DZ-124多能量档电子直线加速器辐照关键参数测试

admin管理员组

文章数量:1530864

2024年3月19日发(作者：)

第

55

卷第

"

期

2021

年

"

月

原子能科学技术

Atomic

Energy

Science

and

Technology

Vol.

55,

No.

"

Apr.

2021

DZ-12/4

多能量档电子直线加速器

辐照关键参数测试

陈义珍

，

张卫东,陈克胜

，

罗瑞

，

夏文,徐利军

，

林敏

(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

)

摘要

：中国原子能科学研究院建立了一台

DZ-12/4

多能量档电子直线加速器

，

该装置主要用作辐射加工

级电子束辐照实验平台

％

为了检测该电子束辐照实验平台辐照工艺控制参数

，

本文利用中国原子能科

学研究院

FJL-02

型辐射变色薄膜剂量计对

DZ-12/4

多能量档电子直线加速器关键参数能量进行了测

量,并对研制的束流监测系统法拉第筒的可靠性进行了验证

%

结果表明

,

DZ-12/4

多能量档电子直线加

速器能量在

4

〜

12

MeV

范围可调

，

运行参数准确可靠；

日常运行中

，

加速器运行人员通过监测设备和调

节加速器参数可有效控制并估计辐照剂量

，具有非常好的实用性和简便性

％

关键词

：

辐射变色薄膜剂量计;辐射加工

；

电子束能量

；

电子射程

中图分类号

：

TL99

文献标志码:

A

文章编号

"

000-6931(2021)04-0738-05

doi

：

10.

7538/yzk.

2020.

youxian.

0366

Test

of

Key

Irradiation

Parameter

of

DZ-12/4

Multi-energy

Electron

Linear

Accelerator

CHEN

Yizhen

,

ZHANG

Weidong

,

CHEN

Kesheng

,

LUO

Rui

,

XIA

Wen

,

XU

Lijun

,

LIN

Min

(.National

Key

Laboratory

for

Metrology

and

Calibration

Techniques

,

China

Institute

of

Atomic

Energy

,

Beijing

102413

,

China

)

Abstract

:

DZ-12/

4

multi-energy

electron

linear

accelerator

was

established

at

China

Institute

of

Atomic

Energy

(CIAE

)

.

This

device

is

mainly

used

as

an

electron

beam

irra

­

diation

experimental

platform

for

radiation

processing

level.

In

this

work,

in

order

to

de,ec,,hecon,rolparame,erduring,heirradia,ionprocessof,heDZ-12

/

4

muli-energy

elec,ronlinearaccelera,or

,

,hebeam

energy

,

oneof,hekeyparame,ersof,heelec,ron

linear

accelera,or

was

measured

using,he@AL-02

radiochromic

film

dosime,er

madeby

CIAE

,

and,hereliabili,yof,hedeveloped@aradaycupwhichisusedasabeam

moni,o-

ring

system

was

verified.

The

results

show

that

the

energy

of

the

DZ-12/

4

multi-energy

elec,ronlinearaccelera,orisadjus,ablein,herangeof4-12

MeV

,

and,heoperaing

parame,erisaccura,yopera,ion

,

,heaccelera,oropera,orcane

f

ec-

tively

control

and

estimate

the

irradiation

dose

by

monitoring

equipment

and

adjusting

收稿日期

：

2020-06-02

；

修回日期

：

2020-08-25

作者简介

：

陈义珍

(

1982

-),

女

，

湖北咸宁人

，

副研究员

，

硕士

，

电离辐射剂量专业

第

4

期

陈义珍等:

DZ-12/4

多能量档电子直线加速器辐照关键参数测试

739

accelerator

parameter,

which

has

very

good

practicality

and

simplicity.

Key

words

：

radiochromic

film

dosimeter

；

radiation

processing

；

electron

beam

energy

；

elect3on3ange

我国辐射加工产业经过

30

多年的发展

，

产

束流监测的法拉第筒测量装置

，

用于日常束流

监测

，

便于质量控制

。

业化进程发展较快

，

已成为世界辐射加工技术

行业发展最快的国家

⑴

，

尤其近

10

年来，

辐射

由于辐射变色薄膜剂量计较薄

，

剂量响应

加工装置数量增长迅猛

，

已具备相当规模

％

我

灵敏且测量简便

，

是测量电子束剂量分布

、

能量

国加速器数量从

2008

年底的

140

台

/

套发展到

2017

年的

500

余台/

套

，

占全球电子辐照加速器总

等参数最合适的固体剂量计之一本文利

用中国原子能科学研究院自研的辐射变色薄膜

量

2

000

台

/

套的近

1/4,

总功率超过

3.5

万

kW

。

至

2015

年底

，

设计装源能力为

1.

