高能_射线参考辐射场空气比释动能_率_测定.pdf

第 14卷 1 9 94 年 第 5 期 9 月 辐射防护 R a di a t io n P ro t e e t io n V o l 14 S e P N o 5 1 994 高能 y 射线参考辐射场空气 比释动能 率 测定 李景云郭文毕全理 中国原子能科学研究院计量测试部 北京 1024 13 本文主要介绍 了用两种不同体积 3 m 和5 0 m 3 的石墨空腔电离室对静电加速器上通过 下 P T O 反应产生的 6一7 M e V下射线参考辐射和在游泳池反应堆上通过 i N的 中子俘获反应 产生的 7一9 M e V y 射线参考辐射的空气比释动能K 的测量方法和结果 测量K 的总不确定度 为 4 2 此 电离法测量结果与高纯锗谱仪注量法测量结果在实验误差范围内符合 关镇词 高 能 y 参考辐射 比释动能空腔 电离室吸收剂量质能转 移系数质能吸收 系数 1 引言 在反应堆特别是在核动力堆中 会由于慢化冷却剂的水 中氧的 0 n p N 反应产生 6一 7 M e V 高能 下射线 所以 对在这种场合使用的剂量仪表应进行高能 y 剂量校准 同样 在医 用 加速器及其它直接用于产生高能光子 或由于电子韧致辐射 核反应而间接产生高能光子场 合使用的剂量仪表都需要进行高能光子剂量校准 为了进行高能光子剂量测 定方法的研究 我部中子物理组建立 了 6一9 M e V 高能 y 射线 参考辐射 l 现已建立的参考辐射包括在静电加速器上利用 F P Y 60 反 应产 生的 6一7 M e V下射线和在游 泳池反应堆上利用i N 的中子俘获产生的 7一9M e V 高能 下射线 我们用已 建立的石墨空 腔电离室 配以足够厚度同种材料平衡帽 测 量上述高能 下参考辐射场的空气比 释动能率K 以用于剂量仪表的校准 本文主要介绍此测量的方法和结果 2 参考辐射 6一7 M e V 高能 7 射线参考辐射是分别在本院高压倍加器和静电加速器 上利用 g F P a y 60 反应产 生的 在高压倍加 器上利用3 4 5 k e V 质子打到 0 1一0 2mg cm 一 厚的 C a F 薄靶 上产生共振反应得 到纯度很高的 6 1 3M e v的下射璐 它很适合作谱研究和 下谱仪的能量刻 度 可利用 了谱仪注量法测 定这种场的空气比释动能率 由于其空气比释动能率低故未在本 工作的电离室法中使用 同种反应 在静 电加速器上把质子能量提高到 2 0 5 M e V 该加速器 不能提高到 国际 上 一般采用的第二共振峰能量 2 7 M e V 用直靶管代替伴随粒子靶管和加 水冷却产生较强 下辐射 并用束流积分仪作参考辐射稳定性监测 球形石墨空腔电离室 李景云等 高能 y 射线参考辐射场空气比释动 能 率 测定 3 3 7 7一9M e V 高能 下参考辐射是 在本院游 泳池 反应 堆上 产 生 的 在 2 号孔道靠近 堆 芯处重 迭放置 2 块沪100 又8mm 的N i片 由于i N的 中子俘获产 生 7一9M eV 高能 丫射线 由 2号 孔 道引出 为减少射束中中子污染 y 射束经过4 6 cm 的i L ZCO3 与聚乙烯混熔体和其它 过滤体 石蜡 聚乙烯等 过滤 为减少 低 能光子污 染 主要是 0 sn M e V 下射线 增 加 了 3 8 5 c m的 纯铝过滤 实验证 明低能光子污 染对总空气比释 功能率贡献在 1 0 以下 这两种参考辐射的 基本参数见表 1 表 l 高能 下射线辐射场基本参数 束流能量和 强度 或反应堆功率 产生反应能量 M eV 空气比释功能率K 二 实例值 2 0 5M e V 0 5肛A 19F P a 7 160 5 4件Gy h一 1 距靶3 0 em 处 350 0kw N L 中子俘获 3 0mGy h一 l 距孔道口2 5 4 C m处 3 测量方法 31 剂量学原理 3L1 6 能 量以下 光子的K 测 量 在6 0 C o 能量以下光子剂量 测量 是 在 标准 实验 室 利 用自由空气电离室 和 空腔电离室 根据 B ra g g 一G a r y 理 论测 量照射量X作 为基础的 而B r a g g 一G r a y 理论又是以次级电子平衡 C P E 为条件的 这在自由空气电离室 对 30 0 k e V 以下光子 和 空腔电离室 3M e V以下光子 是可 以得到满足的 由照射量X Ckg 一 可推算出空气比释 动 能K Jkg W 入 a 入 一 1一g l 式中 3 3 9 7 3 1 2 W 一一 一 击 一 I 一 一 一 万 