一種用于Hp(3)測量的電離室性能評價

張 璇，李德紅，張 健，郝艷梅，趙 瑞，范富有

(1.中國計量科學研究院，北京 100029；2.四川大學華西醫院 放療科，四川 成都 610041)

目前電離輻射廣泛用于各行各業，給人們來帶來了極大的益處，但也可能造成一些潛在的危害。研究表明，電離輻射誘發白內障的劑量閾值遠低于2.0 Gy，甚至低于0.5 Gy的劑量都有可能誘發白內障[1-2]。2011年國際輻射防護委員會(ICRP)建議，將電離輻射職業性暴露的眼晶體年均當量劑量限值從150 mSv降至20 mSv(連續5年中任何1年的當量劑量不得超過50 mSv)[3]。劑量限值的大幅度降低也引得人們對該量值準確測量的廣泛關注。

由于當量劑量作為防護量，無法通過儀器直接測量得到，因此常利用個人劑量當量Hp(d)進行評估，即距離人體表面深度d處軟組織的劑量當量。根據眼睛模型，當尺寸被替換為組織等效材料(軟組織)中的厚度時，眼晶體敏感部分的組織等效深度位于約3 mm處[4]，因此，國際輻射單位與測量委員會(ICRU)和ICRP建議采用Hp(3)進行眼晶體的劑量評估[5-6]。測量Hp(3)的儀器有多種，如熱釋光劑量測量系統、光釋光劑量測量系統等。但在能譜未知的輻射場中，這兩類測量系統的能量響應差異較大(-29%～67%)[7-8]，為此，有必要研制對能量依賴性較小，可直接測量能譜未知輻射場Hp(3)的電離室(以下稱Hp(3)電離室)。本課題組設計制造了一種Hp(3)電離室，為評估該Hp(3)電離室的各項性能，本文從本底電流、極化效應、能量響應、角度響應和不確定度評定方面對該電離室進行評價，以期為眼晶體個人劑量當量的準確測量提供參考。

1 Hp(3)電離室測量原理與結構設計

1.1 測量原理

確定輻射場某一點Hp(3)約定值有兩種解決方案：一是通過空氣比釋動能Ka與轉換系數的乘積確定[9]。轉換系數主要取決于光子能量與入射角，特別是對于能量較低的光子。名義上輻射質雖相同，但其能譜分布總是存在一些較小的差異。在低能量段，特別是平均光子能量低于約25 keV的輻射質，其轉換系數對能量的依賴性較大，因此，較小的能譜差異可能會導致轉換系數的差異高達百分之幾十。通過這種方法確定Hp(3)約定值，需要測量射線裝置產生的能譜來準確得到轉換系數，而這又需要復雜且昂貴的能譜儀以及可用于脈沖幅度能譜測量的算法[10-11]。另一種則是可直接測量Hp(3)的電離室，該電離室對Hp(3)具有較小的能量和角度響應，一旦校準就不需要進行能譜測量，也不需要轉換系數，即可直接得到Hp(3)值。

在能量為E的輻射質下，射束入射方向與Hp(3)電離室中心法線的夾角為α時，眼晶體個人劑量當量Hp(3,E,α)計算公式為：

Hp(3,E,α)=NH·k(E,α)·Q·kTP·kh

(1)

式中：NH為Hp(3)電離室的校準因子，Sv/C；k(E,α)為某能量E的輻射質在α入射角條件下的修正因子，無量綱；Q為Hp(3)電離室測量的電荷，C；kh為環境濕度修正因子，在30%～70%的相對濕度(溫度范圍15～25 ℃)，不必修正，取kh=1；kTP為溫度氣壓修正因子，其計算見公式(2)。

(2)

