60Co放射源單層排列的劑量分布

陳玉霞 邱建輝 谷峰 林勇 劉尚洪

摘要?[目的]了解60Co放射源單層排列的劑量場空間劑量分布。[方法]使用低量程重鉻酸銀劑量計對輻射場的水平方向和垂直方向進行布點測量和分析，對不同堆碼高度換層后輻照場吸收劑量進行計算。[結果]輻照場水平方向上，離開護源板的距離與劑量間的關系符合y=Ae-0.01x的變化趨勢，x與y的相關系數為-0.935 4～-0.911 5;垂直方向上離開源棒中點的距離與劑量間的關系符合y=a+bx變化趨勢，x與y的相關系數達到-0.973 3。垂直方向上不同高度換層后最高劑量、最低劑量和平均劑量均隨著高度的增加而降低。[結論]該研究為產品輻照工藝的制定、產品輻照質量控制、放射源能量的合理利用提供了依據。

關鍵詞?60Co放射源;單層排列;水平劑量分布;垂直劑量分布;輻照工藝

中圖分類號?S124+.1文獻標識碼?A文章編號?0517-6611（2020）02-0197-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.02.057

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Dose Distribution of Single Layer Arrangement of 60Co Radioactive Sources

CHEN Yu-xia ，QIU Jian-hui， GU Feng et al

（Institute of Agricultural Products Processing and Nuclear Agriculture Technology， Hubei Academy of Agricultural Sciences， Wuhan， Hubei 430064）

Abstract?[Objective] To understand the spatial dose distribution of dose field of single layer arrangement of 60Co radioactive sources. [Method] The horizontal and vertical distribution of the radiation field was measured and analyzed by using a low-range silver dichromate dosimeter. The absorbed dose of radiation field after changing layers at different stacking heights was calculated. [Result] The relationship between the distance from the source plate and the dose was in accordance with the changing trend of y=Ae-0.01xin the horizontal direction of the radiation field. The correlation coefficient between xand ywas from -0.935 4 to -0.911 5.The relationship between the distance from the midpoint of the source rod and the dose in the vertical direction was in accordance with the changing trend of y=a+bx， and the correlation coefficient between xand ywas -0.973 3. After changing layers at different heights in vertical direction， the highest dose， the lowest dose and the average dose decreased with the increase of height. [Conclusion] This study provided the basis for the formulation of product irradiation technology， product irradiation quality control and rational utilization of radioactive source energy.

Key words?60Co radioactive sources;Monolayer arrangement;Horizontal dose distribution;Vertical dose distribution;Irradiation process

鈷-60γ輻照裝置最核心部分是鈷-60放射源。鈷-60放射源是一種人工生產的放射性同位素。由于核衰變，它能放射出2種能量分別為1.17和1.33 Mev、穿透力極強的γ射線[1]。人們已將鈷-60γ射線應用到各行各業。在農業上，常用于輻射肓種[2-8]、輻射刺激生長[9-13]、輻射防治害蟲[14-17]和食品輻照貯藏保鮮[18-23]等;在工業上，常用于無損探傷、輻射消毒滅菌[24]、輻射處理廢物[25-26]以及用于厚度、密度、物位的測定等;在醫學上，常用于癌和腫瘤的放射治療。湖北省農業科學院農產品加工與核農技術研究所輻照中心的輻照裝置主要應用于食品輻照貯藏保鮮、藥品及醫療用品輻照消毒滅菌、高分子材料輻照改性、農作物輻射誘變育種等，其放射源單板單層排列，采用動態步進式的輻照方式輻照各種產品。為了解放射源輻照場的劑量分布和確定產品輻照加工工藝，需要對輻照場空間進行布點測量。筆者選擇劑量學性能好、測試較為簡便、測量范圍適宜、成本低的液體化學劑量計進行測量[27]。經過比較，選擇使用低量程重鉻酸銀劑量計（LAgDC）。LAgDC的化學組成為Ag2Cr2O70.35 mmol/L、HClO40.1 mol/L，其工作原理是在酸性水溶液中，電離輻射與水作用產生的輻解產物可使Cr2O72-中的Cr7+離子定量地還原為Cr3+離子。通過檢測劑量計溶液在特定波長下的吸光度的改變，再換算成吸收劑量[28]。筆者應用LAgDC對輻射場的水平劑量分布和垂直劑量分布進行了測量和分析，對不同堆碼高度換層后輻照場劑量分布進行了計算，對放射源單層排列的動態輻照工藝進行了探討。經過多點布點測量和計算，掌握了放射源單層排列的劑量分布趨勢，這為產品輻照工藝的制定、產品輻照質量控制、放射源能量的合理利用提供了依據。

