全 林，苗亮亮，馬繼明，余小任，宋朝暉，韓長(zhǎng)材，馬超偉

（1.西北核技術(shù)研究所，陜西西安 710024；2.北京跟蹤與通信技術(shù)研究所，北京 100094）

強(qiáng)γ射線輻射場(chǎng)束流特性診斷

全 林1，2，苗亮亮1，馬繼明1，余小任1，宋朝暉1，韓長(zhǎng)材1，馬超偉2

（1.西北核技術(shù)研究所，陜西西安 710024；2.北京跟蹤與通信技術(shù)研究所，北京 100094）

針對(duì)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)強(qiáng)γ射線輻射場(chǎng)束流應(yīng)用及特性診斷需要，本文建立了輻射場(chǎng)束流特性模擬方法，設(shè)計(jì)了大面積快響應(yīng)閃爍體與高速CCD相機(jī)組成的束流診斷系統(tǒng)。通過理論模擬及實(shí)驗(yàn)測(cè)量，在亞毫米位置分辨指標(biāo)下，實(shí)現(xiàn)了對(duì)該輻射場(chǎng)內(nèi)不同距離的束流均勻性、發(fā)散角、束流中軸線及快門渡越時(shí)間測(cè)量。

γ射線；強(qiáng)輻射場(chǎng)；束流軸線；快門渡越時(shí)間

校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，強(qiáng)鈷源γ射線參考輻射場(chǎng)是核輻射探測(cè)系統(tǒng)研發(fā)、核儀器儀表檢定校準(zhǔn)、輻射成像系統(tǒng)性能測(cè)試等的重要實(shí)驗(yàn)平臺(tái)［1］，對(duì)束流特性的準(zhǔn)確測(cè)量是輻射場(chǎng)效能發(fā)揮的前提。此類輻射場(chǎng)照射容器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，輻射源活度高且自吸收強(qiáng)，同時(shí)屏蔽材料、實(shí)驗(yàn)環(huán)境散射、照射器準(zhǔn)直孔同心度等均會(huì)影響輻射場(chǎng)參數(shù)的準(zhǔn)確定值，而現(xiàn)有技術(shù)僅能滿足UNIDOSE劑量計(jì)、熱釋光劑量計(jì)等對(duì)輻射場(chǎng)照射量（比釋動(dòng)能或吸收劑量）進(jìn)行測(cè)量［2－3］。雖然ISO4037等標(biāo)準(zhǔn)對(duì)輻射參考點(diǎn)的輻射劑量率、能量、照射野均勻性及快門渡越時(shí)間參數(shù)均作了明確要求［4］，但缺乏有效的測(cè)試方法，尤其在強(qiáng)鈷源輻射場(chǎng)照射野、快門特性診斷等方面一直缺乏合適的診斷手段，迫切需要開展強(qiáng)γ射線輻射場(chǎng)測(cè)試探索［5－6］。本文以西北核技術(shù)研究所的萬居里鈷源輻射場(chǎng)為對(duì)象［7］，對(duì)輻射成像方法診斷輻射場(chǎng)束流特性進(jìn)行研究。

1 束流特性模擬

本工作結(jié)合輻射源及照射器參數(shù)，采用MCNP程序［8］，對(duì)放射源自吸收、輻射場(chǎng)能譜、注量及束流均勻性分布進(jìn)行計(jì)算，為測(cè)試方法設(shè)計(jì)及結(jié)果分析提供參考。

1.1 放射源自吸收

按照GB／T 12162.2—2004規(guī)定的校準(zhǔn)源比活度及相關(guān)要求［9］，在不考慮照射器、環(huán)境散射等條件下，設(shè)置如下輻射源參數(shù)：靈敏體為圓柱形分布、活性區(qū)尺寸為φ21mm×23mm、采用雙層20μm不銹鋼包殼、鈷材料密度為8.99g／cm3，出射光子在靈敏體中服從體均勻分布，比活度為3.7×1015Bq·kg－1，按照4π方向、體均勻分布模式對(duì)源粒子進(jìn)行隨機(jī)抽樣，由F6卡（柵元平均能量沉積）對(duì)圓柱表面出射粒子能量及強(qiáng)度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，計(jì)算結(jié)果相對(duì)不確定度在1%以下，模擬得到的放射源自吸收及能量離散結(jié)果列于表1。由表1可知，對(duì)初始平均能量為1.25MeV的γ射線，經(jīng)放射源自吸收后，出射射線的平均能量為1.14MeV，出射射線能量的自吸收份額占總能量份額的13.6%。

