一种用于复现放射源辐射场中水吸收剂量的装置和方法

摘要

本发明公开了一种用于复现放射源辐射场中水吸收剂量的装置和方法。所述装置包括：射线辐射单元，用于提供放射源射线辐射场；运行环境恒温单元，用于为放置在其内部的探测器单元提供稳定的温度环境；探测器单元，用于将辐射能量转化为热敏电阻的阻值变化；信号监控单元，用于获取辐射能量致使的所述探测器单元的温升数值。本发明能够实现一定体积的恒温(4±0.0001)℃的高纯水环境以及0.1mK/min的电离辐射温升的测量，而且能够在高能光子与水相互作用过程中，对水的对流、热传导的影响和化学能的参与所带来的热损进行定量评价。

说明书

技术领域

本发明涉及电离辐射计量领域的基础测量技术，特别涉及一种用于复现放射源辐射场中水吸收剂量的装置和方法。

背景技术

水吸收剂量是电离辐射计量学中最基本、最重要的物理量之一，是国际计量基准互认协议的关键比对项目。该物理量利用辐射给予被照射物质的能量来表示生物效应或其它效应，定义为物质中单位质量所吸收的辐射能量，单位物质水所吸收的电离辐射能量定义为水吸收剂量，单位为戈瑞(Gy)，1Gy＝1J/kg。

水量热计是吸收剂量量值复现最直接的方法，通过测量高能光子辐射所致能量转换，光子与物质相互作用致使的水吸收体的温升，采用比热计算出吸收剂量。

高能光子水吸收剂量的复现难度体现在如下几个方面，首先是如何实现一定体积的恒温(4±0.0001)℃的高纯水环境以及0.1mK/min的电离辐射温升的测量，其次是高能光子与水相互作用过程中，水的对流、热传导的影响和化学能的参与，所带来的热损要如何定量评价。

发明内容

本发明的一个目的，在于提出一种用于复现放射源辐射场中水吸收剂量的装置，该装置能够实现一定体积的恒温(4±0.0001)℃的高纯水环境。

本发明的又一个目的，在于提出一种用于复现放射源辐射场中水吸收剂量 的装置，该装置能够实现0.1mK/min的电离辐射温升的测量。

本发明的另一个目的，在于提出一种用于复现放射源辐射场中水吸收剂量的方法，能够实现高能光子与水相互作用过程中，各因素对于热损的定量评价。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种用于复现放射源辐射场中水吸收剂量的装置，包括：

