射程法測量低能電子加速器能量方法比較研究

陳義珍 夏 文 張衛(wèi)東 羅 瑞 林 敏 陳克勝

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

1 引 言

中國電子輻照加速器技術(shù)隨著加速器制造技術(shù)的不斷突破，加速器逐漸向產(chǎn)業(yè)化發(fā)展[1,2]。2018年，國內(nèi)加速器數(shù)量占全球電子輻照加速器總量2 000臺的近1/4。而中國用于電線電纜、發(fā)泡材料、熱縮材料等輻射加工的中低能(5MeV以下)電子輻照加速器約占全國輻射加工加速器數(shù)量的90%，達到450余臺[2,3]。電子加速器在日常的運行過程中，為有效控制輻照加工工藝，保證被照產(chǎn)品的輻照質(zhì)量，需定期對加速器關(guān)鍵輻照參數(shù)進行檢測。而電子束能量是描述電子束輻射場的一個重要物理量，是工業(yè)用加速器關(guān)鍵性能指標(biāo)之一，也是輻射加工工藝過程中的一個重要控制參數(shù)，必須測準(zhǔn)[4-6]。

本工作中采用射程法測量電子束能量。由于低能電子束穿透能力較弱，組織等效材料加工成小角度的楔形模體難度較大，通常采用疊層模體測量電子束能量。工作中設(shè)計加工了疊層和楔形兩種不同的能量測量模體，結(jié)合中國原子能科學(xué)研究院輻射變色薄膜劑量計測量系統(tǒng)[7]，同時測量標(biāo)稱能量為0.65MeV低能電子加速器能量，比較兩種不同類型模體是否可用于低能電子束能量的測量及測量的優(yōu)劣性。

2 能量測量模體

目前，高能電子束能量測量采用磁譜儀和全吸收閃爍譜儀，能量分辨率分別為0.1%和5%。對于能量幾MeV以下的電子，可使用半導(dǎo)體為探頭的全吸收譜儀，其能量分辨率約為1%。電子束能量也可利用核反應(yīng)或契倫科夫輻射閾值進行測量[8,9]。上述電子束能量測量方法需要特定的儀器設(shè)備，不僅價格昂貴，且操作復(fù)雜。由于電子在均勻材料中的入射深度與它們的初始能量成正比，利用這種關(guān)系，結(jié)合薄膜劑量計測量裝置，通過疊層法能量測量模體和楔形能量測量模體可測量參考材料中深度劑量分布，從而確定電子束能量[10]。射程法能量測量方法簡單、方便，準(zhǔn)確度較高，能滿足日常加速器能量監(jiān)測的需求，且測量儀器設(shè)備為分光光度計，實驗室也比較普遍。

采用射程法測量低能電子束能量，設(shè)計加工了用于3MeV以下電子束能量的測量的楔形和疊層兩種不同類型模體。低能電子束能量測量實驗在中國電科集團23所進行，對用于電線電纜輻照處理的由美國Wasik公司制造的0.65MeV電子加速器標(biāo)稱能量進行測試。

2.1 疊層能量測量模體

低能電子束一般采用疊層法，低能電子束在給定材料中射程短，但由于薄膜劑量計比較薄，一般為幾十μm到一百μm左右，即使300keV電子束在尼龍膜中的穿透深度僅有0.723mm，如果選用約50μm厚的薄膜劑量計置于疊層模體中，也能獲得足夠的數(shù)據(jù)點，擬合得到深度分布曲線。

設(shè)計加工用于3MeV以下能量測量的疊層模體結(jié)構(gòu)如圖1所示，由模體上蓋、模體下部分、卡槽三部分組成。模體中部有一10.5mm×12mm的準(zhǔn)直孔，并設(shè)計了一個可拆卸卡槽，便于取放薄膜劑量計。考慮到邊緣效應(yīng)對薄膜劑量計的影響，模體外橫向尺寸設(shè)計大于3MeV電子束在疊層材料中的射程的3倍，實際設(shè)計為50mm×50mm。模體材料選擇密度與薄膜劑量計密度近似，且耐輻照性能較好的聚苯乙烯材料。模體中間用于放置參考材料與薄膜劑量計交替構(gòu)成的參考疊層或者只用薄膜劑量計構(gòu)成的參考疊層。單片參考疊層的標(biāo)稱厚度應(yīng)該是RP/12或者更薄，這樣可確保有足量的數(shù)據(jù)點繪制深度劑量分布曲線。RP是預(yù)計的電子實際射程。

