基于ISO 4037-1：2019對(duì)60～250 kV窄譜系列X射線參考輻射質(zhì)的研建

杭仲斌，宋明哲，魏可新，王紅玉，滕忠斌， 劉川鳳，高 飛，倪 寧，劉蘊(yùn)韜,*

(1.中國原子能科學(xué)研究院 計(jì)量與校準(zhǔn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102413；2.中國計(jì)量科學(xué)研究院，北京 100029)

自X射線被發(fā)現(xiàn)后，X射線廣泛應(yīng)用到醫(yī)學(xué)、生產(chǎn)、科研、國防等領(lǐng)域，但X射線會(huì)對(duì)人類的身體健康乃至生命安全造成影響，輻射防護(hù)越來越受重視。鄭均正教授多次強(qiáng)調(diào)建立電離輻射防護(hù)和相應(yīng)的安全規(guī)范至關(guān)重要[1]。在進(jìn)行X射線照射活動(dòng)時(shí)，要先對(duì)X射線劑量監(jiān)測(cè)儀器進(jìn)行檢定和校準(zhǔn)[2]，以滿足監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，所以，建立符合要求的X射線參考輻射場(chǎng)對(duì)保障X射線劑量監(jiān)測(cè)儀器性能尤為重要。

目前幾乎所有國家的X射線空氣比釋動(dòng)能基準(zhǔn)的建立都是參照國際標(biāo)準(zhǔn)化組織[3](ISO, International Organization for Standardization)于1996年更新的編號(hào)為4037的標(biāo)準(zhǔn)文件《Radiological protection-X and gamma reference radiation for calibrating dosemeters and doserate meters and for determining their response as s function of photon energy-Part 1: Radiation characteristics and production methods》[3]。ISO于2019年更新發(fā)布了新版的此項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)(ISO 4037-1：2019)[4]，其中對(duì)關(guān)于X射線參考輻射場(chǎng)的內(nèi)容進(jìn)行了多處更新。X射線窄譜系列參考輻射質(zhì)由于其能量集中，且具有較高能量分辨率，通常用于防護(hù)水平劑量監(jiān)測(cè)儀器的校準(zhǔn)和檢定[5]。國際上，很多國家和機(jī)構(gòu)也進(jìn)行了一系列窄譜系列X射線的比對(duì)工作[6-8]。為保證我國防護(hù)水平X射線劑量監(jiān)測(cè)儀器的量值統(tǒng)一且與國際標(biāo)準(zhǔn)保持一致，本文根據(jù)ISO 4037-1：2019標(biāo)準(zhǔn)建立一套能量范圍為60～250 kV的窄譜系列X射線參考輻射質(zhì)。

1 新舊ISO 4037-1相關(guān)內(nèi)容對(duì)比

新舊ISO 4307-1最明顯的差別是半值層(HVL)的推薦值有更改。X射線參考輻射質(zhì)的測(cè)量研究中，半值層是一重要的參量。第1半值層HVL1st為使X射線束在某位置處的空氣比釋動(dòng)能率減少1/2時(shí)所需要的過濾片的厚度；第2半值層HVL2nd為X射線束在某位置處的空氣比釋動(dòng)能率由1/2減少到1/4時(shí)所需要的過濾片的厚度。經(jīng)整理，得出新舊ISO 4307-1 60～250 kV窄譜系列X射線參考輻射質(zhì)的半值層推薦值的對(duì)比，列于表1(當(dāng)管電壓為60～250 kV時(shí)，窄譜系列半值層以mm級(jí)的Cu來表征。)。

ISO 4037-1：2019對(duì)半值層的推薦值進(jìn)行了更新，還對(duì)半值層測(cè)量值的允許誤差范圍做出了調(diào)整。舊版ISO 4037-1要求誤差在標(biāo)準(zhǔn)推薦值的±5%以內(nèi)，而新版則對(duì)不同輻射質(zhì)給出了具體的誤差值，根據(jù)半值層推薦值和誤差值，整理得出60～250 kV窄譜系列X射線參考輻射質(zhì)半值層的層厚取值范圍，亦列于表1。

表1 60～250 kV窄譜系列X射線參考輻射質(zhì)新舊ISO 4037-1半值層推薦值對(duì)比Table 1 Comparison of recommended values of old and new ISO 4037-1 half-value layers for 60-250 kV narrow spectrum series X-ray reference radiation quality

