強γ射線輻射場束流特性診斷

全 林，苗亮亮，馬繼明，余小任，宋朝暉，韓長材，馬超偉

（1.西北核技術研究所，陜西西安 710024；2.北京跟蹤與通信技術研究所，北京 100094）

強γ射線輻射場束流特性診斷

全 林1，2，苗亮亮1，馬繼明1，余小任1，宋朝暉1，韓長材1，馬超偉2

（1.西北核技術研究所，陜西西安 710024；2.北京跟蹤與通信技術研究所，北京 100094）

針對校準實驗室內強γ射線輻射場束流應用及特性診斷需要，本文建立了輻射場束流特性模擬方法，設計了大面積快響應閃爍體與高速CCD相機組成的束流診斷系統。通過理論模擬及實驗測量，在亞毫米位置分辨指標下，實現了對該輻射場內不同距離的束流均勻性、發散角、束流中軸線及快門渡越時間測量。

γ射線；強輻射場；束流軸線；快門渡越時間

校準實驗室內，強鈷源γ射線參考輻射場是核輻射探測系統研發、核儀器儀表檢定校準、輻射成像系統性能測試等的重要實驗平臺［1］，對束流特性的準確測量是輻射場效能發揮的前提。此類輻射場照射容器結構復雜，輻射源活度高且自吸收強，同時屏蔽材料、實驗環境散射、照射器準直孔同心度等均會影響輻射場參數的準確定值，而現有技術僅能滿足UNIDOSE劑量計、熱釋光劑量計等對輻射場照射量（比釋動能或吸收劑量）進行測量［2－3］。雖然ISO4037等標準對輻射參考點的輻射劑量率、能量、照射野均勻性及快門渡越時間參數均作了明確要求［4］，但缺乏有效的測試方法，尤其在強鈷源輻射場照射野、快門特性診斷等方面一直缺乏合適的診斷手段，迫切需要開展強γ射線輻射場測試探索［5－6］。本文以西北核技術研究所的萬居里鈷源輻射場為對象［7］，對輻射成像方法診斷輻射場束流特性進行研究。

1 束流特性模擬

本工作結合輻射源及照射器參數，采用MCNP程序［8］，對放射源自吸收、輻射場能譜、注量及束流均勻性分布進行計算，為測試方法設計及結果分析提供參考。

1.1 放射源自吸收

按照GB／T 12162.2—2004規定的校準源比活度及相關要求［9］，在不考慮照射器、環境散射等條件下，設置如下輻射源參數：靈敏體為圓柱形分布、活性區尺寸為φ21mm×23mm、采用雙層20μm不銹鋼包殼、鈷材料密度為8.99g／cm3，出射光子在靈敏體中服從體均勻分布，比活度為3.7×1015Bq·kg－1，按照4π方向、體均勻分布模式對源粒子進行隨機抽樣，由F6卡（柵元平均能量沉積）對圓柱表面出射粒子能量及強度進行統計，計算結果相對不確定度在1%以下，模擬得到的放射源自吸收及能量離散結果列于表1。由表1可知，對初始平均能量為1.25MeV的γ射線，經放射源自吸收后，出射射線的平均能量為1.14MeV，出射射線能量的自吸收份額占總能量份額的13.6%。

表1 設定條件下模擬的放射源自吸收及能量離散Table 1 Simulation results of source’s self－absorption and energy dispersion with setting condition

圖1 照射器結構原理圖Fig.1 Structure of irradiator

1.2 束流能譜、強度及劑量率

依據圖1所示的照射器結構及布源方式［7］，設置實驗室空間為長方體（長10m、寬6m、高5m），墻體厚度為0.5m，照射器布置在放射源距地面1.5m、距后墻2m的實驗室中軸線處，其準直口朝前墻，計算中忽略實驗臺、物品等對輻射場的影響。設定將表1所列的放射源布置在照射器源倉中心，由MCNP程序F5計數，對放射源在2m處（x＝2m）空氣中產生的能譜、γ光子注量率及劑量率進行模擬計算，得到在軸線y上不同距離處的束流模擬能譜示于圖2。

圖2 距源2m處的模擬能譜Fig.2 Simulation spectra at 2mto source

模擬結果表明，活度為5.15×1014Bq的鈷源，理論上平均能量為1.25MeV，經源自吸收后，平均能量僅為1.14MeV，當考慮照射器準直器壁效應、實驗環境散射、空氣散射等效應后，其在x＝2m、y＝0cm處的平均能量可下降至1.06MeV，若將1MeV以下的能量定義為散射成分，其散射成分占總計數率的份額可達27.12%，實際應用中能量畸離修正必不可少。圖2中，2m處的光子注量率可達到1.40×109cm－2·s－1，現有HPGe等能譜型探測器難以適應如此高注量率的測量，后續需要探索一些新能譜測量方法（如散射法、電荷數值分析法等）來解決輻射場診斷難題［10］。

