現(xiàn)場校準用便攜式X射線照射裝置的優(yōu)化設(shè)計及輻射特性研究

徐 陽，林 敏，高 飛，倪 寧，張 曦

(中國原子能科學(xué)研究院 計量與校準技術(shù)重點實驗室，北京 102413)

目前，國內(nèi)核電站等核設(shè)施、輻射環(huán)境監(jiān)測站等都配備有大量的固定式X、γ輻射劑量儀，用于對核設(shè)備產(chǎn)生的放射性危害進行預(yù)警。目前該類輻射劑量儀表測量的可靠性與準確性的保障方法是將其拆卸并運送至國家級或地方級計量校準實驗室進行校準[1]，但此種方法在操作上較為不便，會改變儀器儀表現(xiàn)場測量的實驗條件，且會中斷實時數(shù)據(jù)的測量。為了增強和提高目前該類儀表的溯源性，國內(nèi)外相關(guān)機構(gòu)相繼開展了電離輻射現(xiàn)場校準技術(shù)研究，研制了現(xiàn)場校準用簡易照射器、檢驗源和便攜式γ射線照射裝置[2-3]。上述裝置均采用同位素放射源產(chǎn)生便攜式參考輻射，存在放射源丟失風(fēng)險、具有運輸手續(xù)審批困難等缺點[4]。為了彌補和替代現(xiàn)場用放射源對固定式X、γ輻射劑量儀進行校準刻度，中國原子能科學(xué)研究院計量測試部研制了一款用于校準現(xiàn)場固定式X、γ輻射劑量儀的便攜式X射線照射裝置。利用蒙特卡羅軟件依據(jù)照射裝置、配套設(shè)備及照射間實際尺寸建立模型，對X射線管出射口處限束光闌結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，模擬研究了便攜式X射線參考輻射場的輻射特性并進行實驗驗證。研究結(jié)論為后續(xù)利用便攜式X射線照射裝置開展現(xiàn)場校準技術(shù)研究奠定了基礎(chǔ)。

1 便攜式X射線照射裝置優(yōu)化設(shè)計

1.1 裝置主要構(gòu)成

中國原子能科學(xué)研究院計量測試部建立的便攜式X射線照射裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，裝置主要包括：便攜式X射線管及專用控制器、屏蔽箱、限束光闌、附加過濾片及配套支架、俯仰角調(diào)節(jié)機構(gòu)、高精度三維(X、Y、Z軸)調(diào)節(jié)機構(gòu)、本地控制面板及遠程控制軟件、本地實時攝像監(jiān)控單元以及一些必要的輔助設(shè)備。裝置整體尺寸約1.0 m×0.6 m×1.5 m，采用YXLON公司XPO EVO 225D型便攜式X射線管，其主要物理參數(shù)列于表1。

表1 便攜式X射線管主要物理參數(shù)Tab.1 Main physical parameters of portable X-ray tube

圖1 便攜式X射線照射裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of portableX-ray irradiation device

屏蔽箱采用3 mm 304不銹鋼材料，X射線管出射口周圍設(shè)置3 mm鎢合金屏蔽層，可有效加強該位置處的射線屏蔽效果。根據(jù)現(xiàn)場校準規(guī)范要求[5]，選用國家標(biāo)準GB/T 12162.1—2000[1]中推薦的N-系列與L-系列參考輻射質(zhì)，平整度較好的高純度(≥99.9%)金屬附加過濾片，按照距焦斑由近及遠、原子序數(shù)逐漸減小的順序排列，可有效減小熒光雜質(zhì)對出射束的污染。X射線管俯仰角調(diào)節(jié)范圍±15°，調(diào)節(jié)步距1°；X、Y軸方向調(diào)節(jié)范圍± 5 cm，調(diào)節(jié)步距1 mm；Z軸方向調(diào)節(jié)范圍1.3～1.8 m，調(diào)節(jié)步距1 mm。

位于出射口處的限束光闌對便攜式X射線參考輻射場的形狀與射束范圍起著決定性作用，由于所采用的鎢合金材質(zhì)密度較大(ρ鎢合金=18.75 g/cm3)，出于輕量化考慮，需要對其結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。

1.2 蒙特卡羅模型建立

為了對便攜式X射線照射裝置限束光闌進行優(yōu)化設(shè)計并開展參考輻射場特性研究，利用MCNP模擬軟件建立裝置模型，如圖2所示。

圖2 便攜式X射線照射裝置的MCNP模型Fig.2 MCNP model of portable X-ray irradiation device

模型主要包括：X射線管、屏蔽箱、限束光闌、高精度可移動小車及一系列探測柵元(探測柵元數(shù)量、形狀及排列方式隨測量目的的變化略作調(diào)整)。與標(biāo)準實驗室固定式X射線照射裝置的不同之處在于，便攜式X射線照射裝置并非通過固定在地面上的導(dǎo)軌與小車進行定位，而是通過安裝在X射線機下方水平導(dǎo)軌上的兩個激光測距儀(如圖1所示)以及位于焦斑正下方的一個激光測距儀(圖1中未顯示)實現(xiàn)的，故模型中僅包含便攜式X射線照射裝置。