1?材料與方法

1.1?設備和材料

1.1.1?設備。設計裝源容量為1.85×1016 Bq的輻照裝置，有57根Φ11 mm×451 mm 60Co源棒，放射源活度7.43×1015 Bq。按1根/管將57根放射源裝入57根不銹鋼管中，將57根源管全部集中在源架的中層作單層排列。ZT×125積放式懸掛輸送裝置一套及齒輪齒條式機械換向裝置。吊具尺寸為63 cm×57 cm×153 cm。

1.1.2?儀器。UV-vis 8500紫外可見分光光度計，測量波長范圍190～1 100 nm（上海天美光學儀器有限公司）;sartorius 電子分析天平，為賽多利斯科學儀器有限公司產品;Sz-97A 三重自動純水蒸餾器，出水量1 500 mL/h（上海亞榮生化儀器廠）;RFJ安瓿熔封機，600～800支/h（長沙中亞制藥設備有限公司）;SX-93箱式節能茂福爐（湖北英山實驗設備有限公司）。

1.1.3?試劑。K2Cr2O7為工作基準試劑（容量），HClO4 為優級純，H2SO4、K2MnO4和NaOH為分析純，Ag2Cr2O7 為化學純。

1.2?試驗方法

1.2.1?劑量計制備。制備低量程重鉻酸銀劑量計時，使用分析天平準確稱取Ag2Cr2O7 0.151 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[28]（此劑量計參加中國計量科學研究院主持的NDAS比對，相對誤差在±3%以內）。

1.2.2?劑量計的布置。

在塑料包裝帶上布置LAgDC，用醫用膠布將劑量計綁在包裝帶上，并在膠布上標號，再將包裝帶固定在吊具中進行輻照。

1.2.3?輻照方式。全流程共有73個吊具，其中輻照室內源板兩邊各有3個通道，每個通道有6個吊具，共有6×6個吊具，每個吊具占1個工位，共36個輻照工位，每個吊具在每個工位上停留的時間相同。平常產品輻照時，吊具是從東邊迷道進入輻照室，依次經過36個工位，再從西邊迷道運行到輻照室外的操作間。在該試驗中，3個配有劑量計的吊具分別位于源板西邊的1、2、3通道的1號工位，其他所有吊具空載。當3個吊具全部運行完此通道的6個工位，即降下放射源，操作人員進入輻照室，取下劑量計，如圖1所示。

1.2.4?測量和計算。

在t=（20.0±0.5）℃，λ=350 nm時測量劑量計溶液的吸光度，按以下公式計算吸收劑量值[29]：

D=A/ε×G×l×ρ（1）

式中，A為輻照和未輻照劑量計溶液吸光度之差;

ε為

Cr2O72-離子摩爾線性吸收系數，單位為m2/mol;

G為Cr2O72-離

子的輻射化學產額，單位為mol/J;

l為比色皿的光程長度，單位

為m;

ρ為 劑量計溶液的密度，單位為kg/m3。

對于LAgDC，采用如下數值：

ε=317.20 m2/mol（試驗測得值）;

G=0.038 μmol/J;

l=0.01 m;

ρ=1 004 kg/m3。

則公式（1）可簡化為

D=K×A=8.26×A（kGy）。

2?結果與分析

2.1?放射源單層排列的水平劑量分布

在塑料包裝帶上每隔10 cm布置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80 cm，共布置9條。將這9條劑量計分別垂直掛在3個吊具的前、中、后3個面，每個面垂直向下掛1條，并用透明膠粘牢。