11X10"

Bq

以上的钻源辐照装置

130

多台

，

占全球总量

300

台的

40%

以上为保障辐射加工产业

持续稳定的发展,辐射加工装置必须建立完善

、

准确可靠的剂量监测系统

，

保证辐照样品的照

射质量

％

由于加速器相对于钻源

，

具有安全性

高

、

后期维护费用少

、

能源利用率高

、

绿色环保

等特点

，

正处于蓬勃发展阶段

％

加速器应用广

泛

，

涉及到辐射化学

、

材料科学

、环境科学

、

医疗

卫生等多个领域

,

已形成新型产业

，

具有很

高的科学价值和经济价值

％

中国原子能科学研究院计量测试部建立了

一台

DZ-12/4

多能量档电子直线加速器

，

能量

具有

6

、

8

、

10

和

12

MeV

档可调

，

标称功率为

4

kW,

脉冲重复频率为

50

〜

350

Hz

。

该加速

器除用于建立电子束参考辐射场

、

研究新型电

子束吸收剂量标准装置性能外

，

还可用作辐射

加工级电子束辐照实验平台

，用于光电器件等

航天产品的抗辐射加固性能研究

、核设施相关

材料辐照老化性能研究

，

纳米

/

功能性材料等辐

照工艺研究及半导体可控硅的辐照改性

、

宝石

辐照增色等

。

DZ-12/4

多能量档电子直线加速

器作为辐射加工级电子束辐照实验平台

，

动态

辐照下

，

通过调节运行参数单次运行辐照剂量

可控制在

50

Gy

〜

2

kGy

范围内变化

，

辐照总

剂量通过增加辐照次数实现

，

能很好地满足多

种电子束辐照实验需要

。

电子加速器在日常运

行中

，

为了更好地控制加工工艺

，

保证产品辐照

质量

，

做好电子束辐照平台服务

，

建立了配套

、

完善的剂量测量系统

，

包括液体化学剂量计标

准装置

、

丙氨酸剂量计测量系统

、

辐射变色薄膜

剂量计测量系统⑷

，

同时研建了一套用于在线

剂量计对

DZ-12/4

多能量档电子直线加速器

关键参数能量进行测量

，

并对研制的剂量监测

设备法拉第筒的可靠性进行验证

。

1

能量测量

在辐射加工生产中

，准确地知道电子束能

量

、

辐照剂量

、束流扫描宽度等辐照参数对辐射

加工有着重要的意义卩

11

*

。

其中

，

电子束能量

直接影响其在辐照产品中的射程和剂量分布

,

为确保辐照产品的吸收剂量均匀

，

必须得到电

子束在辐照产品中的剂量-深度分布曲线

，

这对

于辐照单位确定辐照工艺具有重要意义

。

1.1

高能电子束测量

由于电子在给定材料中穿透的深度正比于

其初始能量

，

利用这种关系采用电子束在均匀

材料中的深度-剂量分布确定电子束的能量

。

与薄膜剂量系统相结合

，

可用楔形和叠层这两

种不同的能量测量模体建立材料中的深度-剂

量分布曲线

。

对于能量超过几个

MeV

的电子

加速器

，

由于电子束在材料中的射程较长

，

通常

采用楔形吸收体来测定能量

（

图

1

）

,

相较于叠

层法,更加方便快捷

。

实验使用

FJL-02

型辐射变色薄膜剂量计对

中国原子能科学研究院建立的

DZ-12/4

多能量

档电子直线加速器的标称束流能量

12

MeV

进行

测试

，调节加速器的脉冲调制器高压

、

微波频率

、

电子枪发射电流等参数,使加速器工作于能量

12

MeV

状态下

，

设重复频率为

180

Hz

、

平均束

流为

150

"A,

在自行加工的楔形铝吸收模体两

个楔子之间沿斜面中线放置经过校准的辐射变

色薄膜剂量计

，

如图

2a

所示

，

辐射变色薄膜剂量

计为长条状,尺寸为

140

mmXlO

mm,

覆盖整个

斜面长度

。

实验时楔形铝吸收模体置于电子加

740

原子能科学技术

第

55

卷

速器钛窗下

50

cm

处传输装置的中心位置

，

以

1.5

m/min

的速度动态辐照一定时间

，

辐照后取

铝模体中的实际射程为

2.

442

cm

。

出辐射变色薄膜剂量计

（

图

2Z

）

,

随着深度的变

化

!

辐射变色薄膜剂量计颜色逐渐发生变化。

图

3

12

MeV

电子束在铝模体中的深度-剂量分布曲线

Fig.

3

Depth-dose

distribution

curve

of

12

MeV

electron

beam

in

aluminum

mould

图

1

楔形测量模体

(

3

"

1.5

?

p

)

Fig.

