GBT26168.1-2010电气绝缘材料确定电离辐射的影响辐射相互作用和剂量测定.pdf 25页

'ICS29．035．20K15a目中华人民共和国国家标准GB／T26168．1—2010／IEC60544-1：1994电气绝缘材料确定电离辐射的影响第1部分：辐射相互作用和剂量测定Electricalinsulatingmaterials--Determinationoftheeffectsofionizingradiation--Part1：Radiationinteractionanddosimetry201卜01-14发布(IEC60544—1：1994，IDT)2011-07-01实施宰瞀辫鬻瓣警麟瞥星发布中国国家标准化管理委员会促111 前言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯引言⋯·⋯⋯⋯⋯·⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯·1范围⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯·⋯2规范性引用文件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯·3术语和定义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯-4评估绝缘材料耐辐射能力要考虑的因素5剂量测定方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯·6X射线或7射线吸收剂量的测定⋯⋯·7电子辐射的剂量估算方法⋯···⋯⋯⋯·附录A(规范性附录)带电粒子平衡厚度附录B(规范性附录)数值因数^的推导参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯目次GB／T26168．--2010／IEC60544-1：1994ⅢⅣ●，，2368¨¨∞ 刖罱GB／T26168．1—2010／mc60544-1：1994GB／T26168((电气绝缘材料确定电离辐射的影响》分为4个部分：——第1部分：辐射相互作用和剂量测定；——第2部分：辐照和试验程序}——第3部分：辐射环境下应用的分级体系；——第4部分：运行中老化的评定程序。本部分为第1部分。本部分等同采用IEC60544—1：1994<<电气绝缘材料电离辐射影响的测定第1部分：辐射相互作用和剂量测定》。本部分在等同采用IEC60544—1：1994时做了如下编辑性修改：——用小数点“．”代替作为小数点的逗号“，”。——删除了国际标准的前言。——本部分的引用文件，对已经转化为我国标准的，一并列出了我国标准及其与国际标准的转化程度。——本部分增加规范性引用文件章节，以下章节编号顺延。——根据GB／T1．1将原标准附录B中的参考文献单独列出。本部分的附录A、附录B为规范性附录。本部分由中国电器工业协会提出。本部分由全国电气绝缘材料与绝缘系统评定标准化技术委员会(SAC／TC301)归口。本部分负责起草单位：机械工业北京电工技术经济研究所、上海电缆研究所。本部分参加起草单位：核工业第二研究设计院、上海核工业研究设计研究院、沈阳电缆产业有限公司、常州八益电缆有限公司、江苏上上电缆集团、浙江万马电缆股份有限公司、浙江万马高分子材料有限公司、上海电缆厂有限公司、临海市亚东特种电缆料厂、上海凯波特种电缆料厂、安徽电缆股份有限公司、江苏华光电缆电器有限公司、工业和信息化部第五研究所、深圳市旭生三益科技有限公司。本部分主要起草人：孙建生、吕冬宝、顾申杰、柴松、周叙元、王松明、杨娟、陈文卿、王怡遥、周才辉、项健、张万友、杨仁祥、居学成。Ⅲ GB／T26168．1—2010／lEe60544—1：1994引言要制定合适的标准来评价绝缘材料的耐辐射能力是十分复杂的，因为这些标准与材料的使用条件有关，例如，如果绝缘电缆在为反应堆添加燃料的操作中变弯眭珏，它的使用寿命就是电缆吸收辐射剂量后，它的一项或多项力学性能降到规定值以下所需的时间。环境的温度、周边空气的组成以及吸收全部剂量所需的时间(剂量率或通量)都是决定化学变化速率和机理的重要因素，在某些情况下，短时变化也会成为限制因素。首先必须明确材料曝露的辐照区域以及最终吸收的辐射剂量；其次，必须建立材料力学性能和电性能的测试方法，以便确定辐射降解，再将这些性能与应用要求联系起来从而形成合适的分级体系。本部分介绍了绝缘材料的电离辐射效应相关情况；第2部分描述了在辐照过程中如何保持不同的曝露条件，也明确了这些条件的控制方法，以便得到需要的性能，此外，它还建立了一些重要的辐照条件，制定了性能变化的测定方法以及相应终点判据；第3部分定义了绝缘材料耐辐射能力的分级体系，并且提供了一套在辐射条件下表征工作稳定性的参数，是一个选择绝缘材料的导则；第4部分介绍运行中老化的评定程序。Ⅳ 1范围GB／T26168．1—2010／IEC60544-1：1994电气绝缘材料确定电离辐射的影响第1部分：辐射相互作用和剂量测定GB／T26168的本部分规定了评价电离辐射对所有类型有机绝缘材料影响需考虑的各种因素。本部分适用于针对x射线、7射线和电子射线，还提供了剂量测定术语指南、照射量和吸收剂量的测定方法，以及吸收剂量的计算方法。