1.3 束流均勻性

束流均勻性直接決定了輻射場對稱軸的確定及中心點定位，此參數對細準直束應用、大面積靈敏體均勻性校準等極為重要。照射器出射束流應具備良好的軸對稱性，但在實際工程實現中，由于輻射源裝源工藝缺陷、準直器安裝偏差、空間環境散射等，均會影響束流分布（如對稱性及均勻性），會為應用帶來較大偏差。為便于實驗應用中測量方法評價及結果分析，參考圖2所示的模擬方法，對水平方向距源2m處，垂直軸線一側束流的劑量率分布進行模擬，采用點探測器對其進行測量，得到劑量率隨徑向位置偏移的變化如圖3所示。

圖3 距源2m處劑量率隨徑向位置偏移的變化Fig.3 Dose rate vs horizontal distance at 2mto source

由圖3可看出，束流能譜及注量率隨徑向位置變化不大，若按照中心劑量率最大值的98%定義為γ光子注量率輪廓，得到邊界劑量率為13.15Gy·h－1，此位置處照射野截面為近似正方形分布，照射野輪廓尺寸為20.46cm× 20.46cm，若按最大值的2%定義為半影區的外邊界，此時劑量率為0.27Gy·h－1，其輪廓尺寸為36.12cm×36.12cm。

2 測試系統研制

針對束流的均勻性分布、發散角、束流軸線測量需要，參考輻射場模擬結果，本工作開發了一種基于輻射成像的實用化強γ輻射場診斷系統。

2.1 系統組成

所建立的診斷測試系統主要由快閃爍體和高速CCD相機等組成，借助大面積高靈敏度閃爍體對不同能量及強度射線的發光強度進行測量，通過強度變化，反演出入射束流的注量率信息，所建的輻射成像診斷測試系統結構示意圖示于圖4，與診斷測試實驗相關的幾何特性參數列于表2。

圖4 輻射成像診斷測試系統結構示意圖Fig.4 Structure scheme of radiation imaging diagnosis system

表2 與診斷測試實驗相關的特性參數Table 2 Performance parameters of experiment placement

測試系統的工作原理為：鈷源出射γ射線經過照射器準直器和快門后，入射到大面積閃爍體上并激發閃爍體發光，借助反射鏡將閃爍光所成的圖像反射至移動組合鏡頭（避開閃爍光外的射線對CCD測量的干擾），通過閃爍光在CCD上成像，實現對閃爍體發光強弱的識別和分辨，完成對鈷源照射野束流特性的測量。在本探測系統研制中，選用均勻性好、劑量線性響應好的大面積硫氧化釓增感屏作為閃爍體（照射野區域20cm×20cm）。

2.2 系統刻度

系統刻度包括：1）能量響應刻度，根據閃爍體特性，采用MCNP程序模擬不同能量γ射線射入閃爍體的沉積能量，模擬結果示于圖5；2）灰度與劑量率相應曲線標定，在輻射源和閃爍體間（源和探測器不變），設置不同厚度的鉛衰減器，以調整輻射場注量率，完成灰度隨不同劑量率響應校準，響應曲線示于圖6。

圖5 沉積能量隨射線能量的變化曲線Fig.5 Curve of energy deposition with ray energy

由圖5可看出，不同能量射線在探測器中能量沉積表現出一定的非線性，尤其在0.3MeV以下的低能區表現突出，該差異與光子在閃爍體中質能吸收系數隨能量變化特性及閃爍體厚度相關。圖2所示的輻射場能譜分布中，照射野內0.3MeV以下的射線占射線總數的0.6%左右，可近似認為增感屏對鈷源輻射場內射線能量響應為線性。由圖6可看出，灰度隨劑量率的變化呈現出較好的線性關系，進一步證實了低能成分不會對測試系統的響應造成較大的影響。

圖6 灰度隨劑量率的變化曲線Fig.6 Curve of gray with dose rate

3 測量及結果

3.1 束流強度

測試中，開啟鈷源照射器快門，測量得到束流在1m及2m處的束流強度在二維空間的分布情況示于圖7。

圖7 1m（a）及2m（b）處束流強度二維分布Fig.7 Two－dimensional distributions of beam intensity at 1m（a）and 2m（b）

采用測試系統校準數據，根據圖7測量得到的灰度，建立灰度與光子注量率的關系，得到2m處束流強度的梯度分布圖像如圖8所示。根據圖7測量得到的灰度，得到束流二維軸線上劑量率隨位置分布的曲線示于圖9。

由圖9可看出，束流左右、上下的對稱性較好，符合結構設計要求，但由于源安裝或準直器裝配等原因，使照射器束流上下、左右照射野尺寸不完全相等，這會為照射野中對稱軸準確確定帶來一定的偏差。比較圖2、9得到的束流輪廓分布可知，測量值和理論值的變化趨勢基本相近，但在照射野范圍內，隨著y值的增加（由中間向邊緣運動），硫氧化釓及ST401閃爍體的測量結果均表明測量值較理論值衰減快，這主要是由于實際輻射場參數中，隨y（y＝0cm，2cm，4cm，…）的增大，低能射線較高能射線衰減快，該差異被閃爍體響應后，呈現出如圖9所示的變化。通常用于強輻射場參數診斷的劑量儀在低能段敏感度較低，難以準確反映強輻射場低能射線注量的差異，而該輻射場在對某些大面積探測器均勻性校準等應用中，由于低能射線分布的不均勻性存在，可能會對實驗結果帶來較大影響。在束流照射野特性提取中，不能按理論值反映的信息直接確定束流邊緣，需確定強輻射場束流中低能光子能量及分布后，方能準確提取輻射束流輪廓。

