CN102879794B - 一种用于复现放射源辐射场中空气比释动能的装置 - Google Patents

Abstract

本发明旨在实现空气比释动能的绝对测量和量值复现，将该量溯源至国际单位制。本发明提出的用于复现放射源辐射场中空气比释动能的装置，包括射线辐射单元、探测器单元、位置控制单元以及信号测控单元，所述射线辐射单元提供放射源射线辐射场；所述探测器单元包括电离室和中心收集极；所述位置控制单元用于调整所述探测器单元相对所述射线辐射单元的俯仰和/或水平角度，在射线束辐照条件下对所述探测器单元进行定位与走位控制；信号测控单元包括信号储存模块、信号监测模块、信号补偿模块、信号测量模块以及量值溯源模块。采用本发明的射线空气比释动能复现装置，复现空气比释动能合成标准不确定度为0.27％，长期稳定性0.2％。

Description

一种用于复现放射源辐射场中空气比释动能的装置

技术领域

本发明涉及放射源辐射场中空气比释动能的测量与复现，属于电离辐射计量领域的基础测量技术。

背景技术

空气比释动能定义为非荷电粒子在单位质量空气中释出的所有荷电致电离粒子的初始动能的总和，为电离辐射领域四个SI导出量之一，国际计量局组织的电离辐射剂量领域8项关键比对中，有6项是空气比释动能量值的比对。空气比释动能是电离辐射计量工作需要复现的重要物理量值，它具有如下优点：

1、比释动能使用SI法定计量单位，因而具有SI单位的优越性，比如严格、简明合理、科学实用及通用等；

2、比释动能适用于描述任何间接致电离粒子与物质之间相互作用；

3、比释动能不受测量能量限制，应用范围广；

4、比释动能与辐射生物效应关系密切，这样它就更适用于描述射线与物质相互作用，使其在辐射治疗领域应用更加广泛。因为空气比释动能具有上述优点，所以国际上已普遍采用空气比释动能替代照射量作为量值传递的物理量。

发明内容

本发明旨在实现空气比释动能的绝对测量和量值复现，将该量溯源至国际单位制。

本发明采用石墨空腔电离室作为射线探测器单元，进行电离电流的测量，最终实现空气比释动能的量值复现。本发明的技术方案为：

一种用于复现放射源辐射场中空气比释动能的装置，包括射线辐射单元、探测器单元、位置控制单元以及信号测控单元，

所述射线辐射单元提供放射源射线辐射场；

所述探测器单元包括电离室和中心收集极，用于在电离辐射条件下形成带点粒子平衡，满足测量的基础理论条件；

所述位置控制单元用于调整所述探测器单元相对所述射线辐射单元的俯仰和/或水平角度，在射线束辐照条件下对所述探测器单元进行定位与走位控制；

其特征在于，

信号测控单元包括信号储存模块、信号监测模块、信号补偿模块、信号测量模块以及量值溯源模块，其中，

信号储存模块用于将所述探测器单元恒定输出的微弱电流进行累积储存；

信号监测模块用于监测固定点处电位的变化，并判断该电位是否满足平衡条件，即是否回归到初始值并保持不变一定时间，当满足平衡条件时，信号监测模块向信号测量模块发出测量指令；

信号补偿模块用于对信号储存模块输出的电压量施加一补偿量，以使得监测的固定点处的电位在测量开始后回归初始值；

信号测量模块用于根据来自信号监测模块的所述测量指令，对所述信号补偿模块输出的所述补偿量进行测量，并记录所述补偿量ΔV和对应的时间t；

量值溯源模块用于根据所述补偿量ΔV、对应的时间t以及测量回路的电容值推算所述探测器单元的中心收集极收集的电离电流值，并根据空气比释动能量值复现公式计算测量点处的空气比释动能，并将测量过程中涉及的包括时间、电容值、电压值和电流值的物理量溯源至相应国际单位制的国家标准。

附图说明

图1示出了本发明装置的框图。

图2是探测器单元中的球-圆柱形空气比释动能电离室的示意。

图3是根据本发明的测量流程示意图。

具体实施方式

请参阅图1，本发明的装置包括射线辐射单元，探测器单元，位置控制单元以及信号测控单元。以下将按照各单元顺序来详细描述本发明的技术方案。

射线辐射单元

作为示例，本实施例中的射线辐射单元采用⁶⁰Co γ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。

具体地，⁶⁰Co γ放射源活度为30TBq(2006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。

探测器单元

探测器单元主要包括电离室和中心收集极。在本实施例中，优选地，⁶⁰Coγ射线空气比释动能电离室可设计为球-圆柱形结构，如图2所示，其两端为球形，中部为圆柱形，该结构结合了柱形和球形的优点，可以有效减小柱形电离室的掠角效应，降低量值复现中的物理参数测量的不确定度。电离室内部设有中心收集极。中心收集极为末端为球形的圆柱，且末端位于电离室内部空腔的中心位置。作为示例，电离室的标称收集体积为10cm³，有效收集体积为9.542cm³，电离室和中心收集极的详细参数见表1。

