抽真空法測(cè)量自由空氣電離室空氣衰減修正因子

李 論 吳金杰 葛 雙,3 陳法君 王培瑋 楊 揚(yáng) 賴(lài)萬(wàn)昌

抽真空法測(cè)量自由空氣電離室空氣衰減修正因子

李 論1,2吳金杰2葛 雙2,3陳法君1,2王培瑋2楊 揚(yáng)2賴(lài)萬(wàn)昌1

1（成都理工大學(xué) 成都 610059)
2（中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院 北京 100029）
3（南華大學(xué) 衡陽(yáng) 421001）

空氣衰減對(duì)自由空氣電離室是最大的修正項(xiàng)，對(duì)總的修正因子不確定度影響也大。本文采用鉬靶X射線(xiàn)、真空管測(cè)試系統(tǒng)和圓柱型自由空氣電離室測(cè)量電離電流，用EGSnrc (Electron Gamma Shower)程序模擬恒壓管對(duì)X射線(xiàn)束額外損失的影響；用抽真空法對(duì)圓柱型自由空氣電離室空氣衰減修正因子的測(cè)量，修正了實(shí)際測(cè)量中圓柱型自由空氣電離室限束光闌入射面到收集極這段距離的空氣衰減，得到準(zhǔn)確的電離電流測(cè)量值。結(jié)果表明：自由空氣電離室的電離電流與恒壓管的壓強(qiáng)成正比，恒壓管對(duì)于X射線(xiàn)束額外損失小于0.5%；在鉬靶X射線(xiàn)基準(zhǔn)的4個(gè)輻射質(zhì)條件下測(cè)得的圓柱型自由空氣電離室空氣衰減修正因子與德國(guó)物理技術(shù)研究院(The Physikalisch-Technische Bundesanstalt, PTB)的測(cè)量結(jié)果比較，呈現(xiàn)相同的變化趨勢(shì)，符合實(shí)驗(yàn)要求和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。圓柱型自由空氣電離室空氣衰減修正因子的實(shí)驗(yàn)測(cè)量對(duì)于鉬靶X射線(xiàn)空氣比釋動(dòng)能的絕對(duì)測(cè)量具有科學(xué)參考價(jià)值。

抽真空法，圓柱型自由空氣電離室，EGSnrc程序，恒壓管，空氣衰減，修正因子

世界各個(gè)國(guó)家基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室主要用平板型自由空氣電離室和圓柱型自由空氣電離室對(duì)空氣比釋動(dòng)能進(jìn)行絕對(duì)測(cè)量?？諝馑p是自由空氣電離室復(fù)現(xiàn)空氣比釋動(dòng)能中最大的一個(gè)影響因素。Attix用“全吸收法”測(cè)量自由空氣電離室空氣衰減因子[1]，國(guó)際計(jì)量局用改變空氣程的方法對(duì)空氣衰減因子進(jìn)行了測(cè)量[2]。抽真空法是其中一種測(cè)量自由空氣電離室空氣衰減修正因子的方法，對(duì)測(cè)量X射線(xiàn)管電壓在20kV以上時(shí)的空氣衰減因子有很好的實(shí)驗(yàn)效果。實(shí)驗(yàn)時(shí)，也特別注意了非空氣減弱因素的影響，例如X射線(xiàn)束的額外損失會(huì)加大空氣減弱，用EGSnrc (Electron Gamma Shower)程序模擬證明恒壓管對(duì)于X射線(xiàn)束的額外損失小于0.5%。恒壓管的長(zhǎng)度應(yīng)該幾倍于自由空氣電離室的空氣衰減長(zhǎng)度，所以設(shè)計(jì)恒壓管的長(zhǎng)度約兩倍于空氣衰減的長(zhǎng)度。該輻射源以鉬作為靶材料，焦點(diǎn)尺寸為3mm，發(fā)射角為40°×40°，固有過(guò)濾和附加過(guò)濾分別為1mm Be和2mm Al，能夠施加高壓到100kV，漏射線(xiàn)小于1 mSv·h?1。鉬靶X射線(xiàn)基準(zhǔn)的4個(gè)輻射質(zhì)分別為25kV，10mA、28kV，10mA、30kV，10mA、35kV，10mA。所使用的鉬靶X射線(xiàn)（光）機(jī)完全能夠達(dá)到要求，所有輻射質(zhì)均在20kV以上，不會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)效果產(chǎn)生影響。鉬靶X射線(xiàn)（光）機(jī)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 鉬靶X射線(xiàn)（光）機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Molybdenum target X-ray machine structure.

