X射線鉛當(dāng)量測(cè)量輻射質(zhì)的建立和能譜模擬

趙 瑞， 文玉琴,2， 吳金杰， 韓 露,2， 郭 彬

(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 )

1 引 言

X射線廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)診斷、放射治療、輻射防護(hù)和科學(xué)研究等領(lǐng)域，尤其是醫(yī)學(xué)診斷過(guò)程中，醫(yī)生和病人都不可避免地受到不同劑量的照射。為了保障公眾和工作人員免受不必要的放射危害，根據(jù)不同的輻射防護(hù)目的，常佩戴不同材質(zhì)與不同厚度的X射線屏蔽材料，常見(jiàn)的有鉛衣、鉛橡膠圍裙、鉛橡膠手套和鉛玻璃眼鏡[1,2]。傳統(tǒng)意義上使用的鉛屏蔽材料重量大、易折損，并且鉛元素對(duì)人體有毒，給使用過(guò)程中帶來(lái)了極大的不便。近年來(lái)隨著含少量鉛、無(wú)鉛和復(fù)合高分子材料的發(fā)展，質(zhì)量輕、價(jià)格便宜以及材料本身對(duì)人體無(wú)害的新型防護(hù)材料越來(lái)越受到人們的青睞[3，4]。

防護(hù)材料的屏蔽性能通常用鉛當(dāng)量表示，即用鉛作為比較標(biāo)準(zhǔn)，某種材料在一定厚度下的屏蔽效果用達(dá)到同種屏蔽效果的鉛的厚度來(lái)表達(dá)，稱為該厚度防護(hù)材料的鉛當(dāng)量，通常用mm Pb表示。通常對(duì)于純鉛或者含鉛材料，由于鉛對(duì)X射線的衰減作用，其屏蔽性能的大小通常在窄束條件下即可測(cè)量其鉛當(dāng)量。而對(duì)于含少量鉛或無(wú)鉛材料，其對(duì)X射線的衰減主要是由材料本身衰減系數(shù)的總和構(gòu)成，通常很難計(jì)算出每種材料本身對(duì)特定能量X射線的衰減系數(shù)，更不可能預(yù)測(cè)它們的鉛當(dāng)量隨X射線能量的變化，只能通過(guò)實(shí)際測(cè)量得出。實(shí)際上該類型材料在吸收X射線的同時(shí)也會(huì)與X射線發(fā)生相互作用，產(chǎn)生不同能量的散射輻射和熒光輻射，如果使用常規(guī)的窄束條件進(jìn)行測(cè)量則會(huì)遺漏散射貢獻(xiàn)，造成測(cè)量鉛當(dāng)量偏小，即存在防護(hù)不足的危害[5]。針對(duì)以上問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了相關(guān)研究。主要依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)就是IEC 61331-1:2014[6]和DIN 6857-1[7]。德國(guó)聯(lián)邦物理技術(shù)研究院(PTB)做了相關(guān)研究，在窄束、寬束和逆向?qū)捠鴹l件下對(duì)不同材料的鉛當(dāng)量做了測(cè)試，結(jié)果表明防護(hù)材料鉛當(dāng)量的大小與測(cè)量方法存在較大關(guān)系[8～11]。日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JIS Z4831—2000《防護(hù)醫(yī)療診斷X光輻射的裝置》中采用標(biāo)準(zhǔn)鉛片進(jìn)行曲線擬合，用最小二乘法計(jì)算出鉛當(dāng)量； Shinichi I等在此基礎(chǔ)上又提出了一種利用衰減系數(shù)進(jìn)行計(jì)算的方法，并運(yùn)用這2種方法計(jì)算出能量約為60 keV時(shí)材料的鉛當(dāng)量[12]。

在國(guó)內(nèi)，目前依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)是GBZ/T 147—2002《X射線防護(hù)材料衰減性能的測(cè)定》，YY—T0292.1—2020《醫(yī)用診斷X射線輻射防護(hù)器具》第1部分：《材料衰減性能的測(cè)定》。林關(guān)鑫等人建議應(yīng)該用一定管電壓的最小鉛當(dāng)量表示[13]。歐向明等人研究了不同管電壓對(duì)鉛當(dāng)量測(cè)量的影響[14]，結(jié)果表明鉛的屏蔽作用越大，防護(hù)材料鉛當(dāng)量隨管電壓變化越小；其它化合物或者混合物等介質(zhì)材料對(duì)屏蔽的貢獻(xiàn)越大，防護(hù)材料鉛當(dāng)量隨管電壓的變化越大。杜繼星等人研究了醫(yī)用診斷X射線的衰減和防護(hù)性能，表明光電吸收效應(yīng)是醫(yī)用診斷X射線被物質(zhì)衰減的主要方式[15]。

