輻射場劑量學特性自動化測量系統研究

王子琳,高 飛,劉蘊韜,侯金兵,王菲菲,丁雨陽,劉佳瑞

(中國原子能科學研究院,北京 102413)

電離輻射計量是研究各種電離輻射與物質相互作用的理論,并對表述輻射源或輻射場以及電離輻射與物質相互作用的物理量進行測量[1]。完善計量量值傳遞手段,改進量值溯源體系,對提高電離輻射計量技術的綜合能力和保障能力,確保參考輻射場的量值準確可靠至關重要,因此需定期對參考輻射場開展輻射場散射輻射、均勻性等劑量學特性測量[2]。

常用的輻射場劑量學特性測量方法主要有指型電離室掃描測量和矩陣電離室測量,但這兩種方法各有局限性:利用指型電離室掃描測量需要多次啟停γ射線照射裝置或X光機,人工調整電離室位置,測量定位誤差大且耗時長,僅輻射場均勻性測量需約7.5 h;矩陣電離室能快速測量輻射場的均勻性和對稱性,但測量點位固定、不能隨實際需要變化布點[3]。為提高測量精度和工作效率,提升計量檢定校準的服務能力,有必要研究一種新型輻射場劑量學特性自動化測量技術。

為提高輻射場劑量學特性的測量效率、準確性及安全性,本研究研制一套新型輻射場劑量學特性自動化測量系統,并利用自動化測量系統對137Cs γ射線參考輻射場、60Co γ射線參考輻射場和低能、中高能X射線參考輻射場的劑量率分布、散射輻射特性、均勻性等劑量學特性開展研究。

1 輻射場劑量學特性自動化測量系統設計

輻射場劑量學特性自動化測量系統(以下簡稱自動化測量系統)主要由硬件部分和自編控制軟件構成,該系統可實現X射線、γ射線、β射線和電子束等參考輻射場內指定軌跡的自動、半自動測量及數據存取。

1.1 機械結構設計

自動化測量系統的硬件部分由探頭夾具、機械手和移動小車組成,結構示于圖1。

圖1 輻射場劑量學特性自動化測量系統示意圖(a)和實物圖(b)Fig.1 Schematic diagram (a) and photograph (b) of the automated measurement system for the radiation field

1.1.1探頭夾具 探頭夾具由夾具底座和夾具蓋板組成,夾具底座固定在機械手末端,夾具蓋板可通過螺絲調節其與夾具底座之間的機械距離,實現固定部位直徑在10～20 mm之間內探頭的固定(圖2)。

圖2 探頭夾具示意圖Fig.2 Schematic diagram of detector fixture

1.1.2機械手 機械手選用埃夫特ER7-700型小負載桌面型機器人,主要由機器人本體、電控柜和示教器三部分組成(圖3),可搬運7 kg負載。機器人本體包括手部和運動機構,手部可配合探頭夾具抓持電離室(或其他物件)的部件。運動機構可使手部完成各種轉動、移動或復合運動來實現設定動作,改變被抓持物件的位置和姿勢。電控柜通過對機械手本體6個自由度電機的控制完成特定動作,同時接收傳感器的反饋信息形成穩定閉環控制。

圖3 機械手示意圖Fig.3 Schematic diagram of manipulator

1.1.3移動小車 移動小車主要由平移機構、升降機構、頂輪機構、電控盤和車體組成(圖4)。平移機構由步進電機、滾珠絲桿、直線導軌以及固定平臺組成,具有機械手固定與水平移動功能,行程為-250～250 mm,定位精度±0.5 mm。升降機構由步進電機、升降底板、直線軸承、導向軸和頂升機組成,控制機械手垂直方向的升降,行程為0～500 mm,定位精度±1 mm。頂輪機構由手輪、梯形絲桿、導向軸、頂輪以及連桿等組成,用于不同軌道之間的水平限位,保證小車前后移動的穩定性,通過旋轉機構頂部的手輪帶動滑塊進行升降移動,通過連桿推拉頂輪架實現頂輪的內外伸縮動作。電控盤主要負責固定如PLC、開關電源、空氣開關等電氣元件。車體由底托、福馬輪、型材支撐柱、升降機構固定板、車體面板、車體側板、推行把手以及數據電源接口和開關等組成,控制系統整體沿束流方向移動及其他機構的安裝固定。

