王子琳,高 飞,刘蕴韬,侯金兵,王菲菲,丁雨阳,刘佳瑞

(中国原子能科学研究院,北京 102413)

电离辐射计量是研究各种电离辐射与物质相互作用的理论,并对表述辐射源或辐射场以及电离辐射与物质相互作用的物理量进行测量[1]。完善计量量值传递手段,改进量值溯源体系,对提高电离辐射计量技术的综合能力和保障能力,确保参考辐射场的量值准确可靠至关重要,因此需定期对参考辐射场开展辐射场散射辐射、均匀性等剂量学特性测量[2]。

常用的辐射场剂量学特性测量方法主要有指型电离室扫描测量和矩阵电离室测量,但这两种方法各有局限性:利用指型电离室扫描测量需要多次启停γ射线照射装置或X光机,人工调整电离室位置,测量定位误差大且耗时长,仅辐射场均匀性测量需约7.5 h;矩阵电离室能快速测量辐射场的均匀性和对称性,但测量点位固定、不能随实际需要变化布点[3]。为提高测量精度和工作效率,提升计量检定校准的服务能力,有必要研究一种新型辐射场剂量学特性自动化测量技术。

为提高辐射场剂量学特性的测量效率、准确性及安全性,本研究研制一套新型辐射场剂量学特性自动化测量系统,并利用自动化测量系统对137Cs γ射线参考辐射场、60Co γ射线参考辐射场和低能、中高能X射线参考辐射场的剂量率分布、散射辐射特性、均匀性等剂量学特性开展研究。

1 辐射场剂量学特性自动化测量系统设计

辐射场剂量学特性自动化测量系统(以下简称自动化测量系统)主要由硬件部分和自编控制软件构成,该系统可实现X射线、γ射线、β射线和电子束等参考辐射场内指定轨迹的自动、半自动测量及数据存取。

1.1 机械结构设计

自动化测量系统的硬件部分由探头夹具、机械手和移动小车组成,结构示于图1。

图1 辐射场剂量学特性自动化测量系统示意图(a)和实物图(b)Fig.1 Schematic diagram (a) and photograph (b) of the automated measurement system for the radiation field

1.1.1探头夹具 探头夹具由夹具底座和夹具盖板组成,夹具底座固定在机械手末端,夹具盖板可通过螺丝调节其与夹具底座之间的机械距离,实现固定部位直径在10～20 mm之间内探头的固定(图2)。

图2 探头夹具示意图Fig.2 Schematic diagram of detector fixture

1.1.2机械手 机械手选用埃夫特ER7-700型小负载桌面型机器人,主要由机器人本体、电控柜和示教器三部分组成(图3),可搬运7 kg负载。机器人本体包括手部和运动机构,手部可配合探头夹具抓持电离室(或其他物件)的部件。运动机构可使手部完成各种转动、移动或复合运动来实现设定动作,改变被抓持物件的位置和姿势。电控柜通过对机械手本体6个自由度电机的控制完成特定动作,同时接收传感器的反馈信息形成稳定闭环控制。

图3 机械手示意图Fig.3 Schematic diagram of manipulator

1.1.3移动小车 移动小车主要由平移机构、升降机构、顶轮机构、电控盘和车体组成(图4)。平移机构由步进电机、滚珠丝杆、直线导轨以及固定平台组成,具有机械手固定与水平移动功能,行程为-250～250 mm,定位精度±0.5 mm。升降机构由步进电机、升降底板、直线轴承、导向轴和顶升机组成,控制机械手垂直方向的升降,行程为0～500 mm,定位精度±1 mm。顶轮机构由手轮、梯形丝杆、导向轴、顶轮以及连杆等组成,用于不同轨道之间的水平限位,保证小车前后移动的稳定性,通过旋转机构顶部的手轮带动滑块进行升降移动,通过连杆推拉顶轮架实现顶轮的内外伸缩动作。电控盘主要负责固定如PLC、开关电源、空气开关等电气元件。车体由底托、福马轮、型材支撑柱、升降机构固定板、车体面板、车体侧板、推行把手以及数据电源接口和开关等组成,控制系统整体沿束流方向移动及其他机构的安装固定。

