250～600 kV X射線空氣比釋動(dòng)能量值復(fù)現(xiàn)方法研究

趙 瑞，吳金杰，王二彥,2，文玉琴,2

(1.中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院，北京 100029；2.成都理工大學(xué)，四川 成都 610059)

核技術(shù)廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)診斷、放射治療、工業(yè)無(wú)損檢測(cè)、核能發(fā)電、輻照加工、材料分析和科學(xué)研究等領(lǐng)域[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，美國(guó)和日本的國(guó)民經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值(GDP)中核技術(shù)的貢獻(xiàn)約占3%～4%，美國(guó)核技術(shù)產(chǎn)生的年產(chǎn)值約為3 500億美元，其中非核能部分約占80%。我國(guó)核技術(shù)產(chǎn)生的年產(chǎn)值約為1 000億人民幣，僅占GDP的0.2%，中國(guó)核技術(shù)應(yīng)用有著很大的市場(chǎng)和很好的發(fā)展前景[2]。在核技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中，輻射防護(hù)和環(huán)境監(jiān)測(cè)等問(wèn)題越來(lái)越受到重視，對(duì)于該類(lèi)探測(cè)器的性能評(píng)價(jià)，目前應(yīng)用最多的是能量處于60～250 kV(48～208 keV)范圍的X射線及137Cs(662 keV)能量段的γ射線。對(duì)于處在208～662 keV能量范圍之間的探測(cè)器，目前都無(wú)法進(jìn)行性能評(píng)價(jià)及準(zhǔn)確的量值溯源。為了保證量值統(tǒng)一，確保量值準(zhǔn)確可靠，需建立相應(yīng)的參考輻射裝置和測(cè)量能力。

國(guó)內(nèi)外已建立的X射線空氣比釋動(dòng)能基準(zhǔn)中均使用平板自由空氣電離室復(fù)現(xiàn)空氣比釋動(dòng)能[3]，主要是因?yàn)槠桨遄杂煽諝怆婋x室在中低能段有著較好的測(cè)量穩(wěn)定性。初級(jí)電子在空氣中的徑跡長(zhǎng)度隨X射線能量的升高而加長(zhǎng)，因此隨X射線能量的升高電子損失修正因子越大，精準(zhǔn)測(cè)量X射線空氣比釋動(dòng)能所需電離室的體積也越大。德國(guó)物理技術(shù)研究院(PTB)利用長(zhǎng)為120 cm、重約103kg的平板自由空氣電離室復(fù)現(xiàn)400 kV X射線空氣比釋動(dòng)能。X射線能量越高，其穿透能力也越強(qiáng)，故需更厚的鉛屏蔽[4-5]。因此對(duì)400 kV及以上能量的X射線空氣比釋動(dòng)能的復(fù)現(xiàn)將需要比PTB體積更大、屏蔽層更厚的自由空氣電離室，如此大的電離室在制作與保存上均存在困難。而對(duì)于高能段的γ射線，國(guó)際上則采用石墨空腔電離室復(fù)現(xiàn)空氣比釋動(dòng)能[6-8]，如137Cs、60Co γ射線。石墨空腔電離室對(duì)較高能量的射線有較好的能量響應(yīng)、精度及穩(wěn)定性。本文將根據(jù)X射線能量不同，研究建立250～600 kV X射線參考輻射質(zhì)，根據(jù)空腔電離理論，研制用于測(cè)量中、高能段X射線的石墨空腔電離室，實(shí)驗(yàn)測(cè)量和模擬相應(yīng)的修正因子，最終復(fù)現(xiàn)X射線空氣比釋動(dòng)能。在X射線管電壓為300 kV條件下研究利用自由空氣電離室復(fù)現(xiàn)空氣比釋動(dòng)能，將兩種電離室復(fù)現(xiàn)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，相互驗(yàn)證結(jié)果的可靠性及方法的可行性。

1 原理與方法

1.1 空腔電離理論

空腔電離理論是輻射劑量學(xué)中劑量計(jì)測(cè)量領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的理論[9-10]。通過(guò)空腔電離理論，利用空腔中的電離量來(lái)測(cè)量介質(zhì)單位質(zhì)量吸收的輻射能量。Bragg-gray原理基于空腔尺寸小于電子射程的假設(shè)：1) 空腔的存在不會(huì)改變初始光子通量密度在介質(zhì)中產(chǎn)生的次級(jí)電子譜；2) 空腔中產(chǎn)生的二次電子可忽略不計(jì)；3) 在次級(jí)電子可進(jìn)入空腔的范圍內(nèi)，初始光子注量是空間均勻的，意味著次級(jí)電子注量是均勻的。則Bragg-gray原理理論表達(dá)式為：