表1球-圆柱形空气比释动能电离室的详细参数

位置控制单元

位置控制单元用于控制测量平台，实现基准的精确定位。在本实施例中，测量平台的导轨长3.0米，平台宽为1.1米，可以实现三维移动的手动或电动控制，其中前后移动范围3米，左右移动1.5米。采用电机带动滚珠丝杠转动作为传动动力。为了使导轨钢材内部应力充分放出，采用经3年自然释效的V形导轨与平行导轨组合，并采用地沟灌冲水泥方法固定工字钢材作为导轨的地基，使得导轨安装后性能稳定(不形变)，这样保证电离室定位精度好于0.3mm。导轨上的刻度用平台可以用计算机控制其在导轨上前进、后退、升高和降低。也可以利用导轨旁边的手控盒上的按键进行控制其刻度用平台在在导轨上前进、后退、升高和降低。在控制台上和手控盒旁边分别安装有大小监视器，在屏幕上可以很方便的看见电离室距离辐射源中心、上、下、左右的位置(导轨上标尺监视)和实验室全貌。

信号测控单元

信号测控单元包括信号储存模块、信号监测模块、信号补偿模块、信号测量模块以及量值溯源模块，其中，

信号储存模块用于将所述探测器单元恒定输出的微弱电流进行累积储存；

信号监测模块用于监测固定点处电位的变化，并判断该电位是否满足平衡条件，即是否回归到初始值并保持不变一定时间，当满足平衡条件时，信号监测模块向信号测量模块发出测量指令；

信号补偿模块用于对信号储存模块输出的电压量施加一补偿量，以使得监测的固定点处的电位在测量开始后回归初始值；

信号测量模块用于根据来自信号监测模块的所述测量指令，对所述信号补偿模块输出的所述补偿量进行测量，并记录所述补偿量ΔV和对应的时间t；

量值溯源模块用于根据所述补偿量ΔV、对应的时间t以及测量回路的电容值推算所述探测器单元的中心收集极收集的电离电流值，并根据空气比释动能量值复现公式计算测量点处的空气比释动能，并将测量过程中涉及的包括时间、电容值、电压值和电流值的物理量溯源至相应国际单位制的国家标准。

在本实施例中，⁶⁰Co γ射线的空气比释动能量值复现公式为：

$\stackrel{\·}{K}=\frac{I}{\mathrm{V\ρ}}\frac{W}{e}\frac{1}{1-\stackrel{\‾}{g}}{\left(\frac{\stackrel{\‾}{{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{en}}}}{\mathrm{\ρ}}\right)}_{a,c}{\stackrel{\‾}{s}}_{c,a}\mathrm{\Π}{k}_i$

式中，为测量点处的空气比释动能率；I为探测器单元的中心收集极收集的电离电流；V为探测器单元的电离室体积；ρ为干燥空气密度；W/e为在干燥空气中，带一个电子电荷的电子产生一对离子对时所消耗的平均能量；为消耗于轫致辐射的能量占其初始能量的份额；为空气与石墨的质能吸收系数比；为石墨和空气的平均阻止本领比；k_i表示以下各修正因子：

k_s-离子复合损失修正因子；

k_h    -湿度修正因子；

k_st    -电离室杆散射修正因子；

k_att-壁减弱修正因子；

k_sc    -壁散射修正因子；

k_CEP-产生电子的平均位置修正因子；

k_an    -轴向非均匀性修正因子；

k_rn-径向非均匀性修正因子。

测量流程如图3所示。作为优选，为了使测量装置充分复零，每次测量结束与下次测量开始的时间间隔为1分钟，电离室正负极化电压转换时间间隔为5分钟。电离室每个极化电压测量电离电荷(电离电流)十次，计算得出每个极化电压经温度、压力修正后的测量值、平均值、测量结果的相对标准偏差和正负极性的平均值，以及⁶⁰Co γ射线空气比释动能的测量值和⁶⁰Co γ射线半衰期修正。测量结果如表2所示。

表2各物理参数及其不确定度评定

(1)s_i代表A类用统计方法估计的u(x_i)/x_i相关标准不确定度u_i代表B类用其它方法估计的u(x_i)/x_i相关标准不确定度

(2)在0℃和101.325kPa条件下

(3)结果的合成不确定度，(4)k_att k_sc的连乘值.