式中：T為測量時的環境溫度，℃；P為測量時的環境大氣壓，kPa；T0為環境溫度參考值，20 ℃；P0為環境大氣壓參考值，101.325 kPa。

1.2 結構設計

Hp(3)電離室的設計是在球型體模內嵌入電離室，用于直接測量眼晶體的個人劑量當量Hp(3)。為模擬頭部組織對眼晶體劑量的散射與吸收，同時防止邊緣效應的發生，即體模形狀為方形時，在90°方向入射時測量值會急劇下降，產生測量值低估實際值的現象[12]，降低角響應，將散射部分設計為直徑20 cm的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材質的實心球體。以該球內部前表面切出一個能夠放入電離室的內切球體，同時以該小球體的球心為頂點，向外切除張角為120°的圓錐，將空腔電離室置于內切球的位置。電離室作為探測部分被置于散射體中，同樣為減少邊緣效應，將電離室設計為球形。由于電離室壁材料與空氣等效材料之間的差異，其厚度、材質等將影響電離室電流信號同射線能量之間的依賴關系。為減小該影響，通過蒙特卡羅模擬軟件(EGSnrc)對電離室壁厚度等進行模擬，得到體積30 cm3、壁厚2.7 mm、內涂石墨的聚甲醛(POM)壁的電離室，其能量響應較好。設計的電離室結構如圖1所示。

a——Hp (3)電離室整體結構；b——PMMA球；c——電離室

電離室內部是一個小的充氣空腔，在空腔氣體中產生電離的全部電子都在包圍空腔的介質內產生，故空腔的存在不影響該位置的注量。電離室空腔內的能量沉積可使用Bragg-Gray公式計算。

2 設備與方法

2.1 實驗儀器

實驗用輻射場測量點處空氣比釋動能約定值的確定采用德國PTW公司生產的TW32002型電離室和UNIDOS劑量儀；實驗環境中的溫度、濕度與氣壓的測量采用中國計量科學研究院生產的XMPTH-2型氣壓溫度濕度測量儀。其量值均溯源至中國計量科學研究院標準裝置。

2.2 測量條件

采用符合GB/T 12162.1標準[13]的中能窄譜X射線(N-40～N-250)、S-Cs和S-Co γ射線輻射質進行輻照，即中國計量科學研究院中能X射線空氣比釋動能(防護水平)標準裝置和γ射線空氣比釋動能(防護水平)標準裝置。環境溫度為20～25 ℃；氣壓為99.8～101 kPa。

2.3 實驗測量

2.3.1Hp(3)電離室校準 由于Cs-137 γ射線輻射質的能量單一且作為參考輻射質被IEC 62387-2020標準推薦[14]，因此在GB/T 12162.1標準[13]中規定的S-Cs輻射質及入射角α=0°條件下對Hp(3)電離室進行校準，得到校準因子NH。

2.3.2確定修正因子k(E,α) 為減少能量和入射角變化引起的響應差異，通過實驗測量確定Hp(3)電離室在不同能量及入射角下的修正因子k(E,α)，見公式(3)。

(3)

式中：Ka為能量為E、入射角為0°時空氣比釋動能的約定值，Gy；hpk(3,E,α)為能量為E的輻射質，入射角為α輻照電離室時，圓柱模體中Ka至Hp(3)的轉換系數；Q為Hp(3)電離室測量的電荷；kTP為溫度氣壓修正因子。

在GB/T 12162.1標準[13]中規定的N-40～N-250 X射線輻射質以及S-Cs、S-Co γ射線輻射質下，采用標準電離室和劑量儀，測量輻射場參考點的空氣比釋動能，根據ISO 4037.3-2019中表41和表44提供的hpk(3,E,α)[9]，確定不同輻射質照射下Hp(3)的約定值。

2.3.3本底電流Hp(3)電離室的本底電流主要來自三個方面：一是高壓極與中心電極之間絕緣材料的電阻不是無窮大而導致的暗電流；二是天然輻射入射產生的電離電流；三是電離室材料中天然放射性核素產生的電離電流。本底電流過高將對射線的測量帶來干擾，因此為評估該電離室的性能，對本底電流進行測量。

