60Co放射源輻照裝置輻射場測量

關鍵詞：60Co 輻照裝置;空氣比釋動能率;距離平方反比規律;輻射場均勻性

γ 參考輻射場是電離輻射計量的核心實驗室之一[1-6] 。其量值可準確復現，能夠開展X/ γ 劑量（率）儀的劑量校準、能量響應和角響應等實驗。為確保量值傳遞的可靠性并實現全球范圍的量值統一，許多發達國家依據國際標準化組織ISO4037[7-10] 等標準建立了標準參考輻射場，并通過相互比對來實現量值的傳遞。輻射場空氣比釋動能是γ 參考輻射場的重要指標，國際輻射單位和測量委員會（ICRU）報告明確將其列為電離輻射基本量和單位，并作為國際單位制的導出量[11-12] 。本實驗室依據國家標準[1-4] ，利用放射性核素設計并建立了γ 射線參考輻射標準裝置：高劑量率單源裝置，多能量低劑量率多源裝置。本文重點介紹利用高活度60Co 產生γ 參考輻射的單源裝置性能。

1 儀器組成

1. 1 輻照發生裝置

新建的γ 射線參考輻射標準裝置分為單源裝置和多源裝置。單源裝置裝配一枚出廠活度為3. 7×1014 Bq 的60Co 源，用于產生高劑量率輻射場，最高約為119 Gy/ h（距離放射源0. 8 m 處）。多源裝置裝配了5 枚不同活度的放射源（2. 22×1010 Bq的60Co，1. 85×109、3. 70×1010 和3. 70×1011 Bq 的137Cs以及3. 70×1010 Bq 的241Am），用于產生60 keV～1. 3MeV 能量、不同劑量率覆蓋范圍的輻射場。

單源/ 多源裝置由升降源氣缸、快門、準直器、衰減器、空壓機、鉛容器等部件組成，如圖1 所示。參考ISO 4037[7] 和GB/ T 12162. 1—2000[1] 標準，圓錐形準直器選用鎢合金多板去散射結構，多個光闌順序排列。光闌之間空隙可用來搜集前面光闌邊緣散射的光子，從而降低散射影響。準直器輻射角為12°，頂點位于放射源中心，距離放射源2 m 處的輻射束橫截面直徑約為400 mm。參考GB 18871—2002[13] 、GBZ 114—2006[14] 等國家標準，鉛容器采用防止射線泄露的結構設計并鑄造成型，距源容器外表面5 cm 處任意位置的劑量率不大于2. 0 μSv/ h。

1. 2 機械定位裝置

機械定位裝置主要包括刻度小車、校準平臺、光學軌道和激光定位系統等。該系統用于實現在輻射場中不同空間位置的精密定位以獲得不同劑量率，能夠實現前后、左右、上下等多個維度的平移及360°旋轉，為計量儀器在輻射場中的校準、試驗等提供物理平臺。

1. 3 控制系統

控制系統用于遠程自動控制輻照發生裝置、機械定位裝置并集成安全聯鎖系統，并為上述各部分裝置提供電源?？刂栖浖蓛刹糠謽嫵?，分別為運行在PC 端的上位機軟件和運行在PLC 中的下位機軟件，具有手動控制、遠程控制、實驗全流程自動控制、信息記錄以及劑量率修正等功能。

1. 4 安全聯鎖系統

安全聯鎖系統用于輻射裝置、屏蔽門、急停/解鎖按鈕、報警裝置的聯動，防止不符合流程的誤操作、意外情況下緊急關閉放射源等，防止意外照射事故的發生。安全聯鎖系統的設計與控制系統同步進行、相互配合， 全面提升其安全性和可靠性。

2 性能測試方法與結果

基于單源裝置測試3. 7×1014 Bq 60Co 的γ 輻射參考輻射場的平方反比規律、均勻性、散射影響以及快門過渡時間等性能。

測試實驗采用德國PTW 公司生產的UNIDOSwebline T10022 型標準劑量儀以及英國NE 公司生產的NE2571 指型電離室（有效體積為0. 6 cm3 ）測量輻射場的空氣比釋動能率，該劑量儀與電離室量值溯源至中國原子能科學研究院國防科技工業電離輻射一級計量站。利用激光定位器，將電離室置于輻射場射束的中心位置，測量距離放射源等效中心不同距離處的空氣比釋動能率。

2. 1 平方反比規律驗證

當源的線度（mm 量級）遠遠小于源的等效中心到測量點的距離（m 量級）時，放射源可近似看作為點源，假設γ 光子各向同性發射，則在距離放射源等效中心R 處單位時間內通過的γ 光子數N滿足如下關系：