2规范性引用文件下列文件中的条款通过GB／T26168的本部分的引用而成为本部分的条款，凡是注日期的引用文件，其随后所有的修改单(不包括勘误的内容)或修订版均不适用于本部分；然而，鼓励根据本部分达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本；凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本部分。GB／T26168．2—2010电气绝缘材料确定电离辐射的影响第2部分：辐照和试验程序(IEC60544—2：1991，IDT)GB／T26168．32010电气绝缘材料确定电离辐射的影响第3部分：辐射环境下应用的分级体系(IEC60544—4：2003，IDT)3术语和定义以下术语和定义适用于本部分。3．1照射量(x)exposure照射量(x)是材料在电磁辐射场(x射线或7射线)受到的照射强度。照射量(x)是dQ除以dm所得的商，其中dQ的值是在质量为dm大气中，由光子释放的全部电子(负电子和正电子)在大气中完全被阻止时所产生的离子总电荷的绝对量：x一塑dm照射量的国际单位是库伦／千克(C／kg)，原单位伦琴R：1R=2．58×10～C／kg。照射量描述了在标准的参考物质——大气中辐照，电磁场的电离辐射对材料产生的影响。3．2电荷通量(Q’)electronchargeflaence电荷通量(Q’)是dQ与dA的比值，dQ是时间t内在面积dA上发生的电子电荷碰撞数：Q，_簧3．3电流密度(J)electroncurrentdensity电流密度(j)是dQ’与出的比值，dQ’是时间间隔出内的电荷通量：．dQ’d2Q’一dt一面五3．4吸收剂量(D)absorbeddose吸收剂量(D)是与辐照场性质无关的被辐照材料吸收的能量，吸收剂量D是歪与dm的比值，d；是1 GB／T26168．1—2010／IEC60544-111994质量为dm的材料吸收到的电离辐射能的平均值。D一毫吸收剂量的国际单位是戈瑞(Gy)：1Gy一1J／kg(一102rad)。由于定义中没有区分材料的种类，戈瑞仅能用于针对某一具体材料而言。吸收剂量部分取决于被辐照材料的组成，不同的材料，即使曝露在同样的辐射场中，其吸收剂量往往也不同。3．5吸收剂量率(西)absorbeddoserate吸收剂量率(D)是dD与出的比值，dD是时间间隔出内吸收剂量的增量：D一粤d￡吸收剂量率的国际单位是戈瑞／秒(Gy／s)；1Gy／s一1W／kg(一102tad／s=0．36Mrad／h)。4评估绝缘材料耐辐射能力要考虑的因素4．1辐射场的评估对于不同的辐射类型，其对辐射场的描述也不同。4．1．1电磁辐射场可用光量子密度和能量分布来描述，然而习惯上将能量达到3MeV的x射线或7射线用它在大气中的电离效应来描述，因此使用照射量的概念。4．1．2通常用电流密度(流速)来描述粒子场，如果粒子具有能量分布，比如电子柬，就需要加上能谱的信息。4．1．3最终目的都是为了将置于辐射场中的任何材料的吸收剂量和剂量率能够计算出来。将不同的材料曝露于等通量的光子或粒子下，它们吸收的能量可能是不同的。首要目标是确定标准的方法和步骤来测量曝露绝缘材料的辐射场特性。第五章列出了一系列符合这一目标的辐射剂量测定技术和相关参考文件。4．2吸收剂量和吸收剂量率的确定利用辐照探测器(例如电离箱、热量计和化学剂量计)来测量，并计算辐射场中被辐射材料的吸收剂量或吸收剂量率数据的技术已比较完善。第5章讲述了可靠且方便的测量技术，第6章包含了用在x射线或7射线中测量的数据来计算其他材料的吸收剂量或吸收剂量率，其数据依赖于材料或能量，而第7章给出了估算电子辐射剂量的方法。4．3辐射诱导的变化及其测定尽管辐射与物质的相互作用的种类是繁多的，但主要过程还是分子中离子的产生和电子激发态的形成，进而导致自由基的产生；辐射也会产生自由电子，这些自由电子会在低位能点被捕获；第一种现象会造成材料永久的化学、力学和电性能的变化，第二种现象会导致暂时的电性能变化oE10]4．3．1永久性变化在高分子材料中，辐照过程中产生的自由基会导致裂解和交联反应、从而改变绝缘材料的化学结构，通常会导致力学性能的降低，力学性能降低会频繁导致电性能发生显著改变，但是更严重的是在力学性能严重降低之前，电性能有时会发生重大变化。例如，介质损耗角和介电常数的变化对谐振电路的可靠性影响很大。交联和裂解的程度依赖于吸收剂量、吸收剂量率、材料结构和辐射的环境条件，因为自由基有时消除的很慢，可能会发生辐射后效应。4．3．1．1环境条件和材料形状在测量辐射效应过程中，要严格控制并记录环境条件和材料形状，重要的环境参数包括温度、反应2 GB／T26168．1--2010／IEC60544—1：1994介质以及辐照期间的机械和电应力，如果有空气，由于氧气扩散效应和氢过氧化物断裂速率常数的原因，辐照时间(通量和剂量率)也是很重要的试验参数，这两个因素都与时间相关。要控制影响聚合物中氧气扩散和平衡浓度的条件，包括：温度、氧气压力、材料形状以及辐照时间。如果用连续的应力来模拟同时有多种应力的效果，例如：高温下辐照，可能会出现其他结果；如果试样先辐照再加热或者反过来，结果可能也是不一样的。4．3．1．2辐射后效应在有机聚合物中，反应活性物质(如残留的自由基)的缓慢消耗会导致辐射后效应。在进行评价的时候应对此作出修正试验，测试应在辐照后适当的时间内进行，并确保试样被保存在标准的实验室气氛中。