X射線劑量當(dāng)量儀校準(zhǔn)因子不確定度評估

呂雅竹，趙 瑞，李德紅，沙比哈·吐爾遜，郭 彬

(1. 中國計量科學(xué)研究院，北京 100029;2.新疆維吾爾自治區(qū)計量測試研究院，新疆 烏魯木齊 830011)

1 引 言

隨著X射線裝置的使用日益廣泛，有關(guān)X射線防護(hù)相關(guān)的劑量監(jiān)測受到普遍重視，這不僅關(guān)系到相關(guān)職業(yè)人員的健康，而且是X射線安全利用的重要支持。因此，用于X射線防護(hù)劑量監(jiān)測的劑量當(dāng)量儀表的準(zhǔn)確量值傳遞顯得尤為重要[1]。

根據(jù)X射線劑量當(dāng)量監(jiān)測用防護(hù)儀表的校準(zhǔn)需求，該類儀表校準(zhǔn)因子的準(zhǔn)確測量和不確定度分析作為量傳過程中最為重要的環(huán)節(jié)，受到各級計量標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室的重視。本文以較為常用的能量范圍(60～250 keV)的X射線劑量當(dāng)量儀表校準(zhǔn)為例，對其校準(zhǔn)因子進(jìn)行不確定度分析。

2 材料和方法

使用溯源至X射線空氣比釋動能國家基準(zhǔn)的劑量標(biāo)準(zhǔn)電離室在參考輻射場中進(jìn)行測量，得到測量點(diǎn)位置處的空氣比釋動能率。以該測量點(diǎn)作為參考點(diǎn)，采用替代法，將待校準(zhǔn)的X射線劑量當(dāng)量儀置于該參考點(diǎn)，使得待校儀表等效中心與參考點(diǎn)位置重合，并進(jìn)行校準(zhǔn)操作。因此，針對X射線劑量當(dāng)量儀的校準(zhǔn)需要使用一系列的裝置[2]。

2.1 標(biāo)準(zhǔn)裝置

完整的X射線空氣比釋動能劑量標(biāo)準(zhǔn)裝置由X射線輻射場、標(biāo)準(zhǔn)器(電離室及劑量儀)、溫濕度計、氣壓計和定位裝置等設(shè)備組成。

1)X射線輻射場

由X射線光機(jī)、過濾系統(tǒng)、光闌和監(jiān)督電離室等組成，可以提供一定范圍的空氣比釋動能率。作為標(biāo)準(zhǔn)參考輻射場，其半值層、同質(zhì)系數(shù)、平方反比定律的偏離、散射線劑量份額等指標(biāo)參數(shù)須符合GB/T 12162.1—2000等標(biāo)準(zhǔn)要求[3]。

2)標(biāo)準(zhǔn)電離室及劑量儀

用來對標(biāo)準(zhǔn)參考輻射場的空氣比釋動能率進(jìn)行定值，標(biāo)準(zhǔn)電離室置于參考輻射場中，通過劑量儀測量電離電流，從而得到空氣比釋動能率，其穩(wěn)定性、重復(fù)性等參數(shù)需滿足標(biāo)準(zhǔn)裝置的要求。

3) 溫度計、氣壓計和濕度計

用于對標(biāo)準(zhǔn)參考輻射場進(jìn)行定值過程中環(huán)境溫度和氣壓的監(jiān)測，以便進(jìn)行溫度和氣壓修正。

4)定位裝置

用于對標(biāo)準(zhǔn)參考輻射場的空氣比釋動能率進(jìn)行定值和劑量當(dāng)量儀表校準(zhǔn)過程中，放置標(biāo)準(zhǔn)電離室和劑量當(dāng)量儀表。

2.2 測量原理

采用標(biāo)準(zhǔn)電離室測量輻射場空氣比釋動能率，并歸一到標(biāo)準(zhǔn)條件(20 ℃，101.325 kPa)下的表達(dá)式為[4]：

(1)

(2)

校準(zhǔn)過程中輻射野須能覆蓋標(biāo)準(zhǔn)電離室和待校劑量當(dāng)量儀表，校準(zhǔn)因子為：

(3)

2.3 校準(zhǔn)過程

基于JCGM和國際原子能機(jī)構(gòu)不確定度指南的建議[5,6]，X射線空氣比釋動能校準(zhǔn)所有不確定來源需要確認(rèn)并采用A類或B類不確定度方法評定[7,8]。采用替代法對防護(hù)劑量監(jiān)測用的X射線劑量當(dāng)量儀進(jìn)行量值傳遞?？傮w來看，校準(zhǔn)因子的不確定度評定可按照校準(zhǔn)過程的兩個步驟進(jìn)行。