1

Wedge

measurement

device

(

T

"

1.

5

?

p

)

文献

）

2]

推荐了利用铝模体测量能量的两种

计算方法

,

一种是

ICRU35

号报告经验推导给出

的能量与电子束在铝材料中射程的对应关

系

口

-

4

，

另一种是利用

Monte

Carlo

方法推导出的

能量与电子束在铝材料中射程的对应关系

）

5

]

,

详

细信息列于表

1

（

Monte

Carlo

方法创建的公式是

基于单能电子束理论计算得到的

，

电子束最可几

能量耳与电子束平均能量

E

相等

，

用

<

表示

#

用经验推导方法与用

Monte

Carlo

方法给出

图

2

铝材楔形测量模体

(a)

及辐照后辐射变色薄膜带

(Z)

的最可几能量

E

；

在

4%

以内符合,两种测能结果

Fig.

2

Wedge

measurement

device

of

aluminum

(a

)

and

radiochromic

film

dosimeter

strip

(Z)

与标称能量

12

MeV

在

5%

以内符合

。

另外

，

利用

辐射变色薄膜剂量计测量的深度-剂量分布曲线

得到的半值深度

R

）

为

2.

010

cm,

?

p/Ro

比值为

1.

277,

这与

Monte

Carlo

方法计算得到的单能电

将辐照后的长条辐射变色薄膜置于

Cary-

4000

紫外可见分光光度计样品架上

，

使用长条

子在铝中的

？

p

/R

o

比值

*

253

符合较好

。

膜测量模式,得到电子束在铝模体中的深度-剂

量分布曲线

（

图

3

）

。

1

・

2

中能电子束测量

为了扩大应用范围

，

满足更多实验的辐照

要求

，

实验室运行人员通过调节相应参数

，

拓展

DZ-12/4

多能量档电子直线加速器能量范围

,

根据辐射变色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

将能量尝试调节到

4

MeV,

实验中

，

采用

FJL-

02

型辐射变色薄膜剂量计测量其实际能量

。

电子束在铝材料中的射程深度

？

；

，

计算得到辐

射变色薄膜剂量计确定标称能量

12

MeV

电子在

根据文献

[9

],

4

MeV

单能电子束在铝中的射

程为

0.

754

1

cm,

在聚苯乙烯材料中的射程为

表

1

能量计算方法及结果

Table

1

Method

and

result

of

energy

calculation

方法公式

E

p

=

0

・

20

+

5.

0

9R

p

适应范围

5

MeV

#

E

p

#

25

MeV

最可几能量

/MeV

12.

6

12.

2

经验推导

Monte

Carlo

E

=0

・

423

+

4.

69

R

；

+

0.

0

53

2

R

(

2.

5

MeV

#

E

#

25

MeV

第

4

期

陈义珍等:

DZ-12/4

多能量档电子直线加速器辐照关键参数测试

741

1.865

cm,

因此

，

为了能获得足够的测量点绘出

利用式

(

3)

计算得到

E

；

为

3.88

MeV,

与

MonteCarlo

计

算

公

式

基

于

实

际

射

程

R

p

计

算

剂量-深度分布曲线

，

能量测量模体选用楔形聚苯

乙烯模体较为合适,具体实验过程同高能电子束

能量测量过程一致

。

长条状辐射变色薄膜剂量计

得到的能量在

4%

以内符合

，

两种测能结果与

预输入能量

4.0

MeV

在

3%

以内符合

。

置于聚苯乙烯模体之间动态辐照。

辐照剂量控制

在辐射变色薄膜剂量计剂量测量范围内

！

畐照后

测量获得的深度-剂量分布曲线如图

4

所示

。

可见

，

对于

DZ-12/4

多能量档电子直线加

速器辐照装置

，

调节相关参数是可以将电子束

能量调至到较低状态的

。

利用此装置

，

可开展

电子束能量约为

4

MeV

的电子束辐照实验

。

综上

，

分别在

12

MeV

、

4

MeV

给定的运行

参数下利用标准推荐的方法

，

两种测能结果与

深度-剂量分布曲线

Fig.

4

Depth-dose

distribution

curve

of

4

MeV

electron

beam

in

polystyrene

根据辐射变色薄膜剂量计测量的深度-剂

量分布曲线

，

利用射程法得到电子束在聚苯乙

烯中的实际射程

R

；

为

1

844

cm,

半值深度

?

为

1.

340

cm

。

根据文献

)

1

］

推荐的

Monte

Carlo

计算公

式,对于单能电子

，

利用

R

；

和

?

5

0

可分别计算

电子束

(2.0

MeV

<

E

<

12

MeV)

在聚苯乙烯

中的能量

E

(MeV)

为

：

E

@

0.