刀仕 卞燥至气甲母 户生一盯禺士 脚润耗的 均 醚 重勺量 不甩何乙间 本 又取但刀 JC 一 g 为次级电子在 空气中产 生韧致 辐射损失 的能 量份额 高能光子 3 M eV K 的测量 3 1 2 1 一般原理 对 于高能 光子 由于次级电子射程 增 加 且 韧致辐射损失 能量 的份 额增大 使 电子平衡条 件得不 到满足 Ba rg g 一G a ry公式 不能 成立 照射 量测量失去 了基 础 为了解决这个问题 At tix川提出把次级 电子能量损失 分为碰撞 能量 损失和辐射能量损 失 相应地将空气比释动能 K a 分 为碰撞比释 动能K 和 辐射比释动能K R 两部分 则 K 一少 令 一K 尺一 2 由于K C 只考虑 次级带 电粒子动能以碰撞 相互 作用损 失 的那部分 所以 K c 一少 些 3 式 中 伞为能注量 Jm 一2 华 I 为光子 在 空气中的 质能 转移 系数 m Zkg一 粤 为光 子 在空 气 尸 电离辐射标准咨询委员会 C CEM R I 1 95 5年建议 将干操空气中w e 值由 ze Ru 一 R epo rt 3 1 1 9 7 9 建议值3 3 85士 0 15 JC一 改为3 3 9 7士0 06 JC一 3 38 辐射苗护第14卷第 5 期 l 的 质能吸收 系数 m kg 由比八 J 式得 K 产 r z才 K 4 这徉 只要测得入 就 一 可以计算出K 3 1 2 Z K 的测觉 7 射线入射到半无限大物质空 间里 在只考虑 次级带电粒 子碰撞 能量损失时 可建立起近 似的 电子平衡或 叫准 电 子 平衡 T C P E 换句话 说 足 够 厚室壁 的电离 室 在高能光子 束中 晰 a g g 一 Ga r y 公 式近似成立 则 室壁材料中的吸收 剂量D w Jkg 一 为 互 wj P 5 W一 夕了 一一 W D 式 中 J 为次级电子在空腔中单位质量气体中产 生的电离电荷 C kg 一 令 W 为次级电子在 电离 壁材料与空腔内气体阻止本领比 攀 意义同前 只是空气改为气体 g 设空腔 内气体为空气 脚标 g 改为 a 则空气吸收剂量D Jkg 为 D一 令 一D 6 碰撞空气比释动能 无 电离室 测量 点处 K 一 D二k n l 夕一 令a 一 D k m 一a J 里 令 一 务 二 m 7 式 中 令 一为光 子对电离室 内空气与室壁材料质能吸收 系数之比 为电离室室 壁材料散 射和 吸收 校正因子 月为考虑 到次级 电子在室壁 中产 生的有效中心的修正 因子 由于 一般电离室收集体积很难精确确 定 使J 难以精确 测定 利用公式 7 测定 K C 比 较困难 如果电离室 是以照射量刻度的 可用下 述方法来测 定 K C 泞先 引入一 个新量 即相应 于单位照射量读数的电离室中气体吸收剂量 也就是说如果将 电离室践于辐射 场输出量为一 个单 位的照射量处时 电离室 内气体吸收剂量N GyC 一 N 一 N 岑 华 I 粤 w t 8 式 中 为 电离室 在刻度 能 量 E的照射量 刻 度 因 子 单 位 电离 电荷的照射量 kg 一 其 它量 意义同前 但都取刻 度能量 E 时的数值 E 表示刘度能量 可以是 或 C s y 射线能量 这 个量在 NA CP 1和 c I RU 5 有关报告中称为电离室空气吸 收剂量因子 N 在 AAPM困 报告中则称为电离室气体因子 式中 N 仅与电离室空 腔体积有关 其它项仅与电离室材料有 关 所以 对材料一定的电离室而言 N 是 一个只和电离室 空腔体积有关的因子 并可以在刻 度 条 件 5 J C 或 3 Cs 参考辐射得到 代入公式 7 则得t时 间 内积分空气碰撞比释动能K c G v W S一 夕 K 一 N Q 一 令 一 k m 召 9 式中 32 Q为测 员时间 t 内测 得的积分电荷 C kT 为气压 温度校正 因子 其它量意 义同前 测量系统及电离电荷的 测定 测量 系统包括电离室和电离电荷测量 设备 电离室为本实验室研制的石 墨球形空腔电离 宝 分别使用 了体积为 3 cm 3 1 0 号 和5 0 cm 7号 的两种电离室 对于静 电加速器产生的 6 李景云等 高能 y 射线参考辐射场空气比释动能 率 测定 3 39 一 7 M e V 高能 y 射线 由于 空气比释动能率K 较低 使 用 7 号电离室 对 于 游泳池 反应堆L i N中子俘获产生的 7一9 M eV 高能 丫射线由于输 出孔道直径为小10 0 m m 照射野 也只能 小j 几 等于 小1 0 0mm 但空气比释动能率较高 所以使用 