辐射加工剂量学与质量控制

辐射加工剂量学与质量控制概论张彦立中国计量科学研究院电离辐射与医学所2015年4月一、引言•电离辐射剂量学：是一门研究辐射测量的学科，主要研究电离辐射与其能量在物质中的减弱、传递与吸收的规律；受照射物质内的剂量分布与辐射场的关系；辐射剂量与有关辐射效应之间的联系；测量辐射剂量的仪器方法、计算技术及有关参数；以及剂量测量在有关领域中的实际应用。•辐射加工剂量学（也称高剂量学）：涉及辐射加工研究、开发、生产中剂量测量的研究和应用，是辐射剂量学领域中比较活跃的一个分支。它是随着辐射加工事业的发展而发展起来的。就辐射加工而言，严格控制辐照工艺质量是保证被辐照产品质量的关键，而剂量测量的质量则是辐照质量控制的核心和基础。第一章辐射加工剂量测量方法•辐射加工剂量测量的量是吸收剂量:•吸收剂量的定义:D=dE/dm吸收剂量的Si单位为:J/kg，单位的专名为戈瑞(Gy)，在1986年以后，戈瑞已取代现有的吸收剂量专用单位拉德(rad)：1rad=100erg/g=0.01Gy1Gy=lJ／kg=100rad•吸收剂量适用于任何电离辐射和任何受照物质。它表示物质受照射的结果，不涉及物质获得辐射能量的微观过程，而且与采用何种测量方法无关。与照射量不同，它直接采用能量单位来度量，更便于研究物质的辐射效应第一章辐射加工剂量测量方法•确定辐射剂量测量的基本原则原则上说，只要受照射物质中所引起的效应与吸收的辐射能量具有确定的关系，这种效应就可用来测定辐射剂量。这样的效应有电离、发热、发光（激发）等各种物理变化，氧化还原、裂解、聚合、交联、变色、粘度变化等许多化学变化，或由此引起的体系物理性质的变化。第一章辐射加工剂量测量方法•剂量测量系统是由剂量计、相关的分析仪器及剂量响应曲线（或剂量响应函数）组成的。•剂量计是指测量吸收剂量的器件，如盛有剂量计溶液的安瓶，薄膜等。•根据剂量计计量学性能的优劣和用途，可以把测量准确度与精密度都高的、能作为标准使用的剂量计称为标准剂量计。•常规（工作）剂量计是指那些计量学性能稍差，但操作简便、供应充分、能用于日常剂量监测的剂量计称为。•在辐射加工剂量测量中，校准常规剂量计的响应，广泛使用两种不同的方法：①量热计剂量测量系统；②硫酸亚铁（Fricke）剂量测量系统。第一章辐射加工剂量测量方法一、量热计剂量测量系统量热法是一种直接测定吸收剂量的绝对方法。基本原理：如果物质吸收的辐射能量不转变为化学能、光能等量其他形式的能量，只是使物质温度升高，那么我们可以通过在一定条件下测量被照射物质温度的变化来确定所吸收的能量。iiimmCTD/)(第一章辐射加工剂量测量方法一、量热计剂量测量系统第一章辐射加工剂量测量方法一、量热计剂量测量系统第一章辐射加工剂量测量方法•二、电离室（照射量:dQ/dm，单位：C/kg)电离室是以气体作介质的，在辐射作用下气体分子被电离，产生自由电子与正离子。如果在它们的外部加一电场，电子与正离子就会在电场作用下作定向运动，电子向阳极方向运动，正离子则趋向阴极。结果在外测电路上形成电离电流。通常测量照射量用的电离室测量的是对时间的平均电离效应，即一定电压下产生的稳定的电离电流。电离电流一般很小，所以电离室必须与灵敏度较高的静电计那样的测量仪器配合使用。D=0.95×R×Nc×K1×K2第一章辐射加工剂量测量方法•二、电离室电离室是以气体作介质的，在辐射作用下气体分子被电离，产生自由电子与正离子。指型电离室结构图电离电流曲线第一章辐射加工剂量测量方法•电子束流密度计（电子注量仪）此法是通过对电子束流密度与电子束能量的测定，根据被照射物的组成、密度、厚度与其他照射条件计算出被照物中的吸收剂量。加速器所指示的电流与电压并不确切表示入射电子束的束流强度与能量，必须经过校准与修正。))(/(1121GydstIED第一章辐射加工剂量测量方法•电子束流密度计（电子注量仪）第一章辐射加工剂量测量方法二、液体化学剂量计液体化学剂量计是利用辐射在液态化学体系中引起的化学变化（如氧化、还原、分解等）与体系吸收的辐射能量之间的定量关系来测定吸收剂量的。