質子束水量熱計中量熱芯的超純水制備與預輻照

王菲菲,高 飛,丁雨陽,王子業,董璐琪,王靖謙,劉蘊韜

(中國原子能科學研究院 計量與校準技術重點實驗室 中核核工業計量與測試技術重點實驗室,北京 102413)

目前國內尚不存在質子束水吸收劑量量值傳遞體系,質子束水吸收劑量為空白參數,不利于質子治療水吸收劑量的準確定值。質子束在水中的吸收劑量通常利用量熱法(水量熱計)、Fricke劑量法[2]、電離法進行測量。其中水量熱法是最直接、最基本的方法,也是一種測量水吸收劑量的絕對方法[3]。質子束水量熱計一般由恒溫隔熱系統、水模體和量熱芯等組成,量熱芯為測量輻射溫升效應的關鍵器件。但在使用量熱芯測量輻射溫升時,輻射與水中的雜質會產生輻射化學反應造成熱損失[4-6],從而影響劑量測量的精準性。本研究針對量熱芯的熱損修正問題,設計氣體飽和超純水系統,并利用該系統制備的超純水對量熱芯進行清洗及內部填充,并通過預輻照實驗,使量熱芯超純水中O2充分發生輻解反應,減少水中雜質及其產生的化學反應熱造成的熱損失對水吸收劑量測定結果的影響,為水吸收劑量的絕對測量及精準定值提供技術支持。

1 量熱芯研制

質子束水量熱計是質子束水吸收劑量的絕對測量裝置,由恒溫隔熱系統、水模體和量熱芯等組成,質子束水量熱計原理樣機結構示于圖1[7]。質子束水量熱計的工作原理為質子束照射到水模體中,通過沉積釋放能量,引起水模體溫度的變化[8]。量熱芯的熱敏探針靈敏度較高,水溫的變化引起量熱芯阻值的變化,進而破壞惠斯通電橋的平衡。通過測量惠斯通電橋電壓的改變量計算得到輻射溫升的改變量,結合水模體的比熱容,得到水吸收劑量的絕對值。

圖1 質子束用水量熱計裝置原理樣機結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of the principle prototype of the proton beam water calorimeter device

量熱芯采用熱敏探針作為溫升測量傳感器,搭配交流電橋測量熱敏探針阻值變化的方法,將輻射溫升的測量轉換為:1) 熱敏探針阻值隨溫度變化的測量;2) 熱敏探針因輻射溫升產生阻值變化的測量。根據交流電橋測量系統的工作原理可知,可首先測量交流電橋測量系統中某一特定阻值變化產生的輸出電壓ΔR/ΔV的關系,再測量輻射溫升引起的阻值變化在系統中產生的輸出電壓變化ΔV,由式(1)計算ΔR。

(1)

式中,ΔR為熱敏探針阻值變化,Ω;ΔV為電橋輸出電壓變化。

因此,輻射溫升的測量分為三步:首先在輔助溫度校準的水槽測量熱敏探針阻值隨溫度變化的關系,計算熱敏探針阻值變化和溫度變化的關系ΔT/ΔR,并給出熱敏探針的R0和β值;其次在無輻射的情況下,通過改變平衡電橋的阻值,計算電橋輸出電壓變化,獲得測量系統電壓變化隨阻值變化的關系ΔR/ΔV;最后在輻照下,計算交流電橋測量系統因輻射產生的電壓變化ΔV,可由式(2)計算輻射溫升。

(2)

量熱法測量水吸收劑量絕對劑量轉換成式(3):

Dw=ΔTw·cw·kc·kv·kp·

(3)

