窄X射線束屏蔽材料鉛當(dāng)量測(cè)量研究

韓 露，趙 瑞，吳金杰，陸春海，文玉琴，嚴(yán)永強(qiáng)，3

(1.成都理工大學(xué)，四川 成都 610059；2.中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院，北京 100029；3.中國(guó)計(jì)量大學(xué)，浙江 杭州 310018)

1 引 言

隨著科學(xué)的不斷發(fā)展，人們對(duì)核技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。在醫(yī)學(xué)上，X射線常用來(lái)作為臨床診斷以及治療腫瘤細(xì)胞，在X射線帶給人們極大益處的同時(shí)，人們逐漸意識(shí)到過(guò)量的照射X射線會(huì)造成潛在的風(fēng)險(xiǎn)，危害極大。所以在核技術(shù)的醫(yī)療等應(yīng)用中要盡量避免電離輻射對(duì)患者和工作人員造成的短期或可能的長(zhǎng)期風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)輻射防護(hù)三要素原則，人們常根據(jù)工作性質(zhì)，穿戴不同等級(jí)防護(hù)材料以減少或避免X射線所帶來(lái)的危害。目前對(duì)于輻射防護(hù)材料的應(yīng)用正在逐漸發(fā)生改變，起初鉛由于其獨(dú)特的屏蔽吸收特性被廣泛應(yīng)用在各種輻射防護(hù)用具上[1]。隨著使用時(shí)間的推移，鉛的缺點(diǎn)也逐漸暴露出來(lái)，鉛的密度大并且有毒[2,3]，常常會(huì)給穿戴者帶來(lái)很大的負(fù)擔(dān)，且鉛會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染；于是含鉛或無(wú)鉛屏蔽材料得到了人們的廣泛研究和應(yīng)用[4～7]，以此起到替代鉛屏蔽材料的目的。

輻射防護(hù)材料的屏蔽性能通常用“鉛當(dāng)量”表示，鉛當(dāng)量是指當(dāng)某一厚度的屏蔽材料達(dá)到與一定厚度的鉛的屏蔽效果相同時(shí)，這時(shí)鉛的厚度就是這種材料在自身厚度下的鉛當(dāng)量[8]。為了確保鉛當(dāng)量的測(cè)量準(zhǔn)確可靠，國(guó)際上制定了標(biāo)準(zhǔn)來(lái)規(guī)定測(cè)量鉛當(dāng)量的方法及參考條件[9]。本文主要對(duì)窄射線束X射線鉛當(dāng)量輻射質(zhì)及測(cè)量方法進(jìn)行了研究，并對(duì)不同廠家的幾種輻射屏蔽材料進(jìn)行了鉛當(dāng)量測(cè)量。

2 原理方法和實(shí)驗(yàn)裝置

2.1 鉛當(dāng)量測(cè)量裝置

鉛當(dāng)量的測(cè)量在中能X射線空氣比釋動(dòng)能標(biāo)準(zhǔn)裝置上進(jìn)行，輻射裝置包含X射線光機(jī)、限束光闌、過(guò)濾系統(tǒng)、三維支撐平臺(tái)、激光定位系統(tǒng)、附加過(guò)濾系統(tǒng)、導(dǎo)軌、控制系統(tǒng)等。X射線光機(jī)的主要性能參數(shù)如表1所示，X射線過(guò)濾系統(tǒng)用于建立規(guī)范輻射質(zhì)，按照文獻(xiàn)[9]中的規(guī)定選用純度為99.99%的鋁片作為附加過(guò)濾，厚度為2.5 mm。

表1 X射線光機(jī)主要性能參數(shù)Tab.1 Main performance parameters of X-ray machine

2.2 參考輻射模擬能譜

能譜可較好地衡量過(guò)濾X射線的輻射質(zhì)量[10]，影響輻射質(zhì)量的因素包括靶材料的性質(zhì)、管電壓大小以及總過(guò)濾。其中總過(guò)濾包含固有過(guò)濾和附加過(guò)濾。在國(guó)際電工委員會(huì)發(fā)布的1994版的屏蔽測(cè)量方法中規(guī)定的管電壓范圍在30～150 kV之內(nèi)的輻射質(zhì)的附加過(guò)濾是不同厚度的Cu材料，而2014版本修改之后將輻射質(zhì)的附加過(guò)濾改為了Al材料。為了研究?jī)煞N附加過(guò)濾材料的區(qū)別，將兩種材料分別進(jìn)行蒙特卡羅模擬研究。

