高劑量水平吸收劑量測量用輻射變色薄膜劑量計研究

陳義珍，李　明，李華芝，陳克勝，張衛東，葉宏生，林　敏，徐利軍，夏　文，崔　瑩

(中國原子能科學研究院 計量與校準技術重點實驗室，北京　102413)

?

高劑量水平吸收劑量測量用輻射變色薄膜劑量計研究

陳義珍，李明，李華芝，陳克勝，張衛東，葉宏生，林敏，徐利軍，夏文，崔瑩

(中國原子能科學研究院 計量與校準技術重點實驗室，北京102413)

摘要：為建立制備高劑量水平吸收劑量測量的輻射變色薄膜劑量計的方法，對相應的配方及制備工藝進行研究，批量制備了以尼龍為基材，副品紅氰化物為染料的輻射變色薄膜劑量計。在(60)Co γ參考輻射場中對輻射變色薄膜的各劑量學響應性能進行了研究，結果表明，重復性好于1.0%，在5～210 kGy劑量范圍內具有較好的劑量響應線性，輻射變色薄膜劑量計輻照后置于低溫條件下貯存2周內信號較穩定。此外，該輻射變色薄膜劑量計在本實驗范圍內未發現明顯的劑量率依賴性。通過上述劑量學性能研究，在線性劑量范圍內，測量吸收劑量的擴展不確定度為4.2%(k=2)。通過在加速器上進一步實驗表明，該膜可用于電子束輻照參數測量。

關鍵詞：輻射加工；輻射變色薄膜；吸收劑量；γ射線

近年來隨著輻射加工技術在我國的快速發展，電子束輻照裝置及60Co γ輻照裝置不斷增加。如何準確、可靠地測量被照產品中所受的吸收劑量，監測和控制輻照裝置的工藝參數，提高輻照質量已成為計量監督部門和輻照單位共同關注的問題。在各種輻射變色薄膜劑量計中，由美國遠西技術公司生產的以尼龍為基材，六羥基乙基副品紅氰化物染料為輻射敏感材料的FWT-60薄膜劑量計的劑量學性能較佳，其劑量測量范圍為1～200 kGy。美國標準技術研究院已將該劑量計定為輻射加工用的傳遞標準劑量計[1-3]。FWT-60系列輻射變色薄膜劑量計目前已成為遠西技術公司暢銷全球的獨家產品。二十世紀八十年代國內也開展過輻射變色薄膜劑量計的研制工作，如：廣東測試所、防化研究院、軍事醫學科學研究院等[4-5]。由于批量小、重現性差等原因至今未得到應用和推廣。國內對輻射變色薄膜劑量計的需求全部依賴進口，為了建立γ射線和電子束傳遞標準用的輻射變色薄膜劑量體系，本研究擬開展高劑量水平的輻射變色薄膜劑量計的研制工作，為輻射加工中高劑量測量建立傳遞標準提供參考。

1基本原理

輻射變色薄膜劑量計的物理性質參數列于表1。本工作中制備的輻射變色薄膜劑量計選用隱色副品紅氰化物(Pararosaniline Cyanide， PR-CN)為輻射敏感材料。該隱色染料在極性介質(活化劑)中經電離輻射或紫外線輻射，授予能大于3.8 eV時，C-N基斷裂，碳與苯環間形成雙鍵，染料分子由無色的苯式結構變成著色的醌式結構式示于圖1，且染料顏色變化的深淺與吸收劑量成正比關系[6]。在選定波長下用分光光度計測量其吸光度，然后將測得的單位厚度吸光度的變化量(ΔA)作為吸收劑量(D)的函數來確定被照物質所受的吸收劑量。輻照前該輻射變色薄膜(以下稱PR-CN膜)呈無色或淺粉透明狀，輻照后PR-CN膜變為紫紅色。