圖1 疊層測量模體結(jié)構(gòu)圖

(0.1～3.0)MeV電子束在尼龍薄膜中的實際射程見表1。模體測量電子束深度-劑量分布曲線時，為了準(zhǔn)確得到低能電子束能量，通常先估算電子束標(biāo)稱能量射程，然后按照大于1.5RP參考疊層總厚度，確定模體中放置由參考材料與足夠數(shù)量的劑量計構(gòu)成的參考疊層[10]。

表1 (0.1～3.0)MeV電子束在尼龍薄膜中的實際射程

在繪制深度分布曲線時，為了準(zhǔn)確確定電子束入射深度，有必要測量每片劑量計厚度。盡量選擇厚度均勻的薄膜劑量計構(gòu)成參考疊層，如果疊層中有使用參考材料，應(yīng)將參考材料厚度轉(zhuǎn)化成薄膜劑量計等效厚度，避免因深度計算的不準(zhǔn)確引起能量測量較大誤差。

測試前，按標(biāo)稱能量0.65MeV電子束射程估計疊層總厚度，根據(jù)表1，0.7MeV電子束疊層最小厚度為0.368cm，實際需要約60片輻射變色薄膜劑量計組成參考疊層。測試時，將60片10mm×10mm尺寸的輻射變色薄膜劑量計疊放于疊層模體中。為了避免薄膜劑量計相互擠壓摩擦導(dǎo)致薄膜劑量計表面出現(xiàn)磨痕，致使測量時吸光度值偏大，每片薄膜劑量計之間放置一層擦鏡紙，可以有效保護薄膜劑量計，減小測量誤差。

2.2 楔形能量測量模體

對于中高能電子束能量的測量，一般采用輕質(zhì)金屬材料鋁加工成楔形模體，配合輻射變色薄膜劑量計測量裝置，可測量高能(5MeV以上)電子束能量。楔子法所用劑量計為長條狀薄膜劑量計，利用分光光度計連續(xù)掃描測量系統(tǒng)，能快速測量深度分布曲線，獲得實際射程(Rp值)。對于中低能電子束能量測量，一般選用低密度耐輻照材料加工成楔形模體配合薄膜劑量測量系統(tǒng)測量。但由于低能電子束射程短，低密度楔形能量測量模體的楔子角度要非常小，加工難度較大，因此對于3MeV以下電子束能量測量，實驗室一般采用疊層方法。選用密度為1.06g/cm3的聚苯乙烯材料加工楔形模體。該模體設(shè)計可測量的電子束能量為(0.5～3.0)MeV，根據(jù)該能量段電子束在均勻的聚苯乙烯材料中的實際射程，為了使測量0.5MeV電子束能量時，薄膜劑量計上有足夠的測量點，所設(shè)計的楔形模體角度足夠小，并且外形尺寸滿足標(biāo)準(zhǔn)GB/T 16841—2008要求。

設(shè)計加工的楔形測量模體結(jié)構(gòu)如圖2所示，模體由上下兩部分楔子組成，設(shè)計的楔子角度僅為8°左右。下部分楔形中間設(shè)有一10mm寬、0.2mm深的凹槽，用于布放長條狀薄膜劑量計。

圖2 楔形測量模體結(jié)構(gòu)圖

3 能量測量結(jié)果

測試時，將疊放有輻射變色薄膜劑量計的疊層模體與放置有長條狀薄膜劑量計的楔形模體一起并放在電子束窗中心正下方70mm處，以靜態(tài)方式輻照。束流強度設(shè)定為2.0mA，線速度為15m/min，輻照時間45s。采用疊層法和楔形法輻射變色薄膜劑量計測得的電子束深度-劑量分布曲線如圖3和圖4所示。

