CN106772549B - 一种点状放射源照射器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种点状放射源照射器，所述照射器包括放射源组件、源罐、源仓、束流通道、升降源组件、剂量均化器、剂量调整器、检测与定位组件。本发明的点状放射源照射器使用敞口形束流通道增大束流射野，利用剂量调整器配合剂量均化器，实现了剂量（率）场均化、调整和散射本底抑制的功能。本发明的点状放射源照射器能够优化点状放射源辐射场剂量（率）分布、调整剂量（率）值、抑制散射本底，获得具有宽剂量率范围、大规格辐照面、低散射成分的辐射场；能够在距源较近的区域，提供规格达m量级的均匀辐照面；空间低能散射γ低，适合用于总剂量辐照考核实验；能在有限的场地范围内获得宽剂量率范围辐射场，剂量率能够覆盖数个量级。

Description

一种点状放射源照射器
技术领域
本发明属于电离辐射效应实验技术领域，具体涉及一种点状放射源照射器。
背景技术
点状γ放射源辐照装置是辐射效应研究常用装置之一，主要用于低、中等剂量率范围内微电子材料/器件抗辐射加固考核、高分子材料辐射改性和医疗灭菌等研究领域。点源等（吸收）剂量率面是以放射源为中心的系列同心圆面。考虑样品多为平面形（如集成电路板等），实际使用的辐照面是同心圆球上的切平面，GJB 5422-2005和GJB 548B-2005要求辐照平面的剂量率不均匀度U≤10%，使得在辐照面规格受空间条件限制。目前，用于电离辐射效应实验研究的点源照射器主要有两种：自屏蔽式和准直式。对于批量、大尺寸样品辐照实验而言，现有辐照装置的优点和不足之处在于：自屏蔽式照射器，多用于小件样品辐照，如血液消毒等，优点是可在小场地中使用，但仅能提供规格几厘米~十几厘米的辐照面，且Eγ≤300keV低能γ散射成分较大，影响样品辐照剂量评估；准直式照射器，多用于仪器校准，为最大程度抑制散射γ，利用束流通道和准直器来提升束流品质，该类照射器能够产生能量单一性较好的γ辐射场，散射成分≤5%，中国原子能研究院和中国计量科学技术研究院等单位代表了国内该类照射器的最高技术水平，但该类装置能够提供的辐照平面通常较小，规格约为10cm~25cm。同时，随着核安全监管力度和人物力成本的增大，业主单位对能够实现宽剂量率范围照射器的潜在需求不断增大。
中国专利文献库公开了 “一种用于计量检定的γ射线辐照装置”（公开号：CN204203471 U）、 “一种便携式射线照射装置”（公开号：CN104345335 A）、 “γ射线强源照射器”（公开号：CN 104345335 A）、 “可携式多量程参考辐射装置”（公开号：CN201110392048）、 “γ多源γ校准装置”（公开号：CN 201955473 U）等点γ源照射器。这几种点γ源照射器，因应用方向需求不同，或专注于抑制散射本底，或仪器轻便`性，或剂量率范围有限，都不适用于批量或大尺寸样品、宽剂量率范围辐照实验。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种点状放射源照射器。
本发明的点状放射源照射器，其特点是：所述的照射器包括放射源组件、源罐、源仓、束流通道、升降源组件、剂量均化器、剂量调整器、检测与定位组件；
所述的源罐包括屏蔽块和罐壳；所述的屏蔽块为屏蔽材料，罐壳包裹在屏蔽块的外表面，在屏蔽块的竖直轴线上从上到下开有底部封闭的中字形内腔，中字形内腔由上至下依次为上部空腔、中心空腔和下部空腔，中心空腔为源仓，以中心腔的中心点为中心，沿水平轴线在源罐上开有半锥角为φ的圆锥形的束流通道，束流通道的出口处覆盖有剂量均化器，在剂量均化器的外侧沿水平中轴线分布剂量调整器；所述的放射源组件包括竖直放置的源杆，源杆的顶端与升降源组件固连，源杆的上部有屏蔽塞，源杆的下部包裹有放射源，升降源组件带动源杆在中字形内腔中上下运动，源杆向上运动至放射源位于中字形内腔的中心点，源杆向下运动至放射源位于中字形内腔的下部空腔，屏蔽塞压紧屏蔽块的中字形内腔开口；
