第41卷㊀增刊12021年㊀10月㊀
辐㊀射㊀防㊀护
Radiation㊀Protection
Vol.41㊀No.S1
㊀㊀Oct.2021
㊃医疗照射与防护㊃
李蔚铭1，韦应靖1,2，李㊀胤1，陈双强1，王明亮1，郝世东1
(1.中国辐射防护研究院，太原030006;2.清华大学，北京100084)
㊀摘㊀要：采用活度为1.85ˑ1014Bq 的60Co 放射源建立了γ射线空气比释动能(水平)标准装置，同时从实际
情况和安全性考虑设计建造了一套附属的安全联锁系统㊂为了评价标准装置的性能指标，依次测试辐射场的空气比释动能率范围㊁辐射野㊁均匀性以及散射等㊂测量结果表明在1~5m 的距离内，在不加铅衰减的条件下辐射
场的空气比释动能率范围为1.71~43.5Gy /h ，加衰减器后最小空气比释动能率可达1.5ˑ10
-4
Gy /h ㊂在无衰减
器的条件下，该标准装置在距离放射源1~5m 范围内平方反比律在1%以内成立；在加衰减器的条件下，该标准装置在距离放射源2~5m 范围内平方反比律在ʃ3.5%以内成立㊂2m 位置处空气比释动能率波动在5%以内
的辐射野半径为13cm ，空气比释动能率波动在1%以内的辐射野半径为7cm ㊂标准装置的技术性能指标满足
开展水平剂量仪的检定/校准要求㊂
关键词:60Co γ射线；安全联锁；水平；空气比释动能率中图分类号:TL84
文献标识码:A
㊀㊀收稿日期:2021-01-14
作者简介：李蔚铭(1997 )，男,2019年毕业于四川大学核工程与核技术专业，现为中国辐射防护研究院辐射防护及环境保护专业在读研究生㊂E-mail:liweiming1997@126
通讯作者：韦应靖㊂E -mail:weiyj531@sina
㊀㊀水平的γ射线在科学研究㊁医疗卫生㊁国防建设以及进出口贸易检验等领域中都发挥着重要的作用[1]，因此建立γ射线空气比释动能(水平)标准装置是很有必要的㊂该标准装置建成后，可解决放射性计量工作中高量程γ射线剂量仪表的研制和校准工作，可对水平电离室剂量计和高剂量率场所辐射防护监测仪开展检定服务㊂该标准装置通过检定/校准的方式进行量值传递，以保证所测量值的准确性㊁可比性和溯源性，并可作为分析㊁判断和控制剂量水平的依据，保证所检定/校准仪表使用单位的辐射安全和相关人员的健康与安全㊂
韦紫明1㊀装置介绍
㊀㊀γ射线空气比释动能(水平)标准装置是参考GB /T 12162.1 2000[2]建立的，其原理是对放射源进行屏蔽后，利用准直器来调节可用辐射野的范围㊂γ射线空气比释动能(水平)标准装置结构组成如图1所示，主要构成包括以下几个部分
:
图1㊀γ射线空气比释动能(水平)标准装置
Fig.1㊀Standard device for γ-ray air
kerma (radiotherapy )
(1)辐照器㊂辐照器主体材料为铅，内部含有
放射源源室，用于安装放射源，把放射源安装在源棒(钨合金)的源室中，插入屏蔽容器中，使放射源正对准直光阑出射孔，开口上部和下部使用铅堵头进行封闭㊂通过实际测量得知，所设计建造的辐照器在有源(活度为1.85ˑ1014Bq 的60Co)条件
㊀辐射防护第41卷㊀第S1期
下，距离辐照器表面5cm处空气比释动能率为0.22μGy/h㊂
(2)准直光阑㊂准直光阑采用ISO4037-1[3]建议的钨合金多板去散射结构，射束出射角为12ʎ，距离源1m位置的辐射场直径约为ϕ200mm㊂(3)快门㊂快门包含主快门和辅助快门，主快门控制射束的出射状态，辅助快门控制放射源的升降㊂采取气动方式驱动，开关信号由控制系统控制给出，通过调节对应的阀门即可控制快门的开启和关闭速度，以控制快门开关引入的辐照过渡时间㊂快门接入到安全联锁系统中，只有在屏蔽门关闭时快门才可以打开，只要屏蔽门开启，快门就无法打开㊂
(4)衰减装置㊂在出射孔前端设计有2块不同厚度的长方体铅衰减器，铅衰减器放置在导轨上，可沿着导轨左右移动，实验时能根据需要对衰减器进行组合㊂其中1号衰减器对γ射线的空气比释动能率约有50倍的减弱作用,2号衰减器对γ射线的空气比释动能率约有400倍的减弱作用㊂
