屈冰冰，吳金杰，魯平周，李夢(mèng)宇，宋 飛，張德亮，馬英杰，趙 瑞

(1.成都理工大學(xué)核技術(shù)與自動(dòng)化工程學(xué)院，四川成都610059；2.中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院，北京100029)

1 引 言

隨著核技術(shù)應(yīng)用的迅速發(fā)展，輻射防護(hù)的任務(wù)顯得尤為重要。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我們國(guó)家的輻射防護(hù)儀表有數(shù)十萬(wàn)臺(tái)，進(jìn)行環(huán)境輻射監(jiān)測(cè)的衛(wèi)生防疫系統(tǒng)和環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有近幾百個(gè)單位。輻射防護(hù)儀表為電離輻射的應(yīng)用提供了準(zhǔn)確可靠的測(cè)量基礎(chǔ)，每年需要進(jìn)行定期檢定[1,2]。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)頒布的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 4037-1作為輻射防護(hù)國(guó)際推薦文件是建立輻射防護(hù)輻射質(zhì)最重要的依據(jù)，該標(biāo)準(zhǔn)推薦了用于校準(zhǔn)劑量?jī)x和劑量率儀及確定其能響過(guò)濾的X射線參考輻射低空氣比釋動(dòng)能率、窄譜、寬譜以及高空氣比釋動(dòng)能率等4個(gè)系列。JJG 2043—2010 《(60～250)kV X射線空氣比釋動(dòng)能計(jì)量器具》、JJG 393—2018《便攜式X、γ輻射周圍劑量當(dāng)量(率)儀和監(jiān)測(cè)儀》和GB/T 12162.1—2000《用于校準(zhǔn)劑量?jī)x和劑量率儀及確定其能量響應(yīng)的X和γ參考輻射 第1部分：輻射特性及產(chǎn)生方法》等相關(guān)技術(shù)規(guī)范明確規(guī)定：采用窄譜輻射質(zhì)(N系列)規(guī)范開展儀表的檢定和校準(zhǔn)，其劑量的準(zhǔn)確測(cè)量是開展輻射防護(hù)工作的關(guān)鍵[3～6]。

目前，國(guó)際上大部分國(guó)家計(jì)量實(shí)驗(yàn)室均已建立X射線輻射防護(hù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)裝置，并開展輻射防護(hù)儀表的量值傳遞工作。2013～2016年，由澳大利亞輻射防護(hù)和核安全機(jī)構(gòu)(Australian Radiation Protection and Nuclear Safety Agency,ARPANSA)主導(dǎo)，組織德國(guó)聯(lián)邦物理技術(shù)研究院(Physikalisch-Technische Bundesanstalt,PTB)、日本計(jì)量院(National Metrology Institute of Japan,NMIJ)等實(shí)驗(yàn)室按照ISO 4037-1規(guī)定的窄譜系列輻射質(zhì)進(jìn)行了X射線空氣比釋動(dòng)能比對(duì)(APMP.RI(I)-S3)，各參比實(shí)驗(yàn)室均已建立窄譜X射線輻射質(zhì)，并且直接或間接溯源至基準(zhǔn)。根據(jù)比對(duì)結(jié)果，參比實(shí)驗(yàn)室基準(zhǔn)電離室空氣比釋動(dòng)能率不確定度范圍為0.42%～0.52%，傳遞電離室校準(zhǔn)因子不確定度范圍為0.48%～0.73%[7]。

我國(guó)已建立60～250 kV X射線空氣比釋動(dòng)能國(guó)家基準(zhǔn)裝置，并于2017年完成國(guó)際關(guān)鍵比對(duì)(BIPM.RI(I)-K3)，實(shí)現(xiàn)了國(guó)際等效與互認(rèn)[8]，對(duì)于窄譜X射線的量值復(fù)現(xiàn)也有相關(guān)研究。根據(jù)ICRU 90號(hào)報(bào)告，對(duì)于X射線空氣比釋動(dòng)能的絕對(duì)測(cè)量，其電離功的不確定度由原先的0.15%增加至0.35%，中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院對(duì)防護(hù)水平X射線輻射質(zhì)下空氣比釋動(dòng)能的絕對(duì)測(cè)量進(jìn)行了完善，重新評(píng)估了測(cè)量不確定度。