式中，N0 為放射源單位時間內發射的γ 光子數;S為探測器有效區域截面積;在源的強度一定，探測器確定的情況下，式中N0 和S 為常數，即N∝1/ R2，滿足平方反比規律。對于各向同性的放射源，空氣比釋動能與通過該點的γ 光子數成正比。因此，放射源輻射場中距離放射源不同位置（R1、R2）的兩個點的空氣比釋動能率（K · 1、K · 2）滿足如下關系：

即測量點空氣比釋動能率K · 與測量點到源有效幾何中心距離R 的平方成反比。

圖2（a）顯示了3. 7×1014 Bq 的60Co γ 參考輻射場平方反比規律的測試結果，其中擬合曲線考慮了距離修正。

整體來看，該輻射場的空氣比釋動能率很好地符合距離平方反比規律。擬合結果中距離修正系數b 為0. 019 66，表明輻射場定位精準。為了顯示實驗數據與平方反比規律的差異，畫出了空氣比釋動能率與探測器距離平方的乘積隨源到探測器儀器的距離變化圖，如圖2（b）所示。為了對比，圖中空氣比釋動能率與探測器距離平方的乘積值歸一到距離2 000 mm 處。從圖2（b）可以看出，隨著距離的增大，偏差也越來越明顯。這是因為空氣衰減對輻射場的空氣比釋動能會產生影響[15] ，如果測試過程中對劑量率精度要求很高時，有必要對其進行空氣衰減修正。

2. 2 輻射場均勻性測試

根據GB/ T 12162. 2—2004[2] 的要求：“參考輻射束的截面應足以照射被校準的標準電離室或儀器裝置。整個有用射束截面上比釋動能率的變化應該小于5%，并且散射輻射對總比釋動能率的貢獻應小于5%。”采用上述指型電離室對輻射場進行橫向（水平方向上垂直于束流方向）掃描測量。以射束方向與橫向移動方向的交點為零點，電離室分別以10 mm 步長橫向移動，測量在距離源1 100 mm 處的輻射場空氣比釋動能隨橫向移動距離的變化。

輻射場均勻性測試結果如圖3 所示，空氣比釋動能率歸一到中心點，距離放射源1 100 mm處，當橫向移動距離約為±50 mm 時，空氣比釋動能率衰減到中心值99%（如圖 2 中藍色點線所示），即輻射場均勻性在1%以內的輻射場直徑約為100 mm。根據GB/ T 12162. 1—2000[1] 的要求，距離放射源1 100 mm 處有用射束截面直徑大于200 mm（如圖 2 中紅色實線所示），散射輻射對總比釋動能率的貢獻為0. 7%，小于標準要求的5%。

2. 3 快門過渡時間

GB/ T 12162. 2—2004[2] 要求：“如果標準儀器是通過快門操作來確定的積分型儀器，需要對照射時間進行修正”，可采用“多次照射技術”確定快門過渡時間Δt。本輻射場快門采用氣缸驅動，當監測電路監測到快門到位后，快門開啟時間開始計時;當快門達到設定開啟時間（標稱時間）t 后，系統自動發出信號，快門開始關閉。可見，一次照射實驗測量到的比釋動能K1，是快門開啟時間t 與快門過渡時間（開閉過程）Δt 兩個時間的累積。為了確定快門過渡時間Δt 可采用n 次照射實驗，每次照射的標稱時間為t / n（單位為s），實際照射時間為t / n+Δt，n 次照射的空氣比釋動能總和為Kn ，照射時間為t+nΔt。對于穩定輸出的源有：

選取不同的累積時間、不同的衰減器組合，分別對快門過渡時間進行測試，得到快門過渡時間Δt 約為0. 74 s，測試結果列于表1。

3 結論

本單位設計建設的3. 7×1014 Bq 60Co γ 射線參考輻射標準裝置輻射場符合距離平方反比定律，如對空氣比釋動能精度要求較高，距離放射源大于3 000 mm 的輻射需要考慮空氣衰減修正;距離放射源1 100 mm 處有用射束截面直徑大于200 mm，散射輻射對總比釋動能率的貢獻為0. 7%，均勻性在1% 以內輻射場的直徑約為100 mm，滿足絕大多數電離室劑量計和輻射防護儀表的校準的需要。采用“多次照射技術”確定了快門過渡時間Δt 約為0. 74 s，為累積劑量照射實驗提供了必要的參數。后續，本實驗室將著力推進基于60Co 的γ 射線參考輻射標準裝置的建標工作，建立次級計量標準，結合中子參考輻射場、X光機標準裝置，建成一套射線種類多、劑量率覆蓋范圍廣、能量多樣的參考輻射標準裝置，用于設備校準、屏蔽材料性能檢測等方面。