射线辐射单元，用于提供放射源射线辐射场；

运行环境恒温单元，用于为放置在其内部的探测器单元提供稳定的温度环境；

探测器单元，用于将辐射能量转化为热敏电阻的阻值变化；

信号监控单元，用于获取辐射能量致使的所述探测器单元的温升数值。

进一步的，所述运行环境恒温单元包括外壳、模体、热交换器和温度计，其中，

所述外壳内部设置有第一隔热层；

所述模体设置在所述外壳中，所述模体外部设置有第二隔热层；

所述热交换器设置在所述模体与所述外壳之间，所述外壳与所述模体之间的介质为空气；

所述模体中充满水；

所述温度计用于检测模体内水和所述外壳与所述模体之间空气的温度。

进一步的，所述探测器单元放置在所述模体内；所述模体内充满的是去离子水。

进一步的，还包括风扇和磁性搅拌器，所述风扇设置在所述外壳与所述模体之间，所述磁性搅拌器设置在所述模体的底部。

进一步的，所述模体内设置有调整台，用于为放置在其上的探测器单元做位置调整。

进一步的，所述探测器单元包括量热芯和热敏探针，所述量热芯内部设置有高纯水，所述热敏探针放置在所述量热芯内部。

进一步的，所述量热芯包括第一精度的中间部分、第二精度的两端部分，第一精度高于第二精度。

进一步的，第一精度的中间部分为圆柱形，第二精度的两端部分为圆锥形，进一步的，所述第一精度的中间部分采用光学镜头的磨制技术加工而成。

进一步的，还包括用于容纳所述热敏探针中热敏电阻的玻璃管，所述玻璃管为两根，分别穿过所述量热芯的两端部分置于所述量热芯中心内。

进一步的，量热芯中高纯水不全部充满，还保持有少量空气。

进一步的，通过如下步骤制得：

步骤A、量热芯非一次成形，而是分为圆柱形的中间部分、及圆锥形的两端和中间两根热敏探针的玻璃管三部分，首先，利用刻制技术在圆柱形的中间部分的圆周上每隔90°做标记线，采用陶瓷刻花技术并经过560℃退火，线宽0.4mm，用于热敏探针、量热芯以及模体之间的定位；然后，完成量热芯的尺寸计量，关键尺寸为壁厚和直径；接下来，将三部分装配组合；

步骤B、量热芯充水后，在密封前，充高纯H2并维持1.5小时以上，以确保饱和；最终采用套管充气方式，在需要密封位置，充少量N2气，以保证火焰密封玻璃管是安全的；最终，量热芯不会全部充满水，会保持一定量的空气，以确保当水温在(4-22)℃之间变化时，不至于破坏玻璃容器的结构；

步骤C、模体中的水温、量热芯中水温、以及模体与外壳之间空气的温度，3个 温度的漂移都稳定在0.1mK/min，则满足辐射试验的温度条件。

进一步的，所述外壳为木箱。

进一步的，所述热交换器的一部分设置在所述模体内。

进一步的，所述模体和所述外壳在所述所述探测器单元的水平位置均开设有孔，用于射线束射入。

进一步的，所述信号测控单元包括信号激励模块、信号监测模块、信号平衡模块、信号测量模块以及量值溯源模块，其中，

所述信号激励模块用于输出交流稳频电压信号激励所述探测器及水体模单元输出的电压信号，并提高其信噪比；

所述信号监测模块用于监测固定点处电位的变化；

所述信号平衡模块进行输出补偿，在测量开始后保持监测的固定点处电位回归初始值；

所述信号测量模块根据所述信号监测模块的指令，对所述信号补偿模块的输出量进行测量；

所述量值溯源模块用于将整个测量过程中涉及的物理量溯源至相应国际单位制的国家标准。

本发明还提供一种用于复现放射源辐射场中水吸收剂量的方法，其使用前述任一种复现装置，其中，

在该复现的方法中，影响水吸收剂量的量值复现的修正项设置为热传导修正项、热对流修正项、辐射场扰动修正项、剖面剂量梯度修正项、水密度变化修正项和热损修正项。

进一步的，所述射线辐射单元采用⁶⁰Coγ辐射源，所述水吸收剂量的复现 公式为：

$D_w={\mathrm{\Delta T}}_w·c_w·k_c·k_v·k_p·k_{\mathrm{dd}}·k_{\rho }·\frac{1}{(1-k_{\mathrm{HD}})}$

式中，

ΔT_w为参考深度处，4℃时，电离辐射致使的量热芯的温度升高；

c_w是纯水的比热容，4℃时，取值为4.205×10³J/(kgK)；

k_c为热传导修正项；

k_v为热对流修正项；

k_p为辐射场扰动修正项，即热敏探针和量热芯带来的辐射场扰动；

k_dd为剖面剂量梯度修正项；

k_ρ为量值复现和校准时水密度变化修正项；

k_HD为热损修正项。

本发明能够实现一定体积的恒温(4±0.0001)℃的高纯水环境以及0.1mK/min的电离辐射温升的测量，而且能够在高能光子与水相互作用过程中，对水的对流、热传导的影响和化学能的参与所带来的热损进行定量评价。

附图说明

图1为本发明第一实施例所提供的一种用于复现放射源辐射场中水吸收剂量的装置的框图；

图2为本发明第三实施例中提供的运行环境恒温单元的结构示意图；

图3为本发明第六实施例中，在提供的⁶⁰Co射线场中，不同辐照时间，热传导致使的量热芯温度变化曲线；

图4为本发明第六实施例中，在提供⁶⁰Co射线场中，不同辐照时间的具体 修正结果。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