氧气与残余自由基的反应会导致进一步的降解。4．3．2短时效应4．3．2．1尽管本条不包括辐照过程中的性能测试，但是一些基础内容还是会涉及到。短时效应主要表现为辐照过程中以及之后的电性能变化，诸如诱导电导率；可以通过测定诱导电导率来确定短时辐射效应。这些效应主要与剂量率有关。4．3．2．2经验表明，诱导电导率和吸收剂量率D通常不完全成比例关系，反而随着D。变化，n小于1。辐射灵敏度描述如下：m一尬。为了确定^和a，至少要进行两项测试，更复杂的是，k和n也和吸收总剂量有关。4．3．2．3由于电极材料中的光电子和康普顿电子会干扰试样本身的感应电流，所以对于诱导电导率的测量是非常精密的。穿过电离气体的离子流如果不消除，也会造成测量错误。应该确定消除这些干扰因素而保留相关因素的测试方法。4．3．2．4为了方便起见，使用单位剂量率的一个简单参数、例如诱导电导率吒和在同样测试条件下测得的暗电导率O"o的比值巩／％来表征材料短时效应的敏感性。5剂量测定方法5．1综述在已知的辐射场中，使用物理测量方法而不依赖仪器测量来测定照射量、电流密度或者吸收剂量的方法称为绝对方法。定义中不直接涉及绝对方法的精确性，但是对仪器技术的研究和辐射诱导反应的基础研究结果表明，这些绝对方法，例如热量计，被广泛视为主要的剂量测定标准方法。在辐射效应的研究中，不仅经常用到这些实验方法，而且在辐射源计量的国家或国际标准实验室中能见到这些方法的应用。对于光子源，测量精度为在2％～3％。这些方法可以作为不同实验室比较的可靠标准。除了这些绝对方法，还有用于计量并有很多用途的，可测定吸收剂量的相对辐射量测定方法口“。这都是基于在辐照场中，计量用材料吸收能量后能发生各种可测的化学反应或能量转移。许多辐照感应物，例如塑料薄膜或无机固体物被用于剂量测定，这样既相对容易操作且结果易于分析，在对于精度要求不高的时候，其优势明显。5．2绝对方法5．2．1伽马射线5．2．1．1大气电离室可用于测量3MeV及以下的照射量x。也就是说，它们设计用于测量大气中电荷量dQ以及产生电离电子的大气质量dm。5．2．1．2如果D不太高，在确定达到平衡条件的情况下，可用空腔电离室测量照射量”]。如果在特定的介质中，使用空腔电离室测定吸收剂量，所用的腔壁和气体都要与介质相匹配。对于某一特定类型的辐射，如果在两种介质中由吸收辐射造成的次级电离粒子的通量密度和能量分布相同，就可以说两种材料相配。5．2．1．3量热计的工作原理是：在辐射场中吸收能量，保留这些能量并转化为热能，而热量可以通过系3 GB／T26168．1—2010／IEC60544-1：1994统温度的升高来测量“]，系统的热容可通过与辐射产生相同温升的电能输入量来测定。在某些系统中，辐射能量通过化学反应或非化学反应转化为化学能会有一些偏差，但这些偏差是可以校正的。尽管如此，由于吸收的辐射能向热能的转化建立了一个能量沉积与辐射量无关的系统，量热计已成为一种绝对方法，而其他标准方法都必须根据它来校正。5．2．2电子柬5．2．2．1辐照量或放射量测定采用的是未修正的物理测定方法来测定吸收剂量或电子通量。有两种绝对方法可测定辐射量或放射量：一个是量热计法，另一个是电流密度计法。这些绝对方法主要用于校正常规剂量计，如果不使用常规薄膜剂量计的话，一般很难测量剂量一深度分布。5．2．2．2量热计法用于测量吸收剂量或能量通量。如果使用高空问分辨率的常规剂量计来测量相对剂量一深度分布，测得材料单位面积上的吸收能量就能够确定吸收剂量。简单的准绝热方法能被用作部分吸收型量热计oo和全吸收型量热计。5．2．2．3电流密度方法是通过测量电子加速器单位面积辐射场的电荷或电流，它是一种放射量计量方法o[33]。这不是一种剂量测定方法，但是如果在同样的吸收材料中，与密度计的电荷吸收器相碰撞的平均电子能量和相对剂量一深度分布可用常规剂量计测出，这种方法就可用来测量吸收剂量。法拉第杯常用于电子束的电荷测量，但不适用于广角分布的宽电子束在单位面积上的电荷或电流的精确测量，测量电子加速器的散射宽电子柬的一种简化方法是使用组装的非真空室石墨电荷吸收器“目口“。通过吸收器组装和与斜入射相关的电子背散射修正的特殊装置，能精确测得有效吸收面积；通过减少中心吸收器周围的额外电场的形成可避免周围空气中电离电荷的影响。5．3相对方法5．3．1化学转化剂量计的原理是：在辐射过程中会发生特定反应，而反应程度与吸收剂量成比例关系。硫酸亚铁(弗里克剂量计)被确定为此类方法中的标准，也是最可靠的，它应用广泛，适用于不同实验室之间的比较H][9][1]。其他体系也是很重要的，因为它们能够扩展硫酸亚铁方法的使用范围。氨基酸类(丙胺酸)剂量计被IAEA推荐为转换标准[2“29”⋯。塑料，无论着色或非着色，都适用作化学剂量计[18][22][23][34][32]。5．3．2其他相对方法都基于光致发光或热致发光产生的物理效应oj[zⅡ“。5．3．3如果由于环境条件(辐射前后的温度、湿度、气氛、光照等)、剂量率和辐射能谱的不同，相对剂量计会出现偏差，那它就只能在与校正条件一样的情况下使用。其他造成偏差的原因有：辐射前后的不稳定性、批次差别、响应特性的非线性、尺寸偏差、纯度或化学效应等。5．3．4如果剂量计特性与7射线和电子柬的辐射参数，如电子能谱、剂量率、辐照时间、辐照温度等无关，那么在7射线下获得的校正常数或校正曲线也能适用于电子束。5．4测量吸收剂量的推荐方法5．4．