1 鉬靶X射線(xiàn)機(jī)

根據(jù)該實(shí)驗(yàn)的要求，采用RTW公司的MCD100H-3X型鉬靶X射線(xiàn)（光）機(jī)作為輻射源，

2 圓柱型自由空氣電離室

圓柱型自由空氣電離室通過(guò)改變整體長(zhǎng)度和差值法處理測(cè)量結(jié)果，可以消除電場(chǎng)畸變的影響。不必像平行板自由空氣電離室對(duì)電場(chǎng)均勻性、極板平行度以及收集極保持地電位等要求嚴(yán)格，空氣質(zhì)量測(cè)量也更準(zhǔn)確。但是收集電極在電離區(qū)間內(nèi)，可能造成電離信號(hào)損失。為降低電子離子對(duì)撞擊收集棒，需采取細(xì)棒設(shè)計(jì)，但收集極過(guò)細(xì)會(huì)產(chǎn)生氣體放大，使氣體工作區(qū)偏離電離飽和區(qū)。因此，只有少數(shù)國(guó)家采用圓柱型自由空氣電離室測(cè)量空氣比釋動(dòng)能。

根據(jù)國(guó)際上鉬靶X射線(xiàn)空氣比釋動(dòng)能基準(zhǔn)的研究狀況和測(cè)量不確定度水平，選用圓柱板型自由空氣電離室作為中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院(National Institute of Metrology, NIM)國(guó)家基準(zhǔn)電離室。圓柱型自由空氣電離室采用活塞對(duì)稱(chēng)運(yùn)動(dòng)形式，以保證收集區(qū)中心不變。根據(jù)物理要求，采用二層不同材料構(gòu)成，外層使用不銹鋼，內(nèi)層使用硬鋁，箱體采用圓柱形，電極采用圓柱形筒，材料為硬鋁，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理的情況下保證收集區(qū)中心與光闌后沿的距離盡量短，如圖2所示。圓柱型自由空氣電離室結(jié)構(gòu)參數(shù)為光闌直徑5mm，空氣衰減長(zhǎng)度153mm，收集極長(zhǎng)度160mm，極化電壓1 000V。

圖2 圓柱型自由空氣電離室結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic of diagram of cylindrical free-air ionization chamber structure.

3 真空管測(cè)試系統(tǒng)

真空管測(cè)試系統(tǒng)由抽氣箱體和恒壓管組成，如圖3所示。抽氣箱體是由架體、外殼及內(nèi)部部件組成。系統(tǒng)抽氣由一臺(tái)Divac 0.8T隔膜泵完成，恒壓管的壓力測(cè)量采用DU2000壓阻規(guī)進(jìn)行測(cè)量，壓力顯示采用Display one。為使腔室壓力穩(wěn)定在一定的壓強(qiáng)，在真空泵與腔室間加了一個(gè)波紋管截止閥V1和V2，V1為抽氣閥，V2為放氣閥，可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)對(duì)恒壓管的有效抽速。同時(shí)，利用進(jìn)氣的波紋管截止閥調(diào)節(jié)進(jìn)氣量的大小，使得真空腔室保持穩(wěn)定工作需要的壓力。恒壓管采用波紋管與抽氣箱體連接，由鈹窗、固定法蘭、固定板等組成。恒壓管的極限真空為0.3kPa，為滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)的要求，真空度可在極限真空到實(shí)際環(huán)境大氣壓之間的任意值可調(diào)，并保持在某一狀態(tài)≥2h。為盡可能減小鈹窗對(duì)X射線(xiàn)束的影響，采用0.8mm厚的鈹窗。恒壓管的結(jié)構(gòu)參數(shù)為長(zhǎng)度324mm，有效通徑22mm，質(zhì)量4kg。

圖3 真空管測(cè)試系統(tǒng)Fig.3 Sketch of vacuum test system.

4 EGSnrc 模擬程序

EGSnrc MC模擬程序[3]是一套模擬電子和光子在物質(zhì)中輸運(yùn)過(guò)程的MC模擬程序，是揭示電子和光子在物質(zhì)中輸送規(guī)律有力的和較為方便的理論分析及模擬工具，它主要包括BEAMnrc、BEAMDP和DOSXYZnrc等程序包。對(duì)于鉬靶X射線(xiàn)光機(jī)源模型的構(gòu)建采用BEAMnrc程序包進(jìn)行模擬計(jì)算，輸運(yùn)粒子的全部信息（能量、角度、方向等）將存放在相空間文件中；運(yùn)用BEAMDP程序包對(duì)相空間文件信息分析，得到粒子的譜分布、角分布、平均能量等信息[4]。PEGS4程序包可以生成構(gòu)建模型所用材料，得到密度和截面數(shù)據(jù)，極大地?cái)U(kuò)展了EGSnrc的應(yīng)用領(lǐng)域。