表1 設(shè)定條件下模擬的放射源自吸收及能量離散Table 1 Simulation results of source’s self－absorption and energy dispersion with setting condition

圖1 照射器結(jié)構(gòu)原理圖Fig.1 Structure of irradiator

1.2 束流能譜、強(qiáng)度及劑量率

依據(jù)圖1所示的照射器結(jié)構(gòu)及布源方式［7］，設(shè)置實(shí)驗(yàn)室空間為長(zhǎng)方體（長(zhǎng)10m、寬6m、高5m），墻體厚度為0.5m，照射器布置在放射源距地面1.5m、距后墻2m的實(shí)驗(yàn)室中軸線處，其準(zhǔn)直口朝前墻，計(jì)算中忽略實(shí)驗(yàn)臺(tái)、物品等對(duì)輻射場(chǎng)的影響。設(shè)定將表1所列的放射源布置在照射器源倉中心，由MCNP程序F5計(jì)數(shù)，對(duì)放射源在2m處（x＝2m）空氣中產(chǎn)生的能譜、γ光子注量率及劑量率進(jìn)行模擬計(jì)算，得到在軸線y上不同距離處的束流模擬能譜示于圖2。

圖2 距源2m處的模擬能譜Fig.2 Simulation spectra at 2mto source

模擬結(jié)果表明，活度為5.15×1014Bq的鈷源，理論上平均能量為1.25MeV，經(jīng)源自吸收后，平均能量?jī)H為1.14MeV，當(dāng)考慮照射器準(zhǔn)直器壁效應(yīng)、實(shí)驗(yàn)環(huán)境散射、空氣散射等效應(yīng)后，其在x＝2m、y＝0cm處的平均能量可下降至1.06MeV，若將1MeV以下的能量定義為散射成分，其散射成分占總計(jì)數(shù)率的份額可達(dá)27.12%，實(shí)際應(yīng)用中能量畸離修正必不可少。圖2中，2m處的光子注量率可達(dá)到1.40×109cm－2·s－1，現(xiàn)有HPGe等能譜型探測(cè)器難以適應(yīng)如此高注量率的測(cè)量，后續(xù)需要探索一些新能譜測(cè)量方法（如散射法、電荷數(shù)值分析法等）來解決輻射場(chǎng)診斷難題［10］。

1.3 束流均勻性

束流均勻性直接決定了輻射場(chǎng)對(duì)稱軸的確定及中心點(diǎn)定位，此參數(shù)對(duì)細(xì)準(zhǔn)直束應(yīng)用、大面積靈敏體均勻性校準(zhǔn)等極為重要。照射器出射束流應(yīng)具備良好的軸對(duì)稱性，但在實(shí)際工程實(shí)現(xiàn)中，由于輻射源裝源工藝缺陷、準(zhǔn)直器安裝偏差、空間環(huán)境散射等，均會(huì)影響束流分布（如對(duì)稱性及均勻性），會(huì)為應(yīng)用帶來較大偏差。為便于實(shí)驗(yàn)應(yīng)用中測(cè)量方法評(píng)價(jià)及結(jié)果分析，參考圖2所示的模擬方法，對(duì)水平方向距源2m處，垂直軸線一側(cè)束流的劑量率分布進(jìn)行模擬，采用點(diǎn)探測(cè)器對(duì)其進(jìn)行測(cè)量，得到劑量率隨徑向位置偏移的變化如圖3所示。

