X射线剂量当量仪校准因子不确定度评估

吕雅竹，赵 瑞，李德红，沙比哈·吐尔逊，郭 彬

(1. 中国计量科学研究院，北京 100029;2.新疆维吾尔自治区计量测试研究院，新疆 乌鲁木齐 830011)

1 引 言

随着X射线装置的使用日益广泛，有关X射线防护相关的剂量监测受到普遍重视，这不仅关系到相关职业人员的健康，而且是X射线安全利用的重要支持。因此，用于X射线防护剂量监测的剂量当量仪表的准确量值传递显得尤为重要[1]。

根据X射线剂量当量监测用防护仪表的校准需求，该类仪表校准因子的准确测量和不确定度分析作为量传过程中最为重要的环节，受到各级计量标准实验室的重视。本文以较为常用的能量范围(60～250 keV)的X射线剂量当量仪表校准为例，对其校准因子进行不确定度分析。

2 材料和方法

使用溯源至X射线空气比释动能国家基准的剂量标准电离室在参考辐射场中进行测量，得到测量点位置处的空气比释动能率。以该测量点作为参考点，采用替代法，将待校准的X射线剂量当量仪置于该参考点，使得待校仪表等效中心与参考点位置重合，并进行校准操作。因此，针对X射线剂量当量仪的校准需要使用一系列的装置[2]。

2.1 标准装置

完整的X射线空气比释动能剂量标准装置由X射线辐射场、标准器(电离室及剂量仪)、温湿度计、气压计和定位装置等设备组成。

1)X射线辐射场

由X射线光机、过滤系统、光阑和监督电离室等组成，可以提供一定范围的空气比释动能率。作为标准参考辐射场，其半值层、同质系数、平方反比定律的偏离、散射线剂量份额等指标参数须符合GB/T 12162.1—2000等标准要求[3]。

2)标准电离室及剂量仪

用来对标准参考辐射场的空气比释动能率进行定值，标准电离室置于参考辐射场中，通过剂量仪测量电离电流，从而得到空气比释动能率，其稳定性、重复性等参数需满足标准装置的要求。

3) 温度计、气压计和湿度计

用于对标准参考辐射场进行定值过程中环境温度和气压的监测，以便进行温度和气压修正。

4)定位装置

用于对标准参考辐射场的空气比释动能率进行定值和剂量当量仪表校准过程中，放置标准电离室和剂量当量仪表。

2.2 测量原理

采用标准电离室测量辐射场空气比释动能率，并归一到标准条件(20 ℃，101.325 kPa)下的表达式为[4]：

(1)

(2)

校准过程中辐射野须能覆盖标准电离室和待校剂量当量仪表，校准因子为：

(3)

2.3 校准过程

基于JCGM和国际原子能机构不确定度指南的建议[5,6]，X射线空气比释动能校准所有不确定来源需要确认并采用A类或B类不确定度方法评定[7,8]。采用替代法对防护剂量监测用的X射线剂量当量仪进行量值传递。总体来看，校准因子的不确定度评定可按照校准过程的两个步骤进行。

第一步：用标准电离室测量X射线束的空气比释动能率相关的不确定度，包括测量仪器稳定性导致的不确定度。根据GB/T 12162.1—2000，将溯源至X射线空气比释动能基准装置的标准电离室置于X射线参考辐射场距焦点1～2 m范围内的某一位置，X射线焦点与电离室中心同轴。给电离室施加工作电压，待电离室内外温度达到平衡之后，在持续辐照条件下多次测量，同时记录温度计和气压计读数，利用式(1)和式(2)计算可得到该位置处剂量当量率。图1为X射线束校准装置示意图。

图1 X射线束校准装置示意图Fig.1 Schematic diagram of set-up for calibration in X-ray beams

第二步：将待校准的剂量当量仪表(用户仪器)替代标准电离室，待校仪表的等效中心与电离室中心重合，待仪表稳定之后，记录在该位置处剂量当量仪表的显示值，利用式(3)计算可得到该剂量当量仪表的校准因子。

3 结果分析

对校准因子的不确定度分析，首先需要确定对校准结果有影响的不确定度来源，每个影响的来源可作为一个不确定度分量，分析并定量评定各不确定度分量。标准不确定度分量评定可采用A类或B类评定方法[9]。