為了研究屏蔽材料的防護(hù)性能差異，給出合理的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，本文結(jié)合國(guó)際電工委員會(huì)IEC標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)X射線參考輻射的新要求，建立輻射防護(hù)材料X射線鉛當(dāng)量用輻射質(zhì)，研究其輻射特性，通過(guò)蒙特卡羅模擬程序模擬其能譜，得到平均能量。為測(cè)量不同材料在窄束、寬束和逆向?qū)捠鴹l件下的X射線鉛當(dāng)量提供基礎(chǔ)。

2 原理和方法

2.1 X射線輻射裝置

X射線參考輻射裝置采用工業(yè)X射線光機(jī)作為輻射源，光管型號(hào)為COMET MXR-320/26，靶材為鎢靶，靶角為20°，固有過(guò)濾為3 mm厚的 Be。高壓由Gulmay GX160型號(hào)的2個(gè)160 kV、45 kHz高頻發(fā)生器提供[16]，管電壓調(diào)節(jié)范圍為10～320 kV。X射線通過(guò)限束光闌進(jìn)行限束和準(zhǔn)直，其中初級(jí)限束光闌直徑為1.9 cm，厚度為2 cm。經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直的X射線在參考平面處形成滿足空氣比釋動(dòng)能測(cè)量和傳遞的均勻輻射野，其中距離焦斑1 m處的均勻輻射野直徑為9 cm。另外配備激光定位和電離室支撐平臺(tái)，可滿足測(cè)量需求[17,18]。

2.2 蒙特卡羅模擬程序

由加拿大國(guó)家研究委員會(huì)與美國(guó)威斯康星大學(xué)合作開(kāi)發(fā)的基于蒙特卡羅方法的EGSnrc程序[19]，是揭示電子和光子在物質(zhì)中輸送規(guī)律有力的和較為方便的理論分析及模擬工具，可以有效模擬電子和光子在物質(zhì)中輸運(yùn)情況，適用的能量范圍是5 keV～10 GeV。程序內(nèi)設(shè)置了光電效應(yīng)、瑞利散射、康普頓散射、電子對(duì)效應(yīng)、軔致輻射等可能發(fā)生的相互作用的類型。構(gòu)建鎢靶X射線光機(jī)模型，包括光管結(jié)構(gòu)參數(shù)，附加結(jié)構(gòu)及與光源焦斑的距離均通過(guò)實(shí)際測(cè)量得到。根據(jù)輻射質(zhì)管電壓設(shè)置對(duì)應(yīng)的單能電子作為入射粒子，截止能量設(shè)置為0.512 MeV，記錄平面設(shè)置在離光源焦點(diǎn)100 cm處。

根據(jù)模擬得到的光子注量譜可以得到平均光子能量即平均能量，其定義為：

(1)

式中:ΦE是Φ(E)對(duì)能量的微商；Φ(E)是能量在0和E之間的光子總注量。

2.3 X射線輻射特性

X射線的輻射質(zhì)主要依賴于3個(gè)方面：靶的特性、X射線管電壓以及總過(guò)濾的性質(zhì)和厚度。其中總過(guò)濾包括固有過(guò)濾及附加過(guò)濾，固有過(guò)濾包括X射線管的油、玻璃、窗等部分，是由光機(jī)自身的特性所決定的；附加過(guò)濾的作用是調(diào)整過(guò)濾X射線能譜分布，得到需要的輻射質(zhì)條件。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：

(2)

根據(jù)X射線半值層定義，選用能量響應(yīng)在5%以內(nèi)的電離室作為探測(cè)器，通過(guò)添加不同厚度的鋁衰減片(純度好于99.9%)，測(cè)量得到第一半值層。半值層測(cè)量示意圖如圖1所示。

圖1 半值層測(cè)量示意圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在IEC 61331-1:2002、DIN 6857-1以及GBZ/T 147—2002等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中，均有關(guān)于防護(hù)材料屏蔽性能測(cè)試的推薦輻射質(zhì)，如表1所示。事實(shí)上，添加Cu過(guò)濾會(huì)使X射線能譜硬化，其平均能量相對(duì)于Al過(guò)濾會(huì)更大。

表1 不同標(biāo)準(zhǔn)推薦的鉛當(dāng)量輻射質(zhì)

3.1 半值層測(cè)量結(jié)果

通過(guò)調(diào)節(jié)管電壓，調(diào)整吸收片厚度，得到(40～150)kV X射線空氣比釋動(dòng)能率隨吸收片厚度的衰減曲線，如圖2所示。