AKGlAD第一章辐射加工剂量测量方法二、液体化学剂量计ε:为被测离子的摩尔消光系数（m2·mol-1）；G:为被测离子的辐射化学产额（mol·J-1)；l：为分光光度计液杯的光程长度（m或cm）；ρ：为剂量计溶液的密度（g·cm-3或kg·m-3）。GlK1第一章辐射加工剂量测量方法二、液体化学剂量计辐射化学产额G（X)为n(x)除以E所得的商.式中，n(x)是某体系吸收平均辐射能量E后，所产生、破坏或变化的物质x的平均量。单位：mol·J-1或（100eV）-1，lmol·J-1=9.65×106(100eV)-1。ExnGx/)()(第一章辐射加工剂量测量方法二、液体化学剂量计吸光度A被定义为：A=log1/T式中，T=I/I0为透射率，I0为入射光通量密度，I为透射光通量密度。第一章辐射加工剂量测量方法•二、液体化学剂量计摩尔吸光系数ε：为比耳定律中的一个系数，亦称为摩尔线性吸收系数或摩尔吸光系数，它可用如下关系式描述：ε=A/(m×l)式中：A为某一特定波长下的吸光度；m为所研究的吸收物质在溶液中的摩尔浓度；l为液杯中溶液的光程长度。ε的单位为m2·mol-1。第一章辐射加工剂量测量方法•二、液体化学剂量计第一章辐射加工剂量测量方法•硫酸亚铁(Fricke)剂量计•该剂量计提供了测量水中吸收剂量的标准方法，它依赖于电离辐射使酸性水溶液中水辐射产物将Fe2+离子定量的地氧化为Fe3+离子的过程。Fe2+→Fe3+•在稀硫酸溶液中Fe3+离子在紫外光区显示303nm和224nm处有2个吸收峰，在303nm处Fe2+的影响可以忽略，故通常采用303nm波长来测量Fe3+的浓度变化。•实验在303nm波长下Fe3+的摩尔吸光系数（ε）值不仅与Fe3+离子标准溶液的制备方法有关，而且受测定的分光光度计性能的影响。第一章辐射加工剂量测量方法•硫酸亚铁(Fricke)剂量计测量波长：303nm;测量范围：40-400（Gy);测量不确定度：2-3%（k=2).第一章辐射加工剂量测量方法•重铬酸盐剂量计•重铬酸盐剂量计依据的反应是由于电离辐射与水相互作用产生的辐解产物可将Cr2O72-中的Cr6+离子还原为Cr3＋离子Cr2O72-→Cr3＋重铬酸根离子（Cr2O72-）在可见光区350nm和440nm处有2个吸收峰，在350nm有峰，摩尔吸光系数较大，可用来测量低剂量量程，而平台440nm处摩尔吸光系数较低，可用来测量高剂量量程。第一章辐射加工剂量测量方法•重铬酸盐剂量计•低量程重铬酸盐剂量计测量波长：350nm;测量范围：0.4-5（kGy);测量不确定度：4-5%（k=2).•高量程重铬酸盐剂量计测量波长：440nm;测量范围：5-40（kGy);测量不确定度：4-5%（k=2)第一章辐射加工剂量测量方法•重铬酸盐剂量计第一章辐射加工剂量测量方法•固体剂量计•固态物质可以是无色的塑料、玻璃、无机或有机晶体、半导体、照相胶片等。侧量的辐射效应主要为光学性质的变化，如吸收光谱、发光光谱的变化；或是电性质的变化，如光电流的变化、发射电子等。•固体剂量计都是相对测量手段，为了获得准确、重现的结果，每批样品必须仔细校准，建立量值溯源性，并且校准应尽可能与使用条件一致，并且严格控制剂量计的厚度与贮存条件。第一章辐射加工剂量测量方法•丙氨酸/ESR剂量计丙氨酸是一种氨基酸，辐照后氨基脱落，形成具有不成对电子的稳定的自由基CH3-CH-COOH，成为顺磁性物质。自由基浓度(总数)可用专门测量自由基的电子顺磁共振（EPR）谱仪定量测量。将测得的结果（如相对波谱峰高）与标准剂量计校准得的剂量响应曲线进行比较，或利用剂量响应函数公式计算，即可确定吸收剂量。