采用本发明的射线空气比释动能复现装置，复现空气比释动能合成标准不确定度为0.27％，长期稳定性0.2％；参加国际计量局BIPM.RI(I)-K1国际关键比对，与比对参考值在0.08％内吻合，结果进入KCDB数据库，取得国际等效。经过长时间的考验，基准电离室及辐射场等配套设备具备γ射线空气比释动能量值复现和量值传递能力，符合国家基准装置的技术要求。

Claims (1)

1.一种用于复现放射源辐射场中空气比释动能的装置，包括射线辐射单元、探测器单元、位置控制单元以及信号测控单元，

所述射线辐射单元提供放射源射线辐射场；

所述探测器单元包括电离室和中心收集极，用于在电离辐射条件下形成带电粒子平衡，满足测量的基础理论条件；

所述位置控制单元用于调整所述探测器单元相对所述射线辐射单元的俯仰和/或水平角度，在射线束辐照条件下对所述探测器单元进行定位与走位控制；

其特征在于，

信号测控单元包括信号储存模块、信号监测模块、信号补偿模块、信号测量模块以及量值溯源模块，其中，

信号储存模块用于将所述探测器单元恒定输出的微弱电流进行累积储存；

信号监测模块用于监测固定点处电位的变化，并判断该电位是否满足平衡条件，即是否回归到初始值并保持不变一定时间，当满足平衡条件时，信号监测模块向信号测量模块发出测量指令；

信号补偿模块用于对信号储存模块输出的电压量施加一补偿量ΔV，以使得监测的固定点处的电位在测量开始后回归初始值；

信号测量模块用于根据来自信号监测模块的所述测量指令，对所述信号补偿模块输出的所述补偿量ΔV进行测量，并记录所述补偿量ΔV和对应的时间t；

量值溯源模块用于根据所述补偿量ΔV、对应的时间t以及测量回路的电容值推算所述探测器单元的中心收集极收集的电离电流值，并根据空气比释动能量值复现公式计算测量点处的空气比释动能，并将测量过程中涉及的包括时间、电容值、电压值和电流值的物理量溯源至相应国际单位制的国家标准；

其中，所述射线辐射单元采用⁶⁰Coγ辐射源，所述空气比释动能量值复现公式为：

式中，为测量点处的空气比释动能率；I为探测器单元的中心收集极收集的电离电流；V为探测器单元的电离室体积；ρ为干燥空气密度；W/e为在干燥空气中，带一个电子电荷的电子产生一对离子对时所消耗的平均能量；为消耗于轫致辐射的能量占其初始能量的份额；为空气与石墨的质能吸收系数比；为石墨和空气的平均阻止本领比；k_i表示以下各修正因子：

k_s-离子复合损失修正因子；

k_h-湿度修正因子；

k_st-电离室杆散射修正因子；

k_att-壁减弱修正因子；

k_sc-壁散射修正因子；

k_CEP-产生电子的平均位置修正因子；

k_an-轴向非均匀性修正因子；

k_m-径向非均匀性修正因子；

其中，⁶⁰Coγ射线空气比释动能电离室可设计为球-圆柱形结构，其两端为球形，中部为圆柱形，该结构结合了柱形和球形的优点，可有效减小柱形电离室的掠角效应，降低量值复现中的物理参数测量的不确定度；电离室内部设有中心收集极，中心收集极为末端为球形的圆柱，且末端位于电离室内部空腔的中心位置，电离室的标称收集体积为10cm³，有效收集体积为9.542cm³；而测量平台的导轨长3.0米，平台宽为1.1米，可实现三维移动的手动或电动控制，其中前后移动范围3米，左右移动1.5米；采用电机带动滚珠丝杠转动作为传动动力，为使导轨钢材内部应力充分放出，采用经3年自然释效的V形导轨与平行导轨组合，并采用地沟灌冲水泥方法固定工字钢材作为导轨的地基，使得导轨安装后性能稳定，保证电离室定位精度好于0.3mm，导轨上的刻度用平台可以用计算机控制其在导轨上前进、后退、升高和降低，以及利用导轨旁边的手控盒上的按键进行控制其刻度用平台在在导轨上前进、后退、升高和降低，在控制台上和手控盒旁边分别安装有大小监视器，在屏幕上可以很方便的看见电离室距离辐射源中心、上、下、左右的位置和实验室全貌；为使测量装置充分复零，每次测量结束与下次测量开始的时间间隔为1分钟，电离室正负极化电压转换时间间隔为5分钟；电离室每个极化电压测量电离电荷十次，计算得出每个极化电压经温度、压力修正后的测量值、平均值、测量结果的相对标准偏差和正负极性的平均值，以及⁶⁰Coγ射线空气比释动能的测量值和⁶⁰Coγ射线半衰期修正。