辐照电子直线加速器辐射剂量测定的技术研究

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2024年6月22日发(作者：)

第３ｌ卷第９期　

核电子学与探测技术　

Ｖ０１．３１　Ｎｏ．９　

２０１１年９月　

Ｎｕｃｌｅａｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ＆Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　

ｓｅｐｔ．　

２０１１　

辐照电子直线加速器辐射剂量测定的技术研究　

郭雄彬　，赵　敏　，陈祖良　，刘亚建　，王红艳　

（１．浙江省能源与核技术应用研究院，杭州３１２２１２；２．中国原子能科学研究院，北京１０２４１３）　

摘要：研究了辐照电子直线加速器辐射剂量测定的技术方法，在测量方法上采取实测与蒙特卡洛　

模拟计算相结合的方法提高辐射剂量测定的准确度和可操作性；用化学剂量计建立电子束吸收能量测　

量的方法；用平板电离室建立电子束表面剂量、电子束吸收剂量率测量的方法；用半导体探测器阵列建　

立电子柬辐照均匀性测量的方法。　

关键词：电子直线加速器；电子束能量；吸收剂量；辐照均匀性　

中图分类号：ＴＬ　５３　文献标识码：Ａ　文章编号：０２５８－０９３４（２０１１）０９—１０３５－０３　

辐射加工属于原子能和平利用的一个重要　

直线加速器的出束品质，但在线测定和控制出　

方面，现已广泛应用于农业、工业、医疗卫生、环　束品质的难度和代价较大。　

境保护等各个领域，目前，全世界经辐射加工的　辐照电子直线加速器辐射剂量测定一般包　

产品年产值已达数千亿美元，每年仍以１０％一　括：电子束能量、电子束剂量率、电子束剂量率　

１５％的增速递增。目前我国辐照级电离辐射计　

均匀性、电子束吸收剂量。由于加速器束流能　

量体系建设尚在初始阶段，中国计量科学研究　

量较高一般为几ＭｅＶ到十几ＭｅＶ，加速器引　

院直到２０１０年１２月２４日才首次宣布建成基　

出的１０　ＭｅＶ平均功率为２０　ｋＷ的电子束辐射　

于化学剂量计的辐照加工级电离辐射标准，已　

能力相当于１５０万ｃｉ钴源，若考虑辐照效率因　

无法适应飞速发展的中国辐照加工业。浙江省　

素可相当于２００万Ｃｉ钴源，而且按照目前电子　

能源与核技术应用研究院自２００９年开展辐照　

直线加速器研究的进度，辐照强度和功率仍在　

加工级电离辐射标准实验室建设，在中国原子　

不断发展中，因此辐照级强辐射场剂量测定存　

能科学研究院生产的电子直线加速器上研究辐　

在一定难度，校准和实际测量的准确度较差。　

照加工级电离辐射的测定方法，设计了电子直　