2.3.4極化效應 當電離室加一定高壓，在內部形成電場，在電場的作用下電離電荷被收集，其電子-離子對在正、負高壓下的收集效率存在差異，這種現象稱為極化效應。該差異將影響電離室的使用效果，是電離室的關鍵指標之一。將Hp(3)電離室置于S-Cs輻射質下，Hp(3)電離室的幾何中心在照射線束的中心軸線上，采用相同的劑量率進行輻照，在正極化和負極化電壓條件下分別測量Hp(3)值。

2.3.5能量響應 能量響應是指被測儀器的響應隨入射輻射質能量的變化。由于在能譜未知的情況下，無法確定k(E,α)值以對結果進行修正，因此，在未進行能量修正情況下對該電離室進行能量響應實驗。

2.3.6角度響應 角度響應是指被測儀器的響應隨入射角的變化。在入射方向未知的情況下，無法根據k(E,α)值對結果進行修正，因此，在未進行入射角修正情況下對該電離室進行角度響應實驗。

2.4 不確定度評定

采用Hp(3)電離室對輻射場中某一點的劑量當量進行測量，利用JJF 1059.1-2012標準[15]的方法對測量結果的不確定度進行評定。第一步確定Hp(3)電離室校準因子的相對擴展不確定度；第二步確定電離室測量值Hp(3)的相對擴展不確定度。

3 結果與討論

3.1 Hp(3)電離室校準

第一步采用溯源至Cs-137γ射線空氣比釋動能率國家基準的標準電離室及劑量儀，測量輻射場測量點的空氣比釋動能率Ka。利用公式(4)計算得到該參考點處的約定值Hp(3,Rref,0°)。

Hp(3,Rref,0°)=Ka·hpk(3,Rref,0°)

(4)

式中：Ka為參考條件下(溫度：20 ℃，氣壓：101.325 kPa，相對濕度：65%)S-Cs輻射質，入射角為0°時空氣比釋動能的約定值，Gy；hpk(3,Rref,0°)為S-Cs輻射質條件下α=0°入射時圓柱模體中Ka至Hp(3)的轉換系數，其值為1.63 Sv/Gy[9]。

第二步將Hp(3)電離室放置在測量點處，采用相同的輻射條件，重復測量6次。采用公式(5)計算得到Hp(3)電離室的校準因子NH=1.19 μSv/pC。

(5)

3.2 確定修正因子k(E,α)

將Hp(3)電離室放置在實驗平臺上，采用相同的照射條件進行輻照，射束覆蓋整個前表面，當入射角為0°時，參考點軸向與射束一致，利用激光準直器準直。測得每個輻射質和入射角下的Hp(3)值，將其與約定值比較，得到各個能量及角度下的k(E,α)值列于表1。從表1可知，在X射線輻射質下，正角度下的k(E,α)普遍比負角度下的值偏高，尤其在低能量輻射質下，偏差更大(5.7%)，該現象可能與X射線參考輻射場的“足跟效應”有關，即從靠近陰極一端到靠近陽極一端，X射線需要穿過更長的靶材料，阻礙作用越來越強，射線強度越來越弱，因此在水平方向上會出現“足跟效應”。

表1 Hp(3)電離室k(E,α)值測量結果

3.3 本底電流

將Hp(3)電離室加上400 V的高壓，開機30 min后，在不加輻射信號的情況下重復測量電荷6次，累積時間為60 s，分別得到漏電流為-0.17、0.17、0.67、0.17、0.17、0.5 fA，即該Hp(3)電離室的本底電流為-0.2～0.7 fA，平均為0.2 fA。

3.4 極化效應

在正極化電壓條件下和負極化電壓條件下分別測量Hp(3)值，其結果見表2。極化效應的計算采用公式(6)：

表2 正負高壓下測得的Hp(3)值

(6)

