歐向明 趙士庵 丁艷秋

X射線環(huán)境水平標(biāo)準(zhǔn)裝置的研究與建立*

歐向明① 趙士庵① 丁艷秋①

目的：按照國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)技術(shù)規(guī)范及我國現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求，在國家二級標(biāo)準(zhǔn)劑量學(xué)實(shí)驗(yàn)室建立用于校準(zhǔn)X射線環(huán)境水平劑量儀的標(biāo)準(zhǔn)裝置。方法：通過標(biāo)準(zhǔn)劑量儀測量不同附加過濾后的X射線束的衰減，測定標(biāo)準(zhǔn)輻射場常用的半值層及空氣比釋動(dòng)能率，確定環(huán)境水平X射線輻射線質(zhì)的有效能量和平均能量。結(jié)果：測定的輻射線質(zhì)等參數(shù)與ISO和國家標(biāo)準(zhǔn)給出的技術(shù)指標(biāo)誤差＜2%，滿足標(biāo)準(zhǔn)裝置的要求。結(jié)論：建立的X射線環(huán)境水平標(biāo)準(zhǔn)裝置可以用于校準(zhǔn)環(huán)境水平輻射劑量儀、并為開展相關(guān)的研究工作提供實(shí)驗(yàn)條件。

X射線；環(huán)境水平；輻射線質(zhì)；標(biāo)準(zhǔn)輻射場；半值層；有效能量

[First-author’s address]National Institute for Radiological Protection, Chinese Center for Disease Control and Prevention, Beijing 100088, China.

在開展放射診療建設(shè)項(xiàng)目職業(yè)病危害、放射防護(hù)評價(jià)等輻射檢測工作時(shí)，經(jīng)常需要使用環(huán)境水平X射線、γ射線輻射劑量儀(簡稱劑量儀)對場所的電離輻射水平進(jìn)行測量。按照國家法律、法規(guī)的相關(guān)規(guī)定，此類劑量儀均屬于計(jì)量器具，須按年度在國家計(jì)量認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室完成檢定或校準(zhǔn)[1]。由于建立X射線環(huán)境水平標(biāo)準(zhǔn)裝置相對于γ射線而言難度較大，因而目前國內(nèi)一些標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室尚未建立規(guī)范的X射線環(huán)境水平標(biāo)準(zhǔn)裝置，對此類環(huán)境水平劑量儀僅能提供γ射線的檢定和校準(zhǔn)服務(wù)。為了與國際標(biāo)準(zhǔn)接軌，更好地完成劑量儀的校準(zhǔn)工作，本研究在中國疾病預(yù)防控制中心輻射防護(hù)與核安全醫(yī)學(xué)所醫(yī)用放射診療設(shè)備應(yīng)用質(zhì)量控制實(shí)驗(yàn)室(SSDL國家二級標(biāo)準(zhǔn)劑量學(xué)實(shí)驗(yàn)室)，按照國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)發(fā)布的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合我國現(xiàn)行的國家標(biāo)準(zhǔn)(GB)技術(shù)規(guī)范，測定了標(biāo)準(zhǔn)輻射線質(zhì)、有效能量和平均能量等參考條件，完成了標(biāo)準(zhǔn)輻射場半值層和校準(zhǔn)點(diǎn)空氣比釋動(dòng)能率等基本參數(shù)的測定，建立了用于X射線環(huán)境水平輻射劑量儀的標(biāo)準(zhǔn)裝置[2-5]。

1 材料與方法

1.1 X射線源

X射線源是由德國飛利浦(PHILIPS)公司生產(chǎn)的MG324雙極恒電壓高穩(wěn)定度X射線機(jī)提供。該機(jī)為輻射劑量學(xué)專用X射線機(jī)型。峰值管電壓60～250 kV連續(xù)可調(diào)，調(diào)節(jié)步節(jié)為0.2 kV[6]。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)劑量儀

