趙 瑞，吳金杰，王二彥,2，文玉琴,2

(1.中國計(jì)量科學(xué)研究院，北京 100029；2.成都理工大學(xué)，四川 成都 610059)

核技術(shù)廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)診斷、放射治療、工業(yè)無損檢測、核能發(fā)電、輻照加工、材料分析和科學(xué)研究等領(lǐng)域[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，美國和日本的國民經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值(GDP)中核技術(shù)的貢獻(xiàn)約占3%～4%，美國核技術(shù)產(chǎn)生的年產(chǎn)值約為3 500億美元，其中非核能部分約占80%。我國核技術(shù)產(chǎn)生的年產(chǎn)值約為1 000億人民幣，僅占GDP的0.2%，中國核技術(shù)應(yīng)用有著很大的市場和很好的發(fā)展前景[2]。在核技術(shù)應(yīng)用過程中，輻射防護(hù)和環(huán)境監(jiān)測等問題越來越受到重視，對于該類探測器的性能評價，目前應(yīng)用最多的是能量處于60～250 kV(48～208 keV)范圍的X射線及137Cs(662 keV)能量段的γ射線。對于處在208～662 keV能量范圍之間的探測器，目前都無法進(jìn)行性能評價及準(zhǔn)確的量值溯源。為了保證量值統(tǒng)一，確保量值準(zhǔn)確可靠，需建立相應(yīng)的參考輻射裝置和測量能力。

國內(nèi)外已建立的X射線空氣比釋動能基準(zhǔn)中均使用平板自由空氣電離室復(fù)現(xiàn)空氣比釋動能[3]，主要是因?yàn)槠桨遄杂煽諝怆婋x室在中低能段有著較好的測量穩(wěn)定性。初級電子在空氣中的徑跡長度隨X射線能量的升高而加長，因此隨X射線能量的升高電子損失修正因子越大，精準(zhǔn)測量X射線空氣比釋動能所需電離室的體積也越大。德國物理技術(shù)研究院(PTB)利用長為120 cm、重約103kg的平板自由空氣電離室復(fù)現(xiàn)400 kV X射線空氣比釋動能。X射線能量越高，其穿透能力也越強(qiáng)，故需更厚的鉛屏蔽[4-5]。因此對400 kV及以上能量的X射線空氣比釋動能的復(fù)現(xiàn)將需要比PTB體積更大、屏蔽層更厚的自由空氣電離室，如此大的電離室在制作與保存上均存在困難。而對于高能段的γ射線，國際上則采用石墨空腔電離室復(fù)現(xiàn)空氣比釋動能[6-8]，如137Cs、60Co γ射線。石墨空腔電離室對較高能量的射線有較好的能量響應(yīng)、精度及穩(wěn)定性。本文將根據(jù)X射線能量不同，研究建立250～600 kV X射線參考輻射質(zhì)，根據(jù)空腔電離理論，研制用于測量中、高能段X射線的石墨空腔電離室，實(shí)驗(yàn)測量和模擬相應(yīng)的修正因子，最終復(fù)現(xiàn)X射線空氣比釋動能。在X射線管電壓為300 kV條件下研究利用自由空氣電離室復(fù)現(xiàn)空氣比釋動能，將兩種電離室復(fù)現(xiàn)的結(jié)果進(jìn)行對比，相互驗(yàn)證結(jié)果的可靠性及方法的可行性。

1 原理與方法

1.1 空腔電離理論

空腔電離理論是輻射劑量學(xué)中劑量計(jì)測量領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的理論[9-10]。通過空腔電離理論，利用空腔中的電離量來測量介質(zhì)單位質(zhì)量吸收的輻射能量。Bragg-gray原理基于空腔尺寸小于電子射程的假設(shè)：1) 空腔的存在不會改變初始光子通量密度在介質(zhì)中產(chǎn)生的次級電子譜；2) 空腔中產(chǎn)生的二次電子可忽略不計(jì)；3) 在次級電子可進(jìn)入空腔的范圍內(nèi)，初始光子注量是空間均勻的，意味著次級電子注量是均勻的。則Bragg-gray原理理論表達(dá)式為：

(1)