表1　機制薄膜狀丙氨酸劑量計的物理性質

圖1　PR-CN膜輻射誘發的光化學反應式Fig.1　Photochemical reaction of PR-CN film

2輻照實驗

自制輻射變色薄膜劑量計研制中使用的輻射源為Co-60 γ射線源。γ射線輻照實驗在中國原子能科學研究院輻照中心的鈷源上進行。

PR-CN膜劑量計對光子的吸收劑量值由Fricke標準劑量計給出。即：首先將Fricke標準劑量計在有機玻璃模體水箱校準點處進行輻照，給出校準點處的吸收劑量率。然后采用替代法在校準點處對PR-CN膜劑量計按預計時間進行輻照，輻照后的PR-CN膜用校準點處Fricke 給出的吸收劑量率賦值。

PR-CN膜裁切成10 mm×10 mm大小，每片均進行厚度修正，其厚度由德國產Mark測厚儀測量，精度為0.001 mm。PR-CN膜和校準用的Fricke劑量計均使用美國產的Cary 4000紫外-可見雙光束分光光度計測量其吸光度，最后由其單位厚度吸光度變量與其吸收劑量函數確定吸收劑量。

3結果與討論

3.1薄膜劑量計劑量學性能

3.1.1重復性

PR-CN膜劑量計劑量測量重復性結果列于表2。劑量計測量重復性是輻射變色薄膜劑量計劑量學性能的重要指標。為了考察自制PR-CN膜的測量重復性，選用30片PR-CN膜，3片為一組，共10組，經厚度歸一后，用單次測量的相對標準偏差來表示測量結果，表2結果表明，自制PR-CN膜照后劑量測量重復性好于1%。

表2　PR-CN膜劑量計劑量測量重復性(n=3)

3.1.2響應曲線

在Co-60 γ射線參考輻射場中輻照若干組PR-CN膜，測量得到的劑量響應線性曲線示于圖2。PR-CN膜輻照后顏色變化趨勢示于圖3。在557 nm波長下， PR-CN膜劑量計的劑量響應范圍很寬(5.2～92.6 kGy)，在此范圍內其單位厚度吸光度變化值ΔA與吸收劑量之間存在對數線性關系。實驗結果表明，其劑量響應曲線的線性相關系數R2為0.999 1。

圖2　PR-CN膜劑量計的劑量響應曲線(557 nm)Fig.2　Dose-response curves of the PR-CN films at 557 nm

此外，實驗中發現PR-CN膜在不同波長處均有很好的線性響應，在不同波長處PR-CN膜劑量計吸光度變量隨吸收劑量的變化列于表3。在7.7～92.6 kGy劑量范圍內，其劑量響應曲線的R2值大于0.999 3，表明該薄膜劑量計的測量上限及劑量響應范圍可進一步擴展。

圖3　PR-CN膜輻照后顏色變化趨勢Fig.3　Color change of the PR-CN films irradiated at different doses

吸收劑量/kGy不同測量波長下吸光度/nm5205455575605655755907.72.122.883.473.383.182.190.9412.13.164.315.125.094.783.341.4015.63.915.356.366.335.994.191.8131.26.889.3911.1311.1210.607.603.2855.211.0615.1417.9918.0117.2712.725.5992.616.1522.0426.2826.4525.7119.558.91R20.99940.99930.99950.99940.99950.99980.9999

3.1.3劑量率依賴性

為了進一步拓展PR-CN膜劑量計的劑量響應線性范圍，在590 nm波長下進一步測量PR-CN膜劑量計在Co-60 γ射線下的劑量響應曲線，結果示于圖4。由圖4可見， PR-CN膜被照劑量達到210 kGy以上時，輻照引起的變色反應達到飽和，在7.7～210 kGy劑量范圍內，其劑量響應曲線的線性相關系數達到0.999 0。

圖4　PR-CN膜劑量計劑量響應曲線(590 nm)Fig.4　Dose-response curves of the PR-CN films at 590 nm

該輻照實驗在中國原子能科學研究院輻照中心的鈷源上進行。輻射變色薄膜劑量計分別放置在離源一定距離的聚四氟乙烯固體模體的中心孔位，吸收劑量率分別為52.0 Gy·min-1和19.2 Gy·min-1，不同吸收劑量率下的劑量響應曲線符合較好，這表明在本劑量率范圍內輻射變色薄膜劑量計不存在劑量率依賴性。