本文首先利用蒙特卡羅程序模擬能譜得到相應(yīng)的譜分辨率和平均能量，再與ISO 4037-1推薦值進(jìn)行比較，并利用基準(zhǔn)電離室完成窄譜輻射質(zhì)空氣比釋動(dòng)能的量值復(fù)現(xiàn)；然后通過(guò)等效替代法完成防護(hù)水平電離室的校準(zhǔn)；最后進(jìn)行不確定度分析。本研究為輻射防護(hù)領(lǐng)域計(jì)量?jī)x表的量值溯源提供了計(jì)量保證，促進(jìn)了國(guó)內(nèi)X射線空氣比釋動(dòng)能測(cè)量的技術(shù)交流與合作，為后續(xù)國(guó)內(nèi)輻射防護(hù)儀表的比對(duì)做了鋪墊。

2 實(shí)驗(yàn)方法與原理

2.1 X射線輻射裝置

X射線標(biāo)準(zhǔn)輻射裝置主要由X射線光機(jī)、屏蔽箱、光闌(初級(jí)、次級(jí))、快門、過(guò)濾盤、可移動(dòng)導(dǎo)軌、控制軟件等組成，其示意圖如圖1所示。

圖1 輻射裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the irradiation device

該裝置所用的X射線光機(jī)為雙極性工業(yè)X光機(jī)，靶材料為鎢(W)。過(guò)濾盤主要是由附加過(guò)濾片、附加過(guò)濾控制盤、旋轉(zhuǎn)平臺(tái)及控制器組成。中能X射線空氣比釋動(dòng)能基準(zhǔn)電離室是平板型自由空氣電離室，由中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院(National Institute of Metrology，NIM)自主設(shè)計(jì)研發(fā)，是我國(guó)實(shí)現(xiàn)國(guó)際比對(duì)及國(guó)內(nèi)量值傳遞的重要設(shè)備，為各類傳遞電離室檢定及校準(zhǔn)提供參考標(biāo)準(zhǔn)值，由光闌、高壓極、收集極、保護(hù)極和屏蔽外殼等組成[9～13]。

2.2 窄譜X射線參考輻射質(zhì)

對(duì)于60～250 kV窄譜X射線參考輻射質(zhì)來(lái)說(shuō)，半值層用銅片厚度(mmCu)來(lái)表示。半值層包含第一半值層和第二半值層，第一半值層是使輻射束的空氣比釋動(dòng)能率減小到其初始值的一半所需的吸收片的厚度，第二半值層是使輻射束的空氣比釋動(dòng)能率從初始值的1/2減小到初始值的1/4所需的吸收片的厚度[14～16]。根據(jù)ISO 4037-1文件規(guī)定：如果兩個(gè)X射線束的第一半值層和第二半值層的偏差都在±5%以內(nèi)，則可認(rèn)為兩個(gè)射線束本質(zhì)上具有相同的輻射質(zhì)。

X射線能譜是用來(lái)表征X射線輻射質(zhì)最直觀的參數(shù)。每一個(gè)X射線輻射質(zhì)都對(duì)應(yīng)唯一一個(gè)特定的X射線能譜，運(yùn)用從能譜中讀取的數(shù)據(jù)可以通過(guò)計(jì)算得到表征該輻射質(zhì)的平均能量、半值層、能譜分辨率等物理量。目前對(duì)于X射線能譜測(cè)量通常采用蒙特卡羅程序模擬的方法，通過(guò)模擬驗(yàn)證所建立的輻射質(zhì)，為X射線空氣比釋動(dòng)能準(zhǔn)確測(cè)量奠定基礎(chǔ)。

2.3 X射線量值復(fù)現(xiàn)原理

X射線與電離室空腔內(nèi)的空氣作用產(chǎn)生電子-離子對(duì)。在強(qiáng)電場(chǎng)下，電子和正離子分別向正極和負(fù)極漂移，從而被收集極收集形成電離電流。由于電離電流與X射線的空氣比釋動(dòng)能成正比，測(cè)量該電離電流即可得到空氣比釋動(dòng)能[17,18]。實(shí)際測(cè)量中，由于電離室結(jié)構(gòu)及物理機(jī)制帶來(lái)的修正項(xiàng)、溫度氣壓的修正以及極小部分初級(jí)電子能量會(huì)通過(guò)軔致輻射損失能量等原因，收集到的電離電流并不是按假設(shè)條件收集到的。因此，綜合以上對(duì)軔致輻射與修正因子的考慮，自由空氣電離室復(fù)現(xiàn)空氣比釋動(dòng)能率的原理如式(1)：