式中,cw為量熱芯里超純水的比熱容,J/(kg·K);ΔTw為量熱芯中水溫的變化,K;kc為熱傳導修正項,是非水材料和水中劑量分布帶來的傳導溫度變化,可通過熱力學模型計算得到;kv為熱對流修正項,溫度梯度導致液體流動帶來的溫度變化,熱敏探針在較低功率運行,并控制量熱芯水溫工作在4 ℃[5];kp為輻射場擾動修正項,即熱敏探針和量熱芯帶來的輻射場擾動,可利用MCNP軟件模擬單能質子束入射條件下,不同玻璃層厚度量熱芯及有無熱敏探針時的輻射場劑量分布變化得到該修正項[9];kdd為剖面劑量梯度修正項,兩個熱敏探針測量點與中心點的劑量差異,可通過電離室進行剖面劑量逐點測量并求比得到;kρ為校準時水密度變化修正項,4 ℃與20 ℃時水密度變化會引起測量點處水深差異,可通過密度求比得到;kHD為熱損修正項,為絕對測量中的主要修正項。量熱芯由于熱損的存在使得吸收劑量與溫升不呈正比關系,實際水量熱法直接測量水吸收劑量十分困難,所以該項為關鍵修正因子,因此針對質子束的水吸收劑量絕對測量中量熱芯熱損的修正問題,通過利用超純水清洗量熱芯減少水中雜質的影響,以及使用氣體飽和超純水填充量熱芯,最大程度減少輻射化學反應的產額,減少或避免水中的熱損對絕對測量的影響[10]。

2 超純水制備單元設計

2.1 超純水使用場景

使用水量熱計測量質子束水吸收劑量實驗前準備和運行過程中用到超純水:(1) 絕熱水模體內部、量熱芯支架及量熱芯等部件的清洗過程。水模體、量熱芯玻璃容器、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)支架等部件由于機加工導致表面被有機雜質所污染,這些雜質若不及時清除,將會與輻射發生反應,反應產生的熱量導致水溫升高。為了減少雜質對量熱測定結果的影響,必須利用超純水進行多次清潔。(2) 量熱芯內部需采用氣體飽和超純水填充。水中的溶解氧可引起化學熱缺陷,為了減小量熱芯內部溶解氧含量,避免因溶解氧產生的化學反應熱對量熱測定結果的影響,必須利用氣體飽和超純水對量熱芯進行填充。

2.2 超純水的制備

超純水是在純水的基礎上進一步將水中的導電介質幾乎完全去除,又將水中不離解的膠體物質、氣體及有機物均去除至很低程度的水。超純水的含鹽量在0.3 mg/L以下,電導率小于0.2 μs/cm。

在進行超純水的制備前,需要先進行純水制備。純水制備方法是:自來水經純水過濾系統以去除其中的懸浮固體、95%的溶解性雜質,將水中總有機碳(TOC)控制在30 μg/L以內,此時水的電阻率大于5 MΩ·cm。

純水制備完畢后,首先,將純水引入Milli-Q Advantage A10產水單元的Q-Gard預處理純化柱中進行預處理;隨后,預處理過的純水流經雙波長(184 nm和254 nm)紫外光燈,確保水中有機分子的氧化和細菌的消亡;然后,利用內置的Quantum精制純化柱去除痕量級的離子和有機污染物,以達到實驗水質的要求;最后,經過處理的超純水通過低溶出管道循環到Q-POD取水單元,使用TOC監測儀和高靈敏度電阻率測量儀測量水中TOC和電阻率水平。取水單元的終端精制器連接到取水點,并滿足對量熱計部件的清洗需要,整個超純水制備單元構成示于圖2。

圖2 超純水制備單元流程圖Fig.2 Flow chart of ultrapure water preparation unit

在完成超純水的制備后,通過Q-POD取水單元的彩色界面上可得到制取超純水的信息,主要技術指標列于表1。

表1 超純水水質主要技術指標Table 1 Main technical indexes of ultrapure water quality

3 氣體鼓泡

3.1 充入氣體的選擇

為使最小化熱損對水吸收劑量絕對測量的影響最小化,選擇在量熱芯內注入H2,以得到H2飽和氣體水,可以最大程度減少輻射化學反應的產額。由于OH基很可能是輻射化學反應的主要反應物,而H2清除了OH自由基,并且H2飽和水會快速達到穩定狀態,所以H2飽和水是水量熱計測量輻照溫升的最佳選擇。