(5)辐照装置支架㊂用于放置辐照器以及其他装置，材料采用铸铁，具备调平功能㊂
2㊀标准装置的安全联锁系统
㊀㊀由于标准装置中60Co放射源的活度高达1.85ˑ1014Bq，因此为了能够在使用标准装置展开各项科研活动或在遇到突发情况时保证安全性，该标准装置根据GB4943.1 2011[4]标准以及防护标准设计建造了一套安全联锁系统㊂
2.1㊀安全联锁装置的组成部分
㊀㊀安全联锁系统分为6个子系统，各子系统的简要介绍如下:
(1)中控系统：中控系统位于控制大厅，由计算机与配套的软件组成㊂主要功能是使操作人员能够利用计算机对安全联锁系统中的各个分系统下达指令，同时从远程进行现场监控部分的实验操作㊂
(2)通风系统：通风系统由安装在实验大厅外的进风机与穿过墙体并延伸到实验大厅的两根矩形通风管构成，两根通风管分别在实验大厅的两侧，进风口靠近标准装置，出风口远离标准装置，保证整个实验大厅的空气可以得到充分流通，只有在通风系统运行正常时，标准装置的快门才能打开，避免了因辐照将空气电离产生对人体有害气体的沉积㊂
(3)紧急控制系统：紧急控制系统由两个紧急开关以及信号处理装置构成㊂两个紧急开关分别安装在中央控制台以及刚进实验大厅的迷道处内㊂任意紧急控制开关按下后均会使快门关闭以及60Co放射源落回安全位置，且在紧急开关未复位的情况下标准装置的快门无法通过中控系统打开㊂
(4)红外感应系统：通过发射红外线来感应探测范围内有无人员活动，在辐照状态若有人员活动触发红外感应系统，联锁的快门会立即自动关闭，防止造成人员意外辐照伤害㊂
(5)屏蔽门：屏蔽门由电机驱动控制开关，屏蔽门与辐照装置的快门形成联锁，当屏蔽门处于打开状态时，无法通过控制软件打开快门，从而保证快门关闭，不能进行辐照实验；当快门打开，装置处于辐照实验中，屏蔽门无法打开，可防止人员误入实验大厅造成意外照射㊂
(6)快门系统：快门的系统由气泵和快门以及附属的控制系统组成，气泵用于提供开启快门的压缩气体，快门控制系统会通过接收各个分系统的信号来判断快门是否需要开启或关闭㊂快门的关闭方式是依靠重力自行下落，这样可以保证在一部分子系统失灵(包括快门系统自身)时，快门仍然能够顺利关闭，防止造成意外辐照事故㊂2.2㊀安全联锁系统的工作方式
㊀㊀在标准装置的外壳未遭受破坏的前提下，快门落下即可保证γ辐射不会泄露，确保实验现场的安全㊂因此快门的控制是整个安全联锁系统的核心㊂在安全联锁系统的设计中，快门的开启和关闭都需要满足一定的条件，为标准装置的运行和现场人员的安全提供保障㊂
在快门处于关闭状态时，开启快门需要同时满足以下条件:(1)通风系统工作正常;(2)屏蔽门工作正常且处于关闭状态;(3)红外感应系统工作正常且未检测到活动物体;(4)快门系统工作正常;(5)中控系统工作正常㊂当以上条件不能同时满足时，快门将无法被开启㊂
相反，当快门已开启，标准装置处于正常照射状态时，可能发生以下情况:(1)任意子系统失效;
李蔚铭等:γ射线空气比释动能(水平)标准装置的建立㊀
(2)屏蔽门被意外开启(人为或非人为);(3)红外感应系统检测到活动物体;(4)应急按钮被按下㊂以上情况只需发生一种，安全联锁系统系统都会立即关闭快门，直到故障排查完成，现场状况满足快门开启条件后才能够再次开启快门进行实验㊂从快门的开启和关闭条件可知，在整个安全联锁系统运行的过程中，操作人员没有直接开启快门的权限，这种设计确保了操作人员因无意或故意的操作导致意外照射事故的发生㊂此外快门的关闭由重力控制，不需要额外的辅助设备，即使极端状况下，所有子系统均发生故障，快门仍然能够准确关闭㊂这两个设计在最大程度上保证了操作人员的安全㊂
3㊀辐射场的指标及测量结果
㊀㊀为了验证γ射线空气比释动能(水平)标准装置所产生的辐射场的各项指标是否符合GB/T12162.1 2000[2]和JJG2044 2010[5]中的规定，对辐射场的空气比释动能率范围㊁辐射野㊁均匀性及散射等技术参数进行了测量㊂测量中采用的标准仪器是型号为T10022型UNIDOS webline剂量仪和型号为TW30013电离室(灵敏体积0.6cm3)的组合㊂
3.1㊀空气比释动能率
