脉冲X射线参考辐射场设计与研究

高 飞,张昕宇,丁雨阳,刘蕴韬,王菲菲,陈义珍,刘佳瑞,倪 宁,王子琳,王子业,赵 旭

(中国原子能科学研究院,计量与校准技术重点实验室,中核核工业计量与测试技术重点实验室,北京 102413)

脉冲X射线具有持续时间短,瞬时剂量率高等特点,其辐射剂量测量难度极大。以ns级的辐射脉冲为例,其单次脉冲剂量往往会达到1 μSv以上,瞬时剂量率可达105Sv/h以上。对于像G-M计数器、半导体探测器等均存在测量堆积和探测死时间问题[1-3],难以达到如此高的剂量率响应,即仪表存在过响应问题,这必然影响监测结果的准确性[4];主动式电子剂量计存在测量时间周期,为了降低剂量计能耗,两次测量周期间隔可达几秒,如果脉冲辐射发生在仪表测量周期间隔时间内,很可能发生漏记事件从而极大地影响测量结果的准确性,造成测量结果严重偏低;人员误闯辐射场事故对于主动式个人剂量计来讲也是一次大剂量的脉冲事件。此外,核临界事故也是典型的脉冲辐射,核临界事故指的是含易裂变材料的系统由于某种意外原因引起的非预计的临界或超临界事件。以某典型的核临界事故为例,总共发生约1019次裂变,在最初的0.5 s内发生了约1018次裂变,接连在数小时内,每间隔约10 min产生一个裂变脉冲,每次裂变持续时间不超过0.5 s。因此,核临界事故产生的中子及X、γ射线属典型的脉冲辐射。为了解决主动式辐射剂量仪的脉冲响应测试技术难题,有必要建立脉冲X射线参考辐射场以解决主动式电子剂量计的校准难题。

国际电工委员会IEC 60846-1:2009[2]中指出主动式辐射剂量仪的响应时间不应大于10 s,因此本文对持续时间小于10 s的电离辐射归为脉冲辐射。对涉及医学诊断、材料测试、射线探伤和科学研究等领域中的脉冲X射线进行分类,列于表1。本文对基于γ放射源、稳态X光机和脉冲X光机建立脉冲参考辐射场的可行性进行探讨,根据实际需要基于多种X射线机研究建立脉冲X射线参考辐射场,并对脉冲宽度、脉冲剂量和瞬时剂量率等辐射特性进行研究。

表1 典型脉冲辐射参数

1 基于γ放射源的脉冲辐射场

根据国际标准化组织ISO 4037-1[5]相关标准要求,在计量标准实验室内需要采用多枚不同活度的同位素放射源(60Co和137Cs)和X光机以建立多种参考辐射用于仪表校准。137Cs同60Co相比,γ射线能量更低,便于屏蔽,因此国际上通常基于137Cs放射源研究建立脉冲辐射场。基于137Cs放射源建立脉冲辐射场通常有两种技术方案,即“稳态源法”和“动态源法”,技术路线如图1和图2所示。

图1 “稳态源法”产生脉冲γ辐射场

图2 “动态源法”产生脉冲γ辐射场

如图1所示,基于“稳态源”和“动态快门”的方式产生脉冲γ射线,“稳态源”产生的γ射线经准直光阑准直后形成连续均匀的γ射线辐射场,经“动态快门”切割后形成脉冲γ射线辐射场。“动态快门”通常采用轮盘设计,如图3所示。要获得快脉冲,需要采用轴承及高速驱动技术对快门进行支撑和旋转。假设轮盘半径为15 cm,切割光阑孔径为3 cm,以转速为60 r/s为例,由此产生的脉冲γ辐射场的脉冲宽度约为0.5 ms,脉冲频率为60 Hz。以目前工艺水平,最高转速可达6 000 r/s以上,由此产生的脉冲γ辐射场的脉冲宽度可达5 μs。此外,相同转速条件下通过调整切割光阑孔径也可调节脉冲宽度,如图4所示,调节轮盘转速可以调节脉冲频率。