3.2 氣體飽和單元

氣體飽和單元主要由高純氣瓶、氣體流量計、通風櫥及連接導管構成,流程示于圖3。

圖3 氣體飽和單元流程圖Fig.3 Flow chart of gas saturation unit

利用制備好的超純水,對量熱芯各組件進行充分清洗。將量熱芯容器注滿超純水,裝入熱敏探針并調整探針位置到玻璃容器中心。然后在通風櫥內,從量熱芯底部使用氣體流量計將高純H2以100 cm3/min的速度充入水中鼓泡120 min,使水中達到H2飽和。實驗用H2純度為99.999%(O2含量<5 ppm,總烴<1 ppm)。完成充氣后,關閉充氣端口,密封量熱芯。鼓泡實驗中導管放置位置示于圖4,高純H2管道通過圖中標注的“導管插入口”置入量熱芯內部進行鼓泡實驗。

圖4 鼓泡實驗中導管放置位置示意Fig.4 Schematic diagram of catheter placement in the bubbling experiment

4 量熱芯預輻照

4.1 實驗設備

利用超純水填充量熱芯,并利用高純H2進行鼓泡實驗,最大程度減少水中有機物及其他氣體雜質。完成上述步驟并封裝量熱芯后,需要通過預照射實驗使量熱芯超純水中O2充分發生輻解反應,最小化量熱芯熱損對水吸收劑量絕對測量的影響,為水吸收劑量絕對測量做準備。

預輻照實驗中輻射場由Elekta Synergy醫用直線加速器產生,并對水量熱計裝置進行預輻照。質子束水量熱計裝置在參考輻射場下的實驗布局示于圖5,將水量熱計裝置放置在移動支架上,并旋轉加速器機頭至水平角度,即90°位置。調節水量熱計高度使量熱芯和射束入射口以及加速器機頭出束射束處于同一水平線上,并控制出束位置到水模體距離為100 cm。環境溫度為(20±5) ℃,相對濕度≤80%,氣壓為86～106 kPa。

圖5 預輻照實驗布局示意圖Fig.5 Schematic diagram of layout of pre-irradiation experiment

4.2 預輻照

將質子束水量熱計裝置按照圖5所示方式安裝并完成相應調試后,按照不同能量方式對質子束水量熱計裝置進行預輻照。將質子束水量熱計在6、10、25 MeV光子輻射場中分別開展預輻照實驗,每組輻照10次,輻照劑量不小于200 Gy,預輻照實驗后期部分實驗數據列于表2。

表2 預輻照實驗數據Table 2 Experimental data of pre-irradiation

由表2數據可知,電子束輻照下每組惠斯通電橋測量信號統計漲落為0.2%,測量信號結果平穩,測量系統已近似達到零熱損狀態。

5 小結

為確保利用水量熱法直接測量水吸收劑量的準確性,需保證射束能量沉積完全轉化為溫升。但水中雜質及有機物的吸熱或化學反應放熱會導致熱損,使量熱芯測得的溫升不能真實表征水吸收劑量。為控制熱損對輻射溫升測量的影響,最大程度除去水中有機物,本研究利用超純水填充量熱芯,并利用H2進行鼓泡實驗,最大程度減少水中有機物及其他氣體雜質,最小化量熱芯熱損對水吸收劑量絕對測量的影響,使量熱芯內水環境達到無熱損的穩定狀態。在光子輻射場中開展量熱芯預輻照實驗,累積輻射劑量不小于200 Gy。預輻照實驗后期每組測量數據統計漲落約為0.2%,測量系統已近似達到零熱損狀態。為后續水吸收劑量絕對測量提供了重要參考。