圖4中，X光機(jī)模型的構(gòu)建采用廠家給出的物理參數(shù)，真空管的幾何條件采用了設(shè)計(jì)時(shí)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，在真空管的前后兩端分別加上厚為0.8mm的鈹片各一片。常用的鉬靶X射線(xiàn)能量范圍是10-40keV，選用單能電子作為入射粒子，對(duì)鉬靶X射線(xiàn)的譜分布模擬計(jì)算。輸運(yùn)的光子和電子的截止能量PCUT和ECUT分別為0.01MeV和0.521MeV。方差縮減技術(shù)采用了UBS (Uniform bremsstrahlung splitting)，其中分裂數(shù)設(shè)為1000，程序中的邊界算法選用PRESTA-I，電子步進(jìn)算法選用PRESTA-II，其余的設(shè)置參數(shù)都選用程序默認(rèn)的缺省值。

連續(xù)X射線(xiàn)的譜分布是表征特定輻射質(zhì)最直接的方法[5]，光子平均能量則是ISO4037中用于描述連續(xù)X射線(xiàn)特性的物理量[6]。為研究真空管兩端鈹過(guò)濾對(duì)X射線(xiàn)束額外損失的影響，通過(guò)改變真空管的真空狀態(tài)和有、無(wú)鈹過(guò)濾的條件，分別對(duì)光子平均能量和光子譜分布進(jìn)行模擬計(jì)算。

圖4 鉬靶X射線(xiàn)光機(jī)模擬圖Fig.4 Simulated diagram of molybdenum target X-ray machine.

圖5 中，在管電壓為25kV時(shí)，由于鈹片和空氣自身對(duì)光子的吸收，各能量節(jié)點(diǎn)上的光子數(shù)均減少，特別是對(duì)低能部分的減少相對(duì)明顯，使得真空無(wú)鈹片條件下，譜分布中的光子注量最大，但是對(duì)鉬靶譜分布的總體趨勢(shì)影響較小。由表1，鈹片存在的情況下，光子平均能量均增加，這主要是因?yàn)殁敳牧献陨頃?huì)連續(xù)X射線(xiàn)的低能部分過(guò)濾，硬化X射線(xiàn)的作用；在25kV管電壓、空氣條件下，鈹過(guò)濾的對(duì)光子平均能量的影響為0.358 9%；在4組輻射質(zhì)規(guī)范、真空條件下，鈹過(guò)濾對(duì)光子平均能量的影響分別為0.3735%、0.3953%、0.3510%和0.4114%，均小于0.5%，模擬的相對(duì)誤差小于0.1%。因此，鈹過(guò)濾片的添加，X射線(xiàn)束質(zhì)的額外衰減影響是很小的，實(shí)驗(yàn)中可以忽略，這驗(yàn)證了真空管設(shè)計(jì)的合理性，也保證了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性。

圖5 鈹過(guò)濾對(duì)25kV鉬靶X射線(xiàn)譜分布的影響圖Fig.5 Distribution of the 25-kV molybdenum target X-ray spectra filted by Beryllium.

表1 鉬靶X射線(xiàn)4組輻射質(zhì)規(guī)范條件下鈹過(guò)濾對(duì)光子平能能量的影響關(guān)系Table 1 Molybdenum target X-ray four groups under the condition of radiation quality specification, beryllium filter of photonic flat to the influence of the energy.