图3 轮盘式动态快门

图4 宽光阑轮盘式动态快门

如图2所示,基于“动态源”和“稳态准直光阑”的方式同样可以产生脉冲γ射线。通常将137Cs同位素放射源置于轮盘上,通过旋转轮盘的方式实现γ射线的脉冲输出。通过调节转速可以获得不同的脉冲频率。还可以将137Cs同位素放射源置于屏蔽管道中,利用高压气体推动同位素放射源在屏蔽管道中快速移动以实现γ射线的脉冲输出,原理如图5所示。

图5 气动脉冲γ辐射场

本文列举了几种基于γ辐射源的脉冲γ射线参考辐射场的产生方法,由于γ射线能量高,不便于屏蔽,机械设计难度大,旋转动态快门对轴承强度和同轴度要求较高,不便于加工且后续维护成本高,因此拟基于X光机建立脉冲X射线辐射场,用于开展脉冲辐射剂量仪中低能量范围内的脉冲响应特性研究。

2 脉冲X射线辐射场的建立

2.1 基于稳态X光机的脉冲辐射场

稳态X光机的管电压调节范围为10～225 kV,管电流调节范围为0～15 mA,最大功率2.25 kW,双焦点尺寸分别为0.4 mm和1.0 mm。X光管置于屏蔽箱中,X光管焦点置于准直光阑轴线上,通过脉冲快门实现稳态X射线的脉冲化输出,如图6所示。

图6 基于稳态X光机的脉冲X射线辐射场

本文使用脉冲快门实现稳态X射线的脉冲化输出,脉冲快门由高速气缸、滑轨、气缸支架和钨合金快门等部分组成,如图7所示。快门速度约为1 m/s,可实现脉冲宽度为15 ms的单脉冲X射线输出,距离参考点0.5～3 m处,辐射场直径7～70 cm。

图7 脉冲快门组成图

参考国际标准ISO 4037-1[5]的要求建立窄谱系列脉冲式X射线参考辐射(N系列),参考国际标准IEC 61267—2005[6]的要求建立医用诊断系列脉冲式X射线参考辐射(RQR系列),脉冲X射线辐射质的平均能量参数列于表2和表3。

表2 脉冲X射线参考辐射场中N系列辐射质的基本参数

表3 脉冲X射线参考辐射场中RQR辐射质的基本参数

2.2 基于脉冲X光机的脉冲辐射场

放射诊断X光机是能够产生毫秒级脉冲X射线的典型设备,具有功率高、脉冲宽度可调等优点,因此本文基于放射诊断用X光机建立毫秒级脉冲X射线参考辐射场。脉冲X射线照射装置主要包括:诊断X射线机(包括:高压发生器、旋转阳极X射线管、阳极靶材和Be窗等)、附加过滤、定位装置、准直器、垫板、实验平台、屏蔽室、监视和监测系统以及控制软件等,如图8所示。结合MCNP程序对脉冲X射线参考辐射场进行建模[7-13],计算模型主要包括:阳极靶材、准直光阑、附加过滤、垫板和实验台等,模拟计算了空气比释动能-剂量当量转换因子[14]。脉冲X光机的高压发生器由加拿大生产,该产品采用“电子杠杆”技术精确控制脉冲时间Tpulse,脉冲电压信号无机械惯性延时,控制灵敏,脉冲上升和下降时间分别为0.6 ms和1.2 ms,输出的脉冲波形满足实验要求。旋转阳极X射线管由美国生产,该射线管的靶材料为钨-铼合金。脉冲X射线系统的主要技术指标:管电压范围:40～150 kV,1 kV连续可调;管电流调节范围:1～800 mA;脉冲持续时间Tpulse:1 ms～10 s。基于脉冲X光机并参考IEC 61267[7]和ISO 4037-1[5]标准建立了RQR5、RQR10、N60、N80和N150等辐射质[14-15]。

图8 基于脉冲X光机的参考辐射示意图

如图8所示,脉冲X射线经Be窗、准直光阑、附加过滤准直器和定位装置后垂直向下照射。实验平台尺寸为30 cm×30 cm,位于脉冲X射线参考辐射的轴线上,可在导轨上进行x、y、z三维移动与定位,定位精度1 mm。垫板位于脉冲X射线参考辐射的最底端,由5 mm厚的铝材料制成,能够有效降低地面的散射辐射。