輻照時，放射源工作位置71 cm，鏈速1.72 m/min。當3個吊具全部運行完6個工位，將3個吊具上的劑量計取下來后進行劑量檢測，結果見表1。

吊具尺寸63 cm ×57 cm×153 cm，兩排吊具間間距13 cm。表1中1號吊具、2號吊具、3號吊具的前、中、后9個輻照面到護源板的距離分別為7.0、35.5、64.0、77.0、105.5、134.0、147.0、175.5和204.0 cm。從表1可以看出，距離護源板越近，劑量越高，劑量下降越快，距離護源板越遠，劑量越低，劑量下降越慢。以71 cm高度水平面為例，距護源板7.0 cm 處劑量為4.68 kGy，64.0 cm處劑量為0.77 kGy，間隔距離為57 cm，每厘米下降0.069 kGy;77.0 cm處劑量為0.64 kGy，134.0 cm劑量為0.43 kGy，間隔距離同樣是57 cm，每厘米下降0.003 7 kGy，下降速度明顯變慢;147.0 cm處劑量為0.41 kGy，204.0 cm處劑量為0.31 kGy，間隔距離也是57 cm，每厘米下降0.001 7 kGy，下降速度變得更慢。經過統計分析可知，表1中任一高度水平面上離開護源板的距離（x）與劑量（y）間的關系均符合y=AeBx的變化趨勢，經計算得出9個指數方程式，見表2。從表2可以看出，9個指數方程式中的A值以71 cm水平面最高，其他面A值是以71 cm處為對稱面上、下對稱分布，9個指數方程式中x與y的相關系數為-0.935 4～-0.911 5，具有較好的相關性。

在輻照加工中，產品吸收劑量的控制主要是控制產品箱中最低劑量點吸收劑量，而最低劑量點一般在箱體中間縱切面上，也就是每個吊具的中間縱切面上。在該試驗中，箱體中間總劑量由3個部分組成：第一部分是第一通道中間的劑量為1.47 kGy，占66.5%;第二部分是第二通道中間的劑量為0.40 kGy，占18.1%;第三部分是第三通道中間的劑量為0.34 kGy，占15.3%。第一通道中間劑量遠高于第二、三通道的中間劑量，如表3所示。

2.2?放射源單層排列的垂直劑量分布

取1個吊具，將低量程重鉻酸銀劑量計布置在與源板平行的中間平面上，用醫用膠布將劑量計捆綁在塑料包裝帶上，每隔5 cm布設1支，共30支，總高度145 cm。然后，再將包裝帶固定在吊具上，垂直向下掛1條。輻照時，鏈速1.72 m/min，源心高度70 cm，輻照1T。每點吸收劑量見表4。

由表4可知，源棒在源架上單層排列時，其垂直方向的劑量分布是以源棒的中點（70 cm）為對稱點，上、下呈對稱分布，離中點越近劑量越高，離中點越遠劑量越低，在140 cm范圍內最高劑量為3.94 kGy，最低劑量為1.51 kGy，劑量不均勻度（μ）為2.61。對0～70 cm的15個點進行數學分析，發現離開源棒中點的距離與劑量之間的關系呈直線相關，其線性方程式為y=4.110 7-0.042 3x，相關系數為-0.973 3。基于這個劑量分布，在制定貨物動態輻照工藝時，需要對貨物采取換層操作，即當輻照時間占總輻照時間的50%時，將整個吊具的貨物從中間分開，分成上、下2個部分，然后將上、下2個部分貨物位置互換，再輻照另一半時間，這樣高劑量點與低劑量點進行互補、最高劑量點劑量不超過最大耐受劑量，從而保證貨物產品箱內劑量不均勻度達到國家標準要求（μ≤2）。