5 實(shí)驗(yàn)方法及其結(jié)果

根據(jù)鉬靶X射線(xiàn)輻射質(zhì)規(guī)范的要求，X光機(jī)的焦斑到圓柱型自由空氣電離室限束光闌入射面距離為600mm，用已經(jīng)調(diào)好準(zhǔn)直的激光將圓柱型自由空氣電離室限束光闌口與X光機(jī)出光口放置在同一直線(xiàn)上。在X光機(jī)和圓柱型自由空氣電離室之間放置恒壓管，將恒壓管放置在可調(diào)高度的升降載物臺(tái)上，同樣用準(zhǔn)直的激光調(diào)節(jié)載物臺(tái)的高度，保證X射線(xiàn)焦斑、恒壓管和圓柱型自由空氣電離室限束光闌口在一條直線(xiàn)上。恒壓管盡量放置在靠近X射線(xiàn)光機(jī)出光口，使X射線(xiàn)完全通過(guò)恒壓管，再進(jìn)入圓柱型自由空氣電離室。打開(kāi)真空管測(cè)試系統(tǒng)的總電源開(kāi)關(guān)，抽氣箱體上顯示屏顯示當(dāng)前的大氣壓強(qiáng)值，單位為kPa，打開(kāi)抽氣閥V1，關(guān)閉放氣閥V2，對(duì)恒壓管抽氣，達(dá)到此系統(tǒng)的真空度極限值，此時(shí)顯示屏上顯示壓強(qiáng)值為0.3kPa，關(guān)閉抽氣閥，保持0.3kPa。在確認(rèn)安全的情況下打開(kāi)X光機(jī)，調(diào)節(jié)X光機(jī)，使其能量為25kV、10mA，再給圓柱型自由空氣電離室加上1 000V電壓，用6517B靜電計(jì)測(cè)量圓柱型自由空氣電離室的電離電流值。選取0.3?101kPa中間的20個(gè)點(diǎn)進(jìn)行上述測(cè)量，每個(gè)點(diǎn)間隔為5kPa，對(duì)鉬靶X射線(xiàn)輻射質(zhì)規(guī)范的4個(gè)輻射質(zhì)進(jìn)行測(cè)量，得出如圖6所示結(jié)果。圖6中隨壓強(qiáng)的增加，電離電流值增大，給自由空氣電離室所加為正高壓1 000V，電離室收集極收集到的電離電流是有矢量方向的，電離電流是由X射線(xiàn)與空氣相互作用產(chǎn)生的次級(jí)電子而得到。

圖6 輻射質(zhì)規(guī)范條件下壓強(qiáng)與電離電流的關(guān)系 (a) 25kV，10mA，(b) 28kV，10mA，(c) 30kV，10mA，(d) 35kV，10mAFig.6 Relationships between the pressure and the ionization current under radiation quality specifications. (a) 25kV, 10mA, (b) 28kV, 10mA, (c) 30kV, 10mA, (d) 35kV, 10mA

圓柱型自由空氣電離室的空氣衰減長(zhǎng)度為153mm，恒壓管的長(zhǎng)度為324mm，當(dāng)恒壓管抽氣到53.5kPa時(shí)，空氣衰減長(zhǎng)度內(nèi)的空氣質(zhì)量等效于恒壓管長(zhǎng)度內(nèi)的空氣質(zhì)量。在抽氣閥關(guān)閉的情況下打開(kāi)放氣閥，因?yàn)榉艢忾y特別靈敏，所以只能進(jìn)行微調(diào)，當(dāng)顯示屏上顯示53.5kPa時(shí)關(guān)閉放氣閥，同樣用6517B靜電計(jì)測(cè)出電離電流值，再將恒壓管抽氣到極限真空度(0.3kPa)時(shí)測(cè)量電離電流?？諝馑p修正因子ka由式(1)可得：

式中，I1是壓強(qiáng)為0.3kPa時(shí)的電離電流值；I2是壓強(qiáng)為53.5kPa時(shí)的電離電流值。由式(2)、(3)可得空氣衰減系數(shù)，結(jié)果如表2所示。

德國(guó)物理技術(shù)研究院(The Physikalisch-Technische Bundesanstalt, PTB)根據(jù)鉬靶X射線(xiàn)輻射質(zhì)規(guī)范的要求，利用其自己設(shè)計(jì)的自由空氣電離室實(shí)驗(yàn)得到空氣衰減修正因子[7]與本文的測(cè)量數(shù)據(jù)相比較，變化趨勢(shì)相同，如圖7所示。

表2 空氣衰減修正因子及空氣衰減系數(shù)Table 2 Air attenuation correction factor and attenuation coefficient.

圖7 德國(guó)物理技術(shù)研究院和中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果Fig.7 Experimental results comparison between PIB (Germany) and NIM (China).

6 結(jié)語(yǔ)

采用抽真空法對(duì)圓柱型自由空氣電離室空氣衰減修正因子進(jìn)行了研究，對(duì)恒壓管的非空氣衰減因素的影響進(jìn)行了蒙特卡羅方法的模擬，模擬結(jié)果表明恒壓管對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果不會(huì)造成影響。研究發(fā)現(xiàn)恒壓管中的壓強(qiáng)與圓柱型自由空氣電離室的電離電流成正比，理論上X射線(xiàn)與空氣相互作用會(huì)產(chǎn)生次級(jí)電子、散射光子和熒光光子，且空氣的密度與產(chǎn)生次級(jí)電子的能量成正比，所以結(jié)果與理論相符。在真空的情況下，是不需要進(jìn)行空氣衰減修正。在國(guó)際比對(duì)輻射質(zhì)規(guī)范條件下得到的數(shù)據(jù)可知，X射線(xiàn)能量與圓柱型自由空氣電離室空氣衰減修正因子成反比，能量越大，空氣衰減對(duì)實(shí)驗(yàn)造成的影響越小，空氣衰減修正值也就越小。