圖3 疊層模體測量得到的0.65MeV電子束深度-劑量分布曲線圖

圖4 楔形模體測量得到的0.65MeV電子束深度-劑量分布曲線圖

根據(jù)薄膜劑量計測量的深度-劑量分布曲線，利用射程法在曲線下降最陡處選取部分點做直線擬合，該直線與該曲線尾部韌致輻射劑量的外推線相交，該相交點處所對應(yīng)的深度為電子束在輻射變色薄膜劑量計材料中的實際射程Rp。根據(jù)文獻[10]，由Monte Carlo方法推導(dǎo)得到的能量與電子束在聚苯乙烯材料中射程的對應(yīng)關(guān)系(0.3MeV≤E≤2MeV)如下

Ep=1.972Rp+0.245

(1)

Ea=2.421R50+0.278

(2)

式中：Rp——最可幾射程，單位：g·cm-2；R50——半值深度，單位：g·cm-2；Ep——最可幾能量，單位：MeV；Ea——平均能量，單位：MeV。

對于疊層模體，深度-劑量分布曲線擬合得到的射程實際為電子束在輻射變色薄膜劑量計中的射程，由于劑量計與聚苯乙烯模體材料密度存在一定差異，需要進行射程轉(zhuǎn)換。根據(jù)圖3，將射程修正到聚苯乙烯材料中的射程為0.215g·cm-2。

對于楔形模體，根據(jù)圖4，0.65MeV電子束照射聚苯乙烯模體，長條輻射變色薄膜劑量計上有足夠的測量點擬合得到深度劑量分布曲線，電子束在聚苯乙烯材料中的射程為0.207g·cm-2。

利用射程法，疊層模體和楔形模體分別結(jié)合輻射變色薄膜劑量計劑量測量系統(tǒng)，測量得到的最可幾射程Rp、半值深度R50以及最可幾能量Ep、平均能量Ea結(jié)果見表2。

表2 能量測量結(jié)果匯總表

根據(jù)表2結(jié)果，疊層模體能量測量結(jié)果偏高，可能是由于輻射變色薄膜劑量計厚度以及擦鏡紙厚度不均勻造成的，薄膜劑量計和擦鏡紙數(shù)量越多，對結(jié)果影響越大。應(yīng)盡量選擇厚度均勻的薄膜劑量計，薄膜劑量計數(shù)量能滿足曲線擬合即可，一般深度劑量分布曲線20～30個數(shù)據(jù)點為佳。

楔形模體能量測量結(jié)果與標(biāo)稱能量一致性優(yōu)于±1%。結(jié)果符合較好。RP/R50比值與Monte Carlo方法計算得到的單能電子在聚苯乙烯中的RP/R50比值1.344符合較好。

4 結(jié)束語

本研究中加工的疊層模體和楔形模體均可用于測量能量低至0.65MeV電子束能量的測量，結(jié)果符合較好。與楔形模體相比，疊層模體測量電子束能量時，首先需要預(yù)估疊層厚度，根據(jù)厚度放置合適數(shù)量的薄膜劑量計和參考材料，輻照后需要逐片測量每片劑量計的吸光度值。其次，在擬合深度劑量分布曲線時，需要測量每片薄膜劑量計厚度并扣除引入擦鏡紙或其他參考疊層帶來的厚度影響。另外，由于薄膜劑量計密度與標(biāo)準(zhǔn)推薦的能量計算公式的參考材料密度不一致，需要進行射程轉(zhuǎn)換，因此，能量計算過程中影響的因素較多，致使測量過程及數(shù)據(jù)處理過程比較復(fù)雜，時間較長，也容易給結(jié)果帶來較大不確定度。疊層模體與薄膜劑量計結(jié)合更適合測量幾百keV較低電子束能量；與疊層模體相比，楔形模體測量電子束能量時，測試前期準(zhǔn)備一條長膜劑量計即可，輻照后利用分光光度計掃膜測量系統(tǒng)，幾分鐘即可測量得到劑量深度分布曲線，不需要多余的密度轉(zhuǎn)換等過程，測量方法簡便、快速、準(zhǔn)確。且設(shè)計加工的楔形模體與薄膜劑量計結(jié)合可測量(0.65～3.0)MeV能量區(qū)間電子束能量。