检测与定位组件包括剂量检测仪和激光定位器，所述的剂量检测仪放置在源罐的外部，测量放射源的剂量率，所述的激光定位器放置在源罐的外部，测量放射源与待测样品之间的水平距离。
所述的源仓包括源仓腔和源仓壁，源仓腔为空腔，源仓壁为多层结构，包括内壁层、中间壁层、和外壁层，内壁层的材料为低Z金属材料，中间壁层的材料为中Z金属材料，外壁层的材料为高强度金属材料。
所述的束流通道包括束流通道腔和束流通道壁，所述的束流通道腔为半锥角φ的圆锥形的空腔，半锥角φ的范围为10°~45°；所述的束流通道壁为多层结构，包括内壁层、中间壁层、和外壁层，内壁层的材料为低Z金属材料，中间壁层的材料为中Z金属材料，外壁层的材料为高强度金属材料。
所述的升降源组件包括升降源通道、升降通道壁、电机、连接杆和行程开关；所述的升降源通道为屏蔽块内的中字形内腔；所述的升降通道壁为升降源通道的壁面，材料为不锈钢；所述的连接杆与屏蔽塞固连，行程开关控制电机带动连接杆竖直运动。
所述的剂量均化器包括均化片和均化片边框，所述的均化片边框包裹剂量均化片的边缘，剂量均化器覆盖并固定在罐壳上的束流通道的出口处；
所述的均化片数量为1片，均化片为异形轴对称实体结构，一侧为平面Ⅰ，另一侧为三维弧面Ⅰ，以z轴为对称轴，均化片的三维弧面Ⅰ表达式如下：
其中：x、y和z为三维弧面Ⅰ上一个弧面点Ⅰ的三维坐标；d u 为平面Ⅰ与放射源的水平距离；M u 为散射修正因子，由蒙卡模拟计算获得；μ为均化片的材料对γ的线衰减系数；θ为弧面点Ⅰ、放射源的连线与z轴的夹角，θ∈[-φ, φ]。
所述的剂量调整器包括衰减片、支架和衰减器边框，所述的衰减片通过支架置于衰减器边框中；衰减片的数量为1片或多片，衰减片间隔放置；衰减片与放射源水平距离越近，衰减倍数越大。
所述的衰减片为异性实体结构，一侧为平面Ⅱ，另一侧为三维弧面Ⅱ，以z轴为对称轴，衰减片的三维弧面Ⅱ表达式如下：
其中：x、y和z为三维弧面Ⅱ上一个弧面点Ⅱ的三维坐标；d a 为平面Ⅱ与放射源的距离；M a 为散射修正因子，由蒙卡模拟计算获得；θ为弧面点Ⅱ、放射源的连线与z轴的夹角，θ∈[-φ, φ]；t a 为衰减片的衰减倍数对应的衰减片的材料最大厚度。
所述的均化片和衰减片之间的水平间隔范围为0.5cm~5cm，均化片和衰减片的材料为铅、钨合金或贫铀材料中的一种，若均化片和衰减片的材料为铅，在铅的表面包裹一层厚度范围为0.5mm~2mm的铝或钛中的一种。
所述的放射源为能量在600keV~2MeV范围内的单能或准单能点状γ放射源。
本发明的点状放射源照射器引入了剂量均化器和剂量调整器两种新结构，并重新设计了与之匹配的束流通道和屏蔽块等结构，建立了一种具备剂量均整功能的新型点源照射器。
本发明的点状放射源照射器能够优化点辐射场剂量（率）分布、调整剂量（率）值、抑制散射本底，获得具有宽剂量率范围、大规格辐照面、低散射成分的辐射场；能够在距源较近的区域，提供规格达m量级的均匀辐照面，较常用照射器提高约10倍；空间低能散射γ低，适合用于总剂量辐照考核实验；能在有限的场地范围内获得宽剂量率范围辐射场，剂量率能够覆盖数个量级。
附图说明
图1为本发明的点状放射源照射器的原理示意图；
图2为本发明的点状放射源照射器的结构示意图；
图3为本发明的点状放射源照射器中的均化片结构示意图；
图4为本发明的点状放射源照射器中的衰减片结构示意图。
图中，1.放射源 2.屏蔽块 3.束流通道腔 4.束流通道壁 5.均化片 6.均化片边框 7.衰减片 8.支架 9.衰减器边框 10.源仓腔 11.升降源通道 12.升降通道壁 13.罐壳14.激光定位器 15.剂量检测仪 16.连接杆 17.电机 18.行程开关 19.源杆 20.源仓壁21.屏蔽塞 31. 辐照面 41. 辐照面。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明。