本标准装置安装的放射源为活度1.85ˑ1014 Bq的60Co源，在装置投入使用前需要测量不同条件下的辐射场的空气比释动能率范围，测量结果列于表1㊂
从表1可以看出，在1~5m的距离内，不加衰减的情况下γ射线空气比释动能(水平)标准装置的空气比释动能率范围为1.71~43.5Gy/h，在增加了衰减装置后，可用的空气比释动能率的最小值为1.5ˑ10-4Gy/h，可用的空气比释动能率的范围更宽，便于开展更广泛的实验㊂
表1㊀不同条件下不同距离的空气比释动能率(Gy/h)
Tab.1㊀The air kerma rate at different distances and different conditions(Gy/h)
3.2㊀平方反比律验证
㊀㊀对于点状放射源而言,γ光子会向各个方向均
匀发射㊂若单位时间内发射的γ光子总数为N0,
则在以点源为球心，半径为R的球面上，有N0个γ
光子在单位时间内穿过㊂因此，距离点源R处的
γ光子在单位时间㊁通过单位面积的个数I可以用
式(1)表示:
I=
N0
4πR2=
C
R2
(1)
式中,C=N0
4π，放射性活度C此时可以看作常数,
因此Iɖ1R2，即测量点的射线强度与放射源到测量点的距离成平方反比的关系㊂为了更准确地测量并表示这种关系，对式(1)左右取对数，有log I= log C-2log R，能够得到一条斜率为-2的直线[6]㊂
在距离放射源1~5m的区间每隔1m取一测量点测量γ射线的空气比释动能率，每个点重复测量10次并取平均值，绘制并拟合得到空气比释动能率对数和距离对数之间的关系式，不加铅衰减器条件下平方反比律测量结果如图2所示㊂测量结果表明，在无衰减器的条件下，该标准装置在距离放射源1~5m范围内平方反比律在1%以内成立㊂在加衰减器的条件下，该标准装置在距离放射源2~5m范围内平方反比律在ʃ3.5%以内成立㊂
3.3㊀辐射场均匀性与辐射野
㊀㊀参考GB/T12162.1 2000对辐射场均匀性的要求，辐射场范围内各点的空气比释动能率的变化不超过5%[2]㊂对于水平剂量仪检定，要求γ射线空气比释动能(水平)标准装置的空气比释动能率的变化不超过1%㊂在距离放射源1m处，以准直装置的中轴线为原点，分别左右㊁上
㊀
辐射防护第41卷㊀第S1期
下移动电离室进行扫场测量，每个点重复测量10次空气比释动能率并取平均值
㊂
图2㊀标准装置辐射场空气比释动能率
对数和距离对数的关系
Fig.2㊀Relationship between logarithm of air kerma
rate and logarithm of distance in radiation
field of standard device
辐射野指的是辐射场所覆盖的范围㊂在理想条件下知道准直器夹角大小以及准直器中心轴上一点到放射源的距离即可确定该点处辐射束直㊀㊀
径㊂但在实际情况中，由于各类因素的影响，辐射场的范围与理论值有一定偏差，需要通过测量得到具体的辐射野㊂对辐射场的均匀性进行测量后，在4个方向上选取空气比释动能率为中心原点95%(水平为99%)的测试点，这4个测试点到中心原点的距离即为辐射野大致的半径㊂辐射场均匀性的测量结果如图3所示㊂
GB /T 12162.1 2000中规定在辐射场范围
内空气比释动能率的波动不超过中心点空气比
释动能率的5%[2]，即辐射场范围内各点空气比释动能率均为中心点空气比释动能率的95%~105%,γ射线空气比释动能(水平)标准装置的要求则为辐射场范围内空气比释动能率的波动不超过中心点空气比释动能率的1%㊂图3测量结果表明：在距离放射源2m 位置处空气比
释动能率波动为5%的情况下的辐射野半径为13cm，空气比释动能率波动为1%的情况下的辐
射野半径为7
cm㊂
注：横坐标代表测试点到测试平面中心点的距离，左图中测量点在水平方向上移动，右图中测量点在垂直方向上移动；两图的纵坐标
代表测试点处的空气比释动能率占中心点空气比释动能率的比例㊂
图3㊀辐射场的均匀性(测量距离2m )
Fig.3㊀Uniformity of radiation field (measuring distance is 2m )