1 Wyckoff H O, Attix F H. Design of free-air ionization chambers[R]. National Bureau of Standards Handbook, 1957: 64

2 Burns D T, Buermann L. Free-air ionization chambers[J]. Metrologia, 2009, 46: S9-S23. DOI: 10.1088/0026-1394/ 46/2/S02

3 Kawrakow I, Rogers D W O. The EGSnrc code system: Monte Carlo simulation of electron and photon transport[R]. Canada, 2000

4 Rogers D W O, Walters B, Kawrakow I. BEAMnrc user’s manual [R]. NRCC Report PIRS 0509a, 2005: 1-15

5 段小娟, 吳金杰, 楊元第. EGSnrc程序模擬低能X射線(xiàn)光管參數(shù)對(duì)射線(xiàn)能譜的影響[J]. 計(jì)量學(xué)報(bào), 2011, 32(6A): 51-52. DOI: 10.3969/j.issn.1000-1158.2011. z1.14

DUAN Xiaojuan, WU Jinjie, YANG Yuandi. The affect of X-rays tube parameters simulated by EGSncrc on low-energy spectrum[J]. Acta Metrologica Sinica, 2011, 32(6A): 51-52. DOI: 10.3969/j.issn.1000-1158.2011. z1.14

6 ISO 4037-1, X and gamma reference radiation for calibrating dosemeters and doserate meters and for determining their response as a function of photon energy Part 1: radiation characteristics and production methods[S]. 1996

7 Kessler C, Burns D T, Büermann L. Key comparison BIPM.RI(I)-K7 of the air-kerma standards of the PTB, Germany and the BIPM in mammography X-rays[J]. Metrologia, 2011, 48(Suppl): 06011. DOI: 10.1088/0026-1394/48/1A/06011

Air attenuation correction factor of free-air lionization chamber by means of vacuum measurement

LI Lun1,2WU Jinjie2GE Shuang2,3CHEN Fajun1,2WANG Peiwei2YANG Yang2LAI Wanchang1
1(Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China)
2(National Institute of Metrology, Beijing 100029, China)
3(University of South China, Hengyang 421001, China)

Background:Air attenuation of free-air ionization chamber is one of the biggest correction terms and also has an influence on the total uncertainty of correction factor.Purpose:This study aims to measure the air attenuation correction factor for cylindrical free-air ionization chamber, and the correction of attenuation length between the diaphragm and the collecting region of cylindrical free-air ionization chamber in actual for the exact ionization current measurements.Methods:Molybdenum target X-ray vacuum tube test system and cylindrical free-air ionization chamber were used to measure the ionization current by means of vacuum. Electron Gamma Shower (EGSnrc) program was used to simulate constant pressure pipe for X-ray beam of the influence of additional losses.Results:The results showed that the ionization current of free-air ionization chamber was proportional to the pressure of the constant pressure pipe; and the extra loss of constant pressure pipe for X-ray beam was less than 0.5%; the design of the vacuum tube test system conformed to the requirements of experiment.Conclusion:For the air kerma absolute measurement of molybdenum target X-ray, the method of experimental measurement of air attenuation correction factor of cylindrical free air ionization chamber is of scientific reference value.

Vacuum method, Cylindrical free-air ionization chamber, EGSnrc program, Constant pressure pipe, Air attenuation, Correction factor

LI Lun, male, born in 1986, graduated from Chengdu University of Technology in 2010, master student, mainly engaged in X-ray measurement

WU Jinjie, E-mail: wujj@nim.ac.cn

TL99

10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.120503

質(zhì)檢公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)(No.201210003)、中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院基本科研業(yè)務(wù)類(lèi)(No.25-AKY1307)資助

李論，男，1986年出生，2010年畢業(yè)于成都理工大學(xué)，現(xiàn)為碩士研究生，主要從事X射線(xiàn)計(jì)量研究

吳金杰，E-mail: wujj@nim.ac.cn

Supported by Quality Inspection of Public Welfare Industry Research Projects (No.201210003), Basic Scientific Research Business Class of the Chinese Academy of Metrology (No.25-AKY1307)

2015-06-09，

2015-10-15

CLCTL99