本研究开展用化学剂量计建立电子束吸收　

线加速器辐射剂量测定的解决方案，研制了专　

能量测量的标准方法；用平板电离室建立电子　

用测量系统，为建立相应电离辐射标准奠定了　

束表面剂量、电子束吸收剂量率测量的标准方　

基础。　

法；用半导体探测器阵列建立电子束辐照均匀　

电子直线加速器利用射频电场来加速电　

性测量的标准方法。　

子，出束结构较为复杂，由电子枪、加速管、真　

空、冷却水、束流引出和控制等系统组成，测定　

１　电子在辐照标的物中的能量沉积特　

束流的能量、流强、能散度和发散度可确定电子　

征　

辐射加工实际应用中，描述电子束能量的　

收稿日期：２０１１—０７—０１　

参数是最大能量，最可几能量，平均能量和能散　

作者简介：郭雄彬，男，福建上杭人，高级工程师，本　

度等。这是因为电子束在碰到加速器出射窗之　

科，研究方向：核物理。　

前已经有一定的能散度，能散度取决于加速器　

１０３５　

机构类型，注入和引出方法及束处理系统等因　

素，同时电子束通过加速器出射窗和模体表面　

ＭＣ模拟计算与专门剂量测量仪器与测量方法　

进行电子在辐照标的物中的吸收剂量测定。　

之间的不同材料也会损失能量、能谱向低能移　

动，能散度也随之增大，因此由电子直线加速器　

标称能量作为辐照能量会带来较大误差；同时　

电子射入辐照标的物内也会发生能量、能谱的　

较大变化，用蒙特卡洛方法模拟计算了电子在　

２　测定方案　

２．１入射电子束能量测定方案　

一

般测量电子能量的设备都很复杂、昂贵，　

如磁谱仪及全吸收闪烁谱仪，考虑实际应用，对　

辐照电子束能量的测定采用化学剂量计，如重　

铬酸银剂量计、显色薄膜剂量计等，见图２。　

几种物质中的能量沉积特征，见图１，由ＭＣ模　

拟计算的结果可知电子射人物质的能量沉积与　

人射电子能量、入射电子通量和辐照物质成分　

密度有关。　

图２中国原子能科学研究院研制的　

重铬酸银剂量计、显色薄膜剂量计　

化学剂量计有价格低廉的优点，但也有测　

量精度相对较低、不可重复使用、需要离线测读　

图ｌ　２　ＭｅＶ、１０　ＭｅＶ电子在碳、硅、　

设备的缺陷，目前已有辐射变色化学剂量片可　

实时测读。用均匀叠层法测定射程（未变色剂　

量片为最大射程），用蒙特卡洛方法模拟计算、　

标定的射程一能量关系式来测量能量，可现场　

估计入射电子束能量。表１为ＭＣ模拟计算结　

果。　

聚苯乙烯三种物质中的能量沉积　

为减小误差，应采用与辐照标的物同　

时的测量方式确定入射电子束能量；同时采用　

表１　由ＭＣ模拟计算的不同能量电子在材料中的最大射程　

２．２吸收剂量测定方案　也非常适于吸收剂量的测量。”　

