自顯色個(gè)人劑量計(jì)研究

夏 文，葉宏生，林 敏，徐利軍，陳克勝，陳義珍

(中國原子能科學(xué)研究院 計(jì)量測試部，北京 102413)

自顯色個(gè)人劑量計(jì)是從輻射變色薄膜劑量計(jì)發(fā)展而來的。輻射變色薄膜劑量計(jì)能在吸收輻射能量后不經(jīng)加熱、化學(xué)、光學(xué)或放大等處理自動(dòng)變色。Niepce在1826年首次發(fā)現(xiàn)并證明了不飽和碳?xì)渚酆象w混合物的輻射自顯色過程。近年來，一種基于聚丁二炔材料的輻射變色薄膜劑量計(jì)發(fā)展很快，劑量下限低至10-3Gy，其中最有代表性的是美國ISP公司生產(chǎn)的GAFCHROMIC劑量計(jì)以及美國JP公司的SIRAD自顯色個(gè)人劑量計(jì)[1-2]。自顯色個(gè)人劑量計(jì)具有成本低、易攜帶、穩(wěn)定性好、可肉眼直接觀測(比色范圍0～2 Gy)等優(yōu)勢，在國外主要作為個(gè)人預(yù)警劑量計(jì)使用，如在臟彈處理以及核事故應(yīng)急等可能遭受高劑量輻照的條件下，操作人員可隨時(shí)了解個(gè)人所受劑量[3]。

我國對輻射變色薄膜劑量計(jì)的研究始于20世紀(jì)80年代，且主要偏重于輻射加工水平的劑量測量研究，如軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院、北京師范大學(xué)、中國原子能科學(xué)研究院等，主要開展了酸敏體系變色染料的研究，其主要基材為尼龍，劑量測量下限最低為100 Gy。作為個(gè)人劑量計(jì)用輻射變色薄膜的研制尚未見報(bào)道。

本工作擬在輻射變色薄膜劑量計(jì)研究的基礎(chǔ)上，對丁二炔類聚合變色體系進(jìn)行研究，在低量程范圍內(nèi)(0～2 Gy)開展劑量學(xué)性能研究，驗(yàn)證其作為自顯色個(gè)人劑量計(jì)的可行性。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器和材料

Cary4000雙光束紫外-可見分光光度計(jì)：美國VARIAN公司；光柵測微儀：德國HEIDENHAIN公司；恒溫加熱磁力攪拌器：杭州儀表電機(jī)有限公司；流延制膜裝置：自制。

感光材料丁二炔單體(PCDA)：98%，美國Alfa Aesar公司；聚氯乙烯(PVC)：粉末，深圳杰立泰公司；聚乙烯醇(PVA)：粉末，日本Kuraray公司；聚乙烯縮丁醛(PVB)：粉末，阿拉丁試劑公司；添加劑：北京美揚(yáng)時(shí)代公司；乙酸丁酯：分析純，北京化學(xué)試劑公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)原理

類丁二炔單體聚合變色體系在制備成膜時(shí)為白色固體，在電離輻照下，發(fā)生固相輻射聚合及交聯(lián)反應(yīng)，生成有共軛結(jié)構(gòu)的聚合物，使其在可見光區(qū)681.5 nm處具有特征吸收，呈現(xiàn)藍(lán)色。聚合體數(shù)量增加表現(xiàn)為劑量計(jì)顏色的加深，并與輻射劑量呈一定的比例關(guān)系。其輻照聚合變色原理如圖1所示。

圖1 丁二炔單體聚合變色原理

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1) 采用恒溫加熱磁力攪拌器將按一定配比溶解好的變色染料、基體材料以及添加劑充分混合于稀釋劑中，控制加熱溫度為70～80 ℃，之后緩慢冷卻至室溫，同時(shí)控制冷卻后溶液黏度為玻璃棒抬起約1～2 s內(nèi)有溶液滴下為適宜。

2) 采用流延法制膜：將已調(diào)至水平的玻璃板作為制備平臺，通過濃度計(jì)算控制液膜厚度(200 μm)。制膜結(jié)束后避光自然干燥。為增加厚度的均勻性，采取加蓋緩慢揮發(fā)的方式，防止局部干燥過快造成成膜缺陷。

3) 對劑量計(jì)薄膜進(jìn)行厚度均勻性檢驗(yàn)，選較優(yōu)者進(jìn)行本底等劑量學(xué)性能測試。采用國防科技工業(yè)電離輻射一級計(jì)量站γ照射量標(biāo)準(zhǔn)裝置中的60Co源進(jìn)行輻照，分光光度法測量輻照后薄膜在681.5 nm處的吸光度。

2 結(jié)果與討論

2.1 感光材料與基體材料配比對成膜的影響

采用PCDA為感光材料，對感光材料與基體材料的不同配比對變色薄膜吸光度的影響進(jìn)行研究，PCDA與基體材料的質(zhì)量比(m(PCDA)∶m(基體))為1∶4、1∶2、1∶1時(shí)，受照后單位厚度吸光度變化ΔA示于圖2。當(dāng)m(PCDA)∶m(基體)<1∶20時(shí)，所形成的變色薄膜為透明狀，不易觀察顏色變化；當(dāng)(m(PCDA)∶m(基體)>2∶1時(shí)，成膜過程中有大量PCDA析出。