3.4㊀散射测量
散射的测量方法为沿垂直于射线束轴线的平面移动探测器，移动距离为两倍的射线束半径与半影区之和，在不增加衰减装置的情况下，通过测量距离放射源2m 位置处辐射野以及计
算辐射区域理论半径，可以得知散射测试点距离中心点的距离为35cm㊂实际测量结果列于
表2㊂
GB /T 12162.1 2000中规定辐射场散射的检
测点空气比释动能率不能超过中心点的5%[2]，水平下辐射场散射的检测点空气比释动能率不能超过中心点的1%㊂
从表2数据分析可知，在没
李蔚铭等:γ射线空气比释动能(水平)标准装置的建立㊀
有使用衰减装置时测试点的最大空气比释动能率为中心点的0.89%，小于中心点空气比释动能率
的1%，因此，该标准装置产生的辐射场的散射达到了水平的要求㊂
表2㊀辐射场散射测量
Tab.2㊀Radiation field scattering measurement
4㊀测量结果不确定度的评定
4.1㊀测量方法
㊀㊀本标准装置采用已知检定点空气比释动能率对待测仪器进行检定或校准㊂检定点空气比释动能率约定真值，是利用经上级计量技术部门检定的标准剂量仪的测量值乘以相关修正因子给出的㊂
考虑影响量后，检定点空气比释动能率的测量模型为:
K ㊃
a =K ㊃
M ㊃k c ㊃k TP ㊃k i
(2)
式中,K ㊃
a 为经修正后的空气比释动能率,Gy㊃h -
1;
K ㊃
M 为空气比释动能率读数平均值,Gy㊃h -
1;k c 为
标准剂量仪校准因子;k TP 为温度气压修正因子,k TP =
273.15+T 273.15+20㊃101.325
P
，其中T 为实验室环
境温度,ħ;P 为实验室环境气压,kPa;k i 为测量过程中相关影响量的修正,ᵑk i =1，主要包括:k 1为仪器读数和源到位重复性;k 2为仪器示值非线性;k 3为电离室取向;k 4为辐射能量;k 5为测量计时;k 6为放射源衰变修正;k 7为距离变化㊂
4.2㊀计算合成标准不确定度
㊀㊀由于被测量的测量模型中各输入量是相乘的
关系，各分量之间彼此独立不相关，因此根据JJF 1059 1999(测量不确定度评定与表示)[7]
相对合
成标准不确定度计算为:u cr (K ㊃
)=
u 2r (k c )+u 2r (k T )+u 2r (k P )
+ð7
i =1
u 2
r
(k i
)
(3)
㊀㊀标准装置不确定度分量的来源与具体数值列于表3，标准装置的合成相对标准不确定度u c =1.0%㊂为了测量结果间相互比较，按惯例在确定
扩展不确定度时取包含因子k =2，最后得出标准
装置相对扩展不确定度U rel =2.0%(k =2)㊂表3㊀不同来源的不确定度值
Tab.3㊀Uncertainty values from different sources
5㊀结论
㊀㊀在不加衰减的情况下测得γ射线空气比释动能(水平)标准装置在1~5m 的距离内辐射
场的空气比释动能率范围为1.71~43.5Gy /h㊂在无衰减器的条件下，该标准装置在距离放射源1~5m 范围内平方反比律在2%以内成立；在加衰
减器的条件下，该标准装置在距离放射源2~5m 范围内平方反比律在ʃ3.5%以内成立，辐射场平
方反比律达到了GB /T 12162.1 2000[2]的要求㊂
距离放射源2m 位置处，空气比释动能率波动为
5%的情况下辐射野半径约为13cm，空气比释动
能率波动为1%的情况下辐射野半径约为7cm㊂经评定，测量结果的相对扩展不确定度U rel =
2.0%(k =2)，装置的各项性能指标均满足相关标
准要求，可以按照JJG 912 2010[8]㊁JJG 393 2018[9]和JJF 1743 2019[10]等开展量值传递工
作㊂此外，本装置经山西省市场监督管理局考核合格，已授权为社会公用计量标准装置，可以对水平辐射监测仪以及其他高剂量率γ辐射监测仪开展检定/校准/测试等工作㊂
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