防護水平X射線電離室的校準及不確定度分析

屈冰冰，吳金杰，魯平周，李夢宇，宋 飛，張德亮，馬英杰，趙 瑞

(1.成都理工大學(xué)核技術(shù)與自動化工程學(xué)院，四川成都610059；2.中國計量科學(xué)研究院，北京100029)

1 引 言

隨著核技術(shù)應(yīng)用的迅速發(fā)展，輻射防護的任務(wù)顯得尤為重要。據(jù)統(tǒng)計，我們國家的輻射防護儀表有數(shù)十萬臺，進行環(huán)境輻射監(jiān)測的衛(wèi)生防疫系統(tǒng)和環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)有近幾百個單位。輻射防護儀表為電離輻射的應(yīng)用提供了準確可靠的測量基礎(chǔ)，每年需要進行定期檢定[1,2]。國際標準化組織(ISO)頒布的國際標準ISO 4037-1作為輻射防護國際推薦文件是建立輻射防護輻射質(zhì)最重要的依據(jù)，該標準推薦了用于校準劑量儀和劑量率儀及確定其能響過濾的X射線參考輻射低空氣比釋動能率、窄譜、寬譜以及高空氣比釋動能率等4個系列。JJG 2043—2010 《(60～250)kV X射線空氣比釋動能計量器具》、JJG 393—2018《便攜式X、γ輻射周圍劑量當(dāng)量(率)儀和監(jiān)測儀》和GB/T 12162.1—2000《用于校準劑量儀和劑量率儀及確定其能量響應(yīng)的X和γ參考輻射 第1部分：輻射特性及產(chǎn)生方法》等相關(guān)技術(shù)規(guī)范明確規(guī)定：采用窄譜輻射質(zhì)(N系列)規(guī)范開展儀表的檢定和校準，其劑量的準確測量是開展輻射防護工作的關(guān)鍵[3～6]。

目前，國際上大部分國家計量實驗室均已建立X射線輻射防護國家標準裝置，并開展輻射防護儀表的量值傳遞工作。2013～2016年，由澳大利亞輻射防護和核安全機構(gòu)(Australian Radiation Protection and Nuclear Safety Agency,ARPANSA)主導(dǎo)，組織德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院(Physikalisch-Technische Bundesanstalt,PTB)、日本計量院(National Metrology Institute of Japan,NMIJ)等實驗室按照ISO 4037-1規(guī)定的窄譜系列輻射質(zhì)進行了X射線空氣比釋動能比對(APMP.RI(I)-S3)，各參比實驗室均已建立窄譜X射線輻射質(zhì)，并且直接或間接溯源至基準。根據(jù)比對結(jié)果，參比實驗室基準電離室空氣比釋動能率不確定度范圍為0.42%～0.52%，傳遞電離室校準因子不確定度范圍為0.48%～0.73%[7]。

我國已建立60～250 kV X射線空氣比釋動能國家基準裝置，并于2017年完成國際關(guān)鍵比對(BIPM.RI(I)-K3)，實現(xiàn)了國際等效與互認[8]，對于窄譜X射線的量值復(fù)現(xiàn)也有相關(guān)研究。根據(jù)ICRU 90號報告，對于X射線空氣比釋動能的絕對測量，其電離功的不確定度由原先的0.15%增加至0.35%，中國計量科學(xué)研究院對防護水平X射線輻射質(zhì)下空氣比釋動能的絕對測量進行了完善，重新評估了測量不確定度。

本文首先利用蒙特卡羅程序模擬能譜得到相應(yīng)的譜分辨率和平均能量，再與ISO 4037-1推薦值進行比較，并利用基準電離室完成窄譜輻射質(zhì)空氣比釋動能的量值復(fù)現(xiàn)；然后通過等效替代法完成防護水平電離室的校準；最后進行不確定度分析。本研究為輻射防護領(lǐng)域計量儀表的量值溯源提供了計量保證，促進了國內(nèi)X射線空氣比釋動能測量的技術(shù)交流與合作，為后續(xù)國內(nèi)輻射防護儀表的比對做了鋪墊。

2 實驗方法與原理

2.1 X射線輻射裝置

X射線標準輻射裝置主要由X射線光機、屏蔽箱、光闌(初級、次級)、快門、過濾盤、可移動導(dǎo)軌、控制軟件等組成，其示意圖如圖1所示。

圖1 輻射裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the irradiation device

