熱釋光劑量計測量X射線半值層法初步探討

郝艷梅，呂雅竹，李德紅，劉 歡，李 濤

(1.四川大學華西醫(yī)院 放療科，四川 成都 610041； 2.中國計量科學研究院，北京 100029)

1 引 言

隨著X射線技術的成熟，X射線已被廣泛應用于醫(yī)療衛(wèi)生、科學研究、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等方面。為了加強對各類X射線機的監(jiān)督管理，關于X光機輸出射線束質(zhì)量保證和檢測儀器的需求也在不斷增加[1～3]。按照JJG 774-2004《醫(yī)用診斷X射線輻射源檢定規(guī)程》，國內(nèi)將半值層作為描述X射線輻射質(zhì)的重要參數(shù)。半值層(half-value layer，HVL)是使在X射線束某一點的照射量率減少一半所需要的標準吸收片的厚度，X光機半值層既關系到成像質(zhì)量，也是快速估算受照個體劑量的物理量。通常采用電離室測量空氣比釋動能的方法確定X射線機的半值層，因為成本和地域限制，質(zhì)控監(jiān)管部門以及X光機使用單位迫切需求一種成本更低、更便利的檢測方法[4,5]。

LiF劑量計能夠方便快捷地記錄X射線的累積劑量，且體積小，便于質(zhì)控部門統(tǒng)一郵寄和回收，使用LiF劑量計測量X射線半值層的方法，不僅可使X光機使用單位快速地有效實現(xiàn)X光機半值層測量，同時還可節(jié)省時間、降低檢測器材和人力成本[6,7]。

本文通過模擬計算和實驗測量對LiF測量X光機半值層的可行性進行初步研究[8]。運用Penelope模擬軟件，通過計算N80(65 keV)、N100(83 keV)、N150(118 keV)、N200(164 keV)不同能量輻射場LiF劑量計能量沉積，計算出X射線的半值層。同時，實驗測量LiF劑量計分別加不同厚度的銅片后重過濾窄譜3 m處的劑量，擬合得到X射線的半值層厚度。最后，對模擬結(jié)果和實驗室測量結(jié)果進行了對比分析。

2 原 理

LiF劑量計具有晶體結(jié)構(gòu)，當材料受到射線輻照時，由于電離激發(fā)作用使得部分電子受激進入亞穩(wěn)態(tài)，電子缺失的位置形成晶格缺陷即空穴?？昭ň哂胁东@電子的能力，當晶體加熱，被捕獲的電子熱運動達到導帶，導帶中的電子退激發(fā)進入基態(tài)，退激發(fā)過程發(fā)光。LiF材料發(fā)光強度與陷阱中的電子數(shù)目有關，而電子數(shù)目取決于固體材料所受的劑量，在一定劑量范圍內(nèi)晶體退激發(fā)放出的總光子數(shù)與探測器受輻照所吸收能量成正比[9]。

模擬射線通過不同厚度的銅片后的LiF能量沉積，能量沉積衰減到?jīng)]有銅片時一半時所需的標準物質(zhì)的厚度，即射線的半值層。

3 模擬軟件與物理模型

Penelope(penetration and energy loss of positrons and electrons)是模擬電子光子級聯(lián)簇射在物質(zhì)中運輸?shù)某绦?，適用能量范圍100 eV～1 GeV。模擬主要運用模擬程序中Pendbase和Penmain計算模塊，Pendbase生成Air、Cu、LiF截面數(shù)據(jù)庫[10]。材料密度為Air(dry)：ρ=1.205 g/m3，Cu：ρ=8.96 g/cm3，LiF：ρ=2.635 g/cm3。

Penmain通過編譯輸入文件和結(jié)構(gòu)文件對X射線能譜與幾何形狀、材料及相關參數(shù)進行設置[11]。模擬計算示意如圖1所示。其中，300 cm空氣層模擬計算耗時較多，X光機HVL代表射線穿透能力，所以Penelope幾何結(jié)構(gòu)中銅片與LiF劑量計間空氣層厚度同樣只設置10 cm，同時也可以減少銅片產(chǎn)生次級電子對LiF能量沉積影響。

圖1 HVL模擬計算示意圖Fig.1 The simulation setup for HVL measurements

距LiF前表面10 cm，設置發(fā)散角θ為6°且具有一定能譜的γ光子放射點源?？紤]精度和計算時間平衡，設置記錄的粒子數(shù)為107，15 cm×15 cm×30 cm空氣層。輸入文件設置模擬計算Z軸吸收劑量分布(absorbed dose distribution)和LiF劑量計能量沉積(energy deposition)。