第一步：用標(biāo)準(zhǔn)電離室測量X射線束的空氣比釋動能率相關(guān)的不確定度，包括測量儀器穩(wěn)定性導(dǎo)致的不確定度。根據(jù)GB/T 12162.1—2000，將溯源至X射線空氣比釋動能基準(zhǔn)裝置的標(biāo)準(zhǔn)電離室置于X射線參考輻射場距焦點(diǎn)1～2 m范圍內(nèi)的某一位置，X射線焦點(diǎn)與電離室中心同軸。給電離室施加工作電壓，待電離室內(nèi)外溫度達(dá)到平衡之后，在持續(xù)輻照條件下多次測量，同時記錄溫度計和氣壓計讀數(shù)，利用式(1)和式(2)計算可得到該位置處劑量當(dāng)量率。圖1為X射線束校準(zhǔn)裝置示意圖。

圖1 X射線束校準(zhǔn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of set-up for calibration in X-ray beams

第二步：將待校準(zhǔn)的劑量當(dāng)量儀表(用戶儀器)替代標(biāo)準(zhǔn)電離室，待校儀表的等效中心與電離室中心重合，待儀表穩(wěn)定之后，記錄在該位置處劑量當(dāng)量儀表的顯示值，利用式(3)計算可得到該劑量當(dāng)量儀表的校準(zhǔn)因子。

3 結(jié)果分析

對校準(zhǔn)因子的不確定度分析，首先需要確定對校準(zhǔn)結(jié)果有影響的不確定度來源，每個影響的來源可作為一個不確定度分量，分析并定量評定各不確定度分量。標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量評定可采用A類或B類評定方法[9]。

3.1 第一步操作

校準(zhǔn)過程的第一步操作是通過標(biāo)準(zhǔn)電離室測量和轉(zhuǎn)換計算得到參考點(diǎn)位置處的劑量當(dāng)量率。不確定度來源包括：

1)標(biāo)準(zhǔn)電離室刻度因子引入的不確定度分量

根據(jù)溯源至X射線空氣比釋動能基準(zhǔn)的證書可得標(biāo)準(zhǔn)電離室校準(zhǔn)因子的相對擴(kuò)展不確定度，該不確定度采用B類評定方法。

2)輻射場與上級輻射場的差異

由于標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室與上級標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室輻射質(zhì)可能存在差異，標(biāo)準(zhǔn)電離室對于不同輻射質(zhì)的能量響應(yīng)差異的不確定度，即由于標(biāo)準(zhǔn)電離室能量響應(yīng)導(dǎo)致的不確定度，通過電離室證書可以得到，采用B類評定方法評定。

3)標(biāo)準(zhǔn)電離室的長期穩(wěn)定性

根據(jù)至少兩次溯源至X射線空氣比釋動能基準(zhǔn)的校準(zhǔn)因子的相對變化得到長期穩(wěn)定性導(dǎo)致的不確定度，通過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

標(biāo)準(zhǔn)電離室測量過程中，還需要根據(jù)溫度和氣壓進(jìn)行氣體密度修正，溫度氣壓修正值的不確定度，應(yīng)包括測量結(jié)果的統(tǒng)計標(biāo)準(zhǔn)偏差(A類)和溫度氣壓儀表本身溯源的不確定度(B類)。

5)監(jiān)督電離室的穩(wěn)定性

X射線參考輻射場中，使用監(jiān)督電離室實(shí)時監(jiān)控出射X射線的變化，涉及到監(jiān)測電離室電離電流測量結(jié)果的統(tǒng)計標(biāo)準(zhǔn)偏差，采用A類不確定評定方法。

6)標(biāo)準(zhǔn)電離室測量結(jié)果的統(tǒng)計標(biāo)準(zhǔn)偏差

輻射場參考值確定過程中，需要使用標(biāo)準(zhǔn)電離室多次測量取平均值得到，多次測量結(jié)果的統(tǒng)計標(biāo)準(zhǔn)偏差導(dǎo)致的不確定度采用A類不確定評定方法。

7)劑量當(dāng)量轉(zhuǎn)換因子不確定度

劑量當(dāng)量率須由空氣比釋動能率乘以轉(zhuǎn)換因子而得到；因此，校準(zhǔn)點(diǎn)位置處劑量當(dāng)量率的不確定度的來源還應(yīng)包含劑量當(dāng)量轉(zhuǎn)換因子不確定度?？赏ㄟ^相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)報告查詢得到，采用B類不確定度評定方法分析轉(zhuǎn)換因子的不確定度貢獻(xiàn)[10]。