(1)

1.2 空氣比釋動(dòng)能量值復(fù)現(xiàn)

運(yùn)用Brag-gray理論，利用石墨空腔電離室測(cè)量X射線空氣比釋動(dòng)能，還需要引入相應(yīng)的修正因子，最終X射線空氣比釋動(dòng)能Kair復(fù)現(xiàn)的原理[11]為：

∏kankrnkskstkwallkh

(2)

而利用自由空氣電離室復(fù)現(xiàn)空氣比釋動(dòng)能原理的公式為：

(3)

式中：ρ0為溫度為273.15 K、壓強(qiáng)為101.32 kPa條件下的空氣密度；V為測(cè)量體積；ka為空氣衰減修正因子；ke為電子損失修正因子；ksc為散射修正因子；kd為電場(chǎng)畸變修正因子；kp為前壁穿透修正因子；kl為極性修正因子。

2 實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)測(cè)量

2.1 X射線輻射裝置

X射線輻射裝置包括X射線光機(jī)系統(tǒng)、支撐平臺(tái)、屏蔽箱及限束光闌、濾過(guò)裝置和自由空氣電離室及石墨空腔電離室等[12]。X射線光機(jī)系統(tǒng)主要組成部分為X射線光管、油冷卻系統(tǒng)、高壓發(fā)生器及控制系統(tǒng)等。中高能X射線光機(jī)型號(hào)為YXLON MG602，光管型號(hào)為MXR-601HP/11，光管的管電壓上限達(dá)到600 kV，是一種具有雙極性的光管，它主要由雙焦斑、陽(yáng)極鎢靶及定向出束口組成，焦點(diǎn)尺寸有0.5 mm和1.5 mm兩種，靶角為11°。

2.2 X射線參考輻射質(zhì)

X射線管出射的X射線束是連續(xù)分布的，描述X射線輻射質(zhì)最好的方法是研究X射線能譜，但通常情況下用半值層(HVL)來(lái)表示X射線的貫穿能力。當(dāng)單能窄束X射線穿過(guò)某一物質(zhì)時(shí)，X射線空氣比釋動(dòng)能率的變化滿足指數(shù)衰減規(guī)律，為：

I/I0=e-μd

(4)

式中：I0、I分別為X射線入射前、后對(duì)應(yīng)的空氣比釋動(dòng)能率；μ為質(zhì)量衰減系數(shù)；d為X射線強(qiáng)度變?yōu)镮時(shí)入射的深度。

由式(4)可得出入射X射線的空氣比釋動(dòng)能率被吸收的程度。對(duì)于同一種吸收物質(zhì)來(lái)說(shuō)，μ是確定的，改變吸收體的厚度，穿過(guò)吸收體的X射線占初始空氣比釋動(dòng)能率的份額不同。當(dāng)入射X射線的空氣比釋動(dòng)能率減少到初始值的一半時(shí)得到的吸收體的厚度即為半值層HVL，即：

HVL=ln 2/μ

(5)

半值層測(cè)量示意圖如圖1所示，半值層測(cè)量時(shí)將吸收片放在X射線焦斑與電離室近似中間的位置，因此吸收片置于距X射線光焦斑60 cm處的位置，測(cè)量點(diǎn)與光焦斑之間的距離為120 cm，采用激光定位儀及量桿進(jìn)行定位和距離的測(cè)定，吸收片采用純度好于99.9%的銅片。

圖1 半值層測(cè)量示意圖Fig.1 Schematic of HVL measurement

ISO 4037-1中僅給出了管電壓為250 kV和300 kV時(shí)對(duì)應(yīng)的附加過(guò)濾片的材料及厚度，對(duì)于管電壓大于300 kV所使用的附加過(guò)濾厚度的確定方法是通過(guò)管電壓和平均能量的關(guān)系進(jìn)行曲線擬合，再根據(jù)擬合出的公式計(jì)算得出300 kV以后輻射質(zhì)的平均能量，然后利用EGSnrc模擬程序得到相應(yīng)的附加過(guò)濾厚度。具體方法為首先在BEAMnrc程序中加載提前設(shè)置好的光機(jī)模型，然后將光子輸運(yùn)模型XTUBE及FLATFILT模塊輸入(XTUBE模塊為設(shè)置光管參數(shù)的模塊，如靶傾角、靶材料；FLATFILT模塊為設(shè)置添加附加過(guò)濾材料和厚度的模塊)，在FLATFILT模塊中第3層設(shè)置光機(jī)的固有過(guò)濾，在9～12層設(shè)置附加過(guò)濾的材料及厚度，最終得到所需的附加過(guò)濾厚度，建立的250～600 kV X射線窄譜輻射質(zhì)列于表1。