1.2 软件设计

1.2.1控制系统架构设计 设备控制系统以三菱FX5U系列PLC为主控系统,通过编制PLC程序以及上位机程序,控制Y轴、Z轴电机旋转和机械手定点移动,实现水平与垂直方向位置的自动与手动定位、机械手不同扫描类型的姿态与轨迹控制,控制系统架构示于图5。

图5 控制系统架构Fig.5 Structure of control system

1.2.2上位机软件设计 上位机软件采用Windows环境下的C#语言开发,主要由配置菜单栏、测量菜单栏、历史菜单栏组成(图6)。配置菜单可实现测量路径的预设、分析图例的修改、剂量仪或探测器相关信息配置、机械臂初始位置调整等功能。测量菜单中包含开始测量、停止测量、坐标系显示方式选择、设备初始化、设备重新连接、设备报警清除。历史菜单可查看测量历史,点击需要查看的数据条目,查看详细的测量数据和测量结果,支持数据筛查功能,可将所选条目的测量数据信息导出为Excel类型本地文件。

图6 上位机软件配置Fig.6 Functions of computer software

2 实验方法

为验证自动化测量系统用于参考辐射场日常剂量学特性的测量,利用研制的自动化测量系统对137Cs多源照射装置、60Co单源照射装置和低能、中高能X光机参考辐射场的辐射剂量特性进行实验测量。

2.1 辐射场剂量率

利用研制的自动化测量系统,结合PTW32005球形电离室、UNIDOS Romeo静电计对137Cs多源照射装置、60Co单源照射装置和低能、中高能X光机参考辐射场的射线束中心轴线上、不同距离处的空气比释动能率分布进行测量。

2.2 散射辐射

当放射源线度远小于探测点到放射源的距离时,放射源可近似为点源计算。理想情况下参考点处的空气比释动能率应满足距离平方反比律,但参考辐射场中各部件(如辐射场中地面、墙面、天花板、定位小车等)及装置本身都会产生不同程度的散射辐射,参考点处的空气比释动能率不会完全满足距离平方反比律[4-5]。根据ISO4037-1:2019[6]和GB/T 12162.1—2000[7],须用移除实验和平方反比实验来验证辐射场中散射辐射贡献不超过5%。

2.2.1移出实验 利用电离室测量射线束中心轴上某点处空气比释动能率,将电离室沿垂直于射线束轴线的平面上移出射线束并等于2倍射线束半径加半影区的距离后,测量该点的空气比释动能率,其值应小于或等于射线束中心轴的空气比释动能率的5%。

2.2.2平方反比实验 利用电离室测量射线束中心轴上不同距离处空气比释动能率,这些空气比释动能率应在5%以内正比于焦斑到探测器距离平方的倒数。

2.3 辐射场均匀性

辐射场均匀性是影响标准辐射场对仪器仪表检定校准工作准确性及有效性的关键因素[4-5]。利用自动化测量系统的均匀性测量功能,配合电离室快速扫描137Cs多源照射装置、60Co单源照射装置和低能、中高能X光机参考辐射场1 m处的均匀性,步长为1 cm。

3 结果与讨论

3.1 辐射场剂量率

辐射场剂量率测量结果均经过空气衰减因子修正,结果列于表1。由表1数据可得,自动化测量系统测量得到距离137Cs多源照射装置和60Co单源照射装置1～6 m处,经空气衰减修正后的空气比释动能率范围分别为0.67～25.61 mGy/h和0.19～7.25 Gy/h,满足环境水平、辐射防护水平和治疗水平的剂量仪表检定校准需求。

表1 γ射线参考辐射场剂量率分布Table 1 Air kerma rate distribution in gamma ray reference radiation field

表2和表3分别为利用自动化测量系统对中高能X光机的N系列、L系列、RQR系列辐射质和低能光机的N系列辐射质不同距离处空气比释动能率测量结果,在1%内与距离平方倒数成正比,满足ISO4037-1:2019[6]和GB/T 12162.1—2000[7]的设计要求,可用于剂量仪表的检定校准。

表2 X射线参考辐射场剂量率分布-中高能X光机Table 2 Air kerma rate distribution in X-ray reference radiation field, medium-energy and high-energy X-ray machine