首先由PTW-UNIDOS標(biāo)準(zhǔn)劑量儀主機(jī)，配置體積為30 cm3標(biāo)準(zhǔn)空氣電離室(Model TK30)完成不同輻射線質(zhì)半值層的測量，之后更換體積為1000 cm3的球形標(biāo)準(zhǔn)空氣電離室(Model LS01)完成校準(zhǔn)參考點(diǎn)的空氣吸收劑量率等X射線環(huán)境水平標(biāo)準(zhǔn)輻射場基本參數(shù)的測量[8]。標(biāo)準(zhǔn)劑量儀具有優(yōu)良的能量響應(yīng)特性，其校準(zhǔn)因子可溯源到IAEA次級標(biāo)準(zhǔn)劑量學(xué)實(shí)驗(yàn)室。輻射場的長期穩(wěn)定性是由LS01電離室和精密數(shù)字電流積分儀構(gòu)成的測量系統(tǒng)完成。

1.3 附加過濾片和吸收片

本實(shí)驗(yàn)室測量半值層所使用的附加過濾片和吸收片是由IAEA資助，分別采用高純度(99.9%)的鋁、銅、錫及鉛等金屬材料壓制而成，其厚度精度為10 μm[9]。

1.4 附屬檢測設(shè)備

構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)裝置的溫度計(jì)和氣壓表由國家計(jì)量院和國家氣象局定期地完成校準(zhǔn)，配置的測量車、軌道和激光定位儀等附屬檢測裝置的技術(shù)指標(biāo)和性能完全滿足輻射劑量學(xué)的測量要求。

1.5 半值層的測量方法

將施加在X射線管兩極間的峰值電壓(kVp)用來表示射線的線質(zhì)，是因?yàn)楣茈妷涸礁?，X射線管內(nèi)的電子運(yùn)動(dòng)速度就越快，撞擊陽極靶面的能量就越高。然而，有用線束光子的有效能量與附加過濾片厚度密切相關(guān)。由于X射線機(jī)輸出的光子束并不是單一的能量，而是由一個(gè)連續(xù)能譜分布的光子束組成[10]。因此，對有用X射線束輻射線質(zhì)的描述需要該線束光子能譜的詳細(xì)說明。測量X射線能譜需要專門的設(shè)備和知識，在絕大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室很難完成。一種公認(rèn)可行的方法是通過測定X射線的半值層(half-value layer，HVL)來確定其輻射特性。HVL是表示光子穿透物質(zhì)能力的特征參數(shù)，在相同峰值管電壓條件下，附加過濾片越厚，HVL越大，有用線束穿透能力越強(qiáng)。所謂半值層就是使在X射線束某一點(diǎn)的空氣吸收劑量率減少一半時(shí)所需要的標(biāo)準(zhǔn)吸收片的厚度。在輻射劑量學(xué)測量HVL時(shí)，常采用一組厚度均勻的、高純度的鋁片或銅片做標(biāo)準(zhǔn)吸收片，使用X射線劑量儀測量出各種峰值管電壓條件下的衰減曲線，內(nèi)插求得HVL值[11]。

1.6 測量HVL的幾何條件

依據(jù)現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)推薦的幾何條件完成對測量HVL所用輻射場的布放，線束的中心由專用激光準(zhǔn)直器準(zhǔn)直，確保電離室始終準(zhǔn)確定位于有用線束的中心位置[4]。測量X射線環(huán)境線質(zhì)半值層的幾何條件設(shè)置如圖1所示，為了減少在測量中HVL吸收片散射對電離室的影響，吸收片與電離室c～e間的距離應(yīng)為500 mm。

圖1 X射線環(huán)境線質(zhì)HVL測量示意圖

1.7 HVL值的測量

本研究首先按照ISO4037的L系列規(guī)范在35～240 kV內(nèi)選定了35 kV、55 kV、100 kV、170 kV及240 kV5種常用峰值管電壓，在X射線機(jī)控制臺(tái)上設(shè)定編碼依次為230～234，在b位置安放相應(yīng)的附加過濾片。標(biāo)準(zhǔn)輻射場設(shè)定的輻射線質(zhì)條件見表1。