表1 250～600 kV X射線窄譜輻射質(zhì)的建立Table 1 Establishment of 250-600 kV X-ray narrow spectrum radiation quality

a——300 kV；b——400 kV；c——500 kV；d——600 kV圖2 300～600 kV模擬能譜Fig.2 Simulation photon spectra of 300-600 kV

2.3 X射線能譜的模擬

采用蒙特卡羅模擬方法，用BEAMnrc程序包進(jìn)行能譜模擬。根據(jù)建立的250～600 kV X射線窄譜系列輻射質(zhì)和X射線光管的物理參數(shù)，運(yùn)用BEAMnrc模擬250～600 kV X射線注量譜。在BEAMnrc程序包中設(shè)置光機(jī)陽(yáng)極靶為鎢，陽(yáng)極靶的靶角為11°，固有過(guò)濾為厚度分別為3 mm和2 mm的鈹片組成，限束光闌采用鎢合金材料。本次模擬中參數(shù)選取不同電壓下的單能電子作為入射粒子，設(shè)置粒子數(shù)為5×108，電子的截止能量ECUT=0.512 MeV，光子的截止能量PCUT=0.001 MeV，其他數(shù)據(jù)采用默認(rèn)值。圖2為300～600 kV模擬能譜。

2.4 石墨空腔電離室

石墨空腔電離室采用球形設(shè)計(jì)，用于測(cè)量中高能X射線空氣比釋動(dòng)能。電離室壁和收集桿部分均采用高純度石墨材料。收集桿主要包括收集極、絕緣體、保護(hù)環(huán)及中心導(dǎo)體，收集極同樣是由高純石墨材料構(gòu)成，保證空腔內(nèi)經(jīng)電離產(chǎn)生的離子盡可能多的被收集，對(duì)于球形電離室來(lái)說(shuō)，收集極桿頂端形狀一般選用的是平頂圓弧形，收集極桿頂部位于腔室中心點(diǎn)位置[13]。具體結(jié)構(gòu)如圖3所示，通過(guò)測(cè)量得到內(nèi)外半徑及壁厚等參數(shù)，計(jì)算得到其有效體積為101.980 cm3。電離室飽和電壓為1 000 V，漏電小于5 fA。

圖3 球型石墨空腔電離室Fig.3 Spherical graphite cavity ionization chamber

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及驗(yàn)證

3.1 250～600 kV X射線重過(guò)濾窄譜空氣比釋動(dòng)能測(cè)量結(jié)果

根據(jù)石墨空腔電離室復(fù)現(xiàn)X射線空氣比釋動(dòng)能原理，在建立的參考輻射質(zhì)條件下，通過(guò)激光及量桿定位裝置將石墨空腔電離室固定在距離X射線焦斑1.2 m處，且電離室有效探測(cè)中心與輻射束中心處于同一水平面。將石墨空腔電離室通過(guò)微弱電離測(cè)量系統(tǒng)連接，利用湯遜補(bǔ)償法進(jìn)行電離電流的測(cè)量。

空氣比釋動(dòng)能計(jì)算式中空氣與石墨的質(zhì)能吸收系數(shù)比值通過(guò)蒙特卡羅模擬程序計(jì)算得到，模擬中運(yùn)用EGSnrc模擬程序中的EGSRZnrc程序包，得到空氣的比釋動(dòng)能和石墨材料的比釋動(dòng)能，二者之比即為質(zhì)能吸收系數(shù)的比值。電離室石墨壁與空腔內(nèi)空氣的阻止本領(lǐng)的比值也是通過(guò)蒙特卡羅模擬程序，分別模擬石墨和空氣在相應(yīng)的能量下的總阻止本領(lǐng)值，二者之比即為空氣與石墨阻止本領(lǐng)比。軔致輻射份額常數(shù)為消耗于軔致輻射的能量占其初始能量的份額，使用EGSnrc程序進(jìn)行模擬計(jì)算得到。另外，電離功使用國(guó)際電離輻射委員會(huì)推薦值33.97 J/C。