圖3 距源2m處劑量率隨徑向位置偏移的變化Fig.3 Dose rate vs horizontal distance at 2mto source

由圖3可看出，束流能譜及注量率隨徑向位置變化不大，若按照中心劑量率最大值的98%定義為γ光子注量率輪廓，得到邊界劑量率為13.15Gy·h－1，此位置處照射野截面為近似正方形分布，照射野輪廓尺寸為20.46cm× 20.46cm，若按最大值的2%定義為半影區(qū)的外邊界，此時(shí)劑量率為0.27Gy·h－1，其輪廓尺寸為36.12cm×36.12cm。

2 測(cè)試系統(tǒng)研制

針對(duì)束流的均勻性分布、發(fā)散角、束流軸線測(cè)量需要，參考輻射場(chǎng)模擬結(jié)果，本工作開發(fā)了一種基于輻射成像的實(shí)用化強(qiáng)γ輻射場(chǎng)診斷系統(tǒng)。

2.1 系統(tǒng)組成

所建立的診斷測(cè)試系統(tǒng)主要由快閃爍體和高速CCD相機(jī)等組成，借助大面積高靈敏度閃爍體對(duì)不同能量及強(qiáng)度射線的發(fā)光強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量，通過強(qiáng)度變化，反演出入射束流的注量率信息，所建的輻射成像診斷測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖示于圖4，與診斷測(cè)試實(shí)驗(yàn)相關(guān)的幾何特性參數(shù)列于表2。

圖4 輻射成像診斷測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structure scheme of radiation imaging diagnosis system

表2 與診斷測(cè)試實(shí)驗(yàn)相關(guān)的特性參數(shù)Table 2 Performance parameters of experiment placement

測(cè)試系統(tǒng)的工作原理為：鈷源出射γ射線經(jīng)過照射器準(zhǔn)直器和快門后，入射到大面積閃爍體上并激發(fā)閃爍體發(fā)光，借助反射鏡將閃爍光所成的圖像反射至移動(dòng)組合鏡頭（避開閃爍光外的射線對(duì)CCD測(cè)量的干擾），通過閃爍光在CCD上成像，實(shí)現(xiàn)對(duì)閃爍體發(fā)光強(qiáng)弱的識(shí)別和分辨，完成對(duì)鈷源照射野束流特性的測(cè)量。在本探測(cè)系統(tǒng)研制中，選用均勻性好、劑量線性響應(yīng)好的大面積硫氧化釓增感屏作為閃爍體（照射野區(qū)域20cm×20cm）。

2.2 系統(tǒng)刻度

系統(tǒng)刻度包括：1）能量響應(yīng)刻度，根據(jù)閃爍體特性，采用MCNP程序模擬不同能量γ射線射入閃爍體的沉積能量，模擬結(jié)果示于圖5；2）灰度與劑量率相應(yīng)曲線標(biāo)定，在輻射源和閃爍體間（源和探測(cè)器不變），設(shè)置不同厚度的鉛衰減器，以調(diào)整輻射場(chǎng)注量率，完成灰度隨不同劑量率響應(yīng)校準(zhǔn)，響應(yīng)曲線示于圖6。

圖5 沉積能量隨射線能量的變化曲線Fig.5 Curve of energy deposition with ray energy

由圖5可看出，不同能量射線在探測(cè)器中能量沉積表現(xiàn)出一定的非線性，尤其在0.3MeV以下的低能區(qū)表現(xiàn)突出，該差異與光子在閃爍體中質(zhì)能吸收系數(shù)隨能量變化特性及閃爍體厚度相關(guān)。圖2所示的輻射場(chǎng)能譜分布中，照射野內(nèi)0.3MeV以下的射線占射線總數(shù)的0.6%左右，可近似認(rèn)為增感屏對(duì)鈷源輻射場(chǎng)內(nèi)射線能量響應(yīng)為線性。由圖6可看出，灰度隨劑量率的變化呈現(xiàn)出較好的線性關(guān)系，進(jìn)一步證實(shí)了低能成分不會(huì)對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的響應(yīng)造成較大的影響。