表1 標(biāo)準(zhǔn)輻射場設(shè)定的輻射線質(zhì)條件

在支架c處沒有放置任何吸收片的條件下，使用PTW劑量儀測量出TK30型標(biāo)準(zhǔn)空氣電離室的劑量率讀數(shù)值，稱為無衰減束(初級線束)測量值；然后依次分別將0.05～8.00 mm系列不同厚度的鋁或銅吸收片放置于距X射線管靶焦點(diǎn)500 mm處的支架c處，在相同條件下測量并記錄不同厚度吸收片的劑量率讀數(shù)值。

2 測量結(jié)果及數(shù)據(jù)處理

2.1 內(nèi)插法求出HVL值

根據(jù)上述每種峰值管電壓條件下測量的讀數(shù)值與吸收片厚度的對應(yīng)關(guān)系，分別繪制衰減曲線，通過在衰減曲線上查出50%透過率所對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)吸收片的厚度，即得到一組相應(yīng)輻射線質(zhì)的HVL值。

2.2 計(jì)算查表獲得有效能量和平均能量

分別根據(jù)測定的輻射線質(zhì)的HVL值，通過計(jì)算和查表，分別得到相應(yīng)的有效能量和平均能量[12]。

2.3 測定校準(zhǔn)參考點(diǎn)的空氣比釋動(dòng)能率

按照上述5種輻射線質(zhì)，使用PTW-UNIDOS標(biāo)準(zhǔn)劑量儀主機(jī)，連接體積為1000 cm3的標(biāo)準(zhǔn)空氣電離室(Model LS01)，分別測量距離X射線管焦點(diǎn)3.0 m處校準(zhǔn)參考點(diǎn)的空氣比釋動(dòng)能率值，完成X射線環(huán)境水平標(biāo)準(zhǔn)輻射場基本參數(shù)的測量(見表2)。

表2 X射線環(huán)境水平標(biāo)準(zhǔn)輻射場基本參數(shù)

2.4 建立常用的實(shí)用量校準(zhǔn)參考條件

依據(jù)現(xiàn)行的國家標(biāo)準(zhǔn)給出的一系列X射線標(biāo)準(zhǔn)輻射場空氣比釋動(dòng)能外照射轉(zhuǎn)換系數(shù)，結(jié)合已測定的標(biāo)準(zhǔn)輻射場HVL和空氣比釋動(dòng)能率值，分別計(jì)算獲得輻射防護(hù)實(shí)用量，周圍劑量當(dāng)量H*(10)，以及放射工作人員個(gè)人劑量監(jiān)測所需的深部個(gè)人劑量當(dāng)量HP(10)和淺表個(gè)人劑量當(dāng)量HP(0.07)等實(shí)驗(yàn)參考條件[13-14]。相關(guān)的空氣比釋動(dòng)能外照射轉(zhuǎn)換系數(shù)見表3。

表3 X射線標(biāo)準(zhǔn)輻射場空氣比釋動(dòng)能外照射轉(zhuǎn)換系數(shù)(Sv/Gy)

3 測量結(jié)果分析

(1)表2中所示的X射線標(biāo)準(zhǔn)裝置的5種輻射線質(zhì)的空氣比釋動(dòng)能率值，是在距離X射線管焦點(diǎn)3.0 m處測得，是綜合考慮盡量減少空氣吸收、散射對參考點(diǎn)劑量測量的影響，以及LS01標(biāo)準(zhǔn)電離室的尺寸和探測靈敏度等因素后而選定。