3.2 第二步操作

校準(zhǔn)過程的第二步是將待校準(zhǔn)的劑量當(dāng)量儀表替代標(biāo)準(zhǔn)電離室，待儀表穩(wěn)定之后開始測量，通過該位置處的劑量當(dāng)量參考值和儀表讀數(shù)之比，可得到校準(zhǔn)因子。其不確定度來源包括：

1)待校儀表的讀數(shù)統(tǒng)計標(biāo)準(zhǔn)偏差

多次重復(fù)測量過程中，統(tǒng)計標(biāo)準(zhǔn)偏差導(dǎo)致的不確定度，采用A類不確定度評定方法分析。

2)待校儀表位置與參考點(diǎn)位置差異導(dǎo)致的不確定度

實(shí)際放置校準(zhǔn)儀表的過程中，校準(zhǔn)儀表的探測中心可能會與標(biāo)準(zhǔn)電離室探測等效中心并不完全重合，此位置差異會導(dǎo)致的不確定度的產(chǎn)生。標(biāo)準(zhǔn)電離室和待校準(zhǔn)儀表的放置過程中，使用量桿測量；因此待校儀表位置導(dǎo)致的不確定度可認(rèn)為來自于量桿本身，該不確定度可通過量桿的溯源證書得到，采用B類評定方法。

3)輻射場不均勻?qū)е碌牟淮_定度

待校儀表和標(biāo)準(zhǔn)電離室的測量顯示值是覆蓋輻射場體積的均值體現(xiàn)，實(shí)際上兩者的幾何尺寸存在差異；因此，輻射場不均勻?qū)е碌牟淮_定度也是不確定度的來源之一。不均勻性是參考輻射場本身的性質(zhì)，通過建標(biāo)報告可以得到，采用B類評定方法確定。

4)監(jiān)督電離室的穩(wěn)定性

X射線參考輻射場中，使用監(jiān)督電離室實(shí)時監(jiān)控出射X射線的變化，由監(jiān)測結(jié)果的統(tǒng)計標(biāo)準(zhǔn)偏差來表征，采用A類不確定評定方法。

5)溫度氣壓測量不確定度

待校儀表在輻射場的測量過程中，需要進(jìn)行溫度和氣壓修正，該不確定度也是校準(zhǔn)因子不確定度的來源之一。由測量結(jié)果的統(tǒng)計標(biāo)準(zhǔn)偏差(A類)和溫度氣壓表本身溯源的不確定度(B類)兩部分組成。

下面將給出修正到標(biāo)準(zhǔn)條件(20 ℃，101.325 kPa)下溫度氣壓修正因子的不確定度評定過程[11～15]。溫度氣壓修正因子可寫為：

(4)

式中：

p=pm+δp
t=tm+δt

(5)

式中：p和t分別為測量過程中環(huán)境氣壓和溫度的“真實(shí)值”；pm和tm分別為氣壓計和溫度計的顯示值； δp和δt分別為氣壓計和溫度計的測量誤差。

因此，Ktp可表示為：

(6)

(7)

根據(jù)式(6)和式(7)可以得到：

(8)

因此，溫度氣壓的修正因子的不確定度可寫為：

(9)

溯源證書上得到溫度計和氣壓計的不確定度分別為0.08%和0.05%。由溯源證書可得到溫度氣壓修正因子的B類不確定度評定結(jié)果為0.08%。

3.3 校準(zhǔn)因子不確定度評定結(jié)果

X射線劑量當(dāng)量儀校準(zhǔn)因子不確定度各分量的評定結(jié)果見表1。

表1 X射線劑量當(dāng)量儀校準(zhǔn)因子的不確定評價Tab.1 Uncertainty evaluation of calibration factor for X-ray dose equivalent instrument (%)

4 結(jié) 語

經(jīng)過對X射線劑量當(dāng)量儀校準(zhǔn)因子的不確定分析和評定，得出該儀表的校準(zhǔn)因子擴(kuò)展不確定度為5.0%。通過不確定度分量評定過程可以看出：標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室的參考輻射場校準(zhǔn)點(diǎn)處的劑量當(dāng)量率的不確定度影響較大，其中標(biāo)準(zhǔn)電離室本身的刻度因子和能量響應(yīng)，以及劑量當(dāng)量轉(zhuǎn)換因子的不確定度的貢獻(xiàn)較大。此外，待檢儀表測量結(jié)果的統(tǒng)計標(biāo)準(zhǔn)偏差，輻射場均勻性的不確定度的貢獻(xiàn)也占有重要部分。在對該類儀表進(jìn)行校準(zhǔn)或者量值傳遞時，通過提高輻射場參考值的不確定度水平可以顯著改善待校儀表校準(zhǔn)因子的不確定度。