該裝置所用的X射線光機為雙極性工業(yè)X光機，靶材料為鎢(W)。過濾盤主要是由附加過濾片、附加過濾控制盤、旋轉(zhuǎn)平臺及控制器組成。中能X射線空氣比釋動能基準電離室是平板型自由空氣電離室，由中國計量科學(xué)研究院(National Institute of Metrology，NIM)自主設(shè)計研發(fā)，是我國實現(xiàn)國際比對及國內(nèi)量值傳遞的重要設(shè)備，為各類傳遞電離室檢定及校準提供參考標準值，由光闌、高壓極、收集極、保護極和屏蔽外殼等組成[9～13]。

2.2 窄譜X射線參考輻射質(zhì)

對于60～250 kV窄譜X射線參考輻射質(zhì)來說，半值層用銅片厚度(mmCu)來表示。半值層包含第一半值層和第二半值層，第一半值層是使輻射束的空氣比釋動能率減小到其初始值的一半所需的吸收片的厚度，第二半值層是使輻射束的空氣比釋動能率從初始值的1/2減小到初始值的1/4所需的吸收片的厚度[14～16]。根據(jù)ISO 4037-1文件規(guī)定：如果兩個X射線束的第一半值層和第二半值層的偏差都在±5%以內(nèi)，則可認為兩個射線束本質(zhì)上具有相同的輻射質(zhì)。

X射線能譜是用來表征X射線輻射質(zhì)最直觀的參數(shù)。每一個X射線輻射質(zhì)都對應(yīng)唯一一個特定的X射線能譜，運用從能譜中讀取的數(shù)據(jù)可以通過計算得到表征該輻射質(zhì)的平均能量、半值層、能譜分辨率等物理量。目前對于X射線能譜測量通常采用蒙特卡羅程序模擬的方法，通過模擬驗證所建立的輻射質(zhì)，為X射線空氣比釋動能準確測量奠定基礎(chǔ)。

2.3 X射線量值復(fù)現(xiàn)原理

X射線與電離室空腔內(nèi)的空氣作用產(chǎn)生電子-離子對。在強電場下，電子和正離子分別向正極和負極漂移，從而被收集極收集形成電離電流。由于電離電流與X射線的空氣比釋動能成正比，測量該電離電流即可得到空氣比釋動能[17,18]。實際測量中，由于電離室結(jié)構(gòu)及物理機制帶來的修正項、溫度氣壓的修正以及極小部分初級電子能量會通過軔致輻射損失能量等原因，收集到的電離電流并不是按假設(shè)條件收集到的。因此，綜合以上對軔致輻射與修正因子的考慮，自由空氣電離室復(fù)現(xiàn)空氣比釋動能率的原理如式(1)：

(1)

∏ki=ka·ks·kd·kp·kpol·kdia·kh·ke·ksc

(2)

式中：ka為空氣衰減修正因子；ks為復(fù)合損失修正因子；kd為電場畸變修正因子；kp為前臂穿透修正因子；kpol為正負極性修正因子；kdia為光闌邊沿穿透修正因子；kh為空氣濕度修正因子；ke為電子損失修正因子；ksc為散射熒光修正因子。

2.4 替代法

通常輻射監(jiān)測儀器測量的量最終需要溯源至國家基準，對于輻射監(jiān)測儀器在X射線能量段的量值傳遞，通常采用替代法進行檢定和校準[19～21]。替代法的原理是首先利用基準電離室在距離X光機焦斑1m參考點處進行空氣比釋動能的量值復(fù)現(xiàn);然后將傳遞電離室放置于參考點處，保證測量條件完全一致，測量得到傳遞電離室的電離電流示值，通過計算得到傳遞電離室在該輻射質(zhì)下的校準因子。傳遞電離室PTW-32005和PTW-23361參數(shù)見表1。

表1 本文所用傳遞電離室參數(shù)Tab.1 Transfer ionization chamber parameters

由式(3)表示為：

(3)

對于較大體積的防護水平電離室，如PTW-32002，考慮到1 m處的均勻輻射野大小未能完全覆蓋其有效探測體積，需將傳遞電離室移至距離焦斑較遠位置處進行測量，但此時基準電離室測量電離電流較低，故采用逐級替代法完成較大體積電離室的校準。將傳遞電離室移動至距離X光機焦斑2.25 m的待測點處，保證除距離外其余測量條件與測得該校準因子時的測量條件完全一致，通過微電流測量系統(tǒng)測得此處的電離電流。待測點處的空氣比釋動能率可由式(4)表示為：

(4)