式中：Hp(3)+為正高壓下測得的眼晶體個人劑量當量；Hp(3)-為負高壓下測得的眼晶體個人劑量當量。

最終計算得到極化效應為0.10%，小于要求的1.0%。

3.5 能量響應

根據窄譜系列、S-Cs和S-Co輻射質條件下Hp(3)電離室k(E,α)值的測量結果取其倒數，歸一到S-Cs輻射質，得到0°入射條件下Hp(3)電離室的能量響應相對誤差結果，如圖2所示。在33 keV～1.25 MeV能量范圍內，Hp(3)電離室的能量響應相對誤差為-0.9%～12.6%，即測量值最大相對誤差不超過±13%，遠低于熱釋光/光釋光劑量測量系統對于能量響應相對誤差的要求(-29%～+67%)[7-8]。當能量低于48 keV時，由于電離室壁厚以及散射體對低能光子的阻擋作用增強，故其響應值偏低。表明在能譜未知的復雜輻射場，無需進行能譜測量，直接使用Hp(3)電離室可知輻射場中的Hp(3)值。

圖2 Hp(3)電離室的能量響應相對誤差

3.6 角度響應

在S-Cs輻射質下測量各個入射方向歸一到入射角為0°時Hp(3)電離室的角響應相對誤差，結果如圖3所示。從圖3可知，在-60°～ 60°入射角范圍內，Hp(3)電離室的角度響應相對誤差為-7.9%～0%，最大相對誤差不超過8%。同時，入射角越大，Hp(3)電離室在未進行修正的情況下其測量值越易于低估實際值。

圖3 Hp(3)電離室的角度響應相對誤差

4 不確定度評定

4.1 校準因子的相對不確定度

根據公式(5)可知，校準因子NH的不確定度來源如下。1) 標準電離室校準因子引入的不確定度分量：采用B類評定方法，根據溯源證書得到標準電離室校準因子的相對擴展不確定度。2) 輻射場與上級輻射場的差異：由于本級實驗室與上級標準實驗室輻射質可能存在差異，標準電離室對不同輻射場的響應差異將引入不確定度，這部分差異與標準電離室的能量響應有關，通過電離室的溯源證書獲得，采用B類評定方法評定。3) 標準電離室的長期穩定性：根據至少兩次溯源至上一級標準的校準因子的相對變化得到長期穩定性引入的不確定度，可通過標準電離室歷年的溯源證書得到，屬于B類評定方法。4) 溫度氣壓測量不確定度：溫度氣壓修正值的不確定度應包括重復測量溫度和氣壓得到測量結果的統計標準偏差(A類)和溫度氣壓儀表本身溯源的不確定度(B類)。5) 標準電離室測量結果的統計標準偏差：在輻射場參考值確定過程中，需要使用標準電離室多次測量取平均值得到，多次測量結果的統計漲落導致的不確定度采用A類不確定度評定方法。6) 劑量當量轉換系數不確定度：劑量當量轉換系數所引入的不確定度采用B類評定方法，通過ISO 6980.3-2019標準查詢得到[9]。7) 待校Hp(3)電離室的讀數統計漲落標準差：重復測量過程中統計漲落導致的不確定度，采用A類不確定度評定方法分析。8) 與檢驗點位置差異導致的不確定度：標準電離室和Hp(3)電離室的放置過程中，采用量桿測量源與電離室之間的距離，因此Hp(3)電離室與標準電離室位置偏差導致的不確定度可認為來自量桿本身，該不確定度可通過量桿的溯源證書，采用B類評定方法得到。9) 輻射場不均勻性導致的不確定度：實際校準過程中，Hp(3)電離室和標準電離室的探測中心難以重合，由于輻射場的不均勻性導致校準位置處的劑量率存在差異，不均勻性是參考輻射場本身的性質，采用B類評定方法確定。

