杭仲斌王紅玉楊 靜劉川鳳滕忠斌徐 陽韋凱迪耿 璇張昕宇魏可新宋明哲?

（1.中國(guó)原子能科學(xué)研究院，計(jì)量與校準(zhǔn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102413；2.中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院，北京 100029）

1 引 言

隨著醫(yī)學(xué)治療、工業(yè)探傷及科學(xué)研究等領(lǐng)域的不斷進(jìn)步，管電壓達(dá)450 kV 的X 射線裝置的應(yīng)用越來越廣泛，對(duì)高能量X 射線計(jì)量器具的量值溯源需求日益迫切。 目前，中國(guó)已經(jīng)建立了（10～60）kV 低能X 射線、（60～250）kV 中能X 射線，以及Cs、Coγ 射線空氣比釋動(dòng)能基準(zhǔn)，為填補(bǔ)X 射線平均能量介于（250～450）kV 的空缺，解決該能量段下的X 射線劑量?jī)x表的量值溯源問題，急需建立（250～450）kV 段X 射線空氣比釋動(dòng)能基準(zhǔn)。

德國(guó)物理技術(shù)研究院（PTB）建立的X 射線空氣比釋動(dòng)能國(guó)家基準(zhǔn)量值復(fù)現(xiàn)能量達(dá)400 kV，目前為國(guó)際最高；另外，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（International Organization for Standardization，ISO）于2019年發(fā)布更新了ISO 4037－1 標(biāo)準(zhǔn)（Radiological protection -X and gamma reference radiation for calibrating dosemeters and doserate meters and for determining their response as s function of photon energy-Part 1：Radiation characteristics and production methods）替代了1996年發(fā)布的版本，標(biāo)準(zhǔn)中將4 個(gè)系列輻射質(zhì)的管電壓上限值從300 kV 提升至400 kV，并對(duì)（10～300）kV 管電壓的輻射質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了更新。 針對(duì)（10～400）kV 范圍的輻射質(zhì)的建立可以參考PTB和ISO 4037－1：2019，然而，可參考的450kV 管電壓下的輻射質(zhì)數(shù)據(jù)都是基于蒙特卡洛法模擬不同厚度過濾片下的平均光子能量來不斷縮小附加過濾厚度范圍的方法得到的，此方法的工作量較大，且大部分參考的數(shù)據(jù)為ISO 4037－1：1996 的平均光子能量的外推值，在ISO 4037 更新之后，此類數(shù)據(jù)也需重新進(jìn)行分析。

以PTB 和ISO 4037－1：2019 標(biāo)準(zhǔn)為參考，選用輻射質(zhì)單一的H 系列X 射線參考輻射質(zhì)，利用管電壓與輻射質(zhì)主要參數(shù)的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行外推得出H－450 X射線參考輻射質(zhì)相關(guān)參數(shù)理論值，并以此理論值開展H－450 X 射線參考輻射質(zhì)的研建工作，最后再以平均光子能量和劑量率值進(jìn)行驗(yàn)證。

2 實(shí)驗(yàn)裝置與測(cè)量器具

本實(shí)驗(yàn)所使用的X 射線參考輻射裝置由X 射線機(jī)、集成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、安全連鎖系統(tǒng)、X 射線過濾系統(tǒng)、激光準(zhǔn)直系統(tǒng)和多維校準(zhǔn)平臺(tái)及小車等設(shè)備組成。 X 射線光機(jī)為MG 452 型X 射線系統(tǒng)，此套光機(jī)具有電壓調(diào)節(jié)范圍大、溫度漂移小、穩(wěn)定性高、連續(xù)曝光時(shí)間長(zhǎng)、使用壽命長(zhǎng)、自動(dòng)操作X 光管的訓(xùn)機(jī)過程等優(yōu)點(diǎn)，其主要參數(shù)如表1所示；本實(shí)驗(yàn)所用的計(jì)量器具為PTW32005 和PTW30013 電離室，其主要參數(shù)如表2所示。

表1 X 射線機(jī)主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of X-ray generator

表2 PTW32005 和PTW30013 電離室主要參數(shù)Tab.2 Main parameters of PTW32005 and PTW30013 chambers

3 H－450 輻射質(zhì)相關(guān)參數(shù)的確定

根據(jù)PTB 和ISO 4037－1：2019 推薦的H 系列X 射線輻射質(zhì)數(shù)據(jù)，建立相關(guān)的函數(shù)關(guān)系，外推得到平均光子能量、劑量率值（距離焦斑1 m，管電流10 mA）、厚度、附加過濾厚度的理論值。

首先，通過整理，得出距離焦斑1 m 處的PTB 和ISO 4037.1－2019 的H 系列輻質(zhì)相關(guān)數(shù)據(jù)如表3所示。 另外，ISO 4037－1：2019 相較ISO 4037－1：1996新增了兩個(gè)輻射質(zhì)，H－80 和H－150，使得中能部分有更好的能量連貫性。