298

+

1.

876

R

P

(()

E

=

0.

475

+

2.

16O

R

50

(2

)

计算得到能量分别为

"

04

MeV

和

3.

54

MeV,

R

p/

?

50

比值为

1.

377

，

这与

Monte

Carlo

方法推

算的单能电子在聚苯乙烯中的

R

p/

R

5

0

比值

1.

214

相差较大

，

根据

ICRU35

号报告

，较宽的

能谱使

?

5

0

的降低大于

R

；

,

因此

R

p

R

比值的

测量值较

Monte

Carlo

理论计算值大

，

该比值

表征射束中能量分散程度

，

说明当加速器能量

调制约

4.0

MeV

较低状态时

，该参数条件下被

测电子束能量分散大

，

而

Monte

Carlo

公式是

基于单能电子创建的

，

从而导致利用和

?

50

分别计算得到的能量相差较大

。

ICRU35

号报告中的经验推导公式为

：

E

p

=

0.22

+

1.98

R

p

+

0.0025

R

5

2

0

(

3

)

标称值(或预输入能量)在

5%

以内一致

，

说明

该电子加速器能量运行参数稳定

。

2

束流监测系统有效性验证

为了更好地监测加速器运行参数

，

保证辐照

质量,加速器工作人员设计了一套由法拉第筒和

束流积分仪组成的束流监测系统

。

为验证设备

的有效性

，

工作人员在其他参数不变的情况下,

通过改变脉冲重复频率

、

传输链速度

，

调整到不

同的辐照剂量，

利用

FJL-02

型辐射变色薄膜剂

量计与法拉第筒同时监测

！

畐射变色薄膜剂量计

与法拉第筒同时置于束窗中心下方(图

5

)

延束

下传输方向摆放于同一条直线上

，

动态辐照

。

动

态辐照过程中

，

束流通过限束孔进入法拉第筒

中

，

法拉第筒测量对象是单位面积电荷数

。

图

5

束流监测时辐射变色薄膜

剂量计与法拉第筒布放示意图

Fig.

5

Diagram

of

radiochromic

film

dosimeter

and

Faraday

cup

during

beam

monitoring

辐照时记录监测系统数值

，

辐照后测量辐

射变色薄膜剂量计计算吸收剂量

，

给出两者关

系(图

6

)

。

由图

6

可见

，

在日常运行中，

加工参

数不变

，

改变脉冲重复频率

、

传输链速度

，

束流

742

原子能科学技术

第

55

卷

监测系统读数与吸收剂量在实验范围内呈一定

正比关系

。

通过此关系

，

在日常电子加速器运

technology

in

China

)

J

*

.

Isotopes

,

2018

,

31(3

)

：

180-187

(

inChinese

)

&

行中

，

通过该束流监测设备可以有效控制并快

*

ABRAMYAN

E

A.

Industrial

electron

accelera

­

)4

tors

and

applications

)

M

*

.

Washington

：

Hemi

­

速估计辐照剂量

，

有很大的参考价值

。

70

sphere

Publishing

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1988.

)

5

*

BEREJKA

A

J

,

CLELAND

M

R

,

WALO

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The

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of

and

challenges

for

industrial

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processing

—

2012

)

J

.

Radiation

Phys

­

*

ics

and

Chemistry

,

2014

,

94(1

)

：

141-146.

*

)

陈义珍

，

李明

，

陈克胜

，

等

.

辐射变色薄膜剂量计

10

­

0

--------------

500

--------------

1

000

--------------

1

500

--------------

2

000

107

束流积分仪计数

/C

图

6

监测系统读数与吸收剂量关系

Fig.

6

Relationship

between

monitoring

system

result

and

absorbed

dose

3

结论

采用

FJL-02

型辐射变色薄膜剂量计检测了

DZ-12/4

多能量档电子直线加速器能量,证明该

电子加速器能量在

4

〜

12

MeV

范围内可调

，

在

给定运行参数下测能结果表明

，

测量结果与标称

能量在

5%

以内符合

，

加速器能量运行参数稳

定

%

对于由法拉第筒和束流积分仪组成的束流

监测系统,实验结果证明

，

在日常运行中

，

加工参

数不变

，

改变脉冲重复频率

、

传输链速度

，束流监

测系统读数与辐照剂量在实验范围内呈一定正

比关系

％利用该套束流监测系统,加速器运行人

员能有效控制和快速估计辐照剂量

，保证实验辐

照质量

，具有非常好的实用性和简便性

％

参考文献

：

)

1

*

崔磊

.

我国辐射加工产业的发展现状和面临的

挑战

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LI

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Performancetestandtheapplication

onthe

accelerator

of

the

radiochromic

film

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本文标签： 辐照能量加速器参数电子束