(1)

∏ki=ka·ks·kd·kp·kpol·kdia·kh·ke·ksc

(2)

式中：ka為空氣衰減修正因子；ks為復(fù)合損失修正因子；kd為電場(chǎng)畸變修正因子；kp為前臂穿透修正因子；kpol為正負(fù)極性修正因子；kdia為光闌邊沿穿透修正因子；kh為空氣濕度修正因子；ke為電子損失修正因子；ksc為散射熒光修正因子。

2.4 替代法

通常輻射監(jiān)測(cè)儀器測(cè)量的量最終需要溯源至國(guó)家基準(zhǔn)，對(duì)于輻射監(jiān)測(cè)儀器在X射線能量段的量值傳遞，通常采用替代法進(jìn)行檢定和校準(zhǔn)[19～21]。替代法的原理是首先利用基準(zhǔn)電離室在距離X光機(jī)焦斑1m參考點(diǎn)處進(jìn)行空氣比釋動(dòng)能的量值復(fù)現(xiàn);然后將傳遞電離室放置于參考點(diǎn)處，保證測(cè)量條件完全一致，測(cè)量得到傳遞電離室的電離電流示值，通過(guò)計(jì)算得到傳遞電離室在該輻射質(zhì)下的校準(zhǔn)因子。傳遞電離室PTW-32005和PTW-23361參數(shù)見表1。

表1 本文所用傳遞電離室參數(shù)Tab.1 Transfer ionization chamber parameters

由式(3)表示為：

(3)

對(duì)于較大體積的防護(hù)水平電離室，如PTW-32002，考慮到1 m處的均勻輻射野大小未能完全覆蓋其有效探測(cè)體積，需將傳遞電離室移至距離焦斑較遠(yuǎn)位置處進(jìn)行測(cè)量，但此時(shí)基準(zhǔn)電離室測(cè)量電離電流較低，故采用逐級(jí)替代法完成較大體積電離室的校準(zhǔn)。將傳遞電離室移動(dòng)至距離X光機(jī)焦斑2.25 m的待測(cè)點(diǎn)處，保證除距離外其余測(cè)量條件與測(cè)得該校準(zhǔn)因子時(shí)的測(cè)量條件完全一致，通過(guò)微電流測(cè)量系統(tǒng)測(cè)得此處的電離電流。待測(cè)點(diǎn)處的空氣比釋動(dòng)能率可由式(4)表示為：

(4)

最后對(duì)PTW-32002(參數(shù)見表1)電離室進(jìn)行校準(zhǔn)測(cè)量。將其置于待測(cè)點(diǎn)處，保證測(cè)量條件與傳遞電離室得到該點(diǎn)處的空氣比釋動(dòng)能時(shí)的測(cè)量條件完全一致，通過(guò)微電流測(cè)量系統(tǒng)測(cè)得此處的電離電流I2。則PTW-32002球形電離室的校準(zhǔn)因子可由式(5)得到，即為：

(5)

3 測(cè)量結(jié)果與分析

3.1 窄譜系列X射線參考輻射質(zhì)的建立與能譜測(cè)量結(jié)果

根據(jù)ISO 4037-1，建立了7個(gè)窄譜系列X射線參考輻射質(zhì)，其中第一半值層1stHVL和第二半值層2ndHVL與ISO推薦值最大偏差均不超過(guò)4.2%，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，測(cè)量結(jié)果如表2所示。

表2 窄譜參考輻射質(zhì)特性Tab.2 Characteristics of narrow spectrum reference radiation quality