最終得到校準因子的相對不確定度見表3，即校準因子的相對擴展不確定度為5.6%(k=2)。

表3 電離室校準因子的不確定度評定表

4.2 Hp(3)的相對不確定度

4.2.1輻射場能量和入射角已知情況下Hp(3)的相對不確定度 當已知輻射場中輻射質與入射角的情況下，測量值Hp(3)的測量模型見公式(1)。以輻射質為N-40、入射角為15°時Hp(3)測量為例，對測量值Hp(3)的不確定度進行評定。其影響量有Hp(3)電離室的校準因子、電離電流、能量/入射角響應修正因子、溫度、氣壓和電離室的長期穩定性。

2)Hp(3)電離室校準因子引入的不確定度分量根據4.1節計算結果可見，由于校準因子引入的相對不確定度為urel,c,NH=2.81%。

3) 能量和角度響應修正因子。輻射質N-40、入射角為15°時，k(E,α)值計算如下：

(7)

其合成不確定度為：

urel,k(E,α)=

3.8%

(8)

4) 溫度和氣壓引入的不確定度分量。測量結果的統計標準偏差(A類)和溫度氣壓表本身溯源的不確定度(B類)對溫度氣壓修正值引入的不確定度進行評定。

評定結果如表4所示。由表4數據可知，在輻射場的能量和入射角已知情況下測得的Hp(3)值的相對擴展不確定度為9.4%(k=2)。

表4 Hp(3)的不確定度評定表

4.2.2輻射場能量和入射角未知情況下Hp(3)的相對不確定度 當未知輻射場中輻射質與入射角情況下，對測量值Hp(3)進行評定，其測量模型見公式(1)。由于輻射場能量和入射角未知，無法確定具體的k(E,α)值，因此該值視為1，除該值的不確定度評定與4.2.1節不一樣外，其他過程均一致。

Hp(3)電離室在33 keV～1.25 MeV能量范圍內，能量響應最大相對誤差為12.6%，其分布視為矩形分布，按B類不確定度對其進行評定，能量響應所引起的不確定度為7.3%。

在-60°～ 60°入射角范圍內，Hp(3)電離室的角度響應最大相對誤差為7.9%，其分布視為矩形分布，按B類不確定度對其進行評定，角度響應所引起的不確定度為4.6%。能量和角度修正因子引入的不確定度為：

(9)

當輻射場能量和入射角未知情況下評定結果如表5所示。自研的用于眼晶體個人劑量當量測量的Hp(3)電離室在能量和入射角未知情況下測得的Hp(3)的相對擴展不確定度為18%(k=2)，高于在已知輻射場能量和入射角時的不確定度結果，但在不確定度范圍內均可用于Hp(3)的測量。

表5 Hp(3)的不確定度評定表

5 結論

本文介紹了一種自研的用于眼晶體個人劑量當量測量的Hp(3)電離室，并通過實驗測量確定了該電離室的校準因子NH為1.19 μSv/pC，以及在33 keV～1.25 MeV能量、-60°～60°入射角范圍內的能量/入射角修正因子。Hp(3)電離室的本底電流為0.2 fA，極化效應為0.10%。在未進行能量/入射角修正情況下，將各能量下Hp(3)電離室的響應值歸一到S-Cs輻射質，各入射角度下的響應值歸一到0°，得到在33 keV～1.25 MeV范圍內相對響應在0.99～1.13之間變化；-60°～60°入射角范圍內相對響應在0.92～1.0之間變化。通過對電離室的校準因子進行不確定度評定，得到其相對擴展不確定度為5.6%(k=2)。當能量和入射角已知情況下，如在輻射質為N-40、入射角為15°情況下照射時，Hp(3)測量值的相對擴展不確定度為9.4%(k=2)；當能量和入射角未知情況下，Hp(3)測量值的相對擴展不確定度為18%(k=2)。對于能量和入射角未知情況下的輻射場，無需使用能譜測量裝置，在不確定度范圍內直接采用Hp(3)電離室即可得到輻射場中的Hp(3)值。本研究可為眼晶體個人劑量當量的準確測量提供參考。