第一实施例 

图1为本发明第一实施例所提供的一种用于复现放射源辐射场中水吸收剂量的装置的框图；参见图1，该装置包括：

射线辐射单元100，用于提供放射源射线辐射场；

运行环境恒温单元200，用于为放置在其内部的探测器单元提供稳定的温度环境；

探测器单元300，用于将辐射能量转化为热敏电阻的阻值变化；

信号监控单元400，用于获取辐射能量致使的所述探测器单元的温升数值。

第二实施例 

在本发明的第二实施例中，用于复现放射源辐射场中水吸收剂量的装置中的所述射线辐射单元100，示例性的，采用⁶⁰Coγ辐射源，但是本领域技术人员应当明了，采用其他适当的辐射源同样是可行的。

具体的，⁶⁰Coγ放射源活度为300TBq(2009年1月1日)，为俄罗斯进口高比活度⁶⁰Co辐射源，体积为φ23.8mm×34.8mm。辐射源被固定在安全辐照器的源室内，源室由钨合金构成，密度略低于18.95g/cm³。源室是直径为100mm、长为100mm的圆柱，与放射源同轴。出束孔正对放射源，也与之同轴。出束孔的直径为45mm，不影响光阑系对源的作用。辐照装置采用电动旋转快门控制辐射源 射束，快门是在源室和准直器之间，当旋转快门与辐射源和准直器出射口重合时，射线束开放，当旋转快门上孔道的轴线与射束轴成90°角时射线束关闭。准直器由钨合金制成，根据ISO4037标准设计。辐照器的外壳采用不锈钢材料制成，内部利用铅作为屏蔽材料，采用单次浇注技术，确保无缝隙。

第三实施例 

本发明第三实施例中，用于复现放射源辐射场中水吸收剂量的装置中的所述运行环境恒温单元200，用于为放置在其内部的探测器单元提供稳定的温度环境。

图2为该实施例提供的运行环境恒温单元的结构示意图。参见图2，示例性的，所述运行环境恒温单元包括外壳1、模体2、热交换器3和温度计4，

所述模体2设置在所述外壳1中，所述热交换器3设置在所述模体2与所述外壳1之间，所述外壳内和所述模体外设有隔热层5，更具体的，所述外壳内部设置有第一隔热层，所述模体外均设置有第二隔热层。

所述外壳采用木箱。

所述探测器单元300放置在所述模体2内，所述模体2中充满水，所述木箱1与所述模体2之间的介质为空气，

所述温度计4用于检测模体2内水和所述木箱1与所述模体2之间空气的温度，

所述模体2和所述木箱1在所述所述探测器单元300的水平位置均开设有孔，用于射线束射入。

示例性的，所述热交换器5的一部分设置在所述模体2内。

示例性的，还包括风扇(图中未视出)和磁性搅拌器6，所述风扇设置在所述外壳1与所述模体2之间，所述磁性搅拌器6设置在所述模体2的底部。

示例性的，所述模体2内设置有调整台(图中未视出)，用于为放置在其上的探测器单元300做位置调整。 

具体的，本实施例中的所述外壳为边长为85cm的木箱子，其内壁设置有5cm厚的隔热聚苯乙烯泡沫；

所述模体为边长为30CM的有机玻璃箱子，其内部充满了去离子水(三级水)，其外壁由5cm厚的隔热聚苯乙烯泡沫包裹，模体底部设置有磁性搅拌器，用于平衡水温。模体上盖设置有为铂电阻温度计、量热芯预留的导线孔(图中未视出)，在模体的射线入射处，开设有长、宽为12cm、3cm的孔，该孔内放置有一个尺寸与孔相匹配的一个可拆卸的5cm厚的聚苯乙烯泡沫；