1.2 空氣比釋動能量值復(fù)現(xiàn)

運(yùn)用Brag-gray理論，利用石墨空腔電離室測量X射線空氣比釋動能，還需要引入相應(yīng)的修正因子，最終X射線空氣比釋動能Kair復(fù)現(xiàn)的原理[11]為：

∏kankrnkskstkwallkh

(2)

而利用自由空氣電離室復(fù)現(xiàn)空氣比釋動能原理的公式為：

(3)

式中：ρ0為溫度為273.15 K、壓強(qiáng)為101.32 kPa條件下的空氣密度；V為測量體積；ka為空氣衰減修正因子；ke為電子損失修正因子；ksc為散射修正因子；kd為電場畸變修正因子；kp為前壁穿透修正因子；kl為極性修正因子。

2 實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)測量

2.1 X射線輻射裝置

X射線輻射裝置包括X射線光機(jī)系統(tǒng)、支撐平臺、屏蔽箱及限束光闌、濾過裝置和自由空氣電離室及石墨空腔電離室等[12]。X射線光機(jī)系統(tǒng)主要組成部分為X射線光管、油冷卻系統(tǒng)、高壓發(fā)生器及控制系統(tǒng)等。中高能X射線光機(jī)型號為YXLON MG602，光管型號為MXR-601HP/11，光管的管電壓上限達(dá)到600 kV，是一種具有雙極性的光管，它主要由雙焦斑、陽極鎢靶及定向出束口組成，焦點(diǎn)尺寸有0.5 mm和1.5 mm兩種，靶角為11°。

2.2 X射線參考輻射質(zhì)

X射線管出射的X射線束是連續(xù)分布的，描述X射線輻射質(zhì)最好的方法是研究X射線能譜，但通常情況下用半值層(HVL)來表示X射線的貫穿能力。當(dāng)單能窄束X射線穿過某一物質(zhì)時，X射線空氣比釋動能率的變化滿足指數(shù)衰減規(guī)律，為：

I/I0=e-μd

(4)

式中：I0、I分別為X射線入射前、后對應(yīng)的空氣比釋動能率；μ為質(zhì)量衰減系數(shù)；d為X射線強(qiáng)度變?yōu)镮時入射的深度。

由式(4)可得出入射X射線的空氣比釋動能率被吸收的程度。對于同一種吸收物質(zhì)來說，μ是確定的，改變吸收體的厚度，穿過吸收體的X射線占初始空氣比釋動能率的份額不同。當(dāng)入射X射線的空氣比釋動能率減少到初始值的一半時得到的吸收體的厚度即為半值層HVL，即：

HVL=ln 2/μ

(5)

半值層測量示意圖如圖1所示，半值層測量時將吸收片放在X射線焦斑與電離室近似中間的位置，因此吸收片置于距X射線光焦斑60 cm處的位置，測量點(diǎn)與光焦斑之間的距離為120 cm，采用激光定位儀及量桿進(jìn)行定位和距離的測定，吸收片采用純度好于99.9%的銅片。

圖1 半值層測量示意圖Fig.1 Schematic of HVL measurement

ISO 4037-1中僅給出了管電壓為250 kV和300 kV時對應(yīng)的附加過濾片的材料及厚度，對于管電壓大于300 kV所使用的附加過濾厚度的確定方法是通過管電壓和平均能量的關(guān)系進(jìn)行曲線擬合，再根據(jù)擬合出的公式計(jì)算得出300 kV以后輻射質(zhì)的平均能量，然后利用EGSnrc模擬程序得到相應(yīng)的附加過濾厚度。具體方法為首先在BEAMnrc程序中加載提前設(shè)置好的光機(jī)模型，然后將光子輸運(yùn)模型XTUBE及FLATFILT模塊輸入(XTUBE模塊為設(shè)置光管參數(shù)的模塊，如靶傾角、靶材料；FLATFILT模塊為設(shè)置添加附加過濾材料和厚度的模塊)，在FLATFILT模塊中第3層設(shè)置光機(jī)的固有過濾，在9～12層設(shè)置附加過濾的材料及厚度，最終得到所需的附加過濾厚度，建立的250～600 kV X射線窄譜輻射質(zhì)列于表1。