表3 X射线参考辐射场剂量率分布-低能X光机Table 3 Air kerma rate distribution in X-ray reference radiation field, low-energy X-ray machine

3.2 散射辐射

利用自动化测量系统指定路径测量功能对137Cs多源照射装置、60Co单源照射装置和低能、中高能X光机参考辐射场的散射辐射进行测量,开展1 m处移出实验,结果列于表4;开展平方反比实验,137Cs源、60Co源及部分X光机辐射质测试结果示于图7。

表4 参考辐射场散射辐射-移出实验Table 4 Moving-out experiment results of scattered radiation in reference radiation field

a——137Cs γ射线参考辐射场;b——60Co γ射线参考辐射场;c——低能X射线参考辐射场;d——中高能X射线参考辐射场图7 参考辐射场散射辐射-平方反比实验Fig.7 Inverse square experiment result of scattered radiation in reference radiation field

由表4可得,137Cs多源照射装置、60Co单源照射装置和低能、中高能X光机参考辐射场中,1 m处移出空气比释动能率占束中的百分比分别为3.95%、1.57%、2.66%和3.39%。由图7可知,137Cs多源照射装置、60Co单源照射装置和低能、中高能X光机参考辐射场的空气比释动能率分别在0.002%、0.012%、0.047%和0.036%的相对误差范围内符合平方反比规律。各参考辐射场均能满足ISO4037-1:2019[6]和GB/T 12162.1—2000[7]的散射辐射要求。

3.3 辐射场均匀性

各参考辐射场均匀性测量结果示于图8～图9。由图8可得,距离1 m处137Cs多源照射装置的辐射场照射野直径为22 cm,60Co单源照射装置辐射场照射野直径为14 cm。由图9可得,距离1 m处低能X光机辐射场照射野直径为16 cm,中高能X光机辐射场照射野直径为7 cm。各参考辐射场照射野均匀性均不超过5%,满足ISO4037-1:2019[6]和GB/T 12162.1—2000[7]的均匀性要求。

a——低能X射线;b——中高能X射线 图9 X射线参考辐射场均匀性Fig.9 Uniformity of X ray reference radiation field

a——137Cs多源照射装置;b——60Co单源照射装置图8 γ射线参考辐射场均匀性Fig.8 Uniformity of gamma ray reference radiation field

由图9可知,两个X光机参考辐射场照射野内均出现一端空气比释动能率略高于另一端的现象。分析是因为X光机的阳极金属靶存在一定角度,电子打靶产生的X射线向阳极运动到达靶面的距离不同,X射线穿行的金属靶厚度不同,衰减的程度也不同[8]。靠近阳极端出射的X射线衰减能量更多,因此,阳极端的X射线强度略低于阴极端,即“阳极跟效应”[8-10]。

以60Co单源照射装置为例,辐射场建立时考虑到安全性和对工作人员的影响,配备了3道安全联锁装置,装置启停一次至少用时6 min,加上进入实验室人工调整探测器位置、等待探测器稳定后读数、记录等,均匀性测量中每一个点用时至少9 min,整个均匀性测量约需7.5 h,非常耗时,且人工定位也增大了测量不确定度。而自动化测量系统具有预设运行轨迹、自动测量并记录的功能,扫描测量整个辐射场均匀性(50个测量点,步长1 cm)用时仅10 min,大幅缩短了测量时长,提高了工作效率,且自动机械定位误差为±0.5 mm,实现了快速精确测量。同时,测量过程中减少了人员反复进入实验室中调试时长,大幅降低了操作人员的个人剂量,一定程度上实现了辐射防护最优化原则。

4 结论

1) 利用自动化辐射场剂量学特性测量系统开展辐射场剂量率范围、均匀性、散射辐射测量,具有工作效率高、定位精度高等优点,解决了传统辐射场辐射剂量特性测量耗时、人工定位误差大的难题,实现了快速精确测量。

2) 自动化测量系统的预设路径、自动测量功能,相比传统测量过程,可大幅减少人员手动操作工作量,贯彻落实辐射防护最优化原则。

3) X、γ射线参考辐射场的均匀性、散射辐射等技术参数均满足ISO4037-1:2019和GB/T 12162.1—2000标准要求,具备开展计量检定校准工作的技术能力。