1表1列出了一部分绝对方法和相对方法及其特性，例如：——吸收剂量和吸收剂量率的范围；——辐射能的影响；——温度或湿度的影响；——薄膜或目标物的材料和厚度；——输出类型；——实际应用情况；——参考文件。5．4．2对于绝缘材料在高吸收剂量或高吸收剂量率下的辐照测量，难以使用剂量计，因为剂量计的部件会产生辐射效应或受损坏(比如，电离室的绝缘损坏)。为了避免这种情况，需要特殊的试验和工艺。对列出的大多数方法的更全面综述可见[4]，以及表1列出的参考文件。4 GB／T26168．1—2010／IEC60544-1：1994生冒钗善量轴己热鲁●妇越划悯巽塑捌艇蝇靶薹州箍丑祷。恒舞咖啦。稚件’件幕趸镩镇划翻餐旺脚喾噫蟠丑罄蕞啦蜊鲻熏蠡扛世魈班魁>捌岛苦涮删删碟o喇《舞。罹翎嚣椒嚣雹害m芒髻咖林暖型脚爿竹嚣耙冀辎惺旺怛峨_曜佃1I]口窭裂薹萋垂鋈罾妥车虽恺墨譬爹銎，p，醯勺。≈恨墨醯譬∞善k盐赠曷魁越H’醯墨懈根}R2芸蝰pp芸o。求曲挂§冰；：斗I《誉∞懈蟥魏藿i警七善醯蛔恨露；妻目昌一锰啾撂恨爹|||匿咖榷喜袒篮勰制jJi’疆N。7i!H×2o2?2b2∞Ⅵ凡瓜凡×晤i：三VⅥ耀谣L删×属mN毛H。×色h×b备呵f?×?×2靶2?2{2咖×-_o×幕—∞×H一H∞×N—甘韬毪赵蛔魁恻趟斑魁斌芸米棠掣米g囊丑赠脚舞来F晡米巢粼糕舞求电彘隶磔口t蝥罄媳米掣耋蓬划芒箭糕《鹤璀I士船删蝌器靳士锰删蠢蓑萋擐螳枷堂蝥111惺制裴锚啦门堰罂磔扩艇士_逮錾薹撂0椒斑蓑删螳椒蛔型极智捌韶羽霉5蠼恹旺牡●幕掣掣一嚣露壮爨一琳 GB／T26168．1--20lOllEC60544—1：19946x射线或T射线吸收剂量的测定6．1综述吸收剂量是描述绝缘材料辐照效应的参数。推荐的测试是一种通过对x射线或7射线辐射场的认识和材料组成来计算吸收剂量的技术E1]口]。通过一种材料的吸收剂量就可以计算在同样辐射场中其他材料的吸收剂量。6．2通过测量照射量来计算吸收剂量o3]口416．2．1吸收剂量已成为比较不同辐射效应的基础，因此必须确定被辐射材料沉积的吸收剂量。试样在大气中的照射量可作为计算吸收剂量的基础信息。下面各条中的公式都是计算要用到的。表2和表3提供了必要的数值因数和计算示例。表2数值因数，I(单位照射量的吸收剂量)，单位J／C，用于从绝缘材料所含元素的照射量计算吸收剂量一计算式参见附录B(使用原CGS单位，拉德和伦琴参见附录B备注)光子能量／MeVHCNOFsjSc】P0．1059．331．132．433．834．764．787．299．272．90．1564．733．033．433．832．741．147．348．842．20．2066．333．634．132．336．738．836．70．3066．733．733．831．934．635．236．833．90．4066．733．633．731．934．034．333．132．00．5066．733．731．933．634．O32．70．6066．733．732．033．733．832．532．70．8066．733．633．731．933．633．432．332．71．066．733．633．731．933．433．73Z．132．41．566．733．731．833．733．631．932．42．066．733．731．933．832．432．83．O65．133．533．733．832．234．533．5表3数值因数f。(单位照射量的吸收剂量)，单位J／c，用于一些重要的绝缘材料及其他化合物从照射量计算吸收剂量(使用原CGS单位，拉德和伦琴参见附录B备注)材料}。／(J／C)1MeVO．1MeV聚苯乙烯(CH)。36．433．3聚乙烯(CHz)。38．234．9尼龙一6(C6HllON)。36．834．5聚二甲基硅氧烷(C2H60Si)。36．047．0聚多硫化乙烯(C：H。&)。34．977．9偏二氯乙烯共聚物(C4HjCl3)。33．777．5 表3(续)GB／T26168．1—2010／mc60544—1：1994材料f。／(J／C)1MeV0．1MeV聚四氟乙烯(CF：)。32．333．8聚氯三氟乙烯(C2FaCl)。32．253．5聚氯乙烯(C2H3CI)。34．570．5聚二氯乙烯(C2H2C1z)。33．381．4聚吡咯烷酮(C6H9NO)。36．433．7聚乙烯咔唑(C14H11N)。35．732．9聚乙酸乙烯酯(C。H。O：)。36．O34．1聚甲基丙烯酸甲酯(C5HB02)。36．434．1磷酸三丁酯(C4H9)3P0236．839．5弗里克剂量计37．437．2注：这是1MeV的数据，适用于0．5MeV1．5MeV。也适用于”Co、”7Cs以厦2MeV3MeV的x射线辐射。应用实例：对于聚四氟乙烯，光能在1MeV时的数值因数，FrPE可以计算得出。PTFE的分子式是(CFz)。(不考虑链封端、不饱和度和杂质)，C和F的口。一O．24，口r—o．76。表2中给出的1MeV时fo一33．6j／c，，F一31．9J／C，将这些值代人式(2)，得到：，FTPE一(O．24×33．6)+(O．76×31．9)一32．3j／c6．2．2材料m的吸收剂量D。，计算式如下：D。一J■X⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(1)式中数值因数，m是每单位照射量的吸收剂量的系数。为了计算，m，需要知道材料的成分以及元素i的数值因数，．：，m一∑4．^⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯”(2)f其中，a．是材料中元素i的质量分数；而^是元素i的每单位照射量的吸收剂量。6．2．3表2给出光子能在0．1MeV3．0MeV时，列出的各种元素的^值，单位为J／C(，i见附录B)。在带电粒子平衡的条件下，^值才有效(解释见附录A)。表3给出一些常用材料在光子能1．0MeV～0．1MeV时按式(2)计算得到的，诅值。6．2．4对于很多有机材料，在光子能0．5MeV～1．5MeV时进行辐照，则式(2)中，Ⅲ计算大致如下：，。一(32．9aH一1．94aF—1．55ncl—1．164，+33．7U／c6．3通过一种材料的吸收剂量计算另一种材料的吸收剂量6．3．1假设照射量恒定，在不考虑照射量的时候，数值因数在比较不同介质中的吸收剂量时也是有效的。根据附录B中式(B．2)在照射量恒定的情况下，两种介质的，m的比值等于它们的质量能量一吸收系数之比(P⋯／D；因此亦等于吸收剂量之比，在介质1中的吸收剂量D。，利用数值因数，。和，2就能把在介质2中的吸收剂量D：计算出来，公式如下：7 GB／T26168．1—2010／IEC60544-1：1994D-一争Dz6．3．2当使用化学剂量计时，测得的化学变化能直接转换为吸收剂量。如果入射光子能已知，通过，Ⅲ的比值就可用化学剂量计测得的吸收剂量算出在任何介质中的吸收剂量(受6．4的限制)。6．3．3例如，如果用弗里克剂量计测得1h的”Co辐照的吸收剂量D“。“一5Gy，而要想得到的是PE试样在同样的辐射源中1h的吸收剂量，那么计算如下。弗里克剂量计的质量分数：nn一0．11，口。一0．88，as一0．013。表2给出了1．0MeV光子能的^值。将n，和^值代入式(2)，得到，F一=37．4J／C。查表3，，Pe一38．2J／C，按照式(3)计算PE的吸收剂量：，一DPE—i笋兰_×D‰k一1．02×5Gy=5．1GyJF血h6．3．4同样，只要辐射能在0．1MeV或0．5MeV～1．5MeV，表3的数值因数可用于将表中任一种材料的吸收剂量换算成另一种材料的吸收剂量。6．4剂量-深度分布(局限性)6．4．1由于被辐射材料的吸收剂量分布是变化的，并且受试样厚度、密度、辐射能量的影响，有必要判定当射线穿透材料时，多大剂量变化是其承受的极限。常用的辐射源能量为0．5MeV～1．5MeV，假设对于一个点辐射源，随意设定试样前后面的吸收剂量的差别为25％(在试样中衰减25％)，并且没有叠加、试样密度为1g／cm3、单向辐射(见附录A)，那么如果辐射能为0．5MeV，则试样厚度为2．8cm；如果辐射能为1．5MeV，则试样厚度就能达到5cm。对于其他的辐射源结构(例如平板状的辐射源)，试样厚度就会显著不同。6．4．2在附录A中，图A．3是密度为lg／cm3的试样在单向辐射中能量衰减10％和25％的厚度曲线。对于更高密度的材料曲线会向左偏移，对于更低密度的材料，则曲线会向右偏移。对于试样中10％或25％衰减的精确厚度，可以用图A．3中获得的值除以试样电子密度和3．3×1023／g的比值再得到。由于曲线的计算仅基于衰减，忽略在更厚试样中的叠加，益线给出的是单向辐射在给定能量和厚度下最大的衰减；非单向辐射会导致更大的衰减。7电子辐射的剂量估算方法7．1综述7．1．1在本章中，电子束的剂量估算方法主要适用于电子能量范围为几百keY至几MeV，剂量范围为kGy至MGy。7．1．2电子束辐射场常用电子能谱和电流密度来表征，电流密度是单位时间内、与单位面积辐照平面相碰撞的电荷数。束扫描电子加速器正常运行时，辐射平面瞬间电流密度的周期性改变取决于扫描频率。实际上，辐射场用穿过束窗和气隙之间的电子平均能量以及扫描周期内电流密度平均值来表征。试样表面的平均电子能量E。，可用下列计算式估算：E。一E0一△E，一△E。⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(4)其中Eo是电子未射到束窗前的原始能量，△E。和△E。分别是电子在穿过束窗和气隙时的平均能量损失。每种能量损失大致等于撞击停止能和厚度(单位是g／cm2)的乘积，或者在厚度远小于电子射程时，可用式(6)粗略估算。7．1．3辐射场中平均电流密度分布大致决定了材料吸收剂量率的横向分布，吸收剂量率横向分布在辐射场扫描轴的垂直方向一般呈现高斯分布。高斯分布的半峰宽依赖于电子能量、原子序数、束窗厚度以及束窗到试样的气隙距离。在静态辐射中，材料横向剂量的均匀性主要由平均电流密度的分布决定，如8 GB／T26168．1—2010／IEC60544—1：1994果扫描强度在扫描轴方向是均匀的，并且辐照采用一个恒速传输系统，这时材料的横向剂量分布也会是均匀的。7．1．4在静态辐射中，扫描过程中剂量率的平均值一般被估算为平均剂量率，下列两个因素使估算变复杂：i)电子束的重叠，1i)试样在运输系统中的运动。7．1．5整个材料的剂量均匀性由剂量一深度分布决定，而后者与材料平面的横向剂量分布无关。图1是电子加速器在均质材料中形成的典型剂量一深度分布曲线。剂量一深度分布分为两个深度区域表征：一个是剂量累加区域，另一个是剂量降低区域。当能量高于1MeV时，有效射程R。大致随着电子能量呈线性增加，但是在电子束辐射中剂量随着深度的变化远大于在y射线辐射中。表面剂量和峰值剂量的比率、有效射程与一些辐射参数有关，比如电子能量、材料的原子组成，束窗的厚度以及气隙的距离等，在典型的辐照状态下，如果电子能量高于1MeV这一比率是0．