3.1.4溫度對劑量計性能的影響

受照產品在輻射加工過程中溫度將升高，溫度升高對薄膜劑量計的響應有影響。在5～45 ℃范圍內，對批制的PR-CN膜輻照30 kGy來考察其對溫度的響應，結果示于圖5。

由圖5可見，PR-CN膜劑量計的吸光度隨輻照溫度的升高基本上呈線性上升趨勢，經擬合得輻照溫度響應系數為每升高1 ℃光密度升高0.33%。這與文獻[5]中尼龍基質的HPR-CN膜通常溫度每升高1 ℃光密度按0.3%加以修正結果一致。因此，用該劑量計測量吸收劑量時，要對輻照溫度進行監測以便進行溫度修正。

3.1.5劑量計的穩定性

穩定性是輻射變色薄膜劑量計劑量學性能的重要指標之一。為了考察自制PR-CN膜劑量計的本底穩定性及輻照后穩定性，將未輻照及輻照30 kGy的PR-CN膜分別置于不同濕度(75%、59%、33%、23%、12%)及溫度(25 ℃、16 ℃和低溫4～6 ℃)下保存，相隔一定時間進行測量，結果列于表4和表5。

圖5　溫度對PR-CN膜劑量計響應的影響Fig.5　The impact of irradiation temperature to the response of PR-CN films

由表4可見，未輻照的PR-CN膜在低溫(4～6 ℃)不同濕度下存放半年時間，吸光度變化小于2%，當溫度在16～25 ℃保存時，濕度應控制在59%左右，半年內PR-CN膜吸光度基本不變，變化小于2%。由表5可見，輻照后的PR-CN膜劑量計在低溫(4～16 ℃)下存放，20 d以內吸光度變化小于2%。因此，為了延長輻射變色薄膜的貨架時間或保持照后薄膜的穩定性，輻照前后自制PR-CN膜劑量計均宜在低溫下(4～16 ℃)下密封保存。

3.2合成不確定度的估計

自制PR-CN膜劑量計用于γ射線劑量測量的總不確定度由用于校準的次級標準—Fricke的不確定度、輻射變色薄膜劑量計以及分光光度計固有不確定度的結合。Fricke劑量計的不確定度由中國計量科學院國家基準實驗室的Fricke劑量計提供，對于Co-60 γ射線約為2.1%(k=2)。自制輻射變色薄膜劑量計用于γ射線劑量測量的不確定度來源列于表6。

3.3加速器應用

由于輻射變色薄膜劑量計比較薄，劑量響應靈敏且測量簡便，適合測量電子束深度劑量分布、能量等參數[7]。電子束射程和能量對輻射加工有著重要的意義。

表4　PR-CN膜劑量計本底穩定性

表5　PR-CN膜劑量計輻照后穩定性

表6　PR-CN膜劑量計用于γ射線劑量測量

實驗使用的加速器為中國原子能科學研究院計量測試部新建的DZ-12/4多能量檔電子直線加速器。測量深度分布曲線時以動態方式輻照。

采用疊層法測量電子束深度-劑量分布曲線，同時使用自制輻射變色PR-CN膜劑量計及FJL-01 型 CTA薄膜劑量計對DZ-12/4多能量檔電子直線加速器在一定參數下的電子束深度-劑量分布曲線進行了測試，實驗將批制PR-CN膜和CTA薄膜各16組，分別與有機玻璃片相互疊放于兩個自制的有機玻璃模體中，然后將其并排置于電子加速器鈦窗下50 cm處動態輻照一定的劑量，結果示于圖6。

圖6　電子束在有機玻璃中的深度-劑量分布曲線Fig.6　Depth-dose distribution curve of electron beam in PMMA

兩種薄膜劑量計測量得到的深度-劑量分布曲線基本重合，電子在有機玻璃模體中的實際射程分別為3.75 cm和3.69 cm，根據GB/T 16841—1997報告推薦的計算公式計算能量分別為8.77 MeV和8.63 MeV。兩種薄膜測量結果符合較好，因此，自制的輻射變色薄膜可用于加速器輻照參數的測量。

