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编号:10267320
一个中子辐射场自动测量系统
http://www.100md.com 《中华放射医学与防护杂志》 2000年第3期
     作者:周郁 骆亿生 郭勇 肖江 李成林

    单位:(100850 北京放射医学研究所)

    关键词:

    中华放射医学与防护杂志000318 利用智能化程度很高的Keithley 6517静电计,配合Keithley 6521 10路扫 描 卡和便携式计算机组成多路测量系统,并编制了专门的中子辐射场剂量测量与管理软件,解 决了过去测量中子辐射场剂量需要3台静电计,至少两个外接高压,且需3名工作人员同时测 量的问题,提高了工作效率,减少了实验误差。由于利用计算机技术对测量数据进行采集、 计算、分析和处理,不但实现了中子辐射场剂量的自动测量,而且能将测量数据有机地管理 起来,实现了数据的存储、查询、打印及多次测量结果之间的相互比较。

    一、原理方法

    1.原理
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    中子辐射场总是伴随有γ辐射,因此测量中子剂量时还必需确定辐射场的γ剂量。为了分 开混合辐射场中的中子和γ射线组分,在测量中需要使用两个电离室,即一个对混合辐射 场 的中子和γ射线都灵敏的电离室,测量总剂量,此电离室一般为流气式组织等效电离室;另 一个 对混合辐射场的γ灵敏,而对中子不太灵敏的电离室,测量γ射线剂量,此电离室一般为流 气式 石墨壁电离室,这就是双电离室法[1]。另外,由于绝大多数中子-γ混合辐射场 不像纯γ辐射场那样稳定,例如存在着来自反应堆功率的波动或加速器束流变化的影响。因 此测量必须再加一个监督电离室,给出辐射场自身变化修正值,使每次的测量结果归一到相 同功率的水平。

    采用双电离室法测量中子-γ混合辐射场剂量时,组织等效电离室、石墨电离室的响应R′T和R′U(即校正后的电离电荷)与中子、γ剂量的关系为:

    R′T=k-TD-N+h-TD-G (1)
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    R′U=k-UD-N+h-UD-G (2)

    式中:①R′=R.Πk-R.k-d.α-c,其中R为静电计的读数,ΠkR为静电计 非线性校正因子、温度、压力修正因子,漏电流修正因子,复合损失修正因子,极性效应修 正因子和气流率修正因子等乘积;kd为排代因子;αc为吸收剂量定度因子。②DN和DG分别为电离室中心处参考组织中的中子和γ吸收剂量;③kT和kU 分别为组织等效电离室和石墨壁电离室的相对中子灵敏度;④hT和hU分别为组 织等效电离室和石墨壁电离室的相对γ灵敏度.由(1)和(2)式联立可解得DN和DG (3) (4)
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    2.功率(或束流)归一

    实际的中子场是不稳定的,需要用监督电离室对测量数据进行归一。

    设进行了N次测量,监督电离室的响应为Rn(n=1~N),则从第二次测量起,就要计算归一 因子Kn:

    Kn=R1/Rn(n=2~N) (5)

    则组织等效电离室和石墨电离室的响应RTn和RUn需乘以Kn方可代入(3)( 4)式进行计算。

    3.计算剂量中所用的各物理参量

    kT:通过计算方法确定。根据实测中子能谱[2],并利用文献[3]给出的 有关物理参数(在气体中产生一对离子所需的平均能量和比释动能因子等)的推荐值算出的。
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    kU:通过实验方法确定,由式(3)、(4)可得: (6)

    一般采用铅吸收方法测定kU,通过将石墨电离室与组织等效电离室并排放置于准直器 的中心轴线上、距准直器出口约15 cm处,先测量不加铅吸收片的R′T与R′U值, 然后 在准直器出口与电离室之间加不同厚度的铅吸收片,测量出一组R′N与R′U值,即可 代入式(6)计算出k-U值。

    其余参数均采用文献推荐的值[4]

    二、自动测量系统

    1.硬件部分

, 百拇医药     (1)探头

    用于n-γ混合辐射场剂量测量的电离室是我们自行设计与制作的,为了保证测量结果的准确 性和可靠性,我们设计制作了不同体积和形状的流气式组织等效电离室和流气式石墨壁电离 室[5],以进行比对测量。所设计制作的用于中子-γ吸收剂量和剂量分布测量的电 离室有:

    中子剂量测量:80S-TE1,81T-TE1,81T-TE.15和84T-TE.5等,现使用的是81T-TE1;γ剂量 测量:80S-G1,81T-G1,81T-G.15和84T-G.5等,现使用的是80S-G1;监督电离室使用的是8 0T-TE1型组织等效电离室。

