射程法测量低能电子加速器能量方法比较研究

陈义珍 夏 文 张卫东 罗 瑞 林 敏 陈克胜

(中国原子能科学研究院，计量与校准技术重点实验室，北京 102413)

1 引 言

中国电子辐照加速器技术随着加速器制造技术的不断突破，加速器逐渐向产业化发展[1,2]。2018年，国内加速器数量占全球电子辐照加速器总量2 000台的近1/4。而中国用于电线电缆、发泡材料、热缩材料等辐射加工的中低能(5MeV以下)电子辐照加速器约占全国辐射加工加速器数量的90%，达到450余台[2,3]。电子加速器在日常的运行过程中，为有效控制辐照加工工艺，保证被照产品的辐照质量，需定期对加速器关键辐照参数进行检测。而电子束能量是描述电子束辐射场的一个重要物理量，是工业用加速器关键性能指标之一，也是辐射加工工艺过程中的一个重要控制参数，必须测准[4-6]。

本工作中采用射程法测量电子束能量。由于低能电子束穿透能力较弱，组织等效材料加工成小角度的楔形模体难度较大，通常采用叠层模体测量电子束能量。工作中设计加工了叠层和楔形两种不同的能量测量模体，结合中国原子能科学研究院辐射变色薄膜剂量计测量系统[7]，同时测量标称能量为0.65MeV低能电子加速器能量，比较两种不同类型模体是否可用于低能电子束能量的测量及测量的优劣性。

2 能量测量模体

目前，高能电子束能量测量采用磁谱仪和全吸收闪烁谱仪，能量分辨率分别为0.1%和5%。对于能量几MeV以下的电子，可使用半导体为探头的全吸收谱仪，其能量分辨率约为1%。电子束能量也可利用核反应或契伦科夫辐射阈值进行测量[8,9]。上述电子束能量测量方法需要特定的仪器设备，不仅价格昂贵，且操作复杂。由于电子在均匀材料中的入射深度与它们的初始能量成正比，利用这种关系，结合薄膜剂量计测量装置，通过叠层法能量测量模体和楔形能量测量模体可测量参考材料中深度剂量分布，从而确定电子束能量[10]。射程法能量测量方法简单、方便，准确度较高，能满足日常加速器能量监测的需求，且测量仪器设备为分光光度计，实验室也比较普遍。

采用射程法测量低能电子束能量，设计加工了用于3MeV以下电子束能量的测量的楔形和叠层两种不同类型模体。低能电子束能量测量实验在中国电科集团23所进行，对用于电线电缆辐照处理的由美国Wasik公司制造的0.65MeV电子加速器标称能量进行测试。

2.1 叠层能量测量模体

低能电子束一般采用叠层法，低能电子束在给定材料中射程短，但由于薄膜剂量计比较薄，一般为几十μm到一百μm左右，即使300keV电子束在尼龙膜中的穿透深度仅有0.723mm，如果选用约50μm厚的薄膜剂量计置于叠层模体中，也能获得足够的数据点，拟合得到深度分布曲线。

设计加工用于3MeV以下能量测量的叠层模体结构如图1所示，由模体上盖、模体下部分、卡槽三部分组成。模体中部有一10.5mm×12mm的准直孔，并设计了一个可拆卸卡槽，便于取放薄膜剂量计。考虑到边缘效应对薄膜剂量计的影响，模体外横向尺寸设计大于3MeV电子束在叠层材料中的射程的3倍，实际设计为50mm×50mm。模体材料选择密度与薄膜剂量计密度近似，且耐辐照性能较好的聚苯乙烯材料。模体中间用于放置参考材料与薄膜剂量计交替构成的参考叠层或者只用薄膜剂量计构成的参考叠层。单片参考叠层的标称厚度应该是RP/12或者更薄，这样可确保有足量的数据点绘制深度剂量分布曲线。RP是预计的电子实际射程。

图1 叠层测量模体结构图

(0.1～3.0)MeV电子束在尼龙薄膜中的实际射程见表1。模体测量电子束深度-剂量分布曲线时，为了准确得到低能电子束能量，通常先估算电子束标称能量射程，然后按照大于1.5RP参考叠层总厚度，确定模体中放置由参考材料与足够数量的剂量计构成的参考叠层[10]。

表1 (0.1～3.0)MeV电子束在尼龙薄膜中的实际射程

在绘制深度分布曲线时，为了准确确定电子束入射深度，有必要测量每片剂量计厚度。尽量选择厚度均匀的薄膜剂量计构成参考叠层，如果叠层中有使用参考材料，应将参考材料厚度转化成薄膜剂量计等效厚度，避免因深度计算的不准确引起能量测量较大误差。

测试前，按标称能量0.65MeV电子束射程估计叠层总厚度，根据表1，0.7MeV电子束叠层最小厚度为0.368cm，实际需要约60片辐射变色薄膜剂量计组成参考叠层。测试时，将60片10mm×10mm尺寸的辐射变色薄膜剂量计叠放于叠层模体中。为了避免薄膜剂量计相互挤压摩擦导致薄膜剂量计表面出现磨痕，致使测量时吸光度值偏大，每片薄膜剂量计之间放置一层擦镜纸，可以有效保护薄膜剂量计，减小测量误差。