所述模体放置在所述外壳当中，所述外壳与所述模体之间设置有风扇和热交换器，为了加速温度的控制，所述热交换器的一部分设置在所述模体内，通过热交换器内流动的制冷剂控制模体内的水温，实现模体内0℃至25℃之间任意温度的控制，该运行环境恒温单元内模体内的去离子水从室温20℃降至4℃通常需要4个小时左右的时间。水浴系统控制热交换器中液体的温度可稳定在±0.1℃。模体和木箱之间空气的温度通过一个校准过的铂电阻监测，确保空气循环和温度的控制。所述温度计用于检测模体内水和所述木箱与所述模体之间空气的温度。

第四实施例 

用于复现放射源辐射场中水吸收剂量的装置中的所述探测器单元300，用于 将辐射能量转化为热敏电阻的阻值变化。

示例性的，所述探测器单元300包括量热芯和热敏探针，所述量热芯内部设置有高纯水(高纯水是化学纯度极高的水，将水中的导电介质几乎全部去除，又将水中不离解的胶体物质、气体和有机物均去除至很低程度，其中的杂质的含量小于0.1mg/L。目前人们制成的高纯水的纯度已经达到99.999999％，其中杂质含量低于0.01mg/L。高纯水主要指水的温度为25℃时，电导率小于0.1us/cm,pH值为6.8-7.0及去除其他杂质和细菌的水)，所述热敏探针的热敏电阻放置在所述量热芯内部。

示例性的，所述量热芯包括高精度的圆柱形的中间部分、低精度的圆锥形的两端部分。示例性的，所述量热芯的圆柱形的中间部分采用光学镜头的磨制技术加工而成。

示例性的，所述热敏探针包括玻璃管、导线和热敏电阻，所述玻璃管为两根，分别穿过所述量热芯的两端置于所述量热芯中心内。

具体的，本实施例中的热敏探针的玻璃管，其材质为派热克斯玻璃，其初始尺寸为直径8mm，壁厚1mm，将其加热拉制，拉制后的尺寸为外径0.5-0.6mm，壁厚0.06-0.11mm，长4cm的管子，内径保持在0.3mm，并由金属线确认。将其端点由火焰密封，并用He检漏仪测试；

所述热敏电阻为珠形热敏电阻，其直径为0.25mm，所述热敏电阻的引线直径为0.03mm；

所述导线长160cm，导线从端部开始，剥除导线的外绝缘层11cm(屏蔽线亦在此处截断)，剥除导线的内绝缘层5cm，每股多根铜线初始留三根，焊接完成并测试后去除剩余两根，该铜线的线径为0.1mm；

热敏电阻的引线与导线焊接，其中一根引线套上0.2mm直径的细管，用于防止两根引线接触短路，该细管的长8cm，由连接成一体的三段构成，一次长度为1cm、4cm和3cm，其1cm的一段最粗，4cm的一段最细，导线剥开的端点涂环氧树脂以将两根导线固定。然后将热敏电阻和其导线使用正十九烷固定在玻璃管中(工作温度60℃)，热敏电阻放置在所述玻璃管的端头，另一端使用聚四氟乙烯将屏蔽线固定在玻璃管中，外壁涂硅胶后，套乳胶管(5年更换)，长度100cm，确保热敏探针的防水，乳胶管的另一端直至水模体外，两个热敏探针与测量系统连接。

该玻璃管固定在聚四氟乙烯三爪中，并通过聚四氟乙烯三爪将热敏探针固定在量热芯中，所述热敏探针位于所述量热芯的轴心处，其位置精度为0.5mm。

热敏电阻与导线的焊接，采用普通焊锡，焊接前在触点处涂少量焊接剂，一定注意焊锡用量要少，普通尖点电烙铁设置温度为700°F，为微型套管在回移至珠形热敏电阻玻璃珠端点时，留一定的空间，否则焊点容易脱落，上述操作均在显微镜下进行，并配合多种固定夹具。

具体的，本实施例中的量热芯为玻璃容器，长约75mm，直径68±0.2mm，中间部分为圆柱形，两端为圆锥形。一对热敏探针通过玻璃管从两端置于量热芯中心内。

量热芯的圆柱形的中间部分采用光学镜头的磨制技术加工而成，提高了壁厚控制的精度及均匀度。量热芯非一次成形，而是分为圆柱形的中间部分、及圆锥形的两端和中间两根热敏探针的玻璃管，三部分组合之前，利用刻制技术在中间部分的圆周上每隔90°做标记线，采用陶瓷刻花技术并经过560℃退火，线宽0.4mm，用于热敏探针、量热芯以及模体之间的定位。量热芯的尺寸计量也 是在三部分装配前完成，关键尺寸为壁厚和直径。