表1 250～600 kV X射線窄譜輻射質(zhì)的建立Table 1 Establishment of 250-600 kV X-ray narrow spectrum radiation quality

a——300 kV；b——400 kV；c——500 kV；d——600 kV圖2 300～600 kV模擬能譜Fig.2 Simulation photon spectra of 300-600 kV

2.3 X射線能譜的模擬

采用蒙特卡羅模擬方法，用BEAMnrc程序包進(jìn)行能譜模擬。根據(jù)建立的250～600 kV X射線窄譜系列輻射質(zhì)和X射線光管的物理參數(shù)，運(yùn)用BEAMnrc模擬250～600 kV X射線注量譜。在BEAMnrc程序包中設(shè)置光機(jī)陽極靶為鎢，陽極靶的靶角為11°，固有過濾為厚度分別為3 mm和2 mm的鈹片組成，限束光闌采用鎢合金材料。本次模擬中參數(shù)選取不同電壓下的單能電子作為入射粒子，設(shè)置粒子數(shù)為5×108，電子的截止能量ECUT=0.512 MeV，光子的截止能量PCUT=0.001 MeV，其他數(shù)據(jù)采用默認(rèn)值。圖2為300～600 kV模擬能譜。

2.4 石墨空腔電離室

石墨空腔電離室采用球形設(shè)計(jì)，用于測量中高能X射線空氣比釋動能。電離室壁和收集桿部分均采用高純度石墨材料。收集桿主要包括收集極、絕緣體、保護(hù)環(huán)及中心導(dǎo)體，收集極同樣是由高純石墨材料構(gòu)成，保證空腔內(nèi)經(jīng)電離產(chǎn)生的離子盡可能多的被收集，對于球形電離室來說，收集極桿頂端形狀一般選用的是平頂圓弧形，收集極桿頂部位于腔室中心點(diǎn)位置[13]。具體結(jié)構(gòu)如圖3所示，通過測量得到內(nèi)外半徑及壁厚等參數(shù)，計(jì)算得到其有效體積為101.980 cm3。電離室飽和電壓為1 000 V，漏電小于5 fA。

圖3 球型石墨空腔電離室Fig.3 Spherical graphite cavity ionization chamber

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及驗(yàn)證

3.1 250～600 kV X射線重過濾窄譜空氣比釋動能測量結(jié)果

根據(jù)石墨空腔電離室復(fù)現(xiàn)X射線空氣比釋動能原理，在建立的參考輻射質(zhì)條件下，通過激光及量桿定位裝置將石墨空腔電離室固定在距離X射線焦斑1.2 m處，且電離室有效探測中心與輻射束中心處于同一水平面。將石墨空腔電離室通過微弱電離測量系統(tǒng)連接，利用湯遜補(bǔ)償法進(jìn)行電離電流的測量。

空氣比釋動能計(jì)算式中空氣與石墨的質(zhì)能吸收系數(shù)比值通過蒙特卡羅模擬程序計(jì)算得到，模擬中運(yùn)用EGSnrc模擬程序中的EGSRZnrc程序包，得到空氣的比釋動能和石墨材料的比釋動能，二者之比即為質(zhì)能吸收系數(shù)的比值。電離室石墨壁與空腔內(nèi)空氣的阻止本領(lǐng)的比值也是通過蒙特卡羅模擬程序，分別模擬石墨和空氣在相應(yīng)的能量下的總阻止本領(lǐng)值，二者之比即為空氣與石墨阻止本領(lǐng)比。軔致輻射份額常數(shù)為消耗于軔致輻射的能量占其初始能量的份額，使用EGSnrc程序進(jìn)行模擬計(jì)算得到。另外，電離功使用國際電離輻射委員會推薦值33.97 J/C。