第一章辐射加工剂量测量方法•丙氨酸/ESR剂量计测量范围：0.1-40（kGy);测量不确定度：4-5%（k=2)第一章辐射加工剂量测量方法•丙氨酸/ESR剂量计•丙氨酸剂量计由丙氨酸试剂与黏合剂(例如石蜡)以一定比例均匀混合制成,其综合性能优于其他任何辐射加工剂量计。丙氨酸剂量计可测剂量范围宽；线性好，在102～104Gy，其线性相关系数大于0.9999；稳定性好，一年中自由基的衰退只有0.5%；测量重复性好；它的辐射吸收性能与水等效，对大多数辐照物而言，放在其中的丙氨酸剂量计所测吸收剂量可以直接当作辐照物的吸收剂量，无须换算；剂量计结实、体积小、便于邮寄；自由基浓度测量是非破坏性的分析方法，因而可反复测读。•鉴于其良好的剂量学特点，国际原子能机构(IAEA)在1985年选用其推出了用于统一IAEA成员国的吸收剂量量值的“国际剂量保证服务（IDAS）”计划。近年来，NIST、NPL、GSF、等西方发达国家正在进行将丙氨酸/EPR剂量计作为参考标准系统的研究。第一章辐射加工剂量测量方法•PMMA（聚甲基丙烯酸甲醋）剂量计•专门配方的聚甲基丙烯酸甲醋薄片是目前较常用的固体剂量计。无色PMMA(PerspexHX)与红色PMMA(PerspexRed400与Red4034)已被广泛采用，英国、加拿大、日本已有专用于剂量测定的商品出售。•在照射过的无色透明的PMMA中测量的是由辐射产生的不饱和活性基团（例如＞C=0）在305或314nm波长下的吸光度。厚度为1mm～3mm的PerspexHX，可测1kGy～50kGy的吸收剂量。红色PMMA照射后在可见光区（605nm或640nm）测量吸光度变化，测定范围为1kGy～40kGy。第一章辐射加工剂量测量方法•PMMA（聚甲基丙烯酸甲醋）剂量计第一章辐射加工剂量测量方法•辐射显色薄膜剂量计（RCD）•辐射显色染料薄膜剂量计（RCD）是一种很有特色的固态剂量计。它含有一种无色或接近无色的染料母体（三苯甲烷染料的衍生物）的塑料薄膜照射后会显色，显色的程度与吸收剂量有一定的关系，只要测量一定波长下的吸光度变化，即可从校准曲线中得到吸收剂量。一种辐射显色染料为六羟基乙基付品红氰化物的尼龙薄膜，照射后的最大光吸收波长为604nm，厚度为50μm的薄膜在604nm下可测至30kGy，采用较低的波长如540nm或510nm可测剂量增大到300kGy。•误差分析表明其测量扩展不确度为6%(k=2)，可以作为一种响应稳定、测量简便、准确可靠的电子束吸收剂量传递标准。第一章辐射加工剂量测量方法•辐射显色薄膜剂量计（RCD）第一章辐射加工剂量测量方法•CTA（三醋酸纤维素）薄膜剂量计•CTA也是一种常用测量电子束剂量的薄膜剂量计，其方法是在290nm波长可测量由辐射引起的吸光度变化。这种变化与吸收剂量在很宽的范围内呈直线关系。该剂量计适用于较高的剂量水平(50kGy～200kGy)。在通常使用的电子束与γ射线照射下，剂量率对响应影106Gy·h-1以上时，照射温度不影响测量结果，故此剂量计对测量电子剂量特别有用。•误差分析表明其测量扩展不确度为8%(k=2)，可以作为一种测量简便、准确可靠的电子束吸收剂量工作剂量计。第一章辐射加工剂量测量方法•CTA（三醋酸纤维素）薄膜剂量计第二章实用剂量学•辐射加工剂量测量的意义和内容1研究与开发研究产品中的剂量与辐射效应的关系，各种因素的影响（如剂量、剂量率、温度、介质、含水量、气氛、原材料、配方、前处理与后处理工艺等等），建立在一定条件下吸收剂量与辐照物品中产生所需效应之间的关系，确定实现某种产品辐照工艺的最佳剂量水平和剂量限值（即选定工艺剂量）。第二章实用剂量学•辐射加工剂量测量的意义和内容•2辐照装置确认（鉴定）的目的是验证辐照装置是否具备进行辐射加工的能力，证明该装置能以一种重现、可控制的方式对产品辐照规定的剂量。装置确认包括对加工设备的检验，运行参数的刻度与稳定性考验，剂量测量系统的校准，检验模拟产品或产品中吸收剂量与剂量分布的值及其重现性。剂量测量包括测量辐射源到辐照位置的重复性，辐照场剂量分布，产品单元