6～o．8。吸收剂量凰材料质量射程图1典型的电子加速器辐照过程中均匀材料的深度一剂量分布曲线(加速电压>0．5MV，R。为有效射程)7．1．6在一个三层平板吸收器(束窗、空气层和试样)01][”3中，如果平面层状材料在辐射场中的运动方向与电子束扫描方向垂直，并且电子束正常是单能的、平行平面碰撞束窗，则材料每单位电子通量的剂量一深度分布可以作为能量吸收函数z(z)的一部分计算。图2是平面层状聚乙烯材料曝露在1MeV电子束下的t(z’)(z’是三层的总厚度)计算结果的一个图例。三层的l(z’)差异与吸收剂量的差异不相等。图3是在同样辐照条件下测得的几种典型绝缘材料相对剂量一深度分布的对比图，不能忽视典型有机绝缘材料之间的差异，这是由于它们的质量撞击停止能和质量多次散射能不同，其不同主要取决于氢含量和有效原子序数。 GB／T26168．1—2010／me60544-1：1994如∥(MeV／(g／cm2)／、一／<／Y＼t、气琼20c“＼≠＼I＼柬窗4。，。(Ti)＼L质量射程^g止m2)0·6图2曝露在1MeV电子束下的平面层状聚乙烯的能量分布函数I(z’)的计算结果图例(：’是包含束窗、气隙和PE层的三层吸收器总厚度)7．2推荐的电子束剂量测量步骤表1给出了一系列绝对和相对方法及其他们的主要特性。一个推荐的剂量测量步骤检查列表包含如下内容““：1)电子能量和试样厚度的关系；2)试验包含的剂量范围；3)试样温升与平均剂量率的关系以及试验允许的辐照时间；4)试验要求的剂量均匀性：a)在厚度范围内的剂量均匀性的限制；b)试样横向剂量均匀性的限制；5)辐射方法，需要考虑的试样数量、尺寸，温升，试样内剂量均匀性(静态或扫描辐射)；6)剂量测定方法的精确度和准确性限制；7)依照下述条件选择剂量计：a)可测量的剂量范围；b)剂量计的厚度决定了剂量输出的空间分辨率；c)在规定的剂量水平上的精确度或可重复性；d)在要求的剂量率范围内输出结果的变化；e)辐射时和辐射后环境条件(光效应、温度、湿度、气体和储存情况的影响)造成的输出结果的变化限制；f)输出的持久性或剂量指示的稳定性；g)获得完善可靠的标准测量方法的有效性；h)操作和输出的简单性；10 GB／T26168．1—2010／IEC60544-1：1994i)仅使用剂量计读出剂量的有效性；j)不同批次的重复性；k)成本；8)其他辐射参数(束流、扫描宽度、气隙距离、传送速度、辐射底板、温度、瞬间剂量率、背散射效应、电子斜入射、绝缘材料的电荷积累，等等)。o·2o4质量射程“g庀m2)06图3曝露在1MeV电子束下的典型有机绝缘材料的能量分布函数l(z’)的计算结果图例(z’是束窗、气隙和绝缘材料层的三层吸收器总厚度)7．3电子束辐射7．3．1如图4所示，考虑到试样内部由于剂量一深度分布造成的剂量变化，对绝缘材料进行单面电子束辐照时，一般都将样品分别在两种方式下进行：a)试样放在相同材质材料的底板上．b)试样夹在两块相同材质的片材中，它们的总厚度要大于电子的射程。对于厚度大于电子射程的试样一般采用双面辐射。7．3．2加速电压的选择基本上要能满足试验厚度内的剂量均匀性，束流和其他辐射条件，例如气隙距离、柬扫描参数、输送系统的机械扫描参数等的选择要尽量减小辐照期间试样的温升，并充分提高辐照利用效率。7．4测量剂量一深度分布的方法7．4．1测量绝缘材料的剂量一深度分布是电子束剂量测量中有意义的典型实际应用。剂量一深度分布的测量方法基本有两种，一种是在块状绝缘材料中使用薄膜剂量计，另一种是在楔状绝缘材料中使用薄膜剂量计，每一种都有一些变化，见图5。7．4．2在均匀堆积法中(见图5a)，剂量计薄膜本身就和相同绝缘材料堆积在一起，直到厚度大于电子射程。这种方法给出了剂量计薄膜材料的剂量一深度分布，并且适用于组成相似的材料。这可能是唯一适用于测量低能电子束(<300keV)剂量一深度分布的方法。7．4．3在交替堆积法中(见图5b)，剂量计薄膜和组分与其相似的相同平板层状绝缘材料交替地堆在】1 GB／T26168．1—2010／IEC60544-1：1994一起。这种方法可以适用于能量相对较高的电子束。12吸收剂量嗳收剂量a)试样和背板是同样材料试样内的质量射程b)试样夹在两片同样材料的板材中图4用于计算典型深度一剂量分布的两种操作试样组合的方法示意图 剂量计薄膜GB／T26168．1—2010／iEc60544-1：1994a)均匀试样法d)线形楔形法b)交替试样法楔形吸收c)移位插人法传送带e)梯状楔形法图5使用大量平板绝缘材料以及长楔形绝缘材料试样测量电子深度一剂量分布的试样组合操作示意图7．4．4在移位插入法中，(见图5c)，剂量计薄膜的小条插人到相同绝缘材料堆中去，这样就避免了剂量计薄膜的重叠。7．4．5如果堆积的绝缘材料被横向均匀地暴露在电子束中时，所考虑的吸收剂量D，由下式得出：，c，．、D．一，·Da一溃÷；÷血⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯”(5)⋯r，∞I-d式中，Da是剂量计材料的吸收剂量，(s／p)“，和(S／p)“。是绝缘材料和剂量计材料的电子质量撞击停止能，分别是两种材料的近似电子能谱的平均值”“。表4和表5给出了一些重要绝缘材料和其他材料的基本性质，以及这些材料中的电子质量撞击停止能。插入的剂量计薄膜电子能谱取决于堆积的绝缘材料的深度，一般而言，要获得每一深度的能谱并不容易。