1.2 軟件設計

1.2.1控制系統架構設計 設備控制系統以三菱FX5U系列PLC為主控系統,通過編制PLC程序以及上位機程序,控制Y軸、Z軸電機旋轉和機械手定點移動,實現水平與垂直方向位置的自動與手動定位、機械手不同掃描類型的姿態與軌跡控制,控制系統架構示于圖5。

圖5 控制系統架構Fig.5 Structure of control system

1.2.2上位機軟件設計 上位機軟件采用Windows環境下的C#語言開發,主要由配置菜單欄、測量菜單欄、歷史菜單欄組成(圖6)。配置菜單可實現測量路徑的預設、分析圖例的修改、劑量儀或探測器相關信息配置、機械臂初始位置調整等功能。測量菜單中包含開始測量、停止測量、坐標系顯示方式選擇、設備初始化、設備重新連接、設備報警清除。歷史菜單可查看測量歷史,點擊需要查看的數據條目,查看詳細的測量數據和測量結果,支持數據篩查功能,可將所選條目的測量數據信息導出為Excel類型本地文件。

圖6 上位機軟件配置Fig.6 Functions of computer software

2 實驗方法

為驗證自動化測量系統用于參考輻射場日常劑量學特性的測量,利用研制的自動化測量系統對137Cs多源照射裝置、60Co單源照射裝置和低能、中高能X光機參考輻射場的輻射劑量特性進行實驗測量。

2.1 輻射場劑量率

利用研制的自動化測量系統,結合PTW32005球形電離室、UNIDOS Romeo靜電計對137Cs多源照射裝置、60Co單源照射裝置和低能、中高能X光機參考輻射場的射線束中心軸線上、不同距離處的空氣比釋動能率分布進行測量。

2.2 散射輻射

當放射源線度遠小于探測點到放射源的距離時,放射源可近似為點源計算。理想情況下參考點處的空氣比釋動能率應滿足距離平方反比律,但參考輻射場中各部件(如輻射場中地面、墻面、天花板、定位小車等)及裝置本身都會產生不同程度的散射輻射,參考點處的空氣比釋動能率不會完全滿足距離平方反比律[4-5]。根據ISO4037-1:2019[6]和GB/T 12162.1—2000[7],須用移除實驗和平方反比實驗來驗證輻射場中散射輻射貢獻不超過5%。

2.2.1移出實驗 利用電離室測量射線束中心軸上某點處空氣比釋動能率,將電離室沿垂直于射線束軸線的平面上移出射線束并等于2倍射線束半徑加半影區的距離后,測量該點的空氣比釋動能率,其值應小于或等于射線束中心軸的空氣比釋動能率的5%。

2.2.2平方反比實驗 利用電離室測量射線束中心軸上不同距離處空氣比釋動能率,這些空氣比釋動能率應在5%以內正比于焦斑到探測器距離平方的倒數。

2.3 輻射場均勻性

輻射場均勻性是影響標準輻射場對儀器儀表檢定校準工作準確性及有效性的關鍵因素[4-5]。利用自動化測量系統的均勻性測量功能,配合電離室快速掃描137Cs多源照射裝置、60Co單源照射裝置和低能、中高能X光機參考輻射場1 m處的均勻性,步長為1 cm。

3 結果與討論

3.1 輻射場劑量率

輻射場劑量率測量結果均經過空氣衰減因子修正,結果列于表1。由表1數據可得,自動化測量系統測量得到距離137Cs多源照射裝置和60Co單源照射裝置1～6 m處,經空氣衰減修正后的空氣比釋動能率范圍分別為0.67～25.61 mGy/h和0.19～7.25 Gy/h,滿足環境水平、輻射防護水平和治療水平的劑量儀表檢定校準需求。

表1 γ射線參考輻射場劑量率分布Table 1 Air kerma rate distribution in gamma ray reference radiation field

表2和表3分別為利用自動化測量系統對中高能X光機的N系列、L系列、RQR系列輻射質和低能光機的N系列輻射質不同距離處空氣比釋動能率測量結果,在1%內與距離平方倒數成正比,滿足ISO4037-1:2019[6]和GB/T 12162.1—2000[7]的設計要求,可用于劑量儀表的檢定校準。

表2 X射線參考輻射場劑量率分布-中高能X光機Table 2 Air kerma rate distribution in X-ray reference radiation field, medium-energy and high-energy X-ray machine