1.3 限束光闌優(yōu)化設(shè)計

限束光闌設(shè)置并安裝在屏蔽箱出射口位置，主要用于對X射線出射束的限束與整形。限束光闌內(nèi)孔通常呈圓錐狀，考慮到減重與便于拆卸等因素，需要對光闌結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。利用MCNP程序模擬計算了三種內(nèi)孔形狀(即階梯狀、圓錐狀及切片狀，如圖3所示)條件下，距焦斑1 m處均勻性在±5%以內(nèi)的輻射場范圍，結(jié)果列于表2。模型中，限束光闌材料為鎢合金，內(nèi)孔半張角θ依次設(shè)置為3°、5°、8°、10°、15°，17°，源項采用30°角偏倚的帶N-150譜分布點源。

圖3 三種限束光闌內(nèi)孔形狀的MCNP模型示意圖Fig.3 MCNP model of three different aperture shapes

由表2可知，在所列6種半張角條件下，距焦斑1 m處由不同內(nèi)孔形狀限束光闌所產(chǎn)生均勻性在±5%以內(nèi)的輻射場直徑完全相同(即，限束效果完全相同)，而切片狀的重量僅為其余兩種形狀光闌的1/3，故將內(nèi)孔形狀設(shè)置為切片狀，可有效減輕重量。除此之外，當(dāng)內(nèi)孔半張角為15°與17°時，所形成的輻射場范圍相同，這主要是由于裝置(屏蔽箱)出射口自身尺寸限制，導(dǎo)致無法繼續(xù)通過增加限束光闌內(nèi)孔來增加輻射場范圍大小。表3為常見的不同類型固定式X、γ輻射劑量(率)儀探頭尺寸(均參照產(chǎn)品說明書)的調(diào)研情況。

表2 不同限束光闌內(nèi)孔形狀、半張角條件下距焦斑1 m處均勻性在±5%以內(nèi)的輻射場范圍模擬計算結(jié)果Tab.2 Simulation results of radiation field range withuniformity within ± 5% at 1m from focal spot underdifferent aperture shapes and half opening angles

由表3可知，探頭尺寸最大可達310 mm×310 mm×360 mm(對應(yīng)GE RSS-131ER型高氣壓電離室γ輻射監(jiān)測儀)。故由表2可知，模擬計算中涉及的限束光闌內(nèi)孔半張角所產(chǎn)生的參考輻射場可基本覆蓋被校儀表尺寸范圍。

綜上所述，結(jié)合蒙特卡羅模擬結(jié)果，最終采用三級切片狀鎢合金限束光闌設(shè)計，每級光闌厚度3 mm，相鄰兩級光闌間距10 mm，內(nèi)孔呈圓錐狀，半張角θ共5種：3°、5°、8°、10°與15°(考慮到散射因素，半張角不易過大，必要時可增大參考點-焦斑之間的距離以增大輻射場范圍)，用于滿足不同尺寸被校儀表的現(xiàn)場校準需要。限束光闌最終設(shè)計的剖面示意圖如圖4所示。

2 便攜式X射線參考輻射場特性研究

2.1 輻射場均勻性研究

均勻性是描述輻射場特性的一項重要指標(biāo)，是影響儀表檢定與校準工作的關(guān)鍵因素。選取參考輻射質(zhì)N-150，利用TW32005電離室配合UNIDOS E靜電計對不同限束光闌半張角θ(θ=3°、5°、8°、10°與15°)條件下，距焦斑不同位置處輻射場射束范圍進行測量，圖5為以θ=3°為例輻射場射束范圍測量結(jié)果。將實測結(jié)果與模擬結(jié)果進行比較，結(jié)果列于表4。

注：φi (i=1,2,3)為光闌內(nèi)孔直徑，隨半張角θ的不同而變化。圖4 三級限束光闌剖面示意圖Fig.4 Schematic diagram of three-stage beamcollimating aperture diaphragm section

表4 不同限束光闌半張角條件下便攜式X射線參考輻射場范圍MCNP模擬結(jié)果與實測結(jié)果對比Tab.4 Comparison between simulated and measured results in the range of portable X-rayreference radiation field under different half opening angles of beam collimating apertures

1)前者對應(yīng)MCNP模擬數(shù)據(jù)，后者對應(yīng)實驗數(shù)據(jù)；2)實驗數(shù)據(jù)-MCNP模擬數(shù)據(jù)。

