不同能量放射性核素在井型電離室中軸向響應的實驗

/ 上海市計量測試技術研究院

0 引言

放射性活度計常用于放射性溶液的放射性活度的測定，尤其是對短壽命放射性核素的放射性活度的刻度，是核醫(yī)學診療必不可少的工具，并且在環(huán)境輻射監(jiān)測及工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)用放射性同位素的刻度與快速測定等方面應用廣泛[1]。放射性活度計通常都是由填充高壓氣體的井型電離室和靜電計組成，放射性核素溶液源放置于井底，其γ射線與氣體相互作用產(chǎn)生電離電流，靜電計以補償法準確測量電離電流，經(jīng)刻度后轉化為放射性活度顯示。

為了保證放射性診療使用的藥物的放射性活度的準確性，必須使用標準溶液源（直接校準法）或標準放射性活度計（比較測量法）對同位素生產(chǎn)廠商以及醫(yī)療機構使用的放射性活度計進行定期檢定或校準[2]。而放射性活度計測量數(shù)據(jù)的準確性往往依賴于測量條件[3]，例如源的幾何形狀、材料、均勻性、注射器/樣品瓶的壁厚、溶液體積以及其在井型電離室內的位置。任何一個或幾個特征的微小變化均可能導致放射性活度的測量值發(fā)生改變。放射性溶液源在4πγ井型電離室內測量時，溶液量、液面高度均會引起溶液樣品所處軸向位置的相對改變[4]，因此，本研究的目的是為了驗證井型電離室中放射性溶液源的放射性核素能量不同對井型電離室軸向響應的影響。

2 實驗

2.1 實驗設備

實驗使用的放射性活度計：美國CAPINTEC公司生產(chǎn)的CRC-25R型放射性活度計，儀器序列號：252798；分度誤差小于±1mm的鋼尺；封裝于1mL安瓿瓶的放射性核素溶液源：125I、131I、18F、137Cs。實驗室配備恒溫恒濕放射性活度計的操作箱體，對環(huán)境溫濕度加以控制，保證環(huán)境對實驗結果的影響可忽略。

2.2 實驗方法

井型電離室配備用于放置注射器和樣品瓶的源托支架，其對γ射線衰減和散射效應的影響極小，可以忽略，源托支架可使放射源靠近井型電離室底部盡可能地保證4πγ測量角。CRC-25R型號放射性活度計的井型電離室深25.4cm，實驗以源托支架所處的常規(guī)位置（井底）放射性核素溶液源的放射性活度計示值為參考示值，將放射性核素溶液源由井型電離室內的常規(guī)測量位置，沿著電離室中心軸，以2cm的間隔向上移動。每個位置處連續(xù)重復讀取10次放射性活度計示值，取平均值作為該位置的測量值，從0cm到16cm每種核素分別測量9組數(shù)據(jù)。

圖1 井型電離室的結構

3 結果與分析

3.1 實驗結果

分別將封裝有125I、131I、18F、137Cs放射性核素標準溶液的安瓿瓶置于CRC-25R型號放射性活度計的源托支架的徑向中心位置，由井型電離室底部出發(fā)，通過源托支架向上移動改變密封溶液源在井型電離室中的軸向位置，將每個位置的放射性活度計示值與井型電離室底部測得的參考示值之比作為放射性活度計示值的相對響應，得到的實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 放射性核素溶液源在軸向位置與在井底參考位置的放射性活度計示值的相對響應

為了更加直觀地對比四種不同能量的放射性核素在軸向位置的變化對放射性活度計測量結果的影響，將四種放射性核素溶液源在各軸向位置放射性活度計示值的相對響應變化情況標示于圖2。圖2中放射性核素的能量是指各放射性核素放出的特征γ射線的能量。