2.2 楔形能量测量模体

对于中高能电子束能量的测量，一般采用轻质金属材料铝加工成楔形模体，配合辐射变色薄膜剂量计测量装置，可测量高能(5MeV以上)电子束能量。楔子法所用剂量计为长条状薄膜剂量计，利用分光光度计连续扫描测量系统，能快速测量深度分布曲线，获得实际射程(Rp值)。对于中低能电子束能量测量，一般选用低密度耐辐照材料加工成楔形模体配合薄膜剂量测量系统测量。但由于低能电子束射程短，低密度楔形能量测量模体的楔子角度要非常小，加工难度较大，因此对于3MeV以下电子束能量测量，实验室一般采用叠层方法。选用密度为1.06g/cm3的聚苯乙烯材料加工楔形模体。该模体设计可测量的电子束能量为(0.5～3.0)MeV，根据该能量段电子束在均匀的聚苯乙烯材料中的实际射程，为了使测量0.5MeV电子束能量时，薄膜剂量计上有足够的测量点，所设计的楔形模体角度足够小，并且外形尺寸满足标准GB/T 16841—2008要求。

设计加工的楔形测量模体结构如图2所示，模体由上下两部分楔子组成，设计的楔子角度仅为8°左右。下部分楔形中间设有一10mm宽、0.2mm深的凹槽，用于布放长条状薄膜剂量计。

图2 楔形测量模体结构图

3 能量测量结果

测试时，将叠放有辐射变色薄膜剂量计的叠层模体与放置有长条状薄膜剂量计的楔形模体一起并放在电子束窗中心正下方70mm处，以静态方式辐照。束流强度设定为2.0mA，线速度为15m/min，辐照时间45s。采用叠层法和楔形法辐射变色薄膜剂量计测得的电子束深度-剂量分布曲线如图3和图4所示。

图3 叠层模体测量得到的0.65MeV电子束深度-剂量分布曲线图

图4 楔形模体测量得到的0.65MeV电子束深度-剂量分布曲线图

根据薄膜剂量计测量的深度-剂量分布曲线，利用射程法在曲线下降最陡处选取部分点做直线拟合，该直线与该曲线尾部韧致辐射剂量的外推线相交，该相交点处所对应的深度为电子束在辐射变色薄膜剂量计材料中的实际射程Rp。根据文献[10]，由Monte Carlo方法推导得到的能量与电子束在聚苯乙烯材料中射程的对应关系(0.3MeV≤E≤2MeV)如下

Ep=1.972Rp+0.245

(1)

Ea=2.421R50+0.278

(2)

式中：Rp——最可几射程，单位：g·cm-2；R50——半值深度，单位：g·cm-2；Ep——最可几能量，单位：MeV；Ea——平均能量，单位：MeV。

对于叠层模体，深度-剂量分布曲线拟合得到的射程实际为电子束在辐射变色薄膜剂量计中的射程，由于剂量计与聚苯乙烯模体材料密度存在一定差异，需要进行射程转换。根据图3，将射程修正到聚苯乙烯材料中的射程为0.215g·cm-2。

对于楔形模体，根据图4，0.65MeV电子束照射聚苯乙烯模体，长条辐射变色薄膜剂量计上有足够的测量点拟合得到深度剂量分布曲线，电子束在聚苯乙烯材料中的射程为0.207g·cm-2。

利用射程法，叠层模体和楔形模体分别结合辐射变色薄膜剂量计剂量测量系统，测量得到的最可几射程Rp、半值深度R50以及最可几能量Ep、平均能量Ea结果见表2。

表2 能量测量结果汇总表

根据表2结果，叠层模体能量测量结果偏高，可能是由于辐射变色薄膜剂量计厚度以及擦镜纸厚度不均匀造成的，薄膜剂量计和擦镜纸数量越多，对结果影响越大。应尽量选择厚度均匀的薄膜剂量计，薄膜剂量计数量能满足曲线拟合即可，一般深度剂量分布曲线20～30个数据点为佳。

楔形模体能量测量结果与标称能量一致性优于±1%。结果符合较好。RP/R50比值与Monte Carlo方法计算得到的单能电子在聚苯乙烯中的RP/R50比值1.344符合较好。

4 结束语

本研究中加工的叠层模体和楔形模体均可用于测量能量低至0.65MeV电子束能量的测量，结果符合较好。与楔形模体相比，叠层模体测量电子束能量时，首先需要预估叠层厚度，根据厚度放置合适数量的薄膜剂量计和参考材料，辐照后需要逐片测量每片剂量计的吸光度值。其次，在拟合深度剂量分布曲线时，需要测量每片薄膜剂量计厚度并扣除引入擦镜纸或其他参考叠层带来的厚度影响。另外，由于薄膜剂量计密度与标准推荐的能量计算公式的参考材料密度不一致，需要进行射程转换，因此，能量计算过程中影响的因素较多，致使测量过程及数据处理过程比较复杂，时间较长，也容易给结果带来较大不确定度。叠层模体与薄膜剂量计结合更适合测量几百keV较低电子束能量；与叠层模体相比，楔形模体测量电子束能量时，测试前期准备一条长膜剂量计即可，辐照后利用分光光度计扫膜测量系统，几分钟即可测量得到剂量深度分布曲线，不需要多余的密度转换等过程，测量方法简便、快速、准确。且设计加工的楔形模体与薄膜剂量计结合可测量(0.65～3.0)MeV能量区间电子束能量。