1 0号电离室 对挣电加速器产 生的 6一7 M e V 下射线 电离室放在距 C aF 靶 心3 0 c m处 在另 一 角度 上有一N a l T I 探测器作稳定性监测 对游泳池反应堆i N中子俘获产生的 7一9 M ev y 射线 电离室放在距 孔道口 25 4 m 固定点上 并用激光 准直器定位 电离室电离电流通过1 0 m电缆 送到测量 室测量系统上 图 1 为测量布置 示意 图 卜卜 书巴 搜搜 二二二二 卜卜于仅仅 工 工越 越越越 a 加速器 i l 产生的 y射线 b 游泳池反应堆上产生的 下射 线 图 1 高能 下射 线空气比释动能测量布置示意图 弱电流测量系统是 FJ 一 35 6 动电容静电计 电容充电法 测量并用数字电压表读取数据 电 离室电离电荷Q C 为 Q一 c t 竺户 T l 式中 c 为总积分电容 F 包括静 电计有效输入电容自 电离室和信号电缆输入端的等效 电容 和外加标准电容 c 即 t 一 c ff c c t 和 分别为积分测量起始和终止时输出电压i井 V t 为积分时间 s T 为K 测量结果要求给出的时间间隔 s 3 3 参数值的确定 3 3 令 一 务 二 和 念 这些参量都有计算好的数据 本工作所用的 势 尸 和 尊 值分别取自文献 7 和 二 尸 念 值取 自文献 3 3 3 2k m 和 月 此两参数值由高能 下射线在电离室 室壁材料中的有效减弱曲线 电离电流 随室 壁厚 度变 化曲线 确定 图 2和图3分别为7号和10号电离室对游泳池反应堆上产生的高能下射线 的 340 辐射防护 第1 4卷 第 5 期 一 一 一 一 一 乏 匕三一 1 乍 一气葬长一 皇 厂洛 厂 5月 3 一 2 霆 班l l 份 l 留 翟 6 1 1 0 器 酬 产 葺 4卜 护产 月 8 15 20 壁厚度 d mm 2 5 3 0 图2 7号电离室对7一g M e V 7射 线的有效减弱曲线 相对电离 电流实际上是积分电压变化率与总积分电容之乘积 图3同此 2 左纵坐标相应的 c 7 4 7 pF 对应于5月n日和5月 1 3日 有聚乙烯过滤 的测量 右纵坐标相应的 一79 1 9 pF 对应于6月 4 日 无聚乙烯过滤 的测量 3 虚线为吸收区部分之外推曲线 J一 J士乙午 6月 1 日下午 GJ l 口下 午 6 月 11日上 午 丫 工 工瑞 护贫年 l 15 2 2 5 室壁厚 望d n r 111 354 4巴 图 310号 电离室对7一g M eV y射线的有效减弱曲线 有效减弱曲线 曲线的吸收区部分直线外推到零室壁 如 图 2 中虚线所示 得到零室壁电离电 流值I 7号 电离室 加7 平衡帽 时电离电流值为m I 由 I m I 算得k m 对 1 0号电离室求气 时 用 6 平衡帽 对 6一7 M e V 的 y 射线也有同样的曲线 此 处未给出 月值也由图 2 3 所示的有效减弱曲线估算 文献 9 是按照Ro e s h 0 提出的方法 以 0 3 倍的电离室壁材料中实用电子射程作为次级电子有效产生中心来估算 6OC 和 3 C s 的此项校 正 因子之 倒数 即 客 在这里我 们把有效减弱 曲线 中 电离室 响应 最大值时的电离室壁厚度 一曰 J 囚 即口 比 勺 JJ 一 曰 从 鞠 们四城 毛四出 门 从八 以 只 勺 厅 d ma 视为次级电子有效产生中心 这样可以通过以下公式 李景云等 高能 y射线参考辐射场空气比释动能 率 测定 341 1 厂 产 J J 万 叫 一 Ll 一 丫丁夕入 尸 mo x少 1 一 拜 max 尸 尸 1 1 来估算口值 式中 产 cm 一 为室壁材料的线减弱系数 其值由文献 7 查得 Pg c m 一 为 室壁 材料密度 3 3 3 N o N D 可以在 6 0 和 7Cs 参考辐射 中 用电离室响应随室壁厚度 加材料与电离室壁相同的 不 同厚度的平衡帽 变化曲线外推到零室壁厚度而算得 2 这 里采用在 本实验室 o 参考辐 射中直接与英国产次级标准剂量仪 N PL 一 2560 比对得到N E 再用公式 8 算得N 现将计算K 的参数值列 于表 2 表 2 计算 K 的参数值及来历 N D Gy C一 1 一 一 辐射场 今 又 生 互 3 二 驴 毛 P 7号 电离室 10号 电离室 7号 电离室 10号 电离室 7 号 电离室 10号 电离室 6 一7MeV 1 02 61 02 30 964 1 06 1 1 02 8 5 5 5 X1058 55 X 106 7一 9 M e V 1 0 3 9 1 03 50 953 1 