采用EGSnrc程序模擬X射線能譜，在粒子輸運(yùn)過(guò)程中，所有電子和光子的信息都保存在相空間文件中，運(yùn)用EGSnrc中的BEAMdp程序包解析相空間文件并獲得對(duì)應(yīng)的能譜分布數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到每個(gè)輻射質(zhì)對(duì)應(yīng)的模擬能譜，如圖2所示。通過(guò)數(shù)據(jù)分析得到模擬能譜的平均能量和譜分辨率，使其與ISO 4037-1推薦值相比較，平均能量偏差在1.04%以內(nèi)，譜分辨率偏差在7.1%以內(nèi)，符合規(guī)范要求的平均能量在±3%以內(nèi)和分辨率在 ±10% 以內(nèi)，結(jié)果如表3所示。

3.2 基準(zhǔn)電離室空氣比釋動(dòng)能量值復(fù)現(xiàn)及其不確定度分析

表3 窄譜輻射質(zhì)的譜分辨率和平均能量的蒙卡模擬結(jié)果Tab.3 Results of Monte Carlo simulations of the resolution and average energy of narrow spectrum radiation quality

圖2 窄譜參考輻射質(zhì)X射線模擬能譜Fig.2 The X-Ray Simulation Spectrum of narrow spectrum reference radiation quality

3.3 傳遞電離室校準(zhǔn)結(jié)果及其不確定度分析

傳遞電離室PTW-32005和PTW-23361的校準(zhǔn)因子的不確定度分析如表6所示。其中PTW-32005的校準(zhǔn)因子及其不確定度如圖3所示；PTW-23361的校準(zhǔn)因子及其不確定度與加拿大國(guó)家研究委員會(huì)(National Research Council Canada，NRC)的校準(zhǔn)(不確定度水平為0.8%)比較結(jié)果如表7所示，校準(zhǔn)因子及其不確定度如圖4所示，其校準(zhǔn)因子最大偏差為0.6%，在不確定度范圍內(nèi)符合較好。

PTW-32005和PTW-23361電離室在2.25 m處測(cè)得空氣比釋動(dòng)能率的不確定度分析如表8所示；PTW-32002電離室校準(zhǔn)因子的不確定分析如表9所示，其校準(zhǔn)因子及其不確定度如圖5所示。

表4 基準(zhǔn)電離室在距X光機(jī)1m處測(cè)得的空氣比釋動(dòng)能率

表5 基準(zhǔn)電離室測(cè)得空氣比釋動(dòng)能率的相對(duì)不確定度Tab.5 Relative uncertainty of air-kerma rate measured with primary standard ionization chamber (%)

表6 PTW-32005和PTW-23361的校準(zhǔn)因子的相對(duì)不確定度Tab.6 Relative uncertainty of calibration coefficient for PTW-32005 and PTW-23361 (%)

圖3 PTW-32005的歸一化校準(zhǔn)因子比較結(jié)果Fig.3 Comparison results of normalized calibration coefficient of PTW-32005

圖5 PTW-32002的歸一化校準(zhǔn)因子比較結(jié)果Fig.5 Comparison results of normalized calibration coefficient of PTW-32002

4 結(jié) 論

本文依托60～250 kV X射線空氣比釋動(dòng)能國(guó)家基準(zhǔn)裝置，利用EGSnrc蒙特卡羅程序模擬窄譜系列參考輻射質(zhì)下的X射線能譜，數(shù)據(jù)分析得到模擬能譜的平均能量和譜分辨率與ISO 4037-1推薦值比較，平均能量偏差均在1.04%以內(nèi)，譜分辨率偏差均在7.1%以內(nèi)，滿足要求。

在窄譜條件下利用基準(zhǔn)電離室完成了空氣比釋動(dòng)能量值復(fù)現(xiàn)，空氣比釋動(dòng)能測(cè)量結(jié)果相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.45%；通過(guò)替代法完成PTW-32005和PTW-23361兩個(gè)傳遞電離室的校準(zhǔn)，校準(zhǔn)因子的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度均為0.82%，最后利用PTW-32005和PTW-23361兩個(gè)傳遞電離室完成PTW-32002電離室的校準(zhǔn)，校準(zhǔn)因子相對(duì)擴(kuò)展不確定度為2.2%(k=2)。本研究為后續(xù)國(guó)內(nèi)的輻射防護(hù)儀表的檢定和校準(zhǔn)提供了有力參考。