表3 H 系列X 射線參考輻射質(zhì)對(duì)比Tab.3 Comparison of H series X-ray reference radiation quality

從表3可知，對(duì)于H－350 和H－400，PTB 和ISO 4037 －1：2019 給出的附加過濾和半值層的值是相同的，不過PTB 給出的參考位置是距離焦斑1 m處，ISO 4037－1：2019 給出的參考位置是距離焦斑2.5 m 處，原因可能是X 射線能量越高，空氣對(duì)射線的衰減效果越弱所導(dǎo)致的。 下述的擬合外推將使用距離焦斑1 m 處的數(shù)據(jù)。

3.1 平均光子能量

對(duì)于一個(gè)特定系列的X 射線參考輻射質(zhì)，其平均光子能量與管電壓呈線性關(guān)系，在距離焦斑1 m 時(shí)，PTB 推薦值范圍為（10～400）kV，ISO 4037－1：2019 推薦值為（10～300）kV，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)得到H 系列參考輻射質(zhì)平均光子能量與管電壓的關(guān)系曲線，如圖1所示，根據(jù)PTB 和ISO 4037－1：2019 推薦值擬合可得出H－450 的平均光子能量分別為214.25 keV 和214.78 keV，兩者偏差極小。

圖1 管電壓和平均光子能量的關(guān)系圖Fig.1 Diagram of relationship between tube voltage and average photon energy

3.2 第一半值層（HVL1st）

半值層是表征輻射質(zhì)的重要參數(shù)，且半值層厚度和附加過濾厚度在輻射質(zhì)建立過程中會(huì)相互影響。是使X 射線束在某一位置處的空氣比釋動(dòng)能率減少一半時(shí)所需要的過濾片的厚度。 由于H－150～H－400 輻射質(zhì)采用4 mm Al 固有過濾組合mm 級(jí)Cu 附加過濾表征總過濾，與H－10～H－100的表征方法有所不同。 在相同表征方法下，隨著管電壓的增加，的值也呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，當(dāng)然，這一規(guī)律只適用于同一種過濾金屬片的情況下。 多種金屬過濾片的情況下，由于不同的金屬的質(zhì)能衰減系數(shù)的不同，這一規(guī)律將不適用。 且PTB 只推薦了數(shù)據(jù)，所以本次擬合選用H－150～H－400數(shù)據(jù)，根據(jù)PTB 和ISO 4037－1：2019 推薦值可得管電壓與的關(guān)系，如圖2所示，外推得出H－450 的分別為5.51 mm Cu和5.39 mm Cu。

圖2 管電壓和HVL1st的關(guān)系圖Fig.2 Diagram of relationship between tube voltage and HVL1st

3.3 附加過濾

附加過濾厚度是決定輻射質(zhì)的先決條件，它的厚度會(huì)直接影響輻射質(zhì)的能譜形狀等物理性質(zhì)，H系列X 射線輻射質(zhì)的附加過濾較為單一，在（100～400）kV 之間均為mm Cu 表征附加過濾，對(duì)比PTB和ISO 4037－1：2019 數(shù)據(jù)，在H－100～H－400 之間，除了H－300 輻射質(zhì)外，兩者的附加過濾完全相同，故選用剔除H－300 后的H－100～H－400 之間推薦的附加過濾數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖3所示，外推可得H－450 附加過濾理論值為6.27 mm Cu。

圖3 管電壓和附加過濾的關(guān)系圖Fig.3 Diagram of relationship between tube voltage and additional filtertion

3.4 劑量率值

PTB 給出了距離焦斑1 m 處，管電流10 mA 時(shí)各輻射質(zhì)下的劑量率值，而ISO 4037－1：2019 并未給出各輻射質(zhì)下的劑量率數(shù)據(jù)，故采用PTB 數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，通過擬合結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)劑量率與管電壓的關(guān)系，且（150～400）kV 能量段呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系，如圖4所示，外推可得出H－450 的劑量率為11.51 Gy／h。

圖4 管電壓與劑量率值的關(guān)系圖Fig.4 Relationship between tube voltage and dose rate value

至此，外推得出H－450 的附加過濾為6.24 mm Cu，為（5.39～5.52）mm，平均能量為（214.25～214.78）keV，1m 處劑量率為11.51 Gy／h（距離焦斑1 m 處，管電流為10 mA）。

4 H－450 輻射質(zhì)建立

半值層是過濾X 射線參考輻射質(zhì)的一個(gè)重要表征。的概念見3.2；第二半值層（）是指X 射線束在某一位置處的空氣比釋動(dòng)能率由一半減少至四分之一時(shí)所需要的過濾片厚度。 由于X 射線是一個(gè)連續(xù)譜，或許相同，但是輻射質(zhì)卻不一定相同，所以需要測(cè)量，如果兩個(gè)輻射質(zhì)和均滿足要求，則認(rèn)為兩個(gè)輻射質(zhì)的能譜相同，另外，ISO 4037－1：2019 提出了同質(zhì)系數(shù)的概念，并將同質(zhì)系數(shù)定義為與的比值。