圖6 灰度隨劑量率的變化曲線Fig.6 Curve of gray with dose rate

3 測(cè)量及結(jié)果

3.1 束流強(qiáng)度

測(cè)試中，開啟鈷源照射器快門，測(cè)量得到束流在1m及2m處的束流強(qiáng)度在二維空間的分布情況示于圖7。

圖7 1m（a）及2m（b）處束流強(qiáng)度二維分布Fig.7 Two－dimensional distributions of beam intensity at 1m（a）and 2m（b）

采用測(cè)試系統(tǒng)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，根據(jù)圖7測(cè)量得到的灰度，建立灰度與光子注量率的關(guān)系，得到2m處束流強(qiáng)度的梯度分布圖像如圖8所示。根據(jù)圖7測(cè)量得到的灰度，得到束流二維軸線上劑量率隨位置分布的曲線示于圖9。

由圖9可看出，束流左右、上下的對(duì)稱性較好，符合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，但由于源安裝或準(zhǔn)直器裝配等原因，使照射器束流上下、左右照射野尺寸不完全相等，這會(huì)為照射野中對(duì)稱軸準(zhǔn)確確定帶來一定的偏差。比較圖2、9得到的束流輪廓分布可知，測(cè)量值和理論值的變化趨勢(shì)基本相近，但在照射野范圍內(nèi)，隨著y值的增加（由中間向邊緣運(yùn)動(dòng)），硫氧化釓及ST401閃爍體的測(cè)量結(jié)果均表明測(cè)量值較理論值衰減快，這主要是由于實(shí)際輻射場(chǎng)參數(shù)中，隨y（y＝0cm，2cm，4cm，…）的增大，低能射線較高能射線衰減快，該差異被閃爍體響應(yīng)后，呈現(xiàn)出如圖9所示的變化。通常用于強(qiáng)輻射場(chǎng)參數(shù)診斷的劑量?jī)x在低能段敏感度較低，難以準(zhǔn)確反映強(qiáng)輻射場(chǎng)低能射線注量的差異，而該輻射場(chǎng)在對(duì)某些大面積探測(cè)器均勻性校準(zhǔn)等應(yīng)用中，由于低能射線分布的不均勻性存在，可能會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果帶來較大影響。在束流照射野特性提取中，不能按理論值反映的信息直接確定束流邊緣，需確定強(qiáng)輻射場(chǎng)束流中低能光子能量及分布后，方能準(zhǔn)確提取輻射束流輪廓。

圖8 束流強(qiáng)度的梯度分布Fig.8 Grad distribution of beam intensity

圖9 束流邊界分布曲線Fig.9 Distribution curve of beam outline

從圖9所獲得的亞毫米空間分辨圖像，能準(zhǔn)確確定束流中心點(diǎn)和照射野及其發(fā)射角。圖8所示的2m處十字線中心點(diǎn)（與現(xiàn)有激光器所示束流點(diǎn)重合）的坐標(biāo)為（188.00mm，193.9mm），由圖9所示的水平和垂直方向灰度分布曲線，可得到束流實(shí)際中心點(diǎn)坐標(biāo)為（187.96mm，192.40mm）。同理得到1m處原設(shè)定中心點(diǎn)坐標(biāo)為（188.70mm，192.4mm），測(cè)試結(jié)果表明實(shí)際束流中心點(diǎn)坐標(biāo)為（187.96mm，191.66mm）?？紤]測(cè)試系統(tǒng)對(duì)200keV以下低能光子的響應(yīng)靈敏度較高能射線靈敏度偏高，結(jié)合理論模擬對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)修正后，得到1m處束流脈沖輪廓邊界為10.31cm×10.31cm，半影區(qū)邊界為12.56cm×12.56cm；2m處束流脈沖輪廓邊界為19.56cm×19.56cm，半影區(qū)邊界為36.56mm×36.56mm（略小于理論值）。由2m處測(cè)量結(jié)果可知，照射野內(nèi)各束流均勻性（灰度波動(dòng)）好于10%，利用1～2m間束流輪廓尺寸及距離信息，在相應(yīng)邊界斜率情況下，計(jì)算得到束流的發(fā)散角為5.3°。