2.3 基于便携式X光机的脉冲辐射场

纳秒级脉冲X射线主要用于加速器辐照应用、辐射加工、放射治疗、瞬态成像和等离子体研究等领域,应用广泛。本文基于美国Golden公司生产的XRS-3便携式脉冲X射线发生器产生纳秒级脉冲X射线参考辐射场,如图9所示。其中便携式脉冲X射线发生器的管电压为270 kV,脉冲宽度为25 ns,频率为15 Hz。附加0.5 mmAl过滤以降低低能X射线,距离便携式脉冲X射线发生器焦点15 cm处设置有监督电离室(德国PTW公司生产,型号为TW34014)和钨合金准直光阑,张角为15°。

图9 纳秒级脉冲X射线辐射场示意图

3 脉冲X射线次级标准电离室

脉冲X射线次级标准电离室由自研的SSPR型平板电离室[16]和德国PTW公司生产的34035型平板电离室组成,量值均溯源至德国联邦物理技术研究院(以下简称德国PTB)。

SSPR型脉冲X射线平板电离室用于确定毫秒级脉冲X射线的单脉冲剂量Dpulse[16],电离室结构如图10所示。

图10 平板型空腔电离室结构示意图

SSPR型脉冲X射线次级标准电离室在连续稳态X、γ射线参考辐射场完成辐射剂量学性能测试后[16],在德国PTB脉冲X射线参考辐射场中进行校准。德国PTB同德国西门子公司共同研建脉冲X射线发生系统,该系统采用“栅控”的方式提供脉冲辐射,上升时间和下降时间可以缩短至50 μs。脉冲X射线管置于屏蔽箱中,沿着射束方向分别设计有快门、附加过滤、准直器、监督电离室和背散射屏蔽器等,结构如图11所示[17]。

图11 德国PTB脉冲X射线照射装置结构图

在对脉冲X射线平板电离室进行校准时,分别使用了德国PTB建立的RQR系列和N系列脉冲X射线参考辐射场,曝光时间分别为:1 ms、10 ms、100 ms和500 ms,次级标准电离室到X光机焦点的距离为70～200 cm,如图12所示。

图12 平板电离室脉冲X射线校准实验

校准过程中自研的脉冲X射线平板电离室置于参考位置处,配合使用PTW公司生产的UNIDOSwebline剂量计,置于辐射剂量档(又称:累积档),开启脉冲X光机,并根据式(1)确定脉冲X射线次级标准电离室的校准因子,具体结果列于表4。

(1)

式中,Kpulse为脉冲X射线参考辐射场中参考点处的单脉冲约定真值,μGy;MSSPR为脉冲X射线次级标准电离室的指示值,μGy;NSSPR为脉冲X射线次级标准电离室的校准因子,无量纲。

SSPR型脉冲X射线次级标准电离室经校准后可用于毫秒级脉冲X射线辐射场的剂量定值工作。此外,将德国PTW公司生产的34035型平板电离室在德国PTB建立的纳秒级脉冲X射线辐射场中进行了校准,其纳秒级脉冲X射线辐射场能量不可调,且管电流不可调,校准用脉冲X光机管电压为220 kV,管电流为0.25 mA,脉冲宽度为25 ns,单脉冲剂量为5.72 μSv。校准后的34035型平板电离室可用于本项目建立的纳秒级脉冲X射线参考辐射场的剂量测量,该电离室校准因子为0.99。

4 脉冲宽度测量系统

脉冲时间测量系统由闪烁体探测元件、光收集器、光电转换器件(Si-PIN光电二极管)、前放、示波器和直流电源等几部分组成。闪烁体探头受到脉冲X射线照射时产生荧光,荧光通过光收集器传送到光电转换器件(Si-PIN光电二极管)产生电信号,经电子学系统显示脉冲X射线持续时间。脉冲宽度测量系统是通过将脉冲辐射转化为脉冲电信号,测量电信号波形宽度得出脉冲辐射的持续时间。根据时间测量的一般要求,测试系统响应需比待测脉冲信号快3倍以上。本工作采用CsI(Tl)晶体作为获取毫秒级脉冲X射线时间的探测器,使用日本Hamamatsu公司的S3590-19型Si-PIN光电二极管作为CsI晶体输出的光电转换器。该型号硅光二极管的光谱响应范围为340～1 100 nm,适用于CsI晶体,其光灵敏度约为0.58 A/W,暗电流最大值约为10 nA,截止频率为40 MHz,经测试,该系统可用于毫秒级脉冲宽度测量,如图13所示。