圖2 半值層測(cè)量擬合曲線

經(jīng)分析計(jì)算可以得到X射線半值層，結(jié)果如表2所示。

表2 半值層測(cè)量結(jié)果

根據(jù)IEC 61331-1：X射線管電壓與標(biāo)稱值之間的差異不得超過(guò)2%或2 kV；鋁過(guò)濾器的純度應(yīng)為99.9%或更高，密度為2.70 g/cm3；鋁過(guò)濾器的厚度與標(biāo)稱值的差異不得超過(guò)0.1 mm。最終半值層測(cè)量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)中給出的推薦值進(jìn)行比較，最大偏差不超過(guò)5%即可滿足條件。IEC標(biāo)準(zhǔn)中給出的半值層推薦值是在21°靶角，7 mm厚 的Be固有過(guò)濾條件下測(cè)量得到的。PTB所使用的X射線設(shè)備是基于鎢靶X射線光管，靶角為30°，固有過(guò)濾為4 mm厚的Be，其半值層測(cè)量結(jié)果與IEC標(biāo)準(zhǔn)推薦值最大相差4%?？梢钥闯觯疚耐ㄟ^(guò)測(cè)量得到的半值層結(jié)果與IEC推薦值相比，最大偏差為2.8%，故滿足要求。

3.2 蒙特卡羅能譜模擬結(jié)果

為了進(jìn)一步通過(guò)能譜的方式驗(yàn)證所建立輻射質(zhì)的準(zhǔn)確性，首先需要對(duì)添加的附加過(guò)濾進(jìn)行驗(yàn)證，進(jìn)而對(duì)所建立的輻射質(zhì)平均能量進(jìn)行比較。PTB采用2.5 mm厚的Al附加過(guò)濾，利用高純鍺探測(cè)器在距離焦斑1 m處進(jìn)行能譜測(cè)量，最后完成脈沖高度譜到注量譜的求解，得到平均能量。本文根據(jù)PTB-DOS-34初級(jí)譜數(shù)據(jù)，利用MCNP5，將實(shí)際所添加的附加過(guò)濾調(diào)整至2.5 mm厚的Al，通過(guò)模擬得到不同管電壓下過(guò)濾X射線能譜，如圖3所示。將模擬的平均能量與實(shí)際測(cè)量的平均能量進(jìn)行比較，經(jīng)過(guò)計(jì)算，可以得到每個(gè)輻射質(zhì)下的X射線平均能量，如表3所示。可以看出，模擬得到的X射線平均能量相對(duì)于PTB測(cè)量的能譜結(jié)果，大部分都偏小，分析原因是本文將總過(guò)濾調(diào)整為2.5 mm厚的Al，所以添加的附加過(guò)濾偏薄，導(dǎo)致平均能量略有區(qū)別。

圖3 MCNP5模擬X射線能譜

表3 能譜模擬結(jié)果比較

采用EGSnrc軟件中BEAMnrc程序?qū)射線能譜進(jìn)行模擬，可以得到不同管電壓下的過(guò)濾X射線能譜。根據(jù)本實(shí)驗(yàn)情況，建立光機(jī)模型，調(diào)整總過(guò)濾為2.5 mm厚的Al，得到X射線能譜，如圖4所示。計(jì)算得到X射線平均能量，與IEC標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，如表4所示。

圖4 EGSnrc模擬X射線能譜

表4 模擬能譜與IEC能譜的比較

可以看出，X射線平均能量測(cè)量結(jié)果與IEC的推薦值結(jié)果相符，最大相對(duì)偏差為0.40%。平均能量測(cè)量結(jié)果相對(duì)于IEC的結(jié)果有所偏大，主要原因是Be窗厚度不同造成的。驗(yàn)證了所建模型的正確性，可以為后續(xù)鉛當(dāng)量測(cè)量提供不同參考輻射質(zhì)。

4 結(jié) 論

根據(jù)輻射防護(hù)材料屏蔽性能的具體要求，為了進(jìn)一步評(píng)價(jià)含鉛或無(wú)鉛材料的屏蔽效果，研究建立輻射防護(hù)材料鉛當(dāng)量用40～150 kV X射線參考輻射質(zhì)，通過(guò)添加附加過(guò)濾的方式得到過(guò)濾X射線，測(cè)量Al半值層結(jié)果與IEC標(biāo)稱值一致，最大相對(duì)偏差為2.8%。通過(guò)蒙特卡羅模擬，得到40～150 kV X射線的能譜，其平均能量與IEC標(biāo)稱值結(jié)果一致，最大相對(duì)偏差為0.4%。通過(guò)本研究，建立的X射線鉛當(dāng)量測(cè)量參考輻射質(zhì)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，可以為防護(hù)材料在窄束、寬束和逆向?qū)捠鴹l件下的屏蔽性能測(cè)試提供輻射條件。