圖2 不同能量的放射性核素軸向位置的變化對放射性活度計示值的影響

由圖2可知，隨著放射源在井型電離室中軸向位置的變化，放射性活度計顯示的測量值會出現(xiàn)一個極大值靈敏區(qū)域，隨后開始大幅減少，這與李小雙的文獻[5]中測量137Cs所獲數(shù)據(jù)的大致趨勢相同。但隨著放射性核素能量的下降，出現(xiàn)放射性活度計示數(shù)極大值的位置會沿井型電離室的軸向上移，達到極大值之后隨著放射源沿井型電離室軸向位置繼續(xù)上移，γ射線能量較高的放射性核素的放射性活度計示值減少的幅度比γ射線能量較低的放射性核素更為明顯。表2中列出了四種放射性核素溶液源沿井型電離室軸向不同位置與在井底參考位置的放射性活度計參考示值的相對偏差。

表2 四種放射性核素在不同軸向位置的放射性活度計示值與在井底參考位置的放射性活度計參考示值的相對偏差

γ射線能量較高的18F和137Cs放射性核素，放射性活度計的響應隨軸向位置的上移持續(xù)降低，放射性活度計示值的最大相對偏差均在距井底參考位置16cm處。當放射性核素溶液源接近井型電離室的井口時，放射性活度計示值出現(xiàn)驟降。其原因在于放射源被置于電離室井底時，對電離室靈敏體積所張立體角接近4π，當放射源由井底沿軸向位置逐漸上移時，井口對放射源所張立體角逐漸增大，放射源放出的γ射線進入電離室靈敏體積的概率逐漸下降。因此，放射性活度計示值相對井底參考位置的最大偏差往往出現(xiàn)在井口位置；并且γ射線能量越高，其射程越長，越接近電離室井口位置對電離室靈敏體積所張立體角越小，因此，γ射線能量較高的放射性核素沿軸向位置上移，其放射性活度計示值減少的幅度比γ射線能量較低的放射性核素更為明顯。

對于γ射線能量較低的125I放射性核素，其最大放射性活度計示值的最大相對偏差為8.0%，出現(xiàn)在井室軸向位置底部向上約8cm處，是放射性活度計示值極大值的軸向位置，125I放射性核素接近井口處位置時放射性活度計示值與井底參考位置的相對偏差僅-2.9%。這是因為125I放射性核素源γ射線能量很低、射程短，部分γ光子因自吸收效應等原因沒有到達電離室靈敏體積，使得放射性活度計實際測得的電離電流較小，因此，立體角的變化對125I放射性核素活度響應的影響并沒有高能放射性核素明顯。所以在測量能量較低的放射性核素如125I時，不僅需要考慮溶液量、液面高度引起溶液樣品在井型電離室軸向響應變化，還要考慮溶液自吸收的影響。

131I放射性核素γ射線能量低于18F和137Cs放射性核素，高于125I放射性核素，其軸向響應變化介于它們之間，在井型電離室底部向上約10cm范圍內放射性活度響應的變化較小，不超過±2%。當放射性核素溶液源接近井型電離室的井口時，放射性活度計示值也出現(xiàn)較大幅度的下降。

4 結語

利用CRC-25R型放射性活度計，通過實驗測量四種放射性核素標準溶液源得到了各軸向位置的放射性活度計示值與井型電離室底部的參考示值之比的變化規(guī)律，分析軸向響應對不同能量放射性核素的放射性活度測量的影響。實驗結果表明，放射性活度計的示值與井型電離室軸向位置有一定的依賴關系，不同能量放射性核素溶液在井型電離室軸向響應也有明顯差異，γ射線能量越高，放射性核素的放射性活度示值極大值的軸向位置越接近井底參考位置；對于γ射線能量較低的125I放射性核素，放射性活度示值極大值的軸向位置接近于井型電離室中部，其示值極大值與參考示值的相對偏差達到了8%，而接近井口處位置時放射性活度計示值與井底參考位置的相對偏差僅-2.9%。綜上所述，在放射性活度測量過程中，井型電離室內樣品測量位置需要與放射性活度計刻度或標定的位置保持一致，否則會帶來不必要的誤差。針對能量較低放射性核素，放射性活度計操作人員有必要確定其在井型電離室內的最佳測量位置以及放射性核素溶液體積等，保障放射性活度測量量值的準確可靠。