4結論

本文對自制的輻射變色薄膜劑量計的各劑量學響應性能進行了研究，結果表明其重復性好于1.0%，在5～210 kGy吸收劑量范圍內，對Co-60 γ射線的劑量響應線性相關系數大于0.999 0，在5～45 ℃范圍內對輻照溫度的響應系數為每1 ℃ 0.33%，制備好的PR-CN膜劑量計宜置于低溫密封條件下貯存，能明顯延長薄膜貨架時間，輻照后的PR-CN膜劑量計置于低溫條件下貯存時2周內信號變化小于2%，在本實驗范圍內未發現明顯的劑量率依賴性。

在5～210 kGy劑量范圍內，PR-CN膜劑量計測量吸收劑量的擴展不確定度對Co-60 γ射線為4.2%(k=2)，該膜適合于輻射加工中高劑量水平的吸收劑量監測。

參考文獻：

[1]Humpherys K C, Kantz A D. Radiochromic: A radiation monitoring system[J]. Radiat Phys chem, 1977, 9: 737-747.

[2]Miller A, Mclaughlin W L. 對輻射變色染料薄膜和其他塑料劑量計在輻射加工條件下使用時的評價[R]. 維也納：IAEA，1986：147.

[3]IAEA.對1978年全面比對結果的評述[R]. 維也納：IAEA，1986：220.

[4]溫祝堂，王永其，駱日佑，等. GF—型輻射變色尼龍薄膜劑量計的研究[J]. 計量學報，1988，9(4)：304-308.

Wen Zhutang, Wang Yongqi, Luo Riyou, et al. A GF-type Radiochromic Dye Films Dosimeter[J]. Acta Metrologica Sinica, 1988, 9(4): 304-308(in Chinese).

[5]陳麗姝，聞友勤，孫存譜，等. 輻射變色薄膜電子高劑量計的一般特性[J]. 原子能科學技術，1989，23(6)：1-8.

Chen Lishu, Wen Youqing, Sun Cunpu, et al. General properties of radiochromic dye film used for the measurement of electron absorbed dose[J]. Atomic Energy Science and Technology, 1989, 23(6): 1-8(in Chinese).

[7]GB/T 16841—1997. 能量為300 keV～25 MeV電子束輻射加工裝置劑量學導則[S]. 北京：中國標準出版社，1997.

Study of the Radiochromic Film for High Dose Measurement in Radiation Processing

CHEN Yi-zhen, LI Ming, LI Hua-zhi, CHEN Ke-sheng, ZHANG Wei-dong,YE Hong-sheng, LIN Min, XU Li-jun, XIA Wen, CUI Ying

(NationalKeyLaboratoryforMetrologyandCalibrationTechniques,ChinaInstituteofAtomicEnergy,Beijing102413,China)

Abstract:To establish the radiochromic film dosimeter for high dose level measurement during radiation processing, By corresponding formula and its preparation process research, batches of radiochromic film dosimeters were prepared using nylon as substrate and pararosaniline cyanide as dye. In Co-60 gamma reference radiation field, dosimetry response performance of radiochromic film was studied and results showed that the repeatability was good to 1.0%. The response curves demonstrated good linearity in the dose range of 5-210 kGy, and the signal of radiochromic film dosimeters after irradiation under the condition of low temperature storage within 2 weeks was stable. In addition, the radiochromic film dosimeters were not found to have noticeable dose rate dependence in the range of this experiment. In the linear dose range, radiochromic film dosimeter measures the absorbed dose, with extended uncertainty 4.2% (k=2) for Co-60 gamma rays. The film was suitable as dosimeters for the parameters measurement of the electron beam on the accelerator.

Key words：radiation processing; radiochromic film; absorbed dose; γ-ray

doi：10.7538/tws.2016.29.01.0036

中圖分類號：TL818+.9

文獻標志碼：A

文章編號：1000-7512(2016)01-0036-06

作者簡介：陳義珍(1982—)，女，湖北咸寧人，助理研究員，電離輻射劑量專業通信作者：葉宏生，研究員，E-mail: ysh622@ciae.ac.cn

收稿日期：2015-07-13;修回日期：2015-09-08