修正因子的計(jì)算主要由實(shí)驗(yàn)測(cè)量和模擬得到[14-15]，其中實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的修正因子有射束軸向不均勻修正因子kan、射束徑向不均勻修正因子krn、桿散射修正因子kst、復(fù)合損失修正因子ks，通過(guò)蒙特卡羅模擬得到的修正因子有電離室壁修正因子kwall。另外，空氣濕度的變化會(huì)對(duì)空氣密度有影響，同時(shí)還會(huì)對(duì)電離功產(chǎn)生影響。國(guó)際電離輻射咨詢(xún)委員會(huì)(CCRI)在1977年給出濕度修正因子的推薦值，即在20 ℃和標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，空氣濕度在20%～80%之間變化時(shí)此項(xiàng)修正值為0.997 0。石墨空腔電離室復(fù)現(xiàn)空氣比釋動(dòng)能修正因子列于表2。通過(guò)石墨空腔電離室復(fù)現(xiàn)空氣比釋動(dòng)能的結(jié)果列于表3。

3.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)通過(guò)3種不同方法驗(yàn)證石墨空腔電離室測(cè)量結(jié)果：第1種是利用自由空氣電離室，完成300 kV輻射質(zhì)下空氣比釋動(dòng)能的量值復(fù)現(xiàn)，將其結(jié)果與石墨空腔電離室復(fù)現(xiàn)的結(jié)果比較；第2種是利用石墨空腔電離室在137Cs γ射線輻射場(chǎng)中進(jìn)行空氣比釋動(dòng)能量值復(fù)現(xiàn)，得到的結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較；第3種是利用石墨空腔電離室在60Co γ射線輻射場(chǎng)中進(jìn)行空氣比釋動(dòng)能量值復(fù)現(xiàn)，得到的結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值比較。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量與蒙特卡羅模擬計(jì)算，分別完成了上述3種方法下空氣比釋動(dòng)能的量值復(fù)現(xiàn)，其結(jié)果列于表4、5。

表2 石墨空腔電離室復(fù)現(xiàn)空氣比釋動(dòng)能修正因子Table 2 Correction factor of air-kerma reproduced with graphite cavity ionization chamber

表3 石墨空腔電離室復(fù)現(xiàn)空氣比釋動(dòng)能結(jié)果Table 3 Result of air-kerma reproduced with graphite cavity ionization chamber

表4 300 kV空氣比釋動(dòng)能測(cè)量結(jié)果驗(yàn)證Table 4 Verification of measurement result of 300 kV air-kerma

表5 石墨空腔電離室在137Cs和60Co輻射場(chǎng)中測(cè)量結(jié)果驗(yàn)證Table 5 Verification of air-kerma measurement result of graphite cavity ionization chamber in 137Cs and 60Co radiation fields

3.3 不確定度分析

根據(jù)不同方法復(fù)現(xiàn)的空氣比釋動(dòng)能公式，由各項(xiàng)分量進(jìn)行分析，最后合成總的不確定度，結(jié)果列于表6。

表6 空氣比釋動(dòng)能測(cè)量不確定度分析Table 6 Uncertainty analysis of air-kerma measurement

4 結(jié)論

本文主要研究250～600 kV X射線空氣比釋動(dòng)能的測(cè)量方法，建立了250～600 kV范圍內(nèi)8個(gè)重過(guò)濾窄譜系列輻射質(zhì)及測(cè)量得到相應(yīng)的半值層。通過(guò)EGSnrc模擬得到X射線能譜及平均能量。研制用于250～600 kV X射線空氣比釋動(dòng)能測(cè)量的石墨空腔電離室，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和模擬得到了相應(yīng)的物理常數(shù)及修正因子，完成了250～600 kV輻射質(zhì)下空氣比釋動(dòng)能的量值復(fù)現(xiàn)。在300 kV輻射質(zhì)下，利用石墨空腔電離室完成空氣比釋動(dòng)能量值復(fù)現(xiàn)，空氣比釋動(dòng)能測(cè)量結(jié)果合成相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.45%；利用平板自由空氣電離室，完成空氣比釋動(dòng)能量值復(fù)現(xiàn)，空氣比釋動(dòng)能測(cè)量結(jié)果合成相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.61%，兩種方法測(cè)量結(jié)果的相對(duì)偏差為0.09%。為了驗(yàn)證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，利用該石墨空腔電離室在137Cs和60Co γ射線輻射場(chǎng)中完成空氣比釋動(dòng)能的量值復(fù)現(xiàn)，測(cè)量結(jié)果與基準(zhǔn)值的相對(duì)偏差分別為0.27%和0.39%，二者在不確定度范圍內(nèi)相吻合。本文驗(yàn)證了石墨空腔電離室在復(fù)現(xiàn)中高能X射線空氣比釋動(dòng)能的可行性，為石墨空腔電離室復(fù)現(xiàn)X射線空氣比釋動(dòng)能探索一套方法，提高了X射線空氣比釋動(dòng)能量值復(fù)現(xiàn)水平。