以下实施例仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制。有关技术领域的人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化、替换和变型，因此同等的技术方案也属于本发明的范畴。
如图1-4所示，本发明的点状放射源照射器包括放射源组件、源罐、源仓、束流通道、升降源组件、剂量均化器、剂量调整器、检测与定位组件；
所述的源罐包括屏蔽块2和罐壳13；所述的屏蔽块2为屏蔽材料，罐壳13包裹在屏蔽块2的外表面，在屏蔽块2的竖直轴线上从上到下开有底部封闭的中字形内腔，中字形内腔由上至下依次为上部空腔、中心空腔和下部空腔，中心空腔为源仓，以中心腔的中心点为中心，沿水平轴线在源罐上开有半锥角为φ的圆锥形的束流通道，束流通道的出口处覆盖有剂量均化器，在剂量均化器的外侧沿水平中轴线分布剂量调整器；所述的放射源组件包括竖直放置的源杆19，源杆19的顶端与升降源组件固连，源杆19的上部有屏蔽塞21，源杆19的下部包裹有放射源1，升降源组件带动源杆19在中字形内腔中上下运动，源杆19向上运动至放射源1位于中字形内腔的中心点，源杆19向下运动至放射源1位于中字形内腔的下部空腔，屏蔽塞21压紧屏蔽块2的中字形内腔开口；
检测与定位组件包括剂量检测仪15和激光定位器14，所述的剂量检测仪15放置在源罐的外部，测量放射源1的剂量率，所述的激光定位器14放置在源罐的外部，测量放射源1与待测样品之间的水平距离。
所述的源仓包括源仓腔10和源仓壁20，源仓腔10为空腔，源仓壁20为多层结构，包括内壁层、中间壁层、和外壁层，内壁层的材料为低Z金属材料，中间壁层的材料为中Z金属材料，外壁层的材料为高强度金属材料。
所述的束流通道包括束流通道腔3和束流通道壁4，所述的束流通道腔3为半锥角φ的圆锥形的空腔，半锥角φ的范围为10°~45°；所述的束流通道壁4为多层结构，包括内壁层、中间壁层、和外壁层，内壁层的材料为低Z金属材料，中间壁层的材料为中Z金属材料，外壁层的材料为高强度金属材料。
所述的升降源组件包括升降源通道11、升降通道壁12、电机17、连接杆16和行程开关18；所述的升降源通道11为屏蔽块2内的中字形内腔；所述的升降通道壁12为升降源通道11的壁面，材料为不锈钢；所述的连接杆16与屏蔽塞21固连，行程开关18控制电机17带动连接杆16竖直运动。
所述的剂量均化器包括均化片5和均化片边框6，所述的均化片边框6包裹剂量均化片5的边缘，剂量均化器覆盖并固定在罐壳13上的束流通道的出口处；
所述的均化片5数量为1片，均化片5为异形轴对称实体结构，一侧为平面Ⅰ，另一侧为三维弧面Ⅰ，以z轴为对称轴，均化片5的三维弧面Ⅰ表达式如下：
其中：x、y和z为三维弧面Ⅰ上一个弧面点Ⅰ的三维坐标；d u 为平面Ⅰ与放射源1的水平距离；M u 为散射修正因子，由蒙卡模拟计算获得；μ为均化片5的材料对γ的线衰减系数；θ为弧面点Ⅰ、放射源1的连线与z轴的夹角，θ∈[-φ, φ]。
所述的剂量调整器包括衰减片7、支架8和衰减器边框9，所述的衰减片7通过支架8置于衰减器边框9中；衰减片7的数量为1片或多片，衰减片7间隔放置；衰减片7与放射源1水平距离越近，衰减倍数越大。
所述的衰减片7为异性实体结构，一侧为平面Ⅱ，另一侧为三维弧面Ⅱ，以z轴为对称轴，衰减片7的三维弧面Ⅱ表达式如下：
其中：x、y和z为三维弧面Ⅱ上一个弧面点Ⅱ的三维坐标；d a 为平面Ⅱ与放射源1的距离；M a 为散射修正因子，由蒙卡模拟计算获得；θ为弧面点Ⅱ、放射源1的连线与z轴的夹角，θ∈[-φ, φ]；t a 为衰减片7的衰减倍数对应的衰减片7的材料最大厚度。