    (2)测量仪器

    由Keithley 6517静电计与Keithley 6521 10路扫描卡组成。

    将3个电离室分别接入Keithley 6521扫描卡的3个输入接头,将Keithley 6521的输出接头 接到Keithley 6517静电计的输入接头,并将Keithley 6517静电计后面板的高压输出与电离 室的高压输入相连接。
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    (3)计算机

    便携式计算机通过RS-232接口与Keithley 6517的RS-232接口相连,完成参数设置、数据采 集、分析、处理、存储、打印、查询等各项功能。

    2.软件部分

    为实现中子辐射场剂量的自动测量,我们根据实际情况编写了相应的软件。按照实验需要, 系统设四大模块,用户只需设置相应的参数,仪器便会自动完成采样测量、功率归一、修正 校 正, 并计算出结果存入相应的数据库中,或根据需要打印出来。编制的软件系统框图如图1 所示:

    图1 中子辐射场自动测量系统程序框架示意图

    (1)静电计参数设置:Keithley 6517静电计是一台多功能智能化的仪器,能够测量电压、电 流、电阻和电荷。与Keithley 6521 10路扫描器配合可同时对10个探头的信号进行采样测量 。在实际使用中,应针对实验要求对其内部参数进行设置。①设置数据通道:Keithley 651 7静电计开机后默认10路信号通道全部打开,而实际使用中,只需要使用其中几个通道。对 于中子剂量测量,需要3支电离室,只使用其中的3个通道,这时应将不使用的7个通道关 闭,仪器测量时只对接电离室的3个通道进行扫描测量。②设置高压值:Keithley 6517静 电计提供100 V和1 000 V两档连续可调的高压,默认值为100 V,而实际测量需要的高压为3 00 V ,因此需要通过高压设置,选择1 000 V档,并由限压选择调节至±300 V。③设置采样次数 N: 一般实验重复测量5次即可,也可以根据需要输入新值。④设置过滤范围:在进行中子剂量 测量时,中子辐射场的干扰信号尤其是电干扰信号有时很强,在测量中应能将干扰数据剔除 。使用仪器的数据过滤功能自动地将误差较大的干扰数据去除。获取数据的误差范围应根据 实际情况设置。⑤设置通道之间的扫描等待时间间隔:为了减小前一通道测量结果对后一通 道的影响,通过改变通道间的扫描等待时间来消除。时间间隔的长短,通过实验确定,以确 保前一通道测量结果对后一通道的影响在可接受的误差范围之内。⑥设置前一轮扫描完毕到 下一轮扫描开始之间的等待时间间隔:仪器默认的扫描间隔是很短的,对于稳定辐射场,前 一轮扫描完成后到下一轮扫描开始前的时间间隔的长短对测量数据影响不大,但对于不稳定 辐射场,为了使获得的结果更为接近实际情况,则应适当地增大这一时间间隔。合理的时间 间隔应根据在实际辐射场中的测量而定。
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    (2)用户参数设置:①输入温度。②输入压力,计算温压修正因子KTP。③存放原 始数据的文件名:测量结果有专门的数据库保存,但未经分析处理的原始测量数据没有必要 存入数据库中,因此由用户指定一个专门的文件名,程序将原始数据保存在该文件中,并将 自动建立测量结果与原始数据的联系,若用户需要可在查询数据库时另外打开相应文件查看 原始数据。④预置等待时间:反应堆实验中,从装载实验仪器的小车通过3道防护门进入堆 芯,然后开堆并经过一段时间达到相对稳定,至少需要半小时以上。这时可以预置等待时间 ,例如40 min,则测量人员可以去做别的工作,40 min后仪器自动开始测量,并完成分析计 算,给出测量结果。

    (3)测量与计算:计算机给出信号控制静电计开始测量,N次采样测量的数据静电计将自动存 入记忆芯片。测量完毕后计算机从记忆芯片中将原始数据读回,存入指定的文件并开始分析 处理。首先将N组数据进行功率归一化处理,处理完毕后求出平均值,然后乘以各种修正因 子(温压修正因子KTP、饱和修正因子Ksat、壁吸收修正因子KW 、杆散射修正因子Kst、正负极性修正因子K+-等)、再乘以静电计刻 度因子NC,获得两个电离室的响应值R′T和R′U最后代入公式(3)和(4)求出 中子和γ吸收剂量。将本次测量结果存入相应的数据库,建立和原始数据的关联,并根据需 要将测量结果打印输出。
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    (4)数据管理:本系统建有3个应用数据库,可实现各种数据的有机管理。①测量结果数据 库,用于保存历次测量结果及相关原始数据文件,可对其进行有条件查询,亦可查看相关原 始数据(但不能随便修改),可打印所需数据。②修正因子数据库,保存有关的修正因子,如 饱 和修正因子Ksat、壁吸收修正因子KW、杆散射修正因子Kst、正负 极性修正因子K+-等。计算时,程序自动从库中提取这些修正因子对测量数据进 行修正。③刻度因子数据库,仪器在标准γ辐射场中进行刻度,建立电荷与剂量的对应关系 。本数据库用于保存电离室的刻度因子。将刻度因子乘以仪器在辐射场中获得的读数值即可 得 到对辐射场的响应。仪器的刻度一般一年进行一次。在计算时根据输入的电离室的型号自动 提取最近一次的刻度因子。