(2)新建標(biāo)準(zhǔn)裝置的空氣比釋動(dòng)能率值，是經(jīng)過分別調(diào)整5種線質(zhì)的X射線管電流，使劑量率控制在平均83 μGy/h左右?？摄暯右呀⒍嗄甑摩蒙渚€環(huán)境水平標(biāo)準(zhǔn)裝置(137Cs，662 keV，校準(zhǔn)參考點(diǎn)的空氣比釋動(dòng)能率值現(xiàn)為82.04 μGy/h)，方便地開展各類探測器的能量響應(yīng)特性研究和劑量儀的校準(zhǔn)工作[15]。

(3)經(jīng)逐條比對國際標(biāo)準(zhǔn)化組織發(fā)布的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)(ISO-4037)和我國現(xiàn)行的國家標(biāo)準(zhǔn)(GB-12162)中：常用X射線環(huán)境水平標(biāo)準(zhǔn)輻射場的輻射線質(zhì)規(guī)范，本實(shí)驗(yàn)室測定的輻射場特征參數(shù)與相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)相比差別均＜2%，符合建立標(biāo)準(zhǔn)輻射場溯源性的要求[15]。

(4)標(biāo)準(zhǔn)裝置的不確定度評定，是分別按不確定度A類評定和不確定度B類評定后進(jìn)行合成的擴(kuò)展不確定度[16](見表4)。

表4 X射線環(huán)境水平標(biāo)準(zhǔn)裝置的不確定度評定(%)

4 討論

(1)標(biāo)準(zhǔn)建立中使用的標(biāo)準(zhǔn)吸收片除了要滿足純度和厚度誤差要求之外，在測量HVL時(shí)，應(yīng)盡可能選用同一組吸收片以減少累計(jì)厚度的誤差，才能在數(shù)據(jù)處理后獲得平滑的衰減曲線。

(2)在HVL測量中對劑量儀電離室的能量響應(yīng)有比較嚴(yán)格要求，特別是對于X射線環(huán)境水平較寬的輻射線質(zhì)能量范圍(30～211 keV)，這是本研究選用能響較好的TK30電離室的主要原因。

(3)由于測量HVL值是同時(shí)進(jìn)行的相對測量，故電離室測量HVL的讀數(shù)值可以不做溫度和氣壓的空氣密度(Kpt)修正；但測量空氣比釋動(dòng)能時(shí)為絕對測量，其讀數(shù)值必須做空氣密度(Kpt)修正。

(4)每一種新建的X射線環(huán)境水平輻射線質(zhì)顯示，其有效能量值與平均能量值十分接近，表2中差別最大的點(diǎn)L100只相差2%，其原因?yàn)橹剡^濾條件下環(huán)境水平X射線的能量譜和劑量譜均比較窄，且兩者的譜型十分接近，與國外相關(guān)的文獻(xiàn)報(bào)道相一致[11]。

5 結(jié)語

各項(xiàng)檢測結(jié)果表明，按照ISO相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)在本實(shí)驗(yàn)室研究和建立的X射線環(huán)境水平標(biāo)準(zhǔn)裝置，符合我國現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)的要求和技術(shù)規(guī)范，可以用于國際比對、校準(zhǔn)環(huán)境水平輻射劑量儀，并為開展相關(guān)的研究工作提供標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)條件。

[1]中華人民共和國主席令第28號.中華人民共和國計(jì)量法[S].全國人大常委會(huì)，1985.

[2]國家標(biāo)準(zhǔn).GB18871-2002電離輻射防護(hù)與輻射源安全基本標(biāo)準(zhǔn)[S].國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，2002：6-7.

[3]中華人民共和國衛(wèi)生部令第46號.放射診療管理規(guī)定[M].北京：人民衛(wèi)生出版社，2006：6-9.

[4]ISO 4037.X and gamma reference radiation for calibrating dosemeters and doserate meters and for determining their response as a function of photon energy-Part3：Cablibration of area andpersonal dosemeters and the measurement of their response as a function[S].2004：1-46.