圖1 X射線參考輻射裝置Fig.1 X-ray reference radiation device

2 實(shí)驗(yàn)裝置及測(cè)量

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

本次實(shí)驗(yàn)所使用的X射線參考輻射裝置(圖1)由X射線機(jī)、集成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、安全連鎖系統(tǒng)、X射線過濾系統(tǒng)、激光準(zhǔn)直系統(tǒng)和多維校準(zhǔn)平臺(tái)及小車等組成。

本次實(shí)驗(yàn)所用的X射線光機(jī)為MG 452型高穩(wěn)定X射線系統(tǒng)，此光機(jī)具有電壓調(diào)節(jié)范圍大、溫度漂移小、穩(wěn)定性高、連續(xù)曝光時(shí)間長、使用壽命長、自動(dòng)操作X光管的訓(xùn)機(jī)過程等優(yōu)點(diǎn)。集成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)采用S7-1200 PLC程序開發(fā)，射線束軸向、橫向、升降及旋轉(zhuǎn)均采用步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，射線束軸向安裝編碼器以達(dá)到定位系統(tǒng)的定位重復(fù)性要求。安全連鎖系統(tǒng)包括輻射報(bào)警器、紅外門障、輻射監(jiān)測(cè)儀等，主要是為了避免操作者的錯(cuò)誤操作出現(xiàn)意外照射從而造成輻射損傷。X射線過濾系統(tǒng)由標(biāo)準(zhǔn)圓形過濾片、過濾轉(zhuǎn)盤和控制器等組成，為了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，實(shí)驗(yàn)中所用的附加過濾片純度均高于99.99%。激光準(zhǔn)直系統(tǒng)由3臺(tái)軸向定位激光定位儀組成，調(diào)整后，保證準(zhǔn)直器誤差在±1 mm內(nèi)。多維校準(zhǔn)平臺(tái)及小車主要由升降臺(tái)、橫移架、旋轉(zhuǎn)臺(tái)、定位臺(tái)、直線導(dǎo)軌、導(dǎo)軌支撐等組成。多維校準(zhǔn)平臺(tái)及小車的定位精度需足夠好，以保證測(cè)量電離室和劑量器械的檢定和校準(zhǔn)能進(jìn)行準(zhǔn)確的重復(fù)定位，確保由定位精度幾何條件引起的誤差可忽略不計(jì)。

2.2 半值層的測(cè)量

由于X射線是一連續(xù)譜，存在第1半值層相同，但輻射質(zhì)卻不同的情況，所以需要測(cè)量第2半值層，如果兩個(gè)輻射質(zhì)第1半值層和第2半值層均在規(guī)定的允許誤差范圍內(nèi)，則認(rèn)為兩個(gè)輻射質(zhì)的能譜相同[9]。

HVL1st、HVL2nd和d1/4(使X射線的空氣比釋動(dòng)能率減少至1/4時(shí)標(biāo)準(zhǔn)吸收片的厚度，mm)的關(guān)系如式(1)[10]所示：

HVL1st+HVL2nd=d1/4

(1)

測(cè)量電離室選用計(jì)量與校準(zhǔn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的大體積自由空氣電離室，其測(cè)量范圍為60～350 kV，由于環(huán)境中濕度過大會(huì)導(dǎo)致大體積自由空氣電離室漏電不穩(wěn)定，所以實(shí)驗(yàn)前使用抽濕機(jī)將實(shí)驗(yàn)環(huán)境濕度降低至較低水平。為保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，數(shù)據(jù)處理時(shí)再將溫濕度及氣壓修正至標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)條件。

空氣溫濕度及氣壓的變化會(huì)對(duì)空氣密度產(chǎn)生一定的影響，在一非零濕度的環(huán)境下，空氣密度和外界溫度t呈反比，與壓強(qiáng)p呈正比，因此修正因子kρ使用式(2)表示。由于濕度變化對(duì)空氣中光子質(zhì)能吸收系數(shù)、空氣密度和空氣中的電離功的值均有影響，導(dǎo)致其修正過程復(fù)雜[11]，且ICRU90號(hào)報(bào)告指出在整個(gè)測(cè)量體系下，濕度修正因子帶來的誤差不超過0.3%，相對(duì)濕度不需要非常精準(zhǔn)的測(cè)量[12]，所以本次實(shí)驗(yàn)直接引用ICRU31號(hào)和ICRU90號(hào)報(bào)告結(jié)果，取濕度修正因子kh=0.997，不確定度為0.3%。

(2)