對不同堆碼高度換層后的吸收劑量和不均勻度進行了分析，結果見表5。當堆碼高度為140 cm，經過換層，最高劑量為5.33 kGy，最低劑量為4.62 kGy，平均劑量為5.07 kGy，劑量不均勻度為1.15;隨著堆碼高度的降低，最高劑量、最低劑量和平均劑量均逐漸增加，劑量不均勻度變化不大;當堆碼高度為90 cm時，最高劑量、最低劑量和平均劑量分別為6.38、5.58、6.01 kGy，比堆碼高度140 cm時分別增加1.05、0.96和0.94 kGy。因此，在制定貨物輻照工藝時，應根據貨物的堆碼高度確定適當的輻照時間和設備運行速度，達到既保證貨物輻照質量又提高放射源利用效率的目的。

2.3?放射源單層排列的貨物輻照工藝

根據放射源單層排列的水平方向劑量分布，將吊具運行設置為6個通道，每個通道6個工位的動態步進式循環運行方式，全流程73個吊具，每個吊具都由懸掛鏈輸送裝置輸送，運行軌跡都一樣，這是在輻照裝置建造時就設計建造完成的。在日常輻照工作中，貨物輻照工藝的制定主要考慮垂直方向劑量場的合理利用以及貨物輻照質量控制，包括根據貨物包裝尺寸設定貨物在吊具中的堆碼方式，堆碼高度一般不超過140 cm，堆碼層數一般為偶數層，如果不為偶數層，可以將輻照劑量相同的不同貨物搭配堆碼，湊成偶數層，便于換層操作，并以此堆碼高度確定放射源的工作位置;另外，還包括根據貨物的輻照目的設定懸掛鏈運行速度和輻照時間，使產品箱中最低劑量點劑量不低于最低有效劑量、最高劑量點劑量不超過最大耐受劑量，從而保證產品輻照質量。

根據放射源單層排列垂直方向劑量的分布特點，即離源棒中點越近劑量越高，離源棒中點越遠劑量越低，存在較大的不均勻度，例如高度為140 cm時，劑量場的不均勻度達到2.61，這不能滿足國家標準的要求，必須對貨物進行換層操作，經過換層后劑量場的不均勻度為1.15，能夠保證貨物產品箱內劑量不均勻度（μ）≤2。其換層操作方式如圖2所示。

3?結論與討論

（1）當放射源采取單層排列，并進行步進式動態輻照時，由于放射源覆蓋面遠低于貨物堆碼高度，貨物上、下兩端的吸收劑量較中間低，具有較大的不均勻度，必須進行換層操作。在140 cm高度范圍內，經過換層，劑量場的劑量不均勻度（μ）≤1.15，能夠保證貨物產品箱內劑量不均勻度（μ）≤2.0，從而滿足國家標準的要求，同時劑量場得到了充分利用，放射源的能量利用率較高。

（2）在采用靜態堆碼輻照時，為了提高射線利用率，力求將貨物盡量靠近源板，而為了獲得國家標準許可的不均勻度，又不能靠得太近，因而射線利用率受到一定制約。采用步進式動態輻照，由于總劑量是由不同位置3個通道劑量總和構成，其中第一通道的劑量占66.5%，第二、三通道的劑量占33.5%，大大降低了產品吸收劑量的不均勻度，因而能盡可能地將貨物靠近源板進行輻照，輻照場得到了高效利用。

（3）放射源單層排列的動態輻照運行方式對于裝源容量7.40×1015 Bq以下的小型輻照裝置是合適的。一方面，克服了靜態堆碼輻照[30-32] 的換層換列翻面操作復雜、降源停源時間長、放射源利用效率低、安全隱患大的蔽端;另一方面，由于裝源量小，不適于多層排列的排源方式。若采用多層排列的排源方式，源棒排列太分散，設備運行速度慢，不能滿足客戶急需提貨的需求，而且貨物較少時，放射源浪費較大。但是，在此輻照方式中，由于采用人工換層操作，一是換錯層的情況時有發生，貨物輻照質量不能完全得到保障;二是輻照一種貨物，需要上、下吊具4次，操作頻繁，工人的勞動強度較大。如果經費允許，對貨物輸送設備進行改造，采用雙層吊具，并且實施由機械裝置控制的吊具上下自動換層，從而減少工人的勞動操作，保證產品的輻照質量。

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