Cs-137γ射线空气比释动能绝对测量的研究

摘要

随着核科学的迅速发展，辐射防护与辐射计量技术在涉核单位如核电站、涉核医疗设备、涉核科研单位中被越来越多的使用。其中γ射线的测量与防护工作在医学、科研、生产生活中越来越被重视。每年用于γ射线防护的各类仪器仪表的数量持续增加，但其涉及的许多技术指标至今无法溯源到辐射防护类的γ射线剂量基准，此种情况急需解决。空气比释动能作为电离辐射计量学领域重要的物理量之一，是辐射计量工作的重要研究基础。作为防护能量段常用源的Cs-137，其γ射线空气比释动能的绝对测量也就成为了辐射防护的重要基础研究。
　　论文依托中国计量科学研究院课题:Cs-137空气比释动能基准装置的建立(25-AJDYX1111)和Cs-137基准定位系统(25-JB1266)。课题是在电离辐射计量学基础理论指导下，通过实验方法以及模拟计算的研究，建立起我国的辐射防护级γ射线空气比释动能基准装置。该基准装置的建立可以解决国内的辐射防护类仪器仪表的量值溯源和量值传递问题。
　　本文主要研究的是Cs-137γ射线空气比释动能的绝对测量。其中主要包括基准电离室的设计、制作、装配、测试，微弱电离电流绝对测量和数据采集自动化系统的搭建和改进，对测得的比释动能量值进行的一系列修正的研究。其中主要涉及的硬件装置有:自制的系列圆柱型和球型石墨空腔电离室、电流测量系统所使用的部分仪器以及修正实验中所使用的辅助装置。配合用于微弱电流绝对测量的自动化数据采集软件，完成一系列电离电流绝对测量与修正因子测量的实验。
　　空腔电离理论的提出和发展使得空腔电离室成为电离辐射计量学领域常用的辐射测量基标准器具。Cs-137γ射线空气比释动能绝对测量使用的电离室为石墨空腔电离室。该电离室组设计之初主要考虑达到电子平衡的条件、材料的选用以及收集极对内部电场的影响，最终确定以标称10cm3的圆柱型石墨空腔电离室作为绝对测量器具。
　　本文对球型和圆柱型石墨空腔电离室体积的精确测量进行了研究。球型电离室采用液体称重法和三坐标测量机的几何测量法，其中液体称重法是通过计算空腔内注入的水的体积来估算电离室空腔的有效收集体积。圆柱型电离室采用几何测量方法，分别测量圆柱筒内高、外高、顶板和底座的厚度，通过计算最终确定内部圆柱腔室的高度，使用内径千分尺测量石墨圆柱的内径，计算得出腔体的体积。内部的收集极体积采用测量与计算相结合的方法，收集极的尖端由于加工精度的限制，无法直接按半球型体积计算公式精确给出体积，因此对其进行两种不同形状（圆柱头和梯形头）的模拟近似计算，给出最终体积。圆柱空腔体积扣除掉收集极所占体积所得即为电离室空腔有效收集体积。
　　电离室电离电流绝对测量采用汤逊(Townsend)零位补偿和高增益电容负反馈（率漂移-rate-of-drift）相结合方法。设计使用一套硬件装置，通过变换接线器的接插方式来实现两种方法测量方法的转换，进而可以验证两种方法的测量精度以根据所测量的电离电流的大小选择最优方案。
　　本文的又一重点是对绝对测量电离室需要的一系列修正因子进行不同确定方法的研究。其中包括:对石墨电离室壁的减弱、散射及平均电子产生原点进行修正的kwall;对在电离电荷收集过程中发生的初始复合和体复合效应进行修正的ks;对电离室杆的散射贡献进行修正的kst;对参考点处电离室范围内辐射束的轴向与径向非均匀性进行修正的kan、km;湿度对空气密度和电离作用的修正kh等。部分修正因子除采用物理实验的测量方法确定外，也采用MonteCarlo计算方法得到。随着MonteCarlo模拟软件的发展和不断改进，一些修正因子更适合采用模拟计算方法获得。本文采用MonteCarlo模拟软件EGSnrc计算部分修正因子，这个电子-光子簇射模拟是国际上常用的辐射剂量模拟计算软件。首先使用软件做出课题材料的截面数据，然后根据石墨空腔电离室的各部分参数，做出电离室几何模体，最后根据所需模拟计算的种类设置相应的参数，运行一定数量的随机数得出所需要的修正项。部分修正因子通过物理实验与MonteCarlo模拟两种方法确定也可对两种方法的差异进行对比分析。对于绝对测量所涉及到的部分物理参数，除参考国际上的实验文献外，也可采用MonteCarlo模拟计算方法得出。
　　文章最后讨论了各部分不确定度的分析。

目录

声明

摘要

第1章 引言

1．1 课题研究的目的及意义

1．2 研究现状

1．3 课题主要研究内容

1．4 课题依托

第2章 课题研究的基本理论方法

2．1 粒子与物质的相互作用

2．1．1 间接致电离粒子与物质的相互作用

2．1．2 带电离粒子与物质的相互作用

2．2 空腔电离理论与带电粒子平衡

2．3 空气比释动能与吸收剂量

第3章 绝对测量系统的建立

3．1 绝对测量辐射场

3．2 绝对测量电离室的设计、制作与装配

3．3 绝对测量方法及实现

3．3．1 汤逊零位补偿法

3．3．2 高增益电容负反馈法

3．3．3 两种方法的合并与系统漏电的降低

第4章 绝对测量修正系数的确定

4．1 空腔电离室壁效应修正kwall

4．1．1 电离室壁修正外推法与蒙特卡洛模拟计算法

4．1．2 实验与计算结果

4．2 空腔电离室离子复合的电离损失的修正ks

4．2．1 电离室工作电压的确定

4．2．2 电离室复合损失修正ks

4．3 空腔电离室支撑杆的散射修正kst

4．4 射束的轴向不均匀性修正kan

4．5 射束的径向不均匀性修正krn

4．6 空气湿度修正kh

第5章 物理常数与不确定度的确定

5．1 空腔电离室体积V的测量

5．1．1 球型电离室的体积测量

5．1．2 圆柱型电离室的体积测量

5．2 绝对测量空气比释动能所用的常数

5．2．1 空气密度ρ

5．2．2 平均电离功W/e

5．2．3 轫致辐射所占的份额g

5．2．4 空气与石墨的质能吸收系数之比(μen/ρ)a，c

5．2．5 空气与石墨的碰撞组织本领之比Sc，a

5．3 绝对测量空气比释动能不确定度评定

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间取得学术成果

附录1 EGSnrc-cavrznrc计算kwall输入程序

附录2 EGSnrc-cavrznrc计算kan平行射束输入程序

附录3 EGSnrc-g计算轫致辐射所占份额g

附录4 EGSnrc-dosrznrc计算质能吸收系数之比(μen/ρ)a，c

附录4 EGSnrc-sprrznrc计算碰撞组织本领之比Sc，a