质子束水量热计中量热芯的超纯水制备与预辐照

王菲菲,高 飞,丁雨阳,王子业,董璐琪,王靖谦,刘蕴韬

(中国原子能科学研究院 计量与校准技术重点实验室 中核核工业计量与测试技术重点实验室,北京 102413)

目前国内尚不存在质子束水吸收剂量量值传递体系,质子束水吸收剂量为空白参数,不利于质子治疗水吸收剂量的准确定值。质子束在水中的吸收剂量通常利用量热法(水量热计)、Fricke剂量法[2]、电离法进行测量。其中水量热法是最直接、最基本的方法,也是一种测量水吸收剂量的绝对方法[3]。质子束水量热计一般由恒温隔热系统、水模体和量热芯等组成,量热芯为测量辐射温升效应的关键器件。但在使用量热芯测量辐射温升时,辐射与水中的杂质会产生辐射化学反应造成热损失[4-6],从而影响剂量测量的精准性。本研究针对量热芯的热损修正问题,设计气体饱和超纯水系统,并利用该系统制备的超纯水对量热芯进行清洗及内部填充,并通过预辐照实验,使量热芯超纯水中O2充分发生辐解反应,减少水中杂质及其产生的化学反应热造成的热损失对水吸收剂量测定结果的影响,为水吸收剂量的绝对测量及精准定值提供技术支持。

1 量热芯研制

质子束水量热计是质子束水吸收剂量的绝对测量装置,由恒温隔热系统、水模体和量热芯等组成,质子束水量热计原理样机结构示于图1[7]。质子束水量热计的工作原理为质子束照射到水模体中,通过沉积释放能量,引起水模体温度的变化[8]。量热芯的热敏探针灵敏度较高,水温的变化引起量热芯阻值的变化,进而破坏惠斯通电桥的平衡。通过测量惠斯通电桥电压的改变量计算得到辐射温升的改变量,结合水模体的比热容,得到水吸收剂量的绝对值。

图1 质子束用水量热计装置原理样机结构示意图Fig.1 Schematic diagram of the principle prototype of the proton beam water calorimeter device

量热芯采用热敏探针作为温升测量传感器,搭配交流电桥测量热敏探针阻值变化的方法,将辐射温升的测量转换为:1) 热敏探针阻值随温度变化的测量;2) 热敏探针因辐射温升产生阻值变化的测量。根据交流电桥测量系统的工作原理可知,可首先测量交流电桥测量系统中某一特定阻值变化产生的输出电压ΔR/ΔV的关系,再测量辐射温升引起的阻值变化在系统中产生的输出电压变化ΔV,由式(1)计算ΔR。

(1)

式中,ΔR为热敏探针阻值变化,Ω;ΔV为电桥输出电压变化。

因此,辐射温升的测量分为三步:首先在辅助温度校准的水槽测量热敏探针阻值随温度变化的关系,计算热敏探针阻值变化和温度变化的关系ΔT/ΔR,并给出热敏探针的R0和β值;其次在无辐射的情况下,通过改变平衡电桥的阻值,计算电桥输出电压变化,获得测量系统电压变化随阻值变化的关系ΔR/ΔV;最后在辐照下,计算交流电桥测量系统因辐射产生的电压变化ΔV,可由式(2)计算辐射温升。

(2)

量热法测量水吸收剂量绝对剂量转换成式(3):

Dw=ΔTw·cw·kc·kv·kp·

(3)

式中,cw为量热芯里超纯水的比热容,J/(kg·K);ΔTw为量热芯中水温的变化,K;kc为热传导修正项,是非水材料和水中剂量分布带来的传导温度变化,可通过热力学模型计算得到;kv为热对流修正项,温度梯度导致液体流动带来的温度变化,热敏探针在较低功率运行,并控制量热芯水温工作在4 ℃[5];kp为辐射场扰动修正项,即热敏探针和量热芯带来的辐射场扰动,可利用MCNP软件模拟单能质子束入射条件下,不同玻璃层厚度量热芯及有无热敏探针时的辐射场剂量分布变化得到该修正项[9];kdd为剖面剂量梯度修正项,两个热敏探针测量点与中心点的剂量差异,可通过电离室进行剖面剂量逐点测量并求比得到;kρ为校准时水密度变化修正项,4 ℃与20 ℃时水密度变化会引起测量点处水深差异,可通过密度求比得到;kHD为热损修正项,为绝对测量中的主要修正项。量热芯由于热损的存在使得吸收剂量与温升不呈正比关系,实际水量热法直接测量水吸收剂量十分困难,所以该项为关键修正因子,因此针对质子束的水吸收剂量绝对测量中量热芯热损的修正问题,通过利用超纯水清洗量热芯减少水中杂质的影响,以及使用气体饱和超纯水填充量热芯,最大程度减少辐射化学反应的产额,减少或避免水中的热损对绝对测量的影响[10]。

2 超纯水制备单元设计

2.1 超纯水使用场景

使用水量热计测量质子束水吸收剂量实验前准备和运行过程中用到超纯水:(1) 绝热水模体内部、量热芯支架及量热芯等部件的清洗过程。水模体、量热芯玻璃容器、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)支架等部件由于机加工导致表面被有机杂质所污染,这些杂质若不及时清除,将会与辐射发生反应,反应产生的热量导致水温升高。为了减少杂质对量热测定结果的影响,必须利用超纯水进行多次清洁。(2) 量热芯内部需采用气体饱和超纯水填充。水中的溶解氧可引起化学热缺陷,为了减小量热芯内部溶解氧含量,避免因溶解氧产生的化学反应热对量热测定结果的影响,必须利用气体饱和超纯水对量热芯进行填充。