表5所示的比率，与所关心的绝缘材料耐辐射实验的能量范围的关系很小。剂量计材料能谱的大致确定对于估算合适精度的比率_厂已经足够。平均电子能量E。，作为典型的等量水绝缘材料的深度函数，大概的计算可用下列公式估算：E。一E。(1一z／R。。)⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(6)式中E。是入射电子的能量(MeV)；z是绝缘材料的厚度(g／cm2)；R。，是外推的电子射程(g／cm2)。它通常被定义为照射到材料表面的电子透射曲线。⋯，表6列出了一些重要材料的外推电子射程，它是电子能量的函数。共混材料和复合材料的质量撞击停止能可以见[12]和[7]。7．4．6在线性一楔形方法中(见图5d)，剂量计薄膜被夹在两片同样的绝缘材料当中，上面那片是长楔13 GB／T26168．1—2010／IEC60544-1：1994形的。用密度分光光度计跟踪被辐照的剂量计薄膜，测出了剂量计材料的深度一剂量分布。绝缘材料的深度一剂量分布可以用式(5)进行剂量转换而得到。7．4．7在梯状楔形方法中(见图5e)，夹层中上面的绝缘材料是梯状楔形的。线性楔状方法尤其在针对低能电子束剂量测量时，有两个不利之处：一个是制备有精确角度的小型线性楔状试样比较困难，另一个是测量绝缘材料的绝对厚度时有误差。而具有精确角度的梯状楔形可由许多不同长度的绝缘材料薄膜放进夹层而获得。尽管会因此而获得不连续的深度一剂量分布曲线，就像梯形函数，但测得的分布是绝缘材料精确厚度的函数。7．4．8另外一个问题，当电子束辐照厚楔状材料时，会产生电荷积累，进而产生内部强电场，它会阻碍入射电子的穿透““，由于沿薄膜表面有相对大量的电泄露，所以同样厚度时，电荷积累在层叠的薄膜上要比在一整块绝缘材料上少。表4一些重要绝缘材料和其他材料的基本性质材料化学式(Z)一1’和(A)见下式：《z>一∑％z，和(A)一(z)(∑W，Z，／A，)_1J式中w，、互和A，分别是重量分数、原子数目、第J种原子组分的原子量。14 GB／T26168．1—2010／IEC60544-1：1994表5--些itig绝缘材料及其他材料的电子质量撞击停止能(MeV·till2／g)‘73电子聚对苯聚甲基水空气二甲酸聚苯聚四氟聚氯聚碳能量碳尼龙一6聚乙烯丙烯酸聚丙烯(液态)(干)乙二乙烯酸酯MeV甲酯醇酯0．13．6714．1153．6334．1524．3843．8234．0064．0343．4213．6044．2873．9200．152．8833．2382．86I3．2633．4433．0153．1523．1722．6972．8433．3673．0840．22．4822．7932．4702．8132．9672．6032．7192．7352．3301．4572．9022．660032．0832．3552．0842．3692．4972．1952．2922．3051．9682．0772．4432．2420．51．7822．0341．8022．0322．1421．8891．9571．9841．6991．7932．0981．9300．71．67319171．7061．9062．0081．7761．8561．8641．6001．6901．9691．8131．01．6091．8491．6611．8231．9301．7101．7881．7941．5341．6331．8931．7481．51．5841．8221．6611．8011．8951．6841．7601．7661．5221．6151．8601．7192．O1．5871．8241．6841．8021．8951．6861．7621．7681．5251．6231．8611．7213．01．61l1．8461．7401．8231．9171．7091．7841．7911．5461．6531．8831．7445．01．6581．8921．8331．8701．9651．7581．8321．8391．5891．7081．9311．79110．01．7301．9681．9791．9462．0421．8311．9081．9161．6571．7912．0081．867表6一些重要绝缘材料及其他材料的外推电子射程(g／tin2)‘“电子能量聚对苯二甲酸聚甲基丙烯碳铝水尼龙一6聚乙烯MeV乙二醇酯酸甲酯0．11．39×10--21．30X10—21．23×10—21．26×10—21．17×10一21．23×10-21．28×10-20．152．80×10-22．54×1022．45×10—22．54×10—22．362．65X10—22．57×10—20．24．51×10-24．03×10—23．93×10—24．10×10—23．83×10—24．28×10—24．15X10—20．38．60×10-27．53×10—27．45×10一27．81×1027．32×1028．23×10—27．89×10—20．51．83×10—11．58×1011．58×10—11．66×10—11．56×10—11．73×10_11．68×10一1O．72．91×10--12．49×10—12．51X10叫2．65×10--12．49×10—12．75×10—12．67×10—11．04．63×10--13．96×10—13．98X10一14．21×10～13．96×1014．37×10—14．25×10—12．