最后對PTW-32002(參數(shù)見表1)電離室進行校準測量。將其置于待測點處，保證測量條件與傳遞電離室得到該點處的空氣比釋動能時的測量條件完全一致，通過微電流測量系統(tǒng)測得此處的電離電流I2。則PTW-32002球形電離室的校準因子可由式(5)得到，即為：

(5)

3 測量結(jié)果與分析

3.1 窄譜系列X射線參考輻射質(zhì)的建立與能譜測量結(jié)果

根據(jù)ISO 4037-1，建立了7個窄譜系列X射線參考輻射質(zhì)，其中第一半值層1stHVL和第二半值層2ndHVL與ISO推薦值最大偏差均不超過4.2%，滿足標準要求，測量結(jié)果如表2所示。

表2 窄譜參考輻射質(zhì)特性Tab.2 Characteristics of narrow spectrum reference radiation quality

采用EGSnrc程序模擬X射線能譜，在粒子輸運過程中，所有電子和光子的信息都保存在相空間文件中，運用EGSnrc中的BEAMdp程序包解析相空間文件并獲得對應(yīng)的能譜分布數(shù)據(jù)，然后進行數(shù)據(jù)處理，得到每個輻射質(zhì)對應(yīng)的模擬能譜，如圖2所示。通過數(shù)據(jù)分析得到模擬能譜的平均能量和譜分辨率，使其與ISO 4037-1推薦值相比較，平均能量偏差在1.04%以內(nèi)，譜分辨率偏差在7.1%以內(nèi)，符合規(guī)范要求的平均能量在±3%以內(nèi)和分辨率在 ±10% 以內(nèi)，結(jié)果如表3所示。

3.2 基準電離室空氣比釋動能量值復(fù)現(xiàn)及其不確定度分析

表3 窄譜輻射質(zhì)的譜分辨率和平均能量的蒙卡模擬結(jié)果Tab.3 Results of Monte Carlo simulations of the resolution and average energy of narrow spectrum radiation quality

圖2 窄譜參考輻射質(zhì)X射線模擬能譜Fig.2 The X-Ray Simulation Spectrum of narrow spectrum reference radiation quality

3.3 傳遞電離室校準結(jié)果及其不確定度分析

傳遞電離室PTW-32005和PTW-23361的校準因子的不確定度分析如表6所示。其中PTW-32005的校準因子及其不確定度如圖3所示；PTW-23361的校準因子及其不確定度與加拿大國家研究委員會(National Research Council Canada，NRC)的校準(不確定度水平為0.8%)比較結(jié)果如表7所示，校準因子及其不確定度如圖4所示，其校準因子最大偏差為0.6%，在不確定度范圍內(nèi)符合較好。

PTW-32005和PTW-23361電離室在2.25 m處測得空氣比釋動能率的不確定度分析如表8所示；PTW-32002電離室校準因子的不確定分析如表9所示，其校準因子及其不確定度如圖5所示。

表4 基準電離室在距X光機1m處測得的空氣比釋動能率

表5 基準電離室測得空氣比釋動能率的相對不確定度Tab.5 Relative uncertainty of air-kerma rate measured with primary standard ionization chamber (%)

表6 PTW-32005和PTW-23361的校準因子的相對不確定度Tab.6 Relative uncertainty of calibration coefficient for PTW-32005 and PTW-23361 (%)

圖3 PTW-32005的歸一化校準因子比較結(jié)果Fig.3 Comparison results of normalized calibration coefficient of PTW-32005

圖5 PTW-32002的歸一化校準因子比較結(jié)果Fig.5 Comparison results of normalized calibration coefficient of PTW-32002

4 結(jié) 論

本文依托60～250 kV X射線空氣比釋動能國家基準裝置，利用EGSnrc蒙特卡羅程序模擬窄譜系列參考輻射質(zhì)下的X射線能譜，數(shù)據(jù)分析得到模擬能譜的平均能量和譜分辨率與ISO 4037-1推薦值比較，平均能量偏差均在1.04%以內(nèi)，譜分辨率偏差均在7.1%以內(nèi)，滿足要求。

在窄譜條件下利用基準電離室完成了空氣比釋動能量值復(fù)現(xiàn)，空氣比釋動能測量結(jié)果相對標準不確定度為0.45%；通過替代法完成PTW-32005和PTW-23361兩個傳遞電離室的校準，校準因子的相對標準不確定度均為0.82%，最后利用PTW-32005和PTW-23361兩個傳遞電離室完成PTW-32002電離室的校準，校準因子相對擴展不確定度為2.2%(k=2)。本研究為后續(xù)國內(nèi)的輻射防護儀表的檢定和校準提供了有力參考。