图13 脉冲时间测量系统

5 脉冲辐射场特性研究

5.1 脉冲时间测量

脉冲时间测量系统会在示波器上显示脉冲X射线输出波形,脉冲时间由式(2)得出:

tpulse=ta-tb

(2)

式中,tpulse为脉冲时间;ta为脉冲起始时间;tb为脉冲结束时间。根据示波器显示的脉冲输出波形确定脉冲时间。脉冲X射线时间宽度tpulse如图14～18所示。

图14 基于稳态X光机的脉冲X射线辐射宽度(平台区+上升沿+下降沿)

图15 基于诊断X光机的脉冲X射线宽度(脉冲宽度:5 ms)

图16 基于诊断X光机的脉冲X射线宽度(脉冲宽度:10 ms)

图17 基于诊断X光机的脉冲X射线宽度(脉冲宽度:50 ms)

图18 基于诊断X光机的脉冲X射线宽度(脉冲宽度:100 ms)

5.2 参考值定值

利用SSPR型脉冲X射线平板电离室对基于稳态X光机和诊断X光机的脉冲X射线参考辐射场剂量进行测量,脉冲次级标准电离室采用相应辐射质下校准因子,测量单位为空气比释动能,可通过乘以相应的转换系数得到周围剂量当量和个人剂量当量[15-17],测量位置到X光机焦点的距离为1 m。利用德国PTW公司生产的34035型平板电离室对便携式脉冲X射线发生器产生的脉冲X射线进行测量,测量单位为个人剂量当量,测量位置到便携式脉冲X射线发生器焦点的距离为1 m。脉冲X射线参考辐射场部分辐射质的单脉冲剂量和瞬时剂量率列于表5。

表5 脉冲X射线参考辐射场剂量测量结果

如表5所示,本文所建立的脉冲X射线参考辐射场可用于开展各类辐射防护仪器及个人剂量计的脉冲辐射响应特性研究,并可为核临界事故γ辐射报警仪提供测试条件。

6 脉冲响应测试

利用已经建立的脉冲X射线参考辐射场对四款主动式辐射剂量仪进行测试,探测器置于脉冲X射线参考辐射场的轴线上,焦点到探测器参考点的距离为1 m,其中个人剂量计配备体模。调节脉冲X光机管电压和管电流,曝光时间分别为10 ms(单脉冲曝光)和25 ns(99次脉冲曝光)。根据式(3)计算主动式探测器的响应:

(3)

式中,Rpulse为主动式探测器的脉冲响应;M为主动式探测器的读数;Dpulse为脉冲X射线辐射场中参考点处的约定真值,该值由研制的SSPR型次级标准电离室测量给出,参考值列于表5。

表6 几种仪表在单次脉冲辐射场中剂量响应情况

表7 几种仪表在连续脉冲辐射场中剂量响应情况

7 结论

本文探讨了基于γ放射源建立脉冲γ射线参考辐射场的可行性,并基于稳态X光机、诊断X光机和便携式X射线发生器建立了脉冲X射线参考辐射场。基于脉冲X射线次级标准电离室和脉冲时间测量系统完成了脉冲X射线参考辐射场辐射剂量特性研究。基于稳态X光机的脉冲X射线参考辐射场脉冲宽度为15 ms,基于脉冲X光机的脉冲X射线参考辐射场脉冲宽度为1 ms～10 s,基于便携式脉冲X射线发生器的脉冲X射线参考辐射场脉冲宽度为25 ns,瞬时剂量率范围为:5 mSv/h～6.7×105Sv/h,可用于开展各类辐射防护仪器及个人剂量计的脉冲辐射响应特性研究,并可为核临界事故γ辐射报警仪提供测试条件。基于所建立的脉冲X射线辐射场针对四款主动式辐射剂量计进行测试,测试结果显示主动式辐射剂量计在脉冲辐射场中响应不足,存在读数偏低的现象,不适用于短脉冲、高剂量率辐射场的剂量测量,在人员误闯事故及核事故情况下,易发生漏记事件,危害人员安全。为了确保放射性工作人员的安全,后续将开展更多种类探测器的脉冲响应特性研究。