蒙特卡羅方法目前已廣泛應(yīng)用于模擬粒子運(yùn)輸，結(jié)果精確、可靠。EGSnrc是基于蒙特卡羅方法的一個(gè)用來(lái)模擬1 keV～10 GeV能量范圍的電子和光子與物質(zhì)之間相互作用的軟件[11]，可以快速進(jìn)行參數(shù)設(shè)置以及模型建立[12]，利用BEAMnrc程序來(lái)建立球管和加速器模型[13]，在FLATFILT模塊中依據(jù)IEC 61331(如表2所示)的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)設(shè)置過(guò)濾材料和厚度。設(shè)置光管靶角為20°，出口窗為3 mm厚的Be。

表2 IEC 61331規(guī)定的輻射質(zhì)參數(shù)Tab.2 Radiation quality parameters specified by IEC 61331

2.3 鉛當(dāng)量測(cè)量方法

X射線輻射防護(hù)器具的衰減性能，通常在“窄射線束測(cè)量條件”和“寬射線束測(cè)量條件”下進(jìn)行[9]。常規(guī)在窄束條件下測(cè)量鉛當(dāng)量不考慮散射輻射和熒光等成分；雖然在寬束條件下(如圖1所示)可以將散射成分考慮進(jìn)去，但是該方法需要的屏蔽材料尺寸較大，在實(shí)際應(yīng)用中很少采用[14]。窄射線束測(cè)量方法如圖2所示。

圖1 寬射線束測(cè)量方法示意圖Fig.1 Schematic diagram of broad beam condition

圖2 窄射線束測(cè)量方法示意圖Fig.2 Schematic diagram of narrow beam condition

衰減率是評(píng)價(jià)衰減性能的指標(biāo)之一，衰減率表示的是衰減材料處于輻射線束外和輻射線束內(nèi)的不同條件下所受到的輻射量的比值，用F來(lái)表示。在窄射線束條件下測(cè)得的衰減率為FN的計(jì)算公式為：

(1)

被測(cè)試材料和探測(cè)器全部在X射線的均勻輻射場(chǎng)之內(nèi)，且?guī)缀沃行木cX射線軸線重合，被測(cè)試材料距離X光機(jī)焦斑0.5 m，探測(cè)器放置于距離光機(jī)焦斑1.0 m處。所用鉛片為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試鉛片，其所用的探測(cè)器為PTW 34069平板型電離室[15,16]，用于在高劑量率的放射診斷和乳腺攝影中進(jìn)行測(cè)量，有效體積為6 cm3，直徑為30.4 mm。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

3.1 輻射質(zhì)能譜模擬

在表2輻射質(zhì)中選定了80，100，150 kV三個(gè)管電壓進(jìn)行蒙特卡羅模擬，由于IEC 61331在1994版本和2014版本中所規(guī)定的附加過(guò)濾不同，因此將2種情況分別進(jìn)行了模擬，得到的模擬能譜如圖3和圖4所示。

圖3 根據(jù)IEC 61331-1994推薦的參考輻射Cu過(guò)濾模擬能譜Fig.3 According to IEC 61331-1994 recommended reference radiation Cu filter simulation energy spectrum

圖4 根據(jù)IEC 61331-2014推薦的參考輻射Al過(guò)濾模擬能譜Fig.4 According to IEC 61331-2014 recommended reference radiation Al filter simulation energy spectrum

根據(jù)平均能量的定義

(2)