１９９１年１月实施的中华人民共和国计量　

检定规程ＪＪＣ６６４—９Ｏ（国标法）对电子吸收剂　

量测量做了规定；伴随加速器应用的高速发展，　

国际版标准局下的一些协会及组织相继提出了　

本研究制作了用于辐照加速器电子束剂量　

测量的灵敏体积较小平板电离室，探头电子束　

垂直人射的灵敏体为１．００　ｅｍ　，半径７　ｍｍ，长　

度２５　ｍｍ，壁厚０．１　ｇ／ｃｍ　。图３为平行板电离　

室结构示意图。　

各自的新测量规范，较有代表性的是ＩＡＥＡ的　

ＴＲＳ一２７７号技术报告“光子和电子束吸收剂量　

测量的国际实用准则”，２０００年ＩＡＥＡ发布了　

ＴＲＳ一３９８号技术报告“Ａｂｓｏｒｂｅｒ　Ｄｏｓｅ　Ｄｅｔｅｒｍｉ—　

ｎａｔｉｏｎ　Ｉｎ　Ｅｘｔｅｎｒａｌ　Ｂｅａｍ　Ｒａｄｉｏｔｈｅｒａｐｙ”，报告明　

ＰＰＥ石墨　铝　

确指出“对于电子束在模体表面的平均能量Ｅ。　

：

图３平行板电离室结构示意图　

１０　ＭｅＶ以下建议使用平行板电离室对吸收　

到目前为止用平板电离室也只是解决了　

剂量进行测量；　低于５　ＭｅＶ必须使用平行板　

电离室，而在Ｅ。＝１０　ＭｅＶ以上，平行板电离室　

ｌ０３６　

辐照物体表面某点剂量的测定，由于电子在物　

质中的能量沉积是非均匀的，辐照物体内部辐　

照剂量的精确测定目前仍无有效手段，如图４　

为由ＭＣ模拟计算的电子在物质中的能量沉积　

径迹。　

≯　．　≯　

图４　２　ＭｅＶ、１０　ＭｅＶ电子在碳、硅、　

聚苯乙烯三种物质中的能量沉积径迹　

由能量沉积径迹可知，电子在物质中沿其　

游走径迹进行能量沉积，沿其入射方向的能量　

沉积非线性，这种仪器在一点测量的平均能量　

或最可几能量或最大能量只是电子能量沉积量　

的经验近似值，同时实际辐照过程中物质的成　

分密度、均匀性等固有特性会很大程度上影响　

入射电子的能量沉积。因此，采用平板电离室　

测量入射电子束在模体表面的吸收剂量，用蒙　

特卡洛方法模拟计算、标定表面剂量与物质内　

部的沉积能量关系，通过物质表面剂量与物质　

内部的沉积能量对应关系确定电子束在辐照标　

的物中的吸收剂量。　

２．３辐照均匀性测定方案　

用于辐照加工的加速器常采用扫描工作方　

式，射野范围较大，造成物体表面辐照的不均匀　

性，而工作中对辐照电离辐射的测定往往只在　

一

点进行，模拟计算方法对吸收剂量的补偿也　

取决于此点的测量值，这就会给入射电子束电　

离辐射测定带来较大误差，因此需要对入射电　

子进行实时表面均匀性测定。　

本研究设计制作了性价比较高的微型金硅　

面垒阵列探测器监测电子束剂量率和电子束剂　

量，图３为切割好的两种规格微型硅片，图４为　

金硅面垒阵列示意图。　

微型金硅面垒阵列探测器由多路探头组　

成，可根据辐照面积布置阵列，设计有多种平衡　

帽以适应不同的辐照剂量和强度，在多路终端　

实时读出电子束剂量率，观察记录电子束剂量　

图５微型硅片　

图６微型金硅面垒阵列　

率均匀性；同时可记录探头所在点的累积剂量，　

该累积剂量可作为辐照物体表面的平均剂量。　

３结论及建议　

电子直线加速器辐照加工级电离辐射的测　

定研究在我国开展不多，本研究设计了有较高　

准确度和可实施性的解决方案。在测量方法上　

采取实测与ＭＣ模拟计算相结合的方法，提高　

了电离辐射测定的准确度；针对强辐射场设计　

制作的微型探测器及阵列经实验验证具有很强　

的操作性，研究成果既可作为标准实验室电子　

直线加速器辐照加工级电离辐射的建标方案也　

可在实际生产中推广应用。　

参考文献：　

［１］ＩＡＥＡ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｒｅｐｏｒｔｓ　Ｓｅｒｉｅｓ　Ｎｏ　２７７．Ａｂｓｏｒｂｅｄ　

ｄｏｓｅ　ｄｅｔｅｒｍｌｎ￣ｉｏｎ　ｉｎ　ｐｈｏｔｏｎ　ａｎｄ　ｅｌｅｃｔｒｏｎ　ｂｅａｍ：ａｎ　

ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　ｃｏｄｅ　ｏｆ　ｐｒａｃｔｉｃｅ［Ｒ］．Ｓｅｃｏｎｄ　Ｅｄｔｉｏｎ．　

Ｖｉｅｎｎａ：ＩＡＥＡ，１９９７．　

［２］ＩＡＥＡ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｒｅｐｏｒｔｓ　Ｓｅｒｉｅｓ　Ｎｏ　３８１．Ｔｈｅ　ｕｓｅ　ｏｆ　

ｐｌｎａｅ　ｐａｒａｌｌｅｌ　ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ　ｃｈａｍｂｅｒｓ　ｉｎ　ｌ１ｉｇｈ　ｅｎｅｒｇｙ　ｅ—　

ｌｅｃｔｏｒｎ　ａｎｄ　ｐｈｏｔｏｎ　ｂｅａｍｓ，ａｎ　ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　ｃｏｄｅ　ｏｆ　