4 實驗方法與儀器設備

實驗采用氟化鋰(LiF(Mg,Cu,P))劑量計進行實驗，直徑4.5 mm，厚度0.8 mm，退火并靜置24 h后使用。銅片純度99.9%，大小約15 cm×15 cm。X射線輻射場為中國計量科學研究院X射線輻射防護計量標準實驗室重過濾窄譜標準輻照場，輻射質(zhì)為N100(83 keV)。

實驗操作：篩選分散性小于2%的TLD元件70片，每10片1組，分別用白紙包裝，如圖2所示，其中1組為本底。按照HVL測量輻照實驗裝置示意圖3，將LiF劑量計置于距源3 m處，與輻射場的軸向垂直方向，用厚度為0.5 cm聚甲基丙烯酸甲酯板固定，劑量片接收到的射線角度在0.4°以內(nèi)，均可認為是垂直入射。在5組不同銅片厚度di(i=1,2,3,4,5)和1組沒有銅片的情況下，對LiF進行輻照，銅片置于附加過濾片后10 cm處，每組劑量片照射時長為300 s。實驗測量得到銅片厚度為d1=0.479 mm，d2=0.804 mm，d3=1.376 mm，d4=1.855 mm，d5=2.155 mm。

圖2 熱釋光劑量計包裝示意圖Fig.2 The experimental of TLD setup

圖3 HVL測量實驗裝置示意圖Fig.3 The experimental setup for HVL measurements

輻照完成后，將LiF劑量計和本底組同在鉛屏蔽環(huán)境條件下，靜置24 h后進行測讀。

5 研究結(jié)果

5.1 模擬程序驗證

Penmain按照圖1模型通過輸入文件中的Absorbed dose distribution計算模塊，計算在N100(83 keV)輻照場中LiF的受照劑量，得到depth-dose.dat輸出文件，進而得到LiF劑量計空間位置的總累積沉積能量。

取出鉛蔽中輻照后的LiF劑量計并用BR2000D讀出儀讀數(shù)，得到重過濾窄譜N100(83 keV)標準輻照場3 m處6組數(shù)據(jù)，取平均值后扣除本底計數(shù)。為方便與模擬數(shù)據(jù)比較，模擬與實驗數(shù)據(jù)經(jīng)過歸一后作圖并擬合，如圖4所示。

圖4 模擬與實驗數(shù)據(jù)歸一值Fig.4 Normalized data of simulate and experiment

由圖4可知，模擬結(jié)果與實驗結(jié)果符合較好。

5.2 不同能量輻射場HVL模擬計算

按照圖1分別計算N80(65 keV)、N100(83 keV)、N150(118 keV)、N200(164 keV)輻照場LiF能量沉積，歸一值作圖擬合，如圖5所示。

圖5 TLD能量沉積隨銅片厚度變化的模擬Fig.5 The simulation of TLD energy deposition for it placed in different copper thickness

由圖5得到不同輻照場HVL，查閱標準實驗室電離室測量HVL結(jié)果[11]，與模擬計算結(jié)果進行對比，見表1。

表1 不同輻照場HVLTab.1 HVL in different irradiation fields

模擬計算能譜設計更簡單，半高寬更小，電離法測量的是電離電流均值，對于輻射場粒子類型和能量區(qū)分靈敏度沒有固體探測器強[12]。對于不同能量，加不同厚度銅片對于輻射場能譜具有不同程度的影響。由圖5可知與查閱電離室測量重過濾窄譜半值層厚度比較，低能部分LiF劑量計具有與電離室更接近的響應?？紤]輻射場不確定度和LiF輻照不確定度，對于83 keV和65 keV輻射場LiF測量半值層厚度實驗結(jié)果在最大允許范圍內(nèi)；對于118 keV和164 keV不建議直接使用LiF劑量計測量X光機半值層。

6 結(jié) 論

N100(83 keV)標準輻照場實驗結(jié)果驗證了模擬軟件主程序正確合理。Penelope模擬計算N80(65 keV)、N100(83 keV)、N150(118 keV)、N200(164 keV)重過濾窄譜標準輻照場3 m處半值層，在低能N80(65 keV)、N100(83 keV)LiF劑量計響應更接近電離室，LiF劑量計測量低能輻射場X射線半值層的方法具有可行性[13]。而對于N150(118 keV)、N200(164 keV)輻照場，LiF法測量半值層還需進一步研究。

本研究對X光機半值層測量提供了一個成本低、流程簡單、易于操作的質(zhì)控方法[14]，同時也能夠?qū)崿F(xiàn)質(zhì)控部門遠程質(zhì)控和X光機使用單位實時質(zhì)控，因此具有廣闊的應用前景。