量热芯充水后，在密封前，充高纯H₂并维持1.5小时以上，以确保饱和。最终采用套管充气方式，在需要密封位置，充少量N₂气，以保证火焰密封玻璃管是安全。量热芯不会全部充满水，会保持一定量的空气，以确保当水温在(4-22)℃之间变化时，不至于破坏玻璃容器的结构。

模体中的水温、量热芯中水温、以及模体与外壳之间空气的温度，3个温度的漂移都稳定在0.1mK/min，则满足辐射试验的温度条件。

第五实施例 

所述信号监测单元400，用于获取辐射能量致使的所述探测器单元的温升数值。

所述信号测控单元包括信号激励模块、信号监测模块、信号平衡模块、信号测量模块以及量值溯源模块，其中，

所述信号激励模块用于输出交流稳频电压信号激励所述探测器及水体模单元输出的电压信号，并提高其信噪比；

所述信号监测模块用于监测固定点处电位的变化；

所述信号平衡模块进行输出补偿，在测量开始后保持监测的固定点处电位回归初始值；

所述信号测量模块根据所述信号监测模块的指令，对所述信号补偿模块的输出量进行测量；

所述量值溯源模块用于将整个测量过程中涉及的物理量溯源至相应国际单位制的国家标准。

第六实施例 

本实施例提供一种用于复现放射源辐射场中水吸收剂量的方法，其使用前述任一权利要求所述的复现装置，在该复现的方法中，影响水吸收剂量的量值复现的修正项设置为热传导修正项、热对流修正项、辐射场扰动修正项、剖面剂量梯度修正项、水密度变化修正项和热损修正项。

示例性的，所述射线辐射单元采用⁶⁰Coγ辐射源。

示例性的，所述水吸收剂量的复现公式为：

$D_w={\mathrm{\Delta T}}_w·c_w·k_c·k_v·k_p·k_{\mathrm{dd}}·k_{\rho }·\frac{1}{(1-k_{\mathrm{HD}})}$

式中，

ΔT_w为参考深度处，4℃时，电离辐射致使的量热芯的温度升高；

c_w是纯水的比热容，4℃时，取值为4.205×10³J/(kgK)；

k_c为热传导修正项；

k_v为热对流修正项；

k_p为辐射场扰动修正项，即热敏探针和量热芯带来的辐射场扰动；

k_dd为剖面剂量梯度修正项；

k_ρ为量值复现和校准时水密度变化修正项；

k_HD为热损修正项。

具体的，确定热传导修正项：

对于量热芯来说，热传导带来的温度变化，主要来自两个方面。其一，由于玻璃的比热容是水的1/6，所以，同样辐射条件和时间下，如不考虑辐照过程中玻璃传到水中的热量，玻璃的温升也将是水的6倍。其二，水中的剂量梯度分 布会带来温度梯度分布，这也将会给量热芯带来传导温度变化。

为计算来自玻璃的热传导效应将水量热计模型做如下简化：量热计所受为均匀射线辐射；量热芯为无限长圆柱体；热敏探针在玻璃管末端对称分布；两个玻璃管为半无限长圆柱形。在这些条件下，建立的为轴对称模型，实际上将问题简化为了两维问题，可以用经典热传导公式描述上述问题，从而进行数学计算。以辐射开始的时间为零点，以分立的时间步骤，计算每个矩形网格的热量传导过程。首先计算测量点处的温度效应，随着辐射时间变化，计算出之后温度的变化，即可得到传导效应的修正。

图3为本实施例提供的⁶⁰Co射线场中，不同辐照时间，热传导致使的量热芯温度变化曲线；参见图3，可以看出，辐射后温度的迅速降低是由于来自玻璃管热传导的额外热量由中心轴传导了水中，接下来的温度的增高是由于量热芯玻璃的热量到达了热敏探针。