由式(2)計(jì)算上述3種輻射質(zhì)在不同附加過(guò)濾下的平均能量，結(jié)果如表3所示。

從表3可以看出，在相同參考輻射過(guò)濾條件下，能譜的平均能量隨X射線管電壓的增大而增大；在相同管電壓條件下，采用Al過(guò)濾得到的平均能量小于Cu過(guò)濾得到的平均能量，這是由于Al對(duì)輻射質(zhì)的過(guò)濾作用小于Cu。由此可見(jiàn)，在一定的管電壓下，若采用Cu過(guò)濾，需要的防護(hù)屏蔽材料要比Al過(guò)濾厚，即需要鉛當(dāng)量更大的防護(hù)材料，這樣在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)極大地產(chǎn)生不便甚至負(fù)擔(dān)。

表3 EGS能譜模擬得到的平均能量Tab.3 Average energy obtained by EGS spectrum simulation

3.2 鉛當(dāng)量測(cè)量

實(shí)驗(yàn)選取了16種不同成分比例的輻射防護(hù)材料，其中材料1～材料4為無(wú)鉛型核輻射防護(hù)手套，材料5和材料6為無(wú)鉛型核輻射防護(hù)鞋，材料7～材料10為無(wú)鉛型輻射屏蔽材料，材料11為無(wú)鉛型醫(yī)用射線防護(hù)帽，材料12為無(wú)鉛型醫(yī)用射線防護(hù)圍脖，材料13為無(wú)鉛型醫(yī)用射線防護(hù)披肩式活袖，材料14～材料16為不同顏色的鉛簾。

將上述16種材料放置在標(biāo)準(zhǔn)輻射場(chǎng)中，根據(jù)我國(guó)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，對(duì)醫(yī)用X射線防護(hù)器具進(jìn)行鉛當(dāng)量的測(cè)試時(shí)采用的X射線機(jī)管電壓為120 kV，因此將X射線管電壓設(shè)置為120 kV，利用圖2所示的窄射線束測(cè)量方法，對(duì)16種屏蔽材料進(jìn)行了鉛當(dāng)量的測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如表4所示。

表4 不同材料的鉛當(dāng)量測(cè)量結(jié)果Tab.4 Lead equivalent measurement results of different materials mm

從表4中的數(shù)據(jù)可以看到，在120 kV管電壓下，所測(cè)試的材料鉛當(dāng)量測(cè)量結(jié)果均不低于給定的標(biāo)稱鉛當(dāng)量，說(shuō)明上述材料能夠達(dá)到所要求的屏蔽效果。其中所涉及的產(chǎn)品大致包含了目前現(xiàn)有的常用輻射防護(hù)用具種類。材料7～材料13以及材料15、材料16的測(cè)量鉛當(dāng)量減去標(biāo)稱鉛當(dāng)量的差值所占標(biāo)稱鉛當(dāng)量的比值超過(guò)10%，若比值太大在實(shí)驗(yàn)人員進(jìn)行操作時(shí)會(huì)加重他們的負(fù)擔(dān)，因此對(duì)于鉛當(dāng)量的厚度控制顯得尤為重要。

4 結(jié) 論

本文依據(jù)IEC 61331-1-2014標(biāo)準(zhǔn)，建立了用于輻射防護(hù)材料鉛當(dāng)量測(cè)量的X射線輻射質(zhì)，并利用蒙特卡羅模擬程序完成了輻射質(zhì)能譜的模擬，其平均能量滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。對(duì)比了附加過(guò)濾為Cu和Al得到的平均能量差別，結(jié)果表明在相同管電壓條件下，用Al過(guò)濾得到的平均能量小于Cu過(guò)濾得到的平均能量，對(duì)于鉛當(dāng)量的測(cè)量有著重要的參考依據(jù)。通過(guò)加工限束光闌和搭建測(cè)試平臺(tái)，建立了窄射線束X射線鉛當(dāng)量測(cè)量條件。對(duì)窄射線束條件下X射線鉛當(dāng)量測(cè)量方法進(jìn)行了研究，在120 kV輻射質(zhì)條件下，完成了16種不同防護(hù)材料鉛當(dāng)量的測(cè)量，鉛當(dāng)量測(cè)量結(jié)果均不低于標(biāo)稱鉛當(dāng)量，說(shuō)明屏蔽效果能夠滿足要求。窄射線束X射線鉛當(dāng)量測(cè)量方法的研究，可以為更多的防護(hù)材料屏蔽性能的評(píng)價(jià)提供測(cè)試依據(jù)。