85Kr测厚源的输出性能研究

彭怡刚，梁斌斌，王子默，巴伟伟，刘 超，高 翔

(原子高科股份有限公司，北京 102413)

85Kr测厚源一般安装在β射线测厚仪上，广泛用于测量纸张、金属箔和锂电极涂布片的厚度或面密度[1-6]。85Kr测厚源的β射线输出强度影响测厚仪的精度，随着市场对测厚仪的精度要求越来越高，测厚仪厂商对放射源β射线输出强度的要求也越来越高。一般相同规格尺寸的85Kr测厚源输出性能和填充活度成正比。但测厚仪厂商反馈，在同等规格尺寸和活度条件下，市场上放射源的输出性能不一致，这可能和各85Kr放射源制造商的制备工艺不同有关。出厂时放射源的填装活度为名义活度的1±10%，但是由于制备工艺不同，导致放射源的输出不一致，从而影响测厚仪的精度。

85Kr测厚源的制备方法是将含一定丰度85Kr的氪气密封在金属壳体(源壳)中[7-9]。在制备测厚源时，影响85Kr测厚源的输出性能除了填装料量，还需考虑源壳材质、85Kr原料的丰度、载气活性区的体积大小。为了提升85Kr测厚源的输出，一种方法是提高填装活度，使其超过名义活度的+10%，但会造成原料气的浪费；另一种是改进制备工艺，即优化源壳材质、85Kr原料气丰度、以及活性区体积，以保证测厚源有较高的射线输出。为了指导85Kr测厚源的制备，本文拟在同等规格尺寸和填装活度条件下，研究源壳材质、85Kr原料的丰度以及载气活性区体积大小对85Kr测厚源输出性能的影响。

1 实验材料

1.1 主要材料

85Kr测厚源源壳：不锈钢与钛材质，GB牌号分别为022Cr17Ni12Mo2与TA1，外形尺寸为φ22 mm×27 mm，其中源窗厚度为30 μm，自行设计研制；5%、20%丰度85Kr原料气：常压下的比活度约2.5 GBq/cm3和10 GBq/cm3，购自俄罗斯RAIMS ltd。

1.2 主要仪器及装置

Kr-85充气系统：可同时对6个源壳充气，充气压力1～5个大气压，原子高科股份有限公司研制；DigiBASE(-E)NaI(Tl)数字化谱仪：美国 ORTEC公司；85Kr源β输出电压装置：源与探测器距离3 cm，探测灵敏面积φ24 mm，原子高科股份有限公司研制。

1.3 85Kr源壳结构

根据活性区大小将85Kr源壳分Ⅰ型和Ⅱ型两种结构，如图1所示。Ⅰ型和Ⅱ型源壳的外形尺寸外壳完全一致，Ⅰ型源壳活性区体积为Ⅱ型的2倍，Ⅰ型结构活性区体积4 cm3，Ⅱ型结构体积2 cm3，两种结构的放射源均通过国家标准规定的安全性能等级 C33322[10]。

a——Ⅰ型源壳；b——Ⅱ型源壳

2 实验过程

2.1 充气实验

准备不锈钢材质和钛材质的Ⅰ型85Kr源壳和Ⅱ型源壳若干个；将源壳接入85Kr充气系统，抽空源壳至内部压力为5 Pa，再释放5%丰度原料气和20%丰度原料气。

充气压力通过公式(1)计算。

(1)

式中：A0为期望载气活度，GBq；Apv为原料气比活度，GBq/cm3；V为活性区大小。

期望载气活度A0为7.4 GBq，5%丰度原料气的Apv为2.5 GBq/cm3·(0.101 MPa)-1，20%丰度原料气的Apv为10 GBq/cm3·(0.101 MPa)-1，Ⅰ型源壳、Ⅱ型源壳活性区大小分别为4 cm3、2 cm3。通过公式(1)计算得出：若充5%丰度原料气，Ⅰ型源需充74.74 kPa，Ⅱ型源需充149.4 kPa；若充20%丰度原料气，Ⅰ型源需充18.69 kPa，Ⅱ型源需充37.38 kPa；实际充气压力列于表1。

表1 实际充气压力和实际充气活度

2.2 测厚源制备

充气结束后，进行剪切、源帽焊接，制备出一批活度(7.4 GBq)相近的85Kr测厚源。

2.3 NaI能谱γ计数率

制备好的85Kr测厚源经过检验不泄露后，采用DigiBASE(-E)NaI(Tl)数字化谱仪测量这批源的伽马能谱计数率，85Kr测厚源与NaI能谱仪探头距离为1 m，测量时本底计数率应小于2 s-1，测量3次，统计平均值。

2.4 输出电压

采用85Kr源β输出电压装置测量这批源的输出电压，85Kr源β输出电压装置的探测探头与β测厚仪完全一致，如图2所示，85Kr测厚源的源窗面发射出的β粒子，经过探测器被吸收，转变为电压信号，经过放大到显示器读取，其测量结果为放射源的输出电压，可以表征85Kr测厚源的β输出性能。

图2 85Kr源β输出电压装置

3 结果与讨论

3.1 NaI能谱γ计数率

KR-0001至KR-0008测厚源的NaI γ能谱仪计数率列于表2，为便于讨论，将测厚源的γ能谱计数率除以实际载气活度得到每1 GBq的计数率归一化值(s-1)。