圖8 束流強度的梯度分布Fig.8 Grad distribution of beam intensity

圖9 束流邊界分布曲線Fig.9 Distribution curve of beam outline

從圖9所獲得的亞毫米空間分辨圖像，能準確確定束流中心點和照射野及其發射角。圖8所示的2m處十字線中心點（與現有激光器所示束流點重合）的坐標為（188.00mm，193.9mm），由圖9所示的水平和垂直方向灰度分布曲線，可得到束流實際中心點坐標為（187.96mm，192.40mm）。同理得到1m處原設定中心點坐標為（188.70mm，192.4mm），測試結果表明實際束流中心點坐標為（187.96mm，191.66mm）。考慮測試系統對200keV以下低能光子的響應靈敏度較高能射線靈敏度偏高，結合理論模擬對測試結果進行適當修正后，得到1m處束流脈沖輪廓邊界為10.31cm×10.31cm，半影區邊界為12.56cm×12.56cm；2m處束流脈沖輪廓邊界為19.56cm×19.56cm，半影區邊界為36.56mm×36.56mm（略小于理論值）。由2m處測量結果可知，照射野內各束流均勻性（灰度波動）好于10%，利用1～2m間束流輪廓尺寸及距離信息，在相應邊界斜率情況下，計算得到束流的發散角為5.3°。

3.2 快門渡越時間

照射器采用汽缸推動快門運動的方式工作，實現對出射γ射線的啟閉，快門渡越時間（即主快門氣缸的上升或下降時間）直接影響累計劑量等參數的測量精度，準確獲取該時間參數及動態過程，是診斷裝置研制設計、性能檢查、實驗數據修正的重要依據。測試中，采用上述增感屏組成的照相法（配合HSAC高幀頻快速相機），對主快門的啟閉時間進行測量，得到快門渡越過程中，不同時間的成像情況示于圖10，每幀圖像采集時間為0.2ms。

由圖10的圖像特征與時間序列關系可推知：鈷源實驗裝置的開門時間約為（720±20）ms，關門時間約為（160±10）ms，成像中每幀圖像采集時間為0.2ms。

圖10 快門開啟過程中束流圖像的變化Fig.10 Variation of beam image with shutter opening

4 小結

通過本文的模擬及實驗測量結果表明，校準實驗室內強鈷源輻射場應用中，不能簡單認為能譜為1.25MeV，需要對各輻射場開展針對性測量實驗，所研制的強鈷源輻射場在2m處平均能量為1.06MeV，若將1MeV以下的能量定義為散射成分，此時散射占總計數率的份額可達到27.12%。輻射場參數研究中，采用理論模擬可大致了解輻射場參數特性，由于模擬中存在裝置結構、材質設定、截面庫精度、實驗布局等差異，使精確的參數還需依靠實驗獲得。輻射成像能獲得亞毫米精度分布的圖像信息，在照射野均勻性、束流軸線和夾角快門渡越時間測量等方面具有較強的優勢。

測試結果表明，輻射場2m處光子束流輪廓邊界為19.56cm×19.56cm，半影區邊界為36.56cm×36.56cm，束流均勻性好于10%，束流的發散角為5.3°，照射器開門時間約為（720±20）ms，關門時間約為（160±10）ms。本工作研制的成像法測試系統，不僅能實現亞毫米位置分辨的束流均勻性參數測量，還能對照射器快門啟閉中光子注量率變化情況進行診斷，是獲取束流發散角、束流中軸線及快門渡越時間的有力手段。

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Diagnosis Method of Beam for Intensiveγ－ray Radiation Field

QUAN Lin1，2，MIAO Liang－liang1，MA Ji－ming1，YU Xiao－ren1，SONG Chao－hui1，HAN Chang－cai1，MA Chao－wei2
（1.Northwest Institute of Nuclear Technology，Xi’an710024，China；2.Beijing Institute of Tracking and Telecommunications Technology，Beijing100094，China）

In order to meet the requirement of application and diagnosis of beam for intensiveγ－ray radiation field in the calibration laboratory，a radiation field beam simulation model was established and a large area and fast response imaging system was developed，which was composed of high－speed CCD camera and scintillation detector.Through simulation and experiment，the beam parameters were gained under measurement millimeter spatial resolution for the radiation field，including uniformity，divergence angle，the axis of the beam and shutter transit time.

γ－ray；intensive radiation field；beam axis；shutter transit time

TL816.2

A

：1000－6931（2015）02－0343－06

10.7538／yzk.2015.49.02.0343

2013－11－06；

2014－07－28

國家自然科學基金資助項目（11075130）

全 林（1975—），男，湖北荊門人，副研究員，博士，從事空間環境科學研究