所述的均化片5和衰减片7间隔放置，均化片5和衰减片7的材料为铅、钨合金或贫铀材料中的一种，若均化片5和衰减片7的材料为铅，在铅的表面包裹一层厚度范围为0.5mm~2mm的铝或钛中的一种。
所述的放射源1为能量在600keV~2MeV范围内的单能或准单能点状γ放射源。
实施例1
本实施例中实施例中束流通道腔3中φ=37°，束流通道壁20为三层结构，由内到外，分别为1mm厚的铝、铜、不锈钢；屏蔽块2为铅材，罐壳13为0.5cm不锈钢，放射源1为Co-60准单能放射源，γ能量1.17MeV和1.32MeV（平均1.25MeV），活度10Ci；源仓腔14规格为3cm(x)×3cm(y)×3cm(z)，源仓壁20为2mm厚的铝；辐照室规格3m(x)×3m(y)×6m(z)。
均化片5为贫铀材料，密度19.04g/cm3，与放射源1距离28cm，参考辐照面32与放射源1距离50cm，剂量均化片31顶部弧面坐标如下式。
参阅图4，实施例中衰减片7设置1片，铅材，密度11.34g/cm3，其外壳为1mm厚的铝，衰减片7与与放射源1距离29.5cm，设定的衰减倍数为0.5，对应的屏蔽材料厚度1.2cm，参考辐照面42与放射源1距离50cm，衰减片7顶部弧面坐标如下式。
经过上述实施后，本发明均匀辐照面直径达到70cm@z=50cm、140cm@z=100cm、160cm@z=110cm，较常规照射器而言（φ约为3°），增大约13倍，衰减片实际衰减因子约为0.45。
经过上述实施后，本发明300keV以下低能散射γ比例明显少于国外相关产品（Gamma cell 220型辐照装置），说明本发明可用于相关样品辐照效应研究，本发明低能散射γ对剂量（率）贡献≤1%@ z∈[50cm,110cm]。
实施例2
本实施例与实施例1的实施方式基本相同，主要区别在于，束流通道腔3中φ=10°，衰减片7设置2片，钨材，密度19.31g/cm3，设定的衰减倍数分别为0.5和0.2，对应的屏蔽材料厚度分别为0.75cm、1.4cm，衰减片间隔1cm放置。
经过上述实施后，本发明均匀辐照面直径达到12cm@z=50cm、25cm@z=100cm、30cm@z=110cm，较常规照射器而言，增大约2.3倍，衰减片实际衰减因子约为0.46。
实施例3
本实施例与实施例1的实施方式基本相同，主要区别在于，放射源1为Cs-137单能放射源，γ能量0.662keV，活度10Ci，衰减片7设置1片，钨材，设定的衰减倍数分别为0.5，对应的屏蔽材料厚度为0.50cm。
经过上述实施后，本发明均匀辐照面直径达到40cm@z=50cm、80cm@z=100cm、89cm@z=110cm，较常规照射器而言，增大约13倍，衰减片实际衰减因子约为0.06。
实施例4
本实施例与实施例3的实施方式基本相同，主要区别在于，束流通道腔3中φ=30°，衰减片7设置3片，贫铀材，密度19.35g/cm3，设定的衰减倍数分别为0.5、0.5、0.2，对应的屏蔽材料厚度分别为0.65cm、0.65cm、1.4cm，衰减片间隔1cm放置。
经过上述实施后，本发明均匀辐照面直径达到40cm@z=50cm、80cm@z=100cm、89cm@z=110cm，较常规照射器而言，增大约7.6倍，衰减片实际衰减因子约为0.06。

Claims (7)

1.一种点状放射源照射器，其特征在于：所述的照射器包括放射源组件、源罐、源仓、束流通道、升降源组件、剂量均化器、剂量调整器、检测与定位组件；
