PETER K N Y. X-ray energy dependence of the dose response of SIRAD radiation dosimeters[J]. Appl Radiat Isot, 2007, 65: 814-817.

[3] BUTSON M J, TSANG C, PETER K N Y. Visible absorption spectra of radiation exposed SIRAD dosimeters[J]. Phys Med Biol, 2006, 51: N417-N421.

[4] PATEL G N. A general purpose, high accuracy dosimeter reader: US, 039623[P]. 2006-01-31.

[5] PATEL G N. Method of making smart cards with an encapsulant: US, 002574[P]. 2007-08-30.