表2 NaI γ能谱仪计数率

从表2中可以看出，KR-0001至KR-0008测厚源在1 m处的γ能谱计数率相差不大，说明装载活度相同时，源壳材质、原料气丰度、活性区大小对NaI γ能谱计数率影响不大。这是因为在1 m处，NaI能谱仪探测到的是85Kr的衰变分支：强度为514 keV的γ射线，而该能量的γ射线穿透能力强，几乎不发生自吸收，也几乎不被源窗阻挡，强度未发生明显改变，故而该批源的NaI能谱计数率相近。这也表明采用NaI能谱γ计数率可以相对地测量85Kr测厚源的载气活度。

3.2 输出电压

KR-0001至KR-0008测厚源的输出电压结果列于表3，为便于讨论，将源的输出电压除以实际载气活度得到每1 GBq的输出电压。

表3 测厚源β输出电压

3.2.1源壳材质对输出性能的影响 从表3中可以看出，原料气丰度为5%、活性区为I型时，不锈钢材质的KR-0001测厚源输出电压小于钛材质的KR-0003。其余同等原料气丰度、同等活性区体积、不锈钢材质的测厚源输出电压均小于钛材质的测厚源。这说明同等条件下，钛材质的测厚源输出性能高于不锈钢材质的测厚源。

当活性区中的85Kr释放的β射线经过测厚源的源窗时，强度和能量均会发生一定程度的损失。β射线与物质相互作用时，会以电离和辐射的方式产生能量损失[11]；以电离方式发生的单位路程上的能量损失率(-dE/dx)ion，与穿过物质的原子序数Z成正比；以辐射方式发生的单位路程上的能量损失率(-dE/dx)rad，与穿过物质的原子序数Z2成正比。

85Kr的β射线谱为从0～0.672 MeV连续的能量不等的一束电子，辐射能量损失率约为电离能量损失率的2%，穿过钛和不锈钢材质30 μm的源窗后，经过估算，电离能量损失率比值ΔE钛∶ΔE钢约为0.85∶1。

能量损失的同时，射线强度也会发生减弱，主要是射线被吸收引起的，吸收规律近似为[8,11]：

I=I0e-μt

(2)

式中，μ为衰减系数，t为厚度。

线衰减系数μm可表示为μ/ρ，μm和射线能量相关，根据公式(3)可以估算[8]。

(3)

通过公式(3)估算μm=37 cm2/g，而ρ不锈钢=7.8 g/cm3，ρ钛=4.5 g/cm3，t=30 μm，再通过公式(2)可以得到β射线穿过钛材质的源窗后强度约为初始的61%，β射线穿过不锈钢材质的源窗后强度约为初始的42%。β射线穿过钛材质源窗后射线强度约为穿过不锈钢材质源窗的1.45倍，而表3中，钛测厚源的输出电压约为不锈钢测厚源的1.4至1.5倍。

3.2.2原料丰度对输出性能的影响 从表3中可知，测厚源KR-0001和KR-0005均为Ⅰ型源、不锈钢材质，采用20%丰度原料的 KR-0005源输出电压略高于采用5%丰度原料的KR-0001，而其他的测厚源，同等活性区大小、相同材质，20%丰度原料的测厚源输出电压均略高于5%丰度原料的测厚源。

这是因为当载气活度相同时，相同体积条件下，单位体积内的放射性85Kr原子数量相同，如图3所示。图3(a)为采用20%85Kr原料气的放射源，内部压力为P；图3(b)为采用5%85Kr原料气的放射源，内部压力为4P。两种放射源的活度均为A，即图示内含有相同数量的85Kr原子。采用5%丰度原料气的测厚源比20%丰度原料气测厚源的内压更高，单位体积内的非放射性84Kr原子更多，对β射线的自吸收更强，因此5%丰度原料气的测厚源的输出电压略低于20%丰度原料的测厚源。

图3 20%丰度(a)和5%(b)丰度原料气的放射源内部示意图

3.2.3活性区大小对输出性能的影响 从表3中可知，当采用相同材质的源壳、相同丰度的原料气时，Ⅰ型活性区测厚源的输出电压比Ⅱ型活性区测厚源的输出电压小。

活性区大小不同时的放射源内部示意如图4所示。图4(a)Ⅱ型放射源的活性区体积为V，内部压力为P；图4(b)Ⅰ型放射源的活性区体积为2V，内部压力为P/2。两种放射源的活度均为A，即图示内含有相同数量的85Kr原子。当Ⅱ型活性区转变到Ⅰ型活性区时，原料气的体积膨胀，有一部分85Kr原子距离源窗处更远，85Kr原子释放的β粒子会受到源壳内壁的阻挡吸收而不容易从源窗处发射，导致这些85Kr原子的β输出角度更小。即当活性区从大向小转变时，放射源的β射线输出角度逐渐增大，使得更多的β射线进入探测器。因此同等丰度、相同材质条件下，小活性区的测厚源输出电压更高。

图4 活性区大小不同时的放射源内部示意图

4 结论

本文采用85Kr丰度为5%和20%的原料，设计了两种活性区大小不同的源壳结构，采用了两种材质的源壳，制备了一批装载活度约为7.4 GBq的85Kr测厚源，对该批源进行了NaI γ能谱测量和β输出电压测试。结果表明，该批源的γ能谱计数率相近，在其他条件相同时，采用钛材质源壳的测厚源输出电压高于不锈钢，采用小活性区的测厚源输出电压高于大活性区，采用高丰度原料的测厚源输出电压高于低丰度。

因此，在制备某种活度的85Kr测厚源时，为提高测厚源的输出性能，应优先采用高丰度原料，并且尽量减少活性区的大小，在选用源壳材质时，应尽量使用钛材质。