表3 X射線參考輻射場劑量率分布-低能X光機Table 3 Air kerma rate distribution in X-ray reference radiation field, low-energy X-ray machine

3.2 散射輻射

利用自動化測量系統指定路徑測量功能對137Cs多源照射裝置、60Co單源照射裝置和低能、中高能X光機參考輻射場的散射輻射進行測量,開展1 m處移出實驗,結果列于表4;開展平方反比實驗,137Cs源、60Co源及部分X光機輻射質測試結果示于圖7。

表4 參考輻射場散射輻射-移出實驗Table 4 Moving-out experiment results of scattered radiation in reference radiation field

a——137Cs γ射線參考輻射場;b——60Co γ射線參考輻射場;c——低能X射線參考輻射場;d——中高能X射線參考輻射場圖7 參考輻射場散射輻射-平方反比實驗Fig.7 Inverse square experiment result of scattered radiation in reference radiation field

由表4可得,137Cs多源照射裝置、60Co單源照射裝置和低能、中高能X光機參考輻射場中,1 m處移出空氣比釋動能率占束中的百分比分別為3.95%、1.57%、2.66%和3.39%。由圖7可知,137Cs多源照射裝置、60Co單源照射裝置和低能、中高能X光機參考輻射場的空氣比釋動能率分別在0.002%、0.012%、0.047%和0.036%的相對誤差范圍內符合平方反比規律。各參考輻射場均能滿足ISO4037-1:2019[6]和GB/T 12162.1—2000[7]的散射輻射要求。

3.3 輻射場均勻性

各參考輻射場均勻性測量結果示于圖8～圖9。由圖8可得,距離1 m處137Cs多源照射裝置的輻射場照射野直徑為22 cm,60Co單源照射裝置輻射場照射野直徑為14 cm。由圖9可得,距離1 m處低能X光機輻射場照射野直徑為16 cm,中高能X光機輻射場照射野直徑為7 cm。各參考輻射場照射野均勻性均不超過5%,滿足ISO4037-1:2019[6]和GB/T 12162.1—2000[7]的均勻性要求。

a——低能X射線;b——中高能X射線 圖9 X射線參考輻射場均勻性Fig.9 Uniformity of X ray reference radiation field

a——137Cs多源照射裝置;b——60Co單源照射裝置圖8 γ射線參考輻射場均勻性Fig.8 Uniformity of gamma ray reference radiation field

由圖9可知,兩個X光機參考輻射場照射野內均出現一端空氣比釋動能率略高于另一端的現象。分析是因為X光機的陽極金屬靶存在一定角度,電子打靶產生的X射線向陽極運動到達靶面的距離不同,X射線穿行的金屬靶厚度不同,衰減的程度也不同[8]。靠近陽極端出射的X射線衰減能量更多,因此,陽極端的X射線強度略低于陰極端,即“陽極跟效應”[8-10]。

以60Co單源照射裝置為例,輻射場建立時考慮到安全性和對工作人員的影響,配備了3道安全聯鎖裝置,裝置啟停一次至少用時6 min,加上進入實驗室人工調整探測器位置、等待探測器穩定后讀數、記錄等,均勻性測量中每一個點用時至少9 min,整個均勻性測量約需7.5 h,非常耗時,且人工定位也增大了測量不確定度。而自動化測量系統具有預設運行軌跡、自動測量并記錄的功能,掃描測量整個輻射場均勻性(50個測量點,步長1 cm)用時僅10 min,大幅縮短了測量時長,提高了工作效率,且自動機械定位誤差為±0.5 mm,實現了快速精確測量。同時,測量過程中減少了人員反復進入實驗室中調試時長,大幅降低了操作人員的個人劑量,一定程度上實現了輻射防護最優化原則。

4 結論

1) 利用自動化輻射場劑量學特性測量系統開展輻射場劑量率范圍、均勻性、散射輻射測量,具有工作效率高、定位精度高等優點,解決了傳統輻射場輻射劑量特性測量耗時、人工定位誤差大的難題,實現了快速精確測量。

2) 自動化測量系統的預設路徑、自動測量功能,相比傳統測量過程,可大幅減少人員手動操作工作量,貫徹落實輻射防護最優化原則。

3) X、γ射線參考輻射場的均勻性、散射輻射等技術參數均滿足ISO4037-1:2019和GB/T 12162.1—2000標準要求,具備開展計量檢定校準工作的技術能力。