08 51 1091 0 5 11 0 5 15 5 5 X1058 5 5 X106 3 4 注t法 测量高能 下射线空气比释动能或水吸收剂量也可采用注量法 对于能 量为 E 的单能光子 空气比释动能率K E 为 K E N E C N 产 r E P 1 2 式中 N为探测器 Na l l T 高纯锗或锗 一 锉谱仪 测得的计数率 E 为光子能量 C 为探测 器 对能量为 E 的光子刻度因子 探测器效率的倒数 八 r E p为能量为E 的光子在相应介质中 的质能转移系数 对于一定宽度分布的谱光子K 为 天 一 防妇 岸鱼二 互 d 1 E J 一 产 一 1 3 式中 必 E 为能量为 E 的光 子的微分注量率 其 它量 同前 注量法的主要困难在于探测 器阑值的设 置和探测效率的绝对 刻度 我部中子组较好地解 决了这些 问题 本文引录的就是他们的结果 4 测量结果 4 1 结果 表 3列 出了主要测 量结果 对于在游泳 池反应堆 Ni中子俘获产生的7一9M e V下射线 使用了两种电离室 7号和1 0号 测量 测 点距 2 号孔道 口 25 4 c m 测量中均有高能 了射线束 经过 4 6 m iL ZC 03 与聚乙烯混熔体 2 0 m石蜡 3 8 5 c m 铝的固定过滤 另分再加和 不 加 3 1 5 c m聚乙烯过滤两种情况 对于有聚乙烯过 滤情况 取 19 92 年 5月 n日和 5月 1 3 日的测 量数据 K 二 的平均值为 13 6mGy h 一 注量法值为1 3 2mGy h 一 对于无聚乙烯过滤情 342 辐射 防护第 14 卷第 5 期 况 取 6 月 4 日和 6 月 1 0一n日的测量数据 7 号和 1 0号电离室 的 K 的平均值均为 2 5 3 m Gy h 一 注 量法值为 2 5 4mGy h 一 均与注量法 得到 的结果在误 差 范围 内符合得很好 表 3 主要测量结果 丫丫射线能 能日期期堆功率或 束流流电离室室比释动能率K mG y h一l 红红受 M eV 能量 丁强度 度度度度度度度度度度度度度度度度度度度度度 有有有有有有聚乙烯过滤 3 无聚乙烯过滤 电电电电电电离法法注量法法 电离法 法注量法法 7 7 7一91 199 2年5一6月 月 350 0kw w w7行 行 1 3 6 6 6 13 2 2 2 2 5 3 3 3 2 5 4 4 4 t t t t t t t t to 打打打打 25 3 3 3 3 3 1 1 1 1 1993年2 月月 3 5 0 0kw w w10臼 臼 14 5 5 5 14 0 0 030 0 0 0 2 8 1 1 1 1 1 1 1 1 9 9 3年1月 月 40 0 0kw w w1 0 1 7 4 4 4 4 435 9 9 9 9 9 6 6 6 一 7 19 8 9年9月 月 2 05 M eV V V 7打 打 电离法 2 8 32 Gy 计数 数 0 0 0 0 0 0 0 5拜A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A A f f f f f f f f f f fL量法 2 7 9 1卜Gy 计数数 l 测 炕犷I 2 号孔道日 2 54 e m 2 测点n 靶 3 0 e m 是N a l TI 计数器单位计数的K 值 3 均有46 e m l 一i C O3与聚乙烯 混熔体 20 c n 石蜡十3 8 5 cm 铝的固定过滤 有无聚乙烯过滤指有无另加3 1 5 cm 的聚乙烯过滤 19 93 年 2 月仅用1 0号 电离室 测量结果 在有无聚乙烯过 滤条件下 电离法与注量 法在 误 差 范 围内都许合得很好 堆功率为 400 0 kw 时注量法无数据 对 二加速 器产生的 6一7 M e V y 射线空气比释动 能测量是在 1 9 8 9 年 9 月使用 7 号电离室 进行的 电离室与C a F Z 靶相距3 0 o m Na l l T 计数器作为监督仪 固定在另一角度 结果以每 个监督仪计数的空气比释动能给出 电离法 和注量法结果也在误差 范围 内相符 4 2 误差估计 表 4列 出测量结果的误差估计 表 4 测量结果的误 差 la 估计 不确定度 坏伙 A 类 B 类 Q 0 3 0 5 N I 0 81 5 八 l飞 川 w 了 尸 产 r z k n 夕 kl 合计 方和 银合成 02 U 8吕 0 2 4 0 7 总不确定度 爱 下确定度一 A类总不确定度 2 I飞类总 不确定度 2 挖 5 讨论 5 1 一般 说来 电离法结果 应稍高于注 