圖2 PCDA與基體材料不同配比下吸光度的變化

2.2 基體材料的選擇

由于丁二炔類染料具有憎水性，易溶于有機(jī)溶液，而PVA類基體材料具有親水性，兩者難以混溶，無法成膜。加熱條件下，PVB可溶于無水乙醇溶劑中，PVC可溶于乙酸丁酯溶劑中。經(jīng)測量，以PVB為基體制備的薄膜變色下限高于PVC，可能是兩者所含的不同功能團(tuán)對染料輻射聚合的三鍵反應(yīng)率影響不同，導(dǎo)致生成的共軛雙鍵濃度不同，變色靈敏度不同。因此本工作采用PVC為基體材料。

2.3 厚度均勻性

制備的劑量計(jì)薄膜邊緣處因掛壁、溶劑蒸發(fā)較快等會有厚度畸變問題，使用時(shí)宜剪棄邊緣處薄膜約1 cm。為檢驗(yàn)所得薄膜厚度的均勻性，對薄膜中間部位5處不同位置進(jìn)行厚度測量，結(jié)果顯示，所測5處的厚度分別為0.184 7、0.187 1、0.184 9、0.182 2、0.190 1 mm，平均0.185 8 mm，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.7%。

2.4 本底吸光度測量

選取劑量計(jì)薄膜厚度較均勻的中間部位，按1 cm×1 cm規(guī)格剪切5片進(jìn)行本底吸光度測量。結(jié)果顯示，本文制備的薄膜劑量計(jì)本底吸光度均勻一致，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差約1%。

2.5 輻照劑量與薄膜的顏色變化

圖3為劑量計(jì)在用60Co γ源不同劑量輻照后的顏色變化。實(shí)驗(yàn)中觀察到薄膜在受到輻照后，由白色變?yōu)樗{(lán)色，且隨輻照劑量的增大而逐漸加深，因此可直觀地通過劑量計(jì)顏色變化，大體分辨受到的輻照劑量大小。肉眼可分辨的最低劑量約0.1 Gy。

圖3 不同輻照劑量下的變色情況

2.6 輻照劑量響應(yīng)

在γ射線照射量標(biāo)準(zhǔn)裝置中對制備的自顯色個(gè)人劑量計(jì)進(jìn)行劑量學(xué)性能研究，通過調(diào)節(jié)輻照時(shí)間對劑量計(jì)施以不同劑量的輻照后，采用分光光度計(jì)測量吸光度以確定劑量測量范圍。圖4為輻照劑量分別為0.1、0.5、0.9、1.3、1.7、2.1、2.5 Gy時(shí)，劑量計(jì)的吸收光譜，圖5為681.5 nm處劑量響應(yīng)曲線。由圖4、5可見，本劑量計(jì)在681.5 nm處吸光度的變化與所受吸收劑量呈良好的響應(yīng)關(guān)系，R2=0.999 8。該性能與美國JP公司商用劑量計(jì)性能[4]相似。

圖4 不同劑量照射后的吸收光譜

圖5 劑量響應(yīng)曲線

2.7 劑量計(jì)輻照后的穩(wěn)定性

將輻照后的劑量計(jì)進(jìn)行吸光度跟蹤測量，觀察其顏色隨時(shí)間的變化，結(jié)果示于圖6。圖6中吸光度的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為1%，但也可看出，吸光度整體呈上升趨勢，這可能是因避光不足，受紫外線照射造成的，因此，本劑量計(jì)在使用時(shí)，應(yīng)參考美國JP公司的SIRAD劑量計(jì)，添加一層防紫外線的保護(hù)膜[5]。

圖6 劑量計(jì)輻照后的穩(wěn)定性

3 結(jié)論

以PCDA為變色染料，PVC為基體，采用流延法制備的自顯色個(gè)人劑量劑厚度均勻性優(yōu)于2%，本底均勻性約為1%；在0.1～2.5 Gy劑量輻照后，薄膜的吸光度與輻射劑量具有良好的響應(yīng)關(guān)系，肉眼可觀察到顏色變化明顯；劑量計(jì)受紫外線照射產(chǎn)生響應(yīng)，應(yīng)采取避光措施，避光保存條件下具有良好的照后穩(wěn)定性。

以上結(jié)果表明，本工作所制得的自顯色個(gè)人劑量計(jì)無需讀數(shù)裝置，可通過顏色變化及時(shí)判斷個(gè)人輻照劑量，成本低廉，測量范圍上限略低于人體各器官發(fā)生確定性效應(yīng)的閾值，因此，可作為特殊場所或應(yīng)急條件下個(gè)人輻照劑量預(yù)警劑量計(jì)使用。

參考文獻(xiàn)：

[1] TSANG C, BUTSON M J, PETER K N Y. Reflection spectrometry analysis of irradiated GAFCHROMIC XR type R radiochromic films[J]. Appl Radiat Isot, 2005, 63: 127-129.

[2] TSANG C, BUTSON M J, PETER K N Y. X-ray energy dependence of the dose response of SIRAD radiation dosimeters[J]. Appl Radiat Isot, 2007, 65: 814-817.

[3] BUTSON M J, TSANG C, PETER K N Y. Visible absorption spectra of radiation exposed SIRAD dosimeters[J]. Phys Med Biol, 2006, 51: N417-N421.

[4] PATEL G N. A general purpose, high accuracy dosimeter reader: US, 039623[P]. 2006-01-31.

[5] PATEL G N. Method of making smart cards with an encapsulant: US, 002574[P]. 2007-08-30.