由表4可知，輻射野的大小是隨著限束光闌內(nèi)孔直徑φi的變化而變化，蒙卡模擬結(jié)果與實際測量結(jié)果基本一致，符合要求。當(dāng)參考點-焦斑距離為2 m時，限束光闌半張角為3°時，95%均勻輻射野的直徑約為12～14 cm；限束光闌半張角為15°時，95%均勻輻射野的直徑約為58～60 cm。事實上過大的輻射野會增加散射份額，實際測量中需要根據(jù)參考點處儀器探頭尺寸的大小選擇合適的光闌大小，以此減小散射份額所帶來的不確定度。

2.2 散射輻射研究

散射輻射是衡量參考輻射場特性的另一重要指標(biāo)，GB/T 12162.1中指出，在各參考距離上散射輻射的貢獻應(yīng)小于該點總空氣比釋動能率的5%。散射輻射研究包括兩個部分：平方反比規(guī)律檢驗和移出實驗。

2.2.1平方反比規(guī)律檢驗

選取參考輻射質(zhì)N-150，限束光闌半張角θ=3°、5°，分別對距焦斑0.5～4.5 m處參考點的空氣比釋動能率進行測量得到實驗值，并將實驗值經(jīng)空氣衰減修正因子修正得到修正值a，將修正值a乘以距離d的平方，得到ad2隨距離的變化關(guān)系，結(jié)果列于表5。

表5 限束光闌半張角θ=3°與5°時平方反比規(guī)律檢驗Tab.5 Test of inverse square law for the half opening angle θ=3° and 5° of beam collimating apertures

由表5可知，在距焦斑0.5～4.5 m范圍內(nèi)，經(jīng)空氣衰減修正后各位置處劑量的距離平方反比與0.5 m位置處的相對偏差在5%以內(nèi)，滿足GB/T 12162.1標(biāo)準中平方反比規(guī)律要求。與此同時，建立平方反比規(guī)律檢驗的MCNP模型，如圖6所示。利用DE/DF卡，將參考點處光子注量經(jīng)轉(zhuǎn)換因子轉(zhuǎn)化得到劑量值，模擬中將周圍環(huán)境設(shè)置為真空。將測量結(jié)果與上述實測結(jié)果(經(jīng)空氣衰減修正)進行比較，如圖7所示。

圖6 便攜式X射線參考輻射場平平方反比規(guī)律模擬MCNP模型Fig.6 MCNP simulation model of portable inversesquare law of X-ray reference radiation field

由圖7中可以看出，模擬結(jié)果較實測結(jié)果略低，且更符合平方反比規(guī)律的要求，這主要是由于實際測量中除了空氣衰減因素外，周圍環(huán)境對參考點處劑量值同樣具有一定影響，而非理想情況。

圖7 平方反比規(guī)律檢驗的模擬與實驗結(jié)果對比Fig.7 Comparison between simulation and experimentalresults of square inverse law test

2.2.2移出實驗

選取輻射質(zhì)N-150，限束光闌半張角3°、5°及8°。首先，利用次級標(biāo)準電離室配合靜電計測量出射束中軸線上各參考點處(距焦斑1 m與2 m)劑量率值，將扣除本底并做空氣衰減修正的平均值記做“束中劑量率”；隨后，將電離室沿中軸線垂直方向左右兩側(cè)各外推兩倍輻射場半徑加一個半影區(qū)，將扣除本底并做空氣衰減修正的平均值記做“移出劑量率”，移出實驗結(jié)果列于表6。

表6 限束光闌半張角θ=3°、5°、8°移出實驗結(jié)果Tab.6 Experimental results of displacement test of beam collimatingapertures at a half opening angle of θ = 3°, 5°, 8°

由表6可知，在距焦斑1 m與2 m處，移出劑量率占束中劑量率的百分比最小為1.43%，最大為2.18%，故便攜式X射線參考輻射場滿足GB/T 12162.1標(biāo)準中移出實驗要求。

2.2.3散射輻射來源研究

便攜式X射線參考輻射場中各部件及墻壁等均會產(chǎn)生不同程度的散射輻射，輻射場中參考點處的劑量率來自兩大部分：出射X射線主射束以及散射輻射(以下簡稱“總散射”)。其中，總散射主要由以下四部分構(gòu)成：屏蔽箱/高精度三維移動小車散射輻射、限束光闌散射輻射、地面/墻壁/天花板(以下簡稱“墻壁”)散射輻射、電離室支架散射輻射。由于空氣對參考點處的劑量率更多的是衰減作用，故此處忽略空氣散射對劑量率的影響。