图4为本实施例提供⁶⁰Co射线场中，不同辐照时间的具体修正结果。根据实验条件，辐照时间和辐照后漂移时间均为120s，所以该项修正为0.9986。

对于⁶⁰Co gamma射线或更高能量的X射线，辐照水中较大的剂量分布区域是建成区或辐射场边缘。如果量热计工作在最大剂量点外，并且辐射野尺寸足够大(10cm*10cm)，那么剂量梯度带来的热传导效应可以忽略。进行电子束吸收剂量测量时，该项才需要仔细计算，15MeV电子束辐射120s，在水深5cm处，可达0.5％。

具体的，确定热对流修正项：

热对流是液体量热计要面对一个特有问题，如果量热计中的水存在剂量梯度导致的温度梯度，由于重力场中局部密度的变化会浮力会产生变化，这会导致 液体内部的流动，流动的液体即会传输热量。流动速率与吸收剂量和时间有关，所以测量点的有效热传输系数是变化的。此种条件下，根据辐射前后的漂移外推中点的方法来得到热对流传输将不再是精确的方法。

很多可能都会导致水量热计中的热对流。随着周边环境温度变化，或者射线辐照期间，如果模体中温度控制的不理想，在任何温度梯度大的局部位置都可以产生热对流；热敏探针的由于自加热效应，若出现尖锐的温度分布梯度，其局部位置可能出现热对流；非水材料在与水直接接触的位置，辐照时产生的温度梯度，亦可能产生热对流。

由于4℃是水的体积膨胀系数为0，所以将水量热计的操作温度设为4℃，可以降低热对流的影响。热敏探针的功率低于50μW时可以不考虑探针带来的对流效应，而本量热计其功率为5μW，所以忽略该来源影响。

最终，我们在将量热计的操作温度定为4℃，此时的热对流修正项为1，同时本装置可以工作在(0-30)℃，当工作在22℃时，其k_v＝0.993。

具体的，确定辐射场扰动修正项：

量热芯和玻璃探针的存在扰动了辐射场，该修正可由小体积电离室测量，通过有无量热芯的比值获得。

测量得到⁶⁰Co辐射场中，k_p＝1.0021±0.0005。计算可知，0.9mm玻璃将使Co-60射线衰减0.6％，上述测量值表明，量热芯导致的射线减弱部分地被玻璃散射增强。通过进一步的蒙卡模拟可以证明这一点，模拟计算结果为k_p＝1.0022±0.0008。

具体的，确定剖面剂量梯度修正项：

x-y平面的剖面剂量梯度也是由小体积电离室测量进行修正。一对玻璃热敏 探针的端点间距1cm，电离室的校准点为中心，通过电离室测量整个剖面的剂量值，即可进行修正。能量为10MV时Kdd＝0.9971.

具体的，确定水密度修正项：

电离室是在室温进行校准的，在北美，其标准条件为101.325kPa，22.00℃，中国为101.325kPa，20.00℃。该项修正为1.0005。

具体的，确定热损修正项：

量热计测量吸收剂量的一个最基本的假设就是电离辐射能量都以热量的形式沉积在量热芯中，而实际上，要考虑其他形式沉积的能量。所有沉积的能量表示为E_a，以热的形式表现的为E_h，热损就可以表示为：

$k_{\mathrm{hd}}=\frac{E_a-E_h}{E_a}$

需要说明的是，热损是可正可负的，具体取决于水体系在辐射诱导下的物理和化学变化。经过Ar、N₂、H₂、H₂/O₂等不同系统的比较，H₂饱和水体系，在经过100Gy以上辐照后，可以认为其热损为零。

本装置的密封量热芯采用H₂饱和水体系，k_hd＝1。

综上，在得到了所有物理参量和修正项后，光子能量10MV，SSD＝100cm，水深10cm，水吸收剂量测量的各参量及其不确定度如图4所示，10MV光子测量水吸收剂量合成标准不确定度为0.35％。