測(cè)量電離室選用PTW32005 電離室。 實(shí)驗(yàn)時(shí)，實(shí)驗(yàn)室溫度為21.2 ℃，濕度為48.9 %，氣壓為102.1 kPa。 管電壓調(diào)至450 kV，管電流調(diào)至5 mA，電離室的參考點(diǎn)移至距離焦斑1 m 處，Cu 吸收片置于距離焦斑0.5 m 處位置。

已知X 射線裝置的固有過濾為0.122 mm Al，按照ISO 4037－1：2019 的要求，增加0.378 mm Al以等效成4 mm Al 固有過濾，然后，再搭配6.24 mm Cu 的附加過濾，通過測(cè)量可得H－450 輻射質(zhì)的衰減曲線如圖5所示。 根據(jù)衰減函數(shù)得出H－450輻射質(zhì)的為5.37 mm Cu，為5.97 mm Cu，同質(zhì)系數(shù)為0.9。

圖5 H－450 X 射線輻射質(zhì)衰減曲線圖Fig.5 Curve of H－450 X-ray radiation mass attenuation

5 結(jié)果驗(yàn)證

5.1 劑量率測(cè)量

實(shí)驗(yàn)使用校準(zhǔn)過的次級(jí)標(biāo)準(zhǔn)電離室PTW30013進(jìn)行劑量率的測(cè)量，實(shí)驗(yàn)前已將環(huán)境溫度、氣壓數(shù)據(jù)輸入主機(jī)進(jìn)行修正，將管電壓調(diào)至450 kV，管電流調(diào)至10 mA，采用累積劑量的測(cè)量方式，累積時(shí)間為60 s，測(cè)量10 次，取平均值得出H－450 X 射線輻射質(zhì)的劑量率值為11.98 Gy／h，與外推值11.51 Gy／h 的相對(duì)偏差為4.07 %。

5.2 平均光子能量模擬

利用MCNP5 軟件進(jìn)行H－450X 射線參考輻射質(zhì)的能譜模擬，將X 射線機(jī)和實(shí)際測(cè)量環(huán)境進(jìn)行簡(jiǎn)化，將附加過濾設(shè)置為4 mm Al ＋6.24 mm Cu，探測(cè)柵元置于距離焦斑1 m 處，源項(xiàng)為半徑2.5 mm 的面源，入射粒子為450kV 的電子，選用F4 計(jì)數(shù)卡得出計(jì)數(shù)柵元的注量，為提高模擬精度，設(shè)置粒子數(shù)5E9 個(gè)。

經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，最終得出的能注量譜如圖6所示，根據(jù)ISO 4037.1－2019 推薦的公式進(jìn)行平均光子能量的計(jì)算，可知平均光子能量就是將所有光子的能量和所有光子的個(gè)數(shù)的商，如式（1）：

圖6 H－450 X 射線參考輻射質(zhì)能注量譜圖Fig.6 Fluence spectrum of H－450 X-ray reference radiation mass

通過計(jì)算可以得出H－450X 射線參考輻射質(zhì)的平均光子能量為200.4 keV，與外推值相對(duì)偏差為－6.5 %～－6.7 %。 由于模擬對(duì)X 射線機(jī)模型和測(cè)量模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，能譜起終點(diǎn)的選擇，外推值自身帶來的誤差等因素影響，認(rèn)為此范圍的誤差在可接受范圍內(nèi)。

通過使用H－450 X 射線參考輻射質(zhì)劑量率值和平均光子能量的理論值對(duì)所建立的X 射線參考輻射質(zhì)進(jìn)行驗(yàn)證，誤差均在合理范圍內(nèi)，證明使用外推法得到H－450 X 射線參考輻射質(zhì)的可行性。經(jīng)整理，最終結(jié)果如表4所示。

表4 H－450 X 射線參考輻射質(zhì)參數(shù)Tab.4 H－450 X-ray reference radiation quality parameters

6 結(jié)束語

以H 系列X 射線參考輻射質(zhì)為例，根據(jù)PTB和ISO 4037－1：2019 的推薦數(shù)據(jù)，選取合適的數(shù)據(jù)擬合并外推得到平均光子能量、劑量率值（距離焦斑1 m，管電流10 mA）、厚度、附加過濾厚度的理論值，以厚度和附加過濾厚度理論值為參考值，建立起H－450 X 射線參考輻射質(zhì)，并用H－450 X 射線參考輻射質(zhì)劑量率值和平均光子能量的理論值對(duì)所建立的X 射線參考輻射質(zhì)進(jìn)行驗(yàn)證，此實(shí)驗(yàn)結(jié)果可為（300～450）kV X 射線參考輻射基準(zhǔn)的建立提供一定的參考。