修正因子的計(jì)算主要由實(shí)驗(yàn)測量和模擬得到[14-15]，其中實(shí)驗(yàn)測量得到的修正因子有射束軸向不均勻修正因子kan、射束徑向不均勻修正因子krn、桿散射修正因子kst、復(fù)合損失修正因子ks，通過蒙特卡羅模擬得到的修正因子有電離室壁修正因子kwall。另外，空氣濕度的變化會對空氣密度有影響，同時還會對電離功產(chǎn)生影響。國際電離輻射咨詢委員會(CCRI)在1977年給出濕度修正因子的推薦值，即在20 ℃和標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，空氣濕度在20%～80%之間變化時此項(xiàng)修正值為0.997 0。石墨空腔電離室復(fù)現(xiàn)空氣比釋動能修正因子列于表2。通過石墨空腔電離室復(fù)現(xiàn)空氣比釋動能的結(jié)果列于表3。

3.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)通過3種不同方法驗(yàn)證石墨空腔電離室測量結(jié)果：第1種是利用自由空氣電離室，完成300 kV輻射質(zhì)下空氣比釋動能的量值復(fù)現(xiàn)，將其結(jié)果與石墨空腔電離室復(fù)現(xiàn)的結(jié)果比較；第2種是利用石墨空腔電離室在137Cs γ射線輻射場中進(jìn)行空氣比釋動能量值復(fù)現(xiàn)，得到的結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較；第3種是利用石墨空腔電離室在60Co γ射線輻射場中進(jìn)行空氣比釋動能量值復(fù)現(xiàn)，得到的結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值比較。通過實(shí)驗(yàn)測量與蒙特卡羅模擬計(jì)算，分別完成了上述3種方法下空氣比釋動能的量值復(fù)現(xiàn)，其結(jié)果列于表4、5。

表2 石墨空腔電離室復(fù)現(xiàn)空氣比釋動能修正因子Table 2 Correction factor of air-kerma reproduced with graphite cavity ionization chamber

表3 石墨空腔電離室復(fù)現(xiàn)空氣比釋動能結(jié)果Table 3 Result of air-kerma reproduced with graphite cavity ionization chamber

表4 300 kV空氣比釋動能測量結(jié)果驗(yàn)證Table 4 Verification of measurement result of 300 kV air-kerma

表5 石墨空腔電離室在137Cs和60Co輻射場中測量結(jié)果驗(yàn)證Table 5 Verification of air-kerma measurement result of graphite cavity ionization chamber in 137Cs and 60Co radiation fields

3.3 不確定度分析

根據(jù)不同方法復(fù)現(xiàn)的空氣比釋動能公式，由各項(xiàng)分量進(jìn)行分析，最后合成總的不確定度，結(jié)果列于表6。

表6 空氣比釋動能測量不確定度分析Table 6 Uncertainty analysis of air-kerma measurement

4 結(jié)論

本文主要研究250～600 kV X射線空氣比釋動能的測量方法，建立了250～600 kV范圍內(nèi)8個重過濾窄譜系列輻射質(zhì)及測量得到相應(yīng)的半值層。通過EGSnrc模擬得到X射線能譜及平均能量。研制用于250～600 kV X射線空氣比釋動能測量的石墨空腔電離室，通過實(shí)驗(yàn)和模擬得到了相應(yīng)的物理常數(shù)及修正因子，完成了250～600 kV輻射質(zhì)下空氣比釋動能的量值復(fù)現(xiàn)。在300 kV輻射質(zhì)下，利用石墨空腔電離室完成空氣比釋動能量值復(fù)現(xiàn)，空氣比釋動能測量結(jié)果合成相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.45%；利用平板自由空氣電離室，完成空氣比釋動能量值復(fù)現(xiàn)，空氣比釋動能測量結(jié)果合成相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.61%，兩種方法測量結(jié)果的相對偏差為0.09%。為了驗(yàn)證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，利用該石墨空腔電離室在137Cs和60Co γ射線輻射場中完成空氣比釋動能的量值復(fù)現(xiàn)，測量結(jié)果與基準(zhǔn)值的相對偏差分別為0.27%和0.39%，二者在不確定度范圍內(nèi)相吻合。本文驗(yàn)證了石墨空腔電離室在復(fù)現(xiàn)中高能X射線空氣比釋動能的可行性，為石墨空腔電離室復(fù)現(xiàn)X射線空氣比釋動能探索一套方法，提高了X射線空氣比釋動能量值復(fù)現(xiàn)水平。