所述的源罐包括屏蔽块(2)和罐壳(13)；所述的屏蔽块(2)为屏蔽材料，罐壳(13)包裹在屏蔽块(2)的外表面，在屏蔽块(2)的竖直轴线上从上到下开有底部封闭的中字形内腔，中字形内腔由上至下依次为上部空腔、中心空腔和下部空腔，中心空腔为源仓，以中心腔的中心点为中心，沿水平轴线在源罐上开有半锥角为φ的圆锥形的束流通道，束流通道的出口处覆盖有剂量均化器，在剂量均化器的外侧沿水平中轴线分布剂量调整器；所述的放射源组件包括竖直放置的源杆(19)和屏蔽塞(21)，源杆(19)的顶端与升降源组件固连，源杆(19)的上部有屏蔽塞(21)，源杆(19)的下部包裹有放射源(1)，升降源组件带动源杆(19)在中字形内腔中上下运动，源杆(19)向上运动至放射源(1)位于中字形内腔的中心点，源杆(19)向下运动至放射源(1)位于中字形内腔的下部空腔，屏蔽塞(21)压紧屏蔽块(2)的中字形内腔开口；检测与定位组件包括剂量检测仪(15)和激光定位器(14)，所述的剂量检测仪(15)放置在源罐的外部，用于测量放射源(1)的剂量率；所述的激光定位器(14)放置在源罐的外部，用于测量放射源(1)与待测样品之间的水平距离；所述的源仓包括源仓腔(10)和源仓壁(20)，源仓腔(10)为空腔，源仓壁(20)为多层结构，包括内壁层、中间壁层、和外壁层，内壁层的材料为低Z金属材料，中间壁层的材料为中Z金属材料，外壁层的材料为高强度金属材料；所述的束流通道包括束流通道腔(3)和束流通道壁(4)，所述的束流通道腔(3)为半锥角φ的圆锥形的空腔，半锥角φ的范围为10°～45°；所述的束流通道壁(4)为多层结构，包括内壁层、中间壁层、和外壁层，内壁层的材料为低Z金属材料，中间壁层的材料为中Z金属材料，外壁层的材料为高强度金属材料。
2.根据权利要求1所述的点状放射源照射器，其特征在于：所述的升降源组件包括升降源通道(11)、升降通道壁(12)、电机(17)、连接杆(16)和行程开关(18)；所述的升降源通道(11)为屏蔽块(2)内的中字形内腔；所述的升降通道壁(12)为升降源通道(11)的壁面，材料为不锈钢；所述的连接杆(16)与屏蔽塞(21)固连，行程开关(18)控制电机(17)带动连接杆(16)竖直运动。
3.根据权利要求1所述的点状放射源照射器，其特征在于：所述的剂量均化器包括均化片(5)和均化片边框(6)，所述的均化片边框(6)包裹均化片(5)的边缘，剂量均化器覆盖并固定在罐壳(13)上的束流通道的出口处；
所述的均化片(5)为异形轴对称实体结构，一侧为平面Ⅰ，另一侧为三维弧面Ⅰ，以z轴为对称轴，均化片(5)的三维弧面Ⅰ表达式如下：
其中：x、y和z为三维弧面Ⅰ上一个弧面点Ⅰ的三维坐标；du为平面Ⅰ与放射源(1)的水平距离；Mu为散射修正因子，由蒙卡模拟计算获得；μ为均化片(5)的材料对γ的线衰减系数；θ为弧面点Ⅰ、放射源(1)的连线与z轴的夹角，θ∈[-φ,φ]。
4.根据权利要求3所述的点状放射源照射器，其特征在于：所述的剂量调整器包括衰减片(7)、支架(8)和衰减器边框(9)，所述的衰减片(7)通过支架(8)置于衰减器边框(9)中；衰减片(7)的数量为1片或多片，衰减片(7)间隔放置；衰减片(7)与放射源(1)水平距离越近，衰减倍数越大。
5.根据权利要求4所述的点状放射源照射器，其特征在于：所述的衰减片(7)为异性实体结构，一侧为平面Ⅱ，另一侧为三维弧面Ⅱ，以z轴为对称轴，衰减片(7)的三维弧面Ⅱ表达式如下：
其中：x、y和z为三维弧面Ⅱ上一个弧面点Ⅱ的三维坐标；da为平面Ⅱ与放射源(1)的距离；Ma为散射修正因子，由蒙卡模拟计算获得；θ为弧面点Ⅱ、放射源(1)的连线与z轴的夹角，θ∈[-φ,φ]；ta为衰减片(7)的衰减倍数对应的衰减片(7)的材料最大厚度。
6.根据权利要求5所述的点状放射源照射器，其特征在于：所述的均化片(5)和衰减片(7)间隔放置，均化片(5)和衰减片(7)的材料为铅、钨合金或贫铀材料中的一种。
7.根据权利要求1所述的点状放射源照射器，其特征在于：所述的放射源(1)为能量在600keV～2MeV范围内的单能或准单能点状γ放射源。
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