    三、讨论

    1.与以前测量系统的一致性:新的测量系统建成后,首先对其进行了性能测试,并在国家 计量院标准γ辐射场进行了刻度,所得到的刻度因子与以前测量系统的刻度因子在0.62%以 内吻合,说明新系统的性能与以前系统一致,可以用该系统替代以前的测量系统。具体数据 见表1。
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    表1 使用两种系统对电离室 刻度结果 电离室型号

    测量结果

    相对测量误差

    原测量方法

    自 动测量系统

    80S-G

    3.175×109R/C

    3.176×109R/C

    0.03%

    81T-TE

    3.819×109R/C
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    3.842×109R/C

    0.602%

    2.重复性

    建立新的测量系统后,进行了重复性实验。对3只电离室加以不同极性的收集电压,具体实 验数据见表2。

    表2 重复性测量结果 测量次数

    81T-

    TE(+)

    81T-

    TE(-)

    81S-

    G(+)
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    80S-

    G(-)

    80T-

    TE(+)

    80T-

    T E(-)

    1

    43.460

    43.018

    52.314

    52.343

    56.19 0

    56.019
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    2

    43.209

    43.108

    52.090

    52.379

    56.193

    56.046

    3

    43.354

    43.100

    52.206

    52.331

    56.260
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    56.075

    4

    43.708

    43.124

    52.084

    52.373

    56.199

    56.076

    5

    43.139

    42.981

    52.330

    52.450
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    56.242

    56.131

    平均

    43.374

    43.066

    52.290

    52.375

    56.217

    56.069

    标准差(%)

    0.52

    0.15

    0.23
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    0.09

    0.06

    0.07

    “变异系数”结果表明新的测量系统具有很好的重复性。

    3.两种测量系统性能比较

    自动测量系统比过去测量系统在各个方面都有很大改进和提高,具体比较结果见表3。

    表3 自动测量系统与过去测量系统的 性能比较 比较项目

    过去的测量系统

    自动测量系统

    需使用的仪器

    3台602静电计+3台数字万用表+3只秒表
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    6517静电计+

    便携式 计算机

    外接电压数目

    至少2个

    不用

    单次测量时间

    30秒

    3秒

    总体测量时间

    依实验情况而定,几十分钟~几小时

    依实验要求而定

    几分钟 ~十几分钟
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    数据处理时间

    几小时~几天

    约4秒

    工作人员人数

    3名

    1名

    实验过程中工作

    人员参与情况

    只需输入必要的参数

    <7.0‰
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    <1.5%

    <4.5 ‰

    <1.0%

    由人为引入的

    不必要的误差

    完全避免

    数据管理

    手工抄写,分类整理收藏;计算时现查所有的参数。

    全自动存储: 随时查询、打印:计算时自动从数据库中提取所需参数。

    总之,本系统集数据采集、计算、分析,测量结果浏览、查询、数据库管理于一体,其控制 部分用Visual Basic 5.0语言编写[6],运行于Windows 95环境下,具有良好的用 户界面和全中文菜单结构。本系统自建成以来,已在国家计量院进行了刻度,并在清华大学 核能研究院轻水反应堆1号孔道上进行了应用测量。从使用上看,该系统操作简单,界面 友 好。从获得的结果看,仪器性能稳定,测量结果准确可靠,并大大地提高了工作效率和测量 精度。
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    参考文献

    1 International Commission on Radiation Units and Measurements.Neutron dosimetry for biology and medicine.ICRU Report 26 Washington,D.C.U.S.Goverment Printing Office,1977,77-89.

    2 蒋洪第.活化技术测中子全谱的非线性规划.计量学报,1980,1:241-248.

    3 Broerse JJ.European protocol for neutron dosimetry for external beam th erapy.Brit J Radiol,1981,54:882-885.

    4 ,郭勇,骆亿生,等.清华大学反应堆大动物照射的剂量测定.中华 放射医学与防护杂志,1988,8:181-186.

    5 ,郭勇,刘艳秋.用于中子吸收剂量测量的组织等效电离室.辐射防 护,1983,3:401-410.

    6 Craig J C,Webb J著.Visual Basic 5.0开发与持巧,张威,卢庆龄,赵宇译,北京:机 械工业出版社,1998,247-256.

    (收稿日期:1998-11-05), 百拇医药