[5]國家標(biāo)準(zhǔn).GB/T 12162.3-2004場所劑量儀和個(gè)人劑量計(jì)的校準(zhǔn)及其能量響應(yīng)和角響應(yīng)的測定[S].國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，2004：15-21.

[6]趙士庵，歐向明，崔廣志，等.X射線照射量標(biāo)準(zhǔn)裝置的研究和建立[J].中華放射醫(yī)學(xué)與防護(hù)雜志，1995，15(1)：30-31.

[7]國家標(biāo)準(zhǔn).GB/T 12162.2-2004用于校準(zhǔn)劑量儀和劑量率儀及確定其能量響應(yīng)的X和γ參考輻射第2部分：輻射防護(hù)用的能量范圍附錄A半值層的測量[S].國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，2004-02-04.

[8]李士駿.電離輻射劑量學(xué)[M].北京：原子能出版社，1981：115-116.

[9]IAEA.Dosimetry in diagnostic radiology an international code of practice[R].Vienna：IAEA，2005.

[10]韓奎初，丁聲耀.實(shí)用電離輻射劑量學(xué)[M].北京：原子能出版社，1996：279-280.

[11]Seelentag WW，Penzer W.A catalogue of spectra used for calibration of dosemeter[R].GSF-Bericht S 560，1979：35-55.

[12]Hubbell JH，Seltzer SM.(1995)Table of X-ray mass attenuation coefficients a mass energyabsorption coefficients from 1 keV to 20 MeV for elements Z=1 to Z=92 and additional substances of dosimetric interest[R].Maryland：NISTIR 563，1995.

[13]國家職業(yè)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn).GBZ 207-2008外照射個(gè)人劑量系統(tǒng)性能檢驗(yàn)規(guī)范[S].中華人民共和國衛(wèi)生部，2008-03-04.

[14]國家職業(yè)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn).GBZ 128-2002職業(yè)性外照射個(gè)人監(jiān)測規(guī)范[S].中華人民共和國衛(wèi)生部，2002-04-08.

[15]崔廣志，尉可道，趙士安，等.γ射線照射量環(huán)境水平標(biāo)準(zhǔn)裝置的研究與建立[J].中華放射醫(yī)學(xué)與防護(hù)雜志，1993，13(5)：295-298.

[16]國家計(jì)量技術(shù)規(guī)范.JJF1059測量不確定度評定與表示[S].國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局，1999：7-20.

The establishment of x-ray environmental standard calibration quality/

OU Xiang-ming, ZHAO Shi-an, DING Yan-qiu// China Medical Equipment,2014,11(1):8-11.

Objective:According to the requirement of ISO and National Standard, new X-ray environmental standard for the calibration of environmental dosimeter was established in Beijing SSDL.Methods:Half value layer and air kerma dose-rate was determined in the X-ray environmental qualities by a standard dosimeter.Results:The technical requirement of ISO and National Standard are met within 2% for the X-ray environmental standard qualities in Beijing SSDL.Conclusion:The X-ray standard radiation field can be used for the calibration of environmental dosimeters and experiment of research.

X-ray; Environmental level; Radiation qualities; Standard calibration field; Half value layer; Effective energy

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2014.01.003

1672-8270(2014)01-008-04

R145

A

2013-11-22

衛(wèi)生行業(yè)科研專項(xiàng)(201002009)“輻射危害控制與核輻射衛(wèi)生應(yīng)急處置關(guān)鍵技術(shù)研究及其應(yīng)用”

①中國疾病預(yù)防控制中心輻射防護(hù)與核安全醫(yī)學(xué)所 輻射防護(hù)與核應(yīng)急中國疾病預(yù)防控制中心重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100088

歐向明,男,(1964- ),本科學(xué)歷，主任技師。中國疾病預(yù)防控制中心輻射防護(hù)與核安全醫(yī)學(xué)所 輻射防護(hù)與核應(yīng)急中國疾病預(yù)防控制中心重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，從事醫(yī)用診療設(shè)備輻射防護(hù)劑量的研究工作。