在本實(shí)驗(yàn)前已對(duì)電離室的各項(xiàng)性能進(jìn)行了測(cè)試，其性能均滿足測(cè)量的要求。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，實(shí)驗(yàn)室溫度為13.93 ℃，濕度為23%，氣壓為102.1 kPa。管電壓分別調(diào)至60、80、100、120、150、200、250 kV，管電流調(diào)至5 mA，將大體積自由空氣電離室的參考點(diǎn)移至距離焦斑1 m處，Cu吸收片置于距離焦斑0.5 m處位置。

通過增減吸收片和附加過濾片的厚度，得到最終的滿足要求的輻射質(zhì)，各輻射質(zhì)下最終的衰減曲線如圖2所示。整理得出輻射質(zhì)HVL1st和HVL2nd與ISO 4037-1：2019推薦值的對(duì)比列于表2，建立的參考輻射質(zhì)的半值層與標(biāo)準(zhǔn)推薦值的相對(duì)誤差在允許范圍之內(nèi)，因此建立的參考輻射質(zhì)符合ISO 4037-1：2019標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 60～250 kV窄譜系列X射線輻射質(zhì)衰減曲線Fig.2 60-250 kV narrow spectrum series X-ray radiation quality attenuation curve

2.3 脈沖幅度譜測(cè)量

本研究使用HPGe譜儀對(duì)N-60～N-250進(jìn)行脈沖幅度譜測(cè)量，實(shí)驗(yàn)所用高純鍺探頭型號(hào)為GL2020。具體的參數(shù)列于表3。實(shí)驗(yàn)前，已用標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)源對(duì)高純鍺譜儀進(jìn)行了能量刻度。

在前期實(shí)驗(yàn)中，由于光子數(shù)量太多而出現(xiàn)了“堵死”的現(xiàn)象，為使到達(dá)探頭的光子數(shù)的數(shù)量減少到譜儀的測(cè)量范圍，設(shè)計(jì)加工了一套適用于此套設(shè)備的準(zhǔn)直系統(tǒng)，該系統(tǒng)最主要的部分就是在探頭前加了厚70 mm、孔徑1 mm的鉛準(zhǔn)直器，經(jīng)測(cè)試，在配套此準(zhǔn)直系統(tǒng)時(shí)，HPGe譜儀可正常工作。

表2 60～250 kV窄譜系列X射線參考輻射質(zhì)半值層測(cè)量結(jié)果Table 2 60-250 kV narrow spectrum series X-ray reference radiation quality half-value layer measurement results

表3 高純鍺探測(cè)器相關(guān)參數(shù)Table 3 Related parameters of high purity germanium detector

實(shí)驗(yàn)時(shí)，始終保持高純鍺探測(cè)器在低溫環(huán)境下(液氮制冷)，將高純鍺探頭置于距離焦斑1 m處，保證射束中心和探頭中心在1條直線上，進(jìn)行不同輻射質(zhì)下的脈沖幅度譜測(cè)量，結(jié)果示于圖3。

圖3 60～250 kV窄譜系列X射線 參考輻射質(zhì)脈沖幅度譜Fig.3 60-250 kV narrow spectrum series X-ray reference radiation quality pulse amplitude spectrum

嚴(yán)格意義上，為得到真實(shí)的光子注量譜，需對(duì)光子吸收不完全、康普頓散射和KX射線逃逸的影響進(jìn)行校正，即需要進(jìn)行解譜工作[13]。由于解譜工作較復(fù)雜，本工作不進(jìn)行轉(zhuǎn)換，直接使用脈沖幅度譜進(jìn)行計(jì)算[14]。

3 參數(shù)對(duì)比分析

3.1 能量分辨率的對(duì)比

根據(jù)N-60～N-250的脈沖幅度譜可得到相應(yīng)的譜分辨率，在ISO 4037-1：2019中對(duì)譜分辨率RE的描述如式(3)所示：

(3)

其中：ΔE為對(duì)應(yīng)于譜的最大縱坐標(biāo)1/2處的譜寬度；E為對(duì)應(yīng)峰值處的峰位值。

根據(jù)上述方法得出所建輻射質(zhì)下的譜分辨率，并與ISO 4037-1：2019標(biāo)準(zhǔn)比較，結(jié)果列于表4。結(jié)果顯示，實(shí)驗(yàn)所建輻射質(zhì)和標(biāo)準(zhǔn)推薦值的譜分辨率的相對(duì)誤差均在±4%以內(nèi)。