2.2 超纯水的制备

超纯水是在纯水的基础上进一步将水中的导电介质几乎完全去除,又将水中不离解的胶体物质、气体及有机物均去除至很低程度的水。超纯水的含盐量在0.3 mg/L以下,电导率小于0.2 μs/cm。

在进行超纯水的制备前,需要先进行纯水制备。纯水制备方法是:自来水经纯水过滤系统以去除其中的悬浮固体、95%的溶解性杂质,将水中总有机碳(TOC)控制在30 μg/L以内,此时水的电阻率大于5 MΩ·cm。

纯水制备完毕后,首先,将纯水引入Milli-Q Advantage A10产水单元的Q-Gard预处理纯化柱中进行预处理;随后,预处理过的纯水流经双波长(184 nm和254 nm)紫外光灯,确保水中有机分子的氧化和细菌的消亡;然后,利用内置的Quantum精制纯化柱去除痕量级的离子和有机污染物,以达到实验水质的要求;最后,经过处理的超纯水通过低溶出管道循环到Q-POD取水单元,使用TOC监测仪和高灵敏度电阻率测量仪测量水中TOC和电阻率水平。取水单元的终端精制器连接到取水点,并满足对量热计部件的清洗需要,整个超纯水制备单元构成示于图2。

图2 超纯水制备单元流程图Fig.2 Flow chart of ultrapure water preparation unit

在完成超纯水的制备后,通过Q-POD取水单元的彩色界面上可得到制取超纯水的信息,主要技术指标列于表1。

表1 超纯水水质主要技术指标Table 1 Main technical indexes of ultrapure water quality

3 气体鼓泡

3.1 充入气体的选择

为使最小化热损对水吸收剂量绝对测量的影响最小化,选择在量热芯内注入H2,以得到H2饱和气体水,可以最大程度减少辐射化学反应的产额。由于OH基很可能是辐射化学反应的主要反应物,而H2清除了OH自由基,并且H2饱和水会快速达到稳定状态,所以H2饱和水是水量热计测量辐照温升的最佳选择。

3.2 气体饱和单元

气体饱和单元主要由高纯气瓶、气体流量计、通风橱及连接导管构成,流程示于图3。

图3 气体饱和单元流程图Fig.3 Flow chart of gas saturation unit

利用制备好的超纯水,对量热芯各组件进行充分清洗。将量热芯容器注满超纯水,装入热敏探针并调整探针位置到玻璃容器中心。然后在通风橱内,从量热芯底部使用气体流量计将高纯H2以100 cm3/min的速度充入水中鼓泡120 min,使水中达到H2饱和。实验用H2纯度为99.999%(O2含量<5 ppm,总烃<1 ppm)。完成充气后,关闭充气端口,密封量热芯。鼓泡实验中导管放置位置示于图4,高纯H2管道通过图中标注的“导管插入口”置入量热芯内部进行鼓泡实验。

图4 鼓泡实验中导管放置位置示意Fig.4 Schematic diagram of catheter placement in the bubbling experiment

4 量热芯预辐照

4.1 实验设备

利用超纯水填充量热芯,并利用高纯H2进行鼓泡实验,最大程度减少水中有机物及其他气体杂质。完成上述步骤并封装量热芯后,需要通过预照射实验使量热芯超纯水中O2充分发生辐解反应,最小化量热芯热损对水吸收剂量绝对测量的影响,为水吸收剂量绝对测量做准备。

预辐照实验中辐射场由Elekta Synergy医用直线加速器产生,并对水量热计装置进行预辐照。质子束水量热计装置在参考辐射场下的实验布局示于图5,将水量热计装置放置在移动支架上,并旋转加速器机头至水平角度,即90°位置。调节水量热计高度使量热芯和射束入射口以及加速器机头出束射束处于同一水平线上,并控制出束位置到水模体距离为100 cm。环境温度为(20±5) ℃,相对湿度≤80%,气压为86～106 kPa。

图5 预辐照实验布局示意图Fig.5 Schematic diagram of layout of pre-irradiation experiment

4.2 预辐照

将质子束水量热计装置按照图5所示方式安装并完成相应调试后,按照不同能量方式对质子束水量热计装置进行预辐照。将质子束水量热计在6、10、25 MeV光子辐射场中分别开展预辐照实验,每组辐照10次,辐照剂量不小于200 Gy,预辐照实验后期部分实验数据列于表2。

表2 预辐照实验数据Table 2 Experimental data of pre-irradiation

由表2数据可知,电子束辐照下每组惠斯通电桥测量信号统计涨落为0.2%,测量信号结果平稳,测量系统已近似达到零热损状态。

5 小结

为确保利用水量热法直接测量水吸收剂量的准确性,需保证射束能量沉积完全转化为温升。但水中杂质及有机物的吸热或化学反应放热会导致热损,使量热芯测得的温升不能真实表征水吸收剂量。为控制热损对辐射温升测量的影响,最大程度除去水中有机物,本研究利用超纯水填充量热芯,并利用H2进行鼓泡实验,最大程度减少水中有机物及其他气体杂质,最小化量热芯热损对水吸收剂量绝对测量的影响,使量热芯内水环境达到无热损的稳定状态。在光子辐射场中开展量热芯预辐照实验,累积辐射剂量不小于200 Gy。预辐照实验后期每组测量数据统计涨落约为0.2%,测量系统已近似达到零热损状态。为后续水吸收剂量绝对测量提供了重要参考。