ｐｒａｃｔｉｃｅ　ｆｏｒ　ｄｏｓｉｍｅｔｒｙ［Ｒ］．Ｖｉｅｎｎａ：ＩＡＥＡ，１９９７．　

（下转第１０４８页，Ｃｏｎｔｉｎｕｅｄ　ｏｎ　ｐａｇｅ　１０４８）　

ｌ０３７　

的放射源受力变形。该辐照室源体装置设计为　

导下，依托有资质单位，按照国家有关规定实施　

退役，及时消除了周围放射源对环境的潜在威　

胁，并且使闲置的放射源重新利用。经对辐照　

厂周围的环境进行监测，均未发现环境污染。　

参考文献：　

［１］张学礼，高洁，魏广芝．《河南省杞县利民辐照厂辐　

圆筒状，采取静态堆码辐照，源体吸收辐射能量　

可导致本身甚至附近被照样品的温度升高　。　

虽然发生了辣椒粉自燃现象，着火时源室内部　

温度为６００ｏＣ～８００ｏＣ，而钴源外壳为不锈钢，　

包壳熔点为１　４００％，金属钴的熔点为Ｉ　４９５℃。　

故辐照室着火一般情况下不可能造成钴源熔化　

而导致大面积污染环境的事故　』。经两次取　

源室内的水样及周围环境监测对比，未发现源　

室内水体受到放射性污染。　

照装置退役项目》环境影响报告表［Ｒ］．核工业北　

京化工冶金研究院，２０１０．　

［２］闫玉奎．降低钴源辐照加工装置潜在照射的管理与　

该枚源由于外壳收到损伤，在转移到另外　

一

控制［Ｊ］．辐射防护通讯，２００３，２３（５）：７一ｌ０．　

［３］徐宏青．　辐照装置的运行中的辐射安全［Ｊ］．安徽　

农业科学，２０００７，３５（２２）：６９６９—６９７０．　

［４］《注册核安全工程师岗位培训丛书》编委会．核安　

全专业实务［Ｍ］．北京：中国环境科学出版社，　

２００９．　

个辐照厂使用的过程中，担心由于源的经常　

性起落，水的冲击会加速该枚源的破损造成二　

次环境污染－４　Ｊ。因此必须加快对该枚源的退　

役处置。　

４结论　

总之这次放射源退役在各级环保部门的领　

Ａｂｏｕｔ　ｔｈｅ　Ｒｅｔｉｒｅｍｅｎｔ　ｏｆ　Ａｎ　Ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ　Ｐｌａｎｔ　ｉｎ　Ｈｅｎａｎ　

Ｐｒｏｖｉｎｃｅ　Ａｆｔｅｒ　Ｓｔｕｃｋｉｎｇ　Ｒａｄｉｏａｃｔｉｖｅ　Ｓｏｕｒｃｅｓ　

ＨＵＡ　Ｙｏｎｇ—ｔａｏ，ＧＥ　Ｌｉａｎｇ—ｑｕａｔｒ，ＹＡＮＧ　Ｑｉａｎｇ，ＹＡＮＧ　Ｄｅ—ｘｉａｎｇ，ＬＵＯ　Ｙａｏ—ｙａｏ　

（ＣｈｅｎｇＤｕ　ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ　６１Ｏ０５９）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｔ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｔｈｅ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ａｎ　ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ　ｐｌａｎｔ　ａｆｔｅｒ　ｓｔｕｃｋｉｎｇ　ｓｏｕｒｃｅｓ，ｂｅｃａｕｓｅ　ｔｈｅ　ｔｉｌｔ　

ｏｆ　ｔｈｅ　ｇｏｏｄｓ　ｈａｓ　ｌｅｄ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｓｏｕｒｃｅ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｗｅｌｄｉｎｇ　ｍａｓｋ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｏｕｒｃｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｌｏｗｅｒ　ｓｌｏｔ，ｔｈｅ　ｓｔａｆｆ　ｉｎ　ｔｈｅ　

ｐｒｏｃｅｓｓ　ｄｉｓｃｏｖｅｒｙ　ａ　ｒａｄｉｏａｃｔｉｖｅ　ｓｏｕｒｃｅ　ｄｕｅ　ｔｏ　ｅｘｔｅｒｎａｌ　ｆｏｒｃｅ　ｃａｕｓｅ　ｓｈｅｌｌ　ｄａｍａｇｅ．Ａｆｔｅｒ　ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ　

ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ｗａｔｅｒ，ｓｏｉｌ　ｓａｍｐｌｅ　ｗｅ　ｄｏｎ　ｔ　ｄｉｓｃｏｖｅｒ　ｒａｄｉｏａｃｔｉｖｅ　ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｒａｄｉｏａｃｔｉｖｅ　ｓｏｕｒｃｅｓ，ｒｅｔｉｒｅｄ，Ｓｔｕｃｋ　ｒａｄｉｏａｃｔｉｖｅ　ｓｏｕｒｃｅｓ，ｒａｄｉｏａｃｔｉｖｉｔｙ　ｌｅｖｅｌｓ　

（上接第１０３７页，Ｃｏｎｔｉｎｕｅｄ　ｆｒｏｍ　ｐａｇｅ　１０３７）　

Ａ　Ｐｒｏｊｅｃｔ　ｔｏ　Ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ　ｔｈｅ　Ｒａｄｉａｔｉｏｎ　Ｄｏｓｅ　

ｏｆ　Ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｌｉｎａｃ　

ＧＵＯ　Ｘｉｏｎｇ—ｂｉｎ　，ＺＨＡＯ　Ｍｉｎｇ　，ＣＨＥＮ　Ｚｈｕ—ｌｉａｎｇ　，ＬＩＵ　Ｙａ－ｊｉａｎ　，ＷＡＮＧ　Ｈｏｎｇ—ｙａｎ　

（１．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｅｎｅｒｇｙ　ａｎｄ　Ｎｕｃｌｅａｒ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ＺｈｅＪｉａｎｇ　Ｐｒｏｖｉｎｃｅ　Ｈａｎｇｚｈｏｕ　３１００１２，Ｃｈｉｎａ，　

２．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ａｔｏｍｉｃ　Ｅｎｅｒｙ，Ｂｅｉｇｊｉｎｇ　１０２４１３，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ　ｐｒｏｉｅｃｔ　ｏｆ　ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｒａｄｉａｔｉｏｎ　ｄｏｓｅ　ｏｆ　ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ　ｅｌｅｃｔｒｏｎ　ｌｉｎａｃ　ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ，Ｔｈｅ　Ｍｏｎｔｅ—Ｃａｒｌｏ　

ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇ　ｉｓ　ｃｏｍｂｉｎｅｄ　ｗｉｈ　ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ　ｍｅａｔｓｕｒｉｎｇ　ｔｏ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｖｅｒａｃｉｔｙ　ａｎｄ　ｍａｎｅｕｖｅｒａｂｉｌｉｔｙ．Ｔｈｅ　ｃｈｅｍｉｃａｌ　

ｄｏｓｉｍｅｔｅｒ　ｉｓ　ｏｐｔｉｎｇ　ｔｏ　ｍｅａｓｕｒｅ　ｔｈｅ　ｅｎｅｒｇｙ　ｏｆ　Ｅｌｅｃ￣ｏｎ　Ｂｅａｍｓ，Ｔｈｅ　Ｐｌａｎｅ—Ｐａｒａｌｌｅｌ　Ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ　Ｃｈａｍｂｅｒｓｉｓ　ｏｐｔｉｎｇ　

ｔｏ　ｍｅａｓｕｒｅ　ｔｈｅ　ａｂｓｏｒｂｅｄ　ｄｏｓｅ，Ｔｈｅ　ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　ａｒｒａｙ　ｄｅｔｅｃｔｏｒ　ｉｓ　ｏｐｔｉｎｇ　ｔｏ　ｍｅａｓｕｒｅ　ｔｈｅ　ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ　ｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙ．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｅｌｅｃｔｒｏｎ　ｌｉｎａｃ，ｅｎｅｒｇｙ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｂｅａｒｓ，ａｂｓｏｒｂｅｄ　ｄｏｓｅ，ｉｒｎｒａｄｉａｔｉｏｎ　ｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙ　

ｌ０４８　

本文标签： 辐照能量电子束电子加速器