3.2 快門渡越時(shí)間

照射器采用汽缸推動(dòng)快門運(yùn)動(dòng)的方式工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)出射γ射線的啟閉，快門渡越時(shí)間（即主快門氣缸的上升或下降時(shí)間）直接影響累計(jì)劑量等參數(shù)的測(cè)量精度，準(zhǔn)確獲取該時(shí)間參數(shù)及動(dòng)態(tài)過程，是診斷裝置研制設(shè)計(jì)、性能檢查、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)修正的重要依據(jù)。測(cè)試中，采用上述增感屏組成的照相法（配合HSAC高幀頻快速相機(jī)），對(duì)主快門的啟閉時(shí)間進(jìn)行測(cè)量，得到快門渡越過程中，不同時(shí)間的成像情況示于圖10，每幀圖像采集時(shí)間為0.2ms。

由圖10的圖像特征與時(shí)間序列關(guān)系可推知：鈷源實(shí)驗(yàn)裝置的開門時(shí)間約為（720±20）ms，關(guān)門時(shí)間約為（160±10）ms，成像中每幀圖像采集時(shí)間為0.2ms。

圖10 快門開啟過程中束流圖像的變化Fig.10 Variation of beam image with shutter opening

4 小結(jié)

通過本文的模擬及實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果表明，校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)強(qiáng)鈷源輻射場(chǎng)應(yīng)用中，不能簡(jiǎn)單認(rèn)為能譜為1.25MeV，需要對(duì)各輻射場(chǎng)開展針對(duì)性測(cè)量實(shí)驗(yàn)，所研制的強(qiáng)鈷源輻射場(chǎng)在2m處平均能量為1.06MeV，若將1MeV以下的能量定義為散射成分，此時(shí)散射占總計(jì)數(shù)率的份額可達(dá)到27.12%。輻射場(chǎng)參數(shù)研究中，采用理論模擬可大致了解輻射場(chǎng)參數(shù)特性，由于模擬中存在裝置結(jié)構(gòu)、材質(zhì)設(shè)定、截面庫精度、實(shí)驗(yàn)布局等差異，使精確的參數(shù)還需依靠實(shí)驗(yàn)獲得。輻射成像能獲得亞毫米精度分布的圖像信息，在照射野均勻性、束流軸線和夾角快門渡越時(shí)間測(cè)量等方面具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。

測(cè)試結(jié)果表明，輻射場(chǎng)2m處光子束流輪廓邊界為19.56cm×19.56cm，半影區(qū)邊界為36.56cm×36.56cm，束流均勻性好于10%，束流的發(fā)散角為5.3°，照射器開門時(shí)間約為（720±20）ms，關(guān)門時(shí)間約為（160±10）ms。本工作研制的成像法測(cè)試系統(tǒng)，不僅能實(shí)現(xiàn)亞毫米位置分辨的束流均勻性參數(shù)測(cè)量，還能對(duì)照射器快門啟閉中光子注量率變化情況進(jìn)行診斷，是獲取束流發(fā)散角、束流中軸線及快門渡越時(shí)間的有力手段。

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Diagnosis Method of Beam for Intensiveγ－ray Radiation Field

QUAN Lin1，2，MIAO Liang－liang1，MA Ji－ming1，YU Xiao－ren1，SONG Chao－h(huán)ui1，HAN Chang－cai1，MA Chao－wei2
（1.Northwest Institute of Nuclear Technology，Xi’an710024，China；2.Beijing Institute of Tracking and Telecommunications Technology，Beijing100094，China）

In order to meet the requirement of application and diagnosis of beam for intensiveγ－ray radiation field in the calibration laboratory，a radiation field beam simulation model was established and a large area and fast response imaging system was developed，which was composed of high－speed CCD camera and scintillation detector.Through simulation and experiment，the beam parameters were gained under measurement millimeter spatial resolution for the radiation field，including uniformity，divergence angle，the axis of the beam and shutter transit time.

γ－ray；intensive radiation field；beam axis；shutter transit time

TL816.2

A

：1000－6931（2015）02－0343－06

10.7538／yzk.2015.49.02.0343

2013－11－06；

2014－07－28

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（11075130）

全 林（1975—），男，湖北荊門人，副研究員，博士，從事空間環(huán)境科學(xué)研究