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射線防護劑量監(jiān)測的劑量當(dāng)量儀表的準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)測用防護儀表的校準需求，該類儀表校準因子的準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)，受到各級計量標準實驗室的重視。本文以較為常用的能量范圍(60～250 keV)的X射線劑量當(dāng)量儀表校準為例，對其校準因子進行不確定度分析。

2 材料和方法

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

2.1 標準裝置

完整的X射線空氣比釋動能劑量標準裝置由X射線輻射場、標準器(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、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。作為標準參考輻射場，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參數(shù)須符合GB/T 12162.1—2000等標準要求[3]。

2)標準電離室及劑量儀

用來對標準參考輻射場的空氣比釋動能率進行定值，標準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)需滿足標準裝置的要求。

3) 溫度計、氣壓計和濕度計

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

4)定位裝置

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

2.2 測量原理

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

(1)

(2)

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

(3)

2.3 校準過程

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

第一步：用標準電離室測量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裝置的標準電離室置于X射線參考輻射場距焦點1～2 m范圍內(nèi)的某一位置，X射線焦點與電離室中心同軸。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射線束校準裝置示意圖。

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

第二步：將待校準的劑量當(dāng)量儀表(用戶儀器)替代標準電離室，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)量儀表的校準因子。

3 結(jié)果分析

對校準因子的不確定度分析，首先需要確定對校準結(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。標準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

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

1)標準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的證書可得標準電離室校準因子的相對擴展不確定度，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

由于標準實驗室與上級標準實驗室輻射質(zhì)可能存在差異，標準電離室對于不同輻射質(zhì)的能量響應(yīng)差異的不確定度，即由于標準電離室能量響應(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)標準電離室的長期穩(wěn)定性

根據(jù)至少兩次溯源至X射線空氣比釋動能基準的校準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

標準電離室測量過程中，還需要根據(jù)溫度和氣壓進行氣體密度修正，溫度氣壓修正值的不確定度，應(yīng)包括測量結(jié)果的統(tǒng)計標準偏差(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)計標準偏差，采用A類不確定評定方法。

6)標準電離室測量結(jié)果的統(tǒng)計標準偏差

輻射場參考值確定過程中，需要使用標準電離室多次測量取平均值得到，多次測量結(jié)果的統(tǒng)計標準偏差導(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，校準點位置處劑量當(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。可通過相關(guān)標準報告查詢得到，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[10]。

3.2 第二步操作

校準過程的第二步是將待校準的劑量當(dāng)量儀表替代標準電離室，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，可得到校準因子。其不確定度來源包括：

1)待校儀表的讀數(shù)統(tǒng)計標準偏差

多次重復(fù)測量過程中，統(tǒng)計標準偏差導(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位置差異導(dǎo)致的不確定度

實際放置校準儀表的過程中，校準儀表的探測中心可能會與標準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。標準電離室和待校準儀表的放置過程中，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

待校儀表和標準電離室的測量顯示值是覆蓋輻射場體積的均值體現(xiàn)，實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)督電離室實時監(jiān)控出射X射線的變化，由監(jiān)測結(jié)果的統(tǒng)計標準偏差來表征，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，需要進行溫度和氣壓修正，該不確定度也是校準因子不確定度的來源之一。由測量結(jié)果的統(tǒng)計標準偏差(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準條件(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 校準因子不確定度評定結(jié)果

X射線劑量當(dāng)量儀校準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)量儀校準因子的不確定分析和評定，得出該儀表的校準因子擴展不確定度為5.0%。通過不確定度分量評定過程可以看出：標準實驗室的參考輻射場校準點處的劑量當(dāng)量率的不確定度影響較大，其中標準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較大。此外，待檢儀表測量結(jié)果的統(tǒng)計標準偏差，輻射場均勻性的不確定度的貢獻也占有重要部分。在對該類儀表進行校準或者量值傳遞時，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因子的不確定度。