利用MCNP計算便攜式X射線參考輻射場中各部分對散射輻射的貢獻。在原有模型的基礎(chǔ)上加入9.7 m×5.5 m×3.45 m(長×寬×高，厚度30 cm)水泥墻壁、球型計數(shù)柵元及電離室支架，如圖8所示。選取輻射質(zhì)N-150，限束光闌半張角8°，三維移動小車固定不動，球型計數(shù)柵元及電離室支架依次置于距焦斑0.5～7.5 m范圍內(nèi)，采用CF柵元標(biāo)記卡對輻射場中各部分進行標(biāo)記，計算來自被標(biāo)記物體的散射光子，計算結(jié)果如圖9所示。

圖8 散射輻射來源研究模型Fig.8 Research model of scattering radiation sources

結(jié)合圖9進行分析，在參考輻射場中距焦斑最初的0.5～1 m范圍內(nèi)，散射貢獻從大到小依次為：電離室支架>限束光闌>屏蔽箱/多維可移動小車>水泥墻壁。由于X射線束呈圓錐狀出射，光子與電離室支架的作用概率(或作用面積)隨距離增大，并在1 m處達到最大值76.1%。在隨后的1～3.7 m范圍內(nèi)，除水泥墻壁以外的其余部分散射貢獻均隨距離的增加呈減小趨勢。在距焦斑3.7 m處，水泥墻壁與電離室支架的散射貢獻均達到了47%，而屏蔽箱/多維可移動小車與限束光闌的散射貢獻則分別下降到3.6%與2.4%。

圖9 輻射場中參考點處各部分對散射的貢獻Fig.9 The scattering at the reference point in the radiation field and thechange of the scattering of each part with the distance

從圖9(a)中可以看出，在距焦斑2～5 m范圍內(nèi)總散射變化相對平緩，并在4.5 m處達到最小值(約為總散射最大值的1/11)。由圖9(b)可以看出，在距焦斑較遠的3.7～7.5 m范圍內(nèi)，隨著探測柵元與水泥墻壁距離的不斷減小，水泥墻壁所引起的散射光子將更加容易被探測到，水泥墻壁散射貢獻顯著增加，并由3.7 m處的47%迅速增加至97.4%，成為散射輻射的最主要來源。此時，由于電離室支架與焦斑的距離不斷增加，散射貢獻逐漸減小到2.5%，屏蔽箱/多維可移動小車與限束光闌的散射貢獻則分別減小至0.09%與0.06%。

2.3 劑量率約定真值測量

便攜式X射線參考輻射場參考點處的劑量率約定真值由傳遞標(biāo)準裝置(即可溯源至國家基準的次級標(biāo)準電離室)測量得到。利用標(biāo)準GB/T 12162.1推薦的轉(zhuǎn)換系數(shù)進行轉(zhuǎn)化，即可得到周圍劑量當(dāng)量約定真值。分別選取三種N-系列(N-100、N-150、N-200)與三種L-系列(L-70、L-100、L-170)輻射質(zhì)，測量得到不同距離處劑量率約定真值，結(jié)果列于表7和表8。

由表7、表8可知，在上述所選輻射質(zhì)、管電流及參考點-焦斑距離條件下，可得到參考點處空氣比釋動能率范圍0.08～565 mGy/h，周圍劑量當(dāng)量率范圍0.13～892 mSv/h，初步滿足現(xiàn)場校準劑量率要求。

表7 便攜式X射線參考輻射場N-系列劑量率約定真值測量Tab.7 True value measurement of N-series dose rate of portable X-ray reference radiation field

1)前者對應(yīng)空氣比釋動能率，后者對應(yīng)周圍劑量當(dāng)量率。表8同。

表8 便攜式X射線參考輻射場L-系列劑量率約定真值測量Tab.8 True value measurement of L-series dose rate of portable X-ray reference radiation field

3 結(jié)論

利用蒙特卡羅方法建立模型，對中國原子能科學(xué)研究院計量測試部研制的現(xiàn)場校準用便攜式X射線照射裝置進行優(yōu)化設(shè)計，采用模擬計算與實驗驗證方法對建立的便攜式X射線參考輻射場進行了輻射特性研究。研究結(jié)果表明，輻射場均勻性、散射輻射均滿足GB/T 12162.1要求；在本研究所選輻射質(zhì)、管電流及參考點-焦斑距離條件下，所建立的輻射場能量范圍為60～164 keV，空氣比釋動能率在0.08～565 mGy/h，周圍劑量當(dāng)量率在0.13～892 mSv/h，初步滿足現(xiàn)場校準需求，可用于現(xiàn)場校準工作。為后續(xù)利用便攜式X射線照射裝置開展現(xiàn)場校準技術(shù)研究奠定了基礎(chǔ)。