01．07×1009．12×10--I9．18×10—19．69×10—19．12×10—1I．01×1009．78×10—13．O1_68×1001．44×1001．45×1001．53×1011．44×10。1．59×10。1．54×lO。5．o2．92×10。2．52×10。2．52×1002．66×10。2．50×1002．76×1002．68×10。10．06．01×10。5．18×1005．18×lOo5．47×1005．14×10。5．63X1005．52×10。注：穿透深度是单能电子正常照射到平板吸收器上的穿透曲线几乎直线下降段中的斜率最大点的切线与x轴相交(穿透一0)。 GB／T26168．1—2010／IEC60544-1：1994附录A(规范性附录)带电粒子平衡厚度当只使用不含次级电子的x或7射线从一边对材料进行辐照时，随着射线穿透材料，(第一吸收剂)从一开始就总有能量沉积(吸收剂量)，达到一定的厚度后，辐射能量沉积开始减弱。能量沉积达到最大值时的厚度通常称为带电粒子平衡厚度，它与辐射能量和被辐照材料的电子密度都有函数关系，材料厚度较大时，带电粒子会达到平衡。图A．1是典型的能量沉积与厚度的函数曲线图。为了确保整个试样的带电粒子平衡，不管从哪边对试样进行辐照，都必须用吸收剂包裹试样。在高散射的辐照操作中，没有观察到沉积现象。推荐使用沉积层以便获得界定清晰的辐射状况。图A．2电子密度3．3×10”cm_3的材料(水)的能量和吸收剂带电粒子平衡厚度的函数曲线图。能量存储量厚度／cm图A．1吸收剂量与厚度的函数关系图。最大值左边部分的曲线未知因此试样有效厚度应不小于最大值右边的值 GB／T26168．1—2010／iEc60544-1：1994／／／一一／，?|l0．751．0厚度／cm图A．2电子密度3．3X10”cm_3的材料(水)的能量和吸收剂带电粒子平衡厚度的函数曲线图图A．3衰减一定的单向x射线或7射线辐照的光子能量和水(或相同电子密度的材料)厚度的函数曲线图。注：任何材料的的电子密度n可以用下列公式估算：n=PN可A∑z．[cm一3]一鲁∑z．[g一1]式中：r材料的密度，g／cm3；N^——阿伏加德罗常数，6．023×1023tool_1；M——摩尔质量，g／tool；互——元素i的原子数；∑：五—每个分子的电子总数。当元素Z在17(不包括H)以下时，1／M(∑．Z．)大约为1／z，对于有机材料上式又可简化为：n—P莆3×10”正cm。3]=3×10”Eg。1]图A．1至图A．3即用这个方法进行估算的。在图A．2中，如果电子密度增加超过估值，曲线会向左平移，反之，曲线向右移动。因此，等效厚度就相当于用图A．2中的值除以吸收剂电子密度与3．3×10”cm。(水的电子密度)的比值。17O0O0O0，098765432mm＆tmt＆z雌惭imnm乱n仉 GB／T26168．1—2010／IEC60544-1：1994例如，假使用1．1MeV光子辐照聚四氟乙烯(PTFE)薄膜，参考图A．2需要厚度为0．5cm、电子密度为3．3×10”cm。的材料，才能保证带电粒子平衡，因此，要用此厚度的水包裹试样。因为PTFE的密度P一2．2g／cm3，计算如下：RPTTE3×1023×2．2。”H．o3．3×1023“以及dm一—芈一0．25cmnPTFE／nH20这意味着必须要用0．25cm的PTFE包裹这个薄膜。18M／／。／．／／5％衰耐／j／，／|／|，／，|／|／，．|}厚度／era图A．3衰减一定的单向x射线或Y射线辐照的光子能量和水厚度的函数曲线图詈=；器㈣¨¨ⅫⅢ滢M撼器¨¨¨∽∽ GB／T26168．1—2010／IEC60544-1：1994附录B(规范性附录)数值因数，t的推导x射线或7射线辐照材料时，它的能量吸收效率取决于它的质量能量吸收系数(p⋯／p)。这可以用质量吸收系数乘以材料真正吸收的光子能量的分数来获得，因此需要用荧光、散射，湮灭、辐射和轫致辐射损失进行修正。被辐射材料的质量能量吸收系数值，不管是共混材料还是复合物，都可以有下列近似关系：(p。。／P)。一∑W．(P。n／p)⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(B．1)式中w．和(F。／p)，分别是i组分的质量分数和质量能量吸收系数。只要存在带电粒子平衡，空气中1C／kg的照射量能产生33．68J／kg的吸收(空气中33．7+o．2eV产生一个离子对)。同样的照射量，被辐照材料的吸收剂量可用下列公式计算：Dm=D。，琶毒}g：一33．68琶詈2窘：x⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯cB．z，其中：D。——材料的吸收剂量，Gy’D。——空气的吸收剂量，Gy5(ff⋯／p)——材料m的质量能量吸收系数5(卢。／p)。——空气的质量能量吸收系数；x——照射量，C／kg。将式(B．1)带入式(B．2)，得到，D。一X∑W．^⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(B．3)其中，^一33．68啬瓮(J／c)注；数值因数^也可以用旧的c．G．S单位rad／R(1rad／R：38．76J／C)^=087。啬魅(rad／R) 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