量法 这是 由于电离法测得的是包括可能的散射辐射 的实际 的空气比释 动能 由于影 响注量法结果的条件比较多 从我们的测 量结果看 19 92 年 5 一6 月份 电离法结果与注 量法结果 几乎一样 1 9 9 3 年 2月电离法结果比注量法结果约高7 仍可认为两种方法在 误 差范围 内相 符 5 21 992 年 5一6 月份与 19 93年2 月份测量结果相比 标称功率都为 350 0 kw 但测量结果 相差较大 1 99 3 年 1 月和 艺月测量 结果 相比 K 基本上与功率成正比 这是由于从 1 9 92 年 9 月仁 起反应堆工况有较大变化 可能导致标称功率值不 准所致 所以 最好设置监 督 电离室或 少月其它探测器监测 李景云等 高能 7 射线参考辐射场空气比释动能 率 测定 343 5 3 作为标准辐射场 几何条件尚不够规范 有必要改进 另外 由于孔道直径限制 所建立 的 辐射场最大照射野 只有小10 0mm 这对辐射防护仪表校准可能嫌小 参考文献 l 丁声耀 李宇兵 叶宗垣 等 准单能 6一7M e V y 射线参考辐射场的建立和对 6 1 3M e V能点y探测 效率的绝对刻度 原子能科学技术 1 99 2 2 6 1 9 2 丁声耀 李宇兵 杨小芸 等 4一9 M e V 参考辐射 场的建立及对 y剂量仪 表的校准 标准计量与质量 199 1 3 23 3At tixF H Th e Pa rtitiono f K erma to A e eount fo r B re m s str a hl ung H e a lthPhy s 1979 3 6 M areh 347 4N A C P A eta R a d O ne o l 1980 1 9 55 5ICR U R a dia tio n o D simetry Ele et ron e B a m s w ith E ne r gie s e B twe en l a n d5oM eV IC R Up u b lie a tions 3 5 W a s hing tion l C 198 4 6 AAPM P rotoe a l f or N e utron Be a m o D simetry M e d Phy s 19 83 10 741 7 H u b b e llJH P ho to n M as A tte nuation a n dE n e rg y 一a b sor ptio n C oe ffiei ents f ro m lk e V to 2oM eV I nt J Ap pl R a dia t Is ot 1 983 33 1269 8 ICR U Radiatio n simet ry X 一r a y a n d G a m m a R ay w ith M ax im u m Ph oton En er gyBetw e en 0 6 a n d 50M e V IC RUPublie atio n s 14 W as hi ngton 1 C 196 9 9L o ft us TP W e av e r JT Sta ndar dizatio no f oCoand 3 7Cs G a m m a 一Ra y e B a m s inT e r m so fE x po s ure J R e s N a l Bu r St a nd 1974 78A 4 10R oeseh WC O D s e fo r N on e le e tronie Eq uilibriu mC on ditio n s R a di atio n R e s ea re ll 19 58 9 399 11 G u ldb a kk e 5 Th e C a libr ationo fS e e o n da ry St a n d a rd Io n ia z tion C hambe r s in HighE n e rg ys P hot on Fiel ds R a di ation Prote etion O D simetry 199 1 35 4 237 12 Seh e iff l e r D K r a m e r HM D osimetry in Higll 一En er gyPhoto n F ield s f or the C a lib r ariono fM easur ingIn stru m e nts f or R ad iation P rote etion P ur一 oses P TBR epor