3.2 平均光子能量的對(duì)比

在ISO 4037-1：2019中，平均光子能量僅給出了1個(gè)表達(dá)式，如式(4)所示：

(4)

其中，ΦE為能譜的積分通量，換言之，平均光子能量是將所有光子的能量除以所有光子的個(gè)數(shù)。計(jì)算平均光子能量時(shí)，Ankerhold等提出起終點(diǎn)位置取值的方法，允許的取值誤差應(yīng)小于20%[15]，所以，在能譜起終點(diǎn)位置的能量值取值上不可避免存在人為誤差。最終可得出N-60～N-250輻射質(zhì)所對(duì)應(yīng)的平均光子能量，將數(shù)據(jù)整理并與標(biāo)準(zhǔn)推薦值進(jìn)行比較，列于表5。

表4 60～250 kV窄譜系列 X射線輻射質(zhì)譜分辨率對(duì)比Table 4 Comparison of 60-250 kV narrow spectrum series X-ray radiation quality spectrometry resolution

表5 60～250 kV窄譜系列X射線 參考輻射質(zhì)平均光子能量對(duì)比

3.3 有效能量的對(duì)比

根據(jù)ISO 4037-1：2019描述，由一定能量范圍的X射線組成的輻射的有效能量是具有與其相同HVL的單能X射線的能量[5]，有效能量也是表征X射線參考輻射質(zhì)的1個(gè)重要參數(shù)。根據(jù)定義，有效能量和半值層關(guān)系密切，即若某一輻射質(zhì)的半值層與某一單能X射線的半值層相等，那么該輻射質(zhì)下的有效能量就等于該單能X射線的能量。對(duì)于單能X射線來說，穿過厚度為d、密度為ρ的過濾器時(shí)，滿足式(5)的衰減規(guī)律。

(5)

(6)

通過查閱美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院官網(wǎng)(https:∥physics.nist.gov/PhysRefData/Xray-MassCoef/ElemTab/z29.html)，可得出Cu在不同能量下對(duì)應(yīng)的質(zhì)量衰減系數(shù)關(guān)系，且Cu的密度是8.96 g/cm3。

在60～500 kV區(qū)間內(nèi)，可采用非線性擬合，然后根據(jù)不同輻射質(zhì)下的質(zhì)量衰減系數(shù)可得出其有效能量(圖4)。

圖4 單能X射線在Cu中的質(zhì)量衰減系數(shù)的曲線Fig.4 Curve of mass attenuation coefficient of single-energy X-ray in Cu

根據(jù)ISO 4037-1：2019推薦的半值層值，代入式(6)，得出其質(zhì)量衰減系數(shù)，隨后內(nèi)插至擬合好的曲線之中，得到對(duì)應(yīng)的有效能量，根據(jù)同樣的方法，將實(shí)際測(cè)量得出的半值層代入，得到實(shí)際情況下的有效能量，并進(jìn)行結(jié)果比對(duì)，其對(duì)比結(jié)果列于表6。

表6 60～250 kV窄譜系列X射線 參考輻射質(zhì)有效能量對(duì)比Table 6 Comparison of effective energy of 60-250 kV narrow spectrum X-ray series reference radiation quality

4 小結(jié)

本次研究根據(jù)ISO 4037-1：2019標(biāo)準(zhǔn)，采用半值層法建立了60～250 kV窄譜X射線參考輻射質(zhì)，并采用HPGe譜儀對(duì)所建立的輻射質(zhì)進(jìn)行測(cè)量，得到各輻射質(zhì)下的脈沖幅度譜，其譜型和位置與ISO 4037-1：2019相較基本一致，并通過與標(biāo)準(zhǔn)推薦值比較譜分辨率、平均光子能量和有效能量3個(gè)物理量來對(duì)所建立的參考輻射質(zhì)進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證。結(jié)果表明，建立的60～250 kV窄譜系列X射線參考輻射質(zhì)均符合新版ISO 4037-1標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。本次實(shí)驗(yàn)為ISO 4037-1：2019標(biāo)準(zhǔn)的推行和實(shí)施奠定了基礎(chǔ)。

由于沒有進(jìn)行解譜工作，能譜分辨率和平均光子能量的值與實(shí)際值存在一定誤差。在下一步的工作中，計(jì)劃使用MC模擬軟件建立實(shí)測(cè)譜的響應(yīng)矩陣并利用UMG解譜程序開展解譜技術(shù)研究，以確定實(shí)際的光子能量注量譜。