3.1 第一步操作

校准过程的第一步操作是通过标准电离室测量和转换计算得到参考点位置处的剂量当量率。不确定度来源包括：

1)标准电离室刻度因子引入的不确定度分量

根据溯源至X射线空气比释动能基准的证书可得标准电离室校准因子的相对扩展不确定度，该不确定度采用B类评定方法。

2)辐射场与上级辐射场的差异

由于标准实验室与上级标准实验室辐射质可能存在差异，标准电离室对于不同辐射质的能量响应差异的不确定度，即由于标准电离室能量响应导致的不确定度，通过电离室证书可以得到，采用B类评定方法评定。

3)标准电离室的长期稳定性

根据至少两次溯源至X射线空气比释动能基准的校准因子的相对变化得到长期稳定性导致的不确定度，通过历年的溯源证书得到，属于B类评定方法。

4)温度气压测量不确定度

标准电离室测量过程中，还需要根据温度和气压进行气体密度修正，温度气压修正值的不确定度，应包括测量结果的统计标准偏差(A类)和温度气压仪表本身溯源的不确定度(B类)。

5)监督电离室的稳定性

X射线参考辐射场中，使用监督电离室实时监控出射X射线的变化，涉及到监测电离室电离电流测量结果的统计标准偏差，采用A类不确定评定方法。

6)标准电离室测量结果的统计标准偏差

辐射场参考值确定过程中，需要使用标准电离室多次测量取平均值得到，多次测量结果的统计标准偏差导致的不确定度采用A类不确定评定方法。

7)剂量当量转换因子不确定度

剂量当量率须由空气比释动能率乘以转换因子而得到；因此，校准点位置处剂量当量率的不确定度的来源还应包含剂量当量转换因子不确定度。可通过相关标准报告查询得到，采用B类不确定度评定方法分析转换因子的不确定度贡献[10]。

3.2 第二步操作

校准过程的第二步是将待校准的剂量当量仪表替代标准电离室，待仪表稳定之后开始测量，通过该位置处的剂量当量参考值和仪表读数之比，可得到校准因子。其不确定度来源包括：

1)待校仪表的读数统计标准偏差

多次重复测量过程中，统计标准偏差导致的不确定度，采用A类不确定度评定方法分析。

2)待校仪表位置与参考点位置差异导致的不确定度

实际放置校准仪表的过程中，校准仪表的探测中心可能会与标准电离室探测等效中心并不完全重合，此位置差异会导致的不确定度的产生。标准电离室和待校准仪表的放置过程中，使用量杆测量；因此待校仪表位置导致的不确定度可认为来自于量杆本身，该不确定度可通过量杆的溯源证书得到，采用B类评定方法。

3)辐射场不均匀导致的不确定度

待校仪表和标准电离室的测量显示值是覆盖辐射场体积的均值体现，实际上两者的几何尺寸存在差异；因此，辐射场不均匀导致的不确定度也是不确定度的来源之一。不均匀性是参考辐射场本身的性质，通过建标报告可以得到，采用B类评定方法确定。

4)监督电离室的稳定性

X射线参考辐射场中，使用监督电离室实时监控出射X射线的变化，由监测结果的统计标准偏差来表征，采用A类不确定评定方法。

5)温度气压测量不确定度

待校仪表在辐射场的测量过程中，需要进行温度和气压修正，该不确定度也是校准因子不确定度的来源之一。由测量结果的统计标准偏差(A类)和温度气压表本身溯源的不确定度(B类)两部分组成。

下面将给出修正到标准条件(20 ℃，101.325 kPa)下温度气压修正因子的不确定度评定过程[11～15]。温度气压修正因子可写为：

(4)

式中：

p=pm+δp
t=tm+δt

(5)

式中：p和t分别为测量过程中环境气压和温度的“真实值”；pm和tm分别为气压计和温度计的显示值； δp和δt分别为气压计和温度计的测量误差。

因此，Ktp可表示为：

(6)

(7)

根据式(6)和式(7)可以得到：

(8)

因此，温度气压的修正因子的不确定度可写为：

(9)

溯源证书上得到温度计和气压计的不确定度分别为0.08%和0.05%。由溯源证书可得到温度气压修正因子的B类不确定度评定结果为0.08%。

3.3 校准因子不确定度评定结果

X射线剂量当量仪校准因子不确定度各分量的评定结果见表1。

表1 X射线剂量当量仪校准因子的不确定评价Tab.1 Uncertainty evaluation of calibration factor for X-ray dose equivalent instrument (%)

4 结 语

经过对X射线剂量当量仪校准因子的不确定分析和评定，得出该仪表的校准因子扩展不确定度为5.0%。通过不确定度分量评定过程可以看出：标准实验室的参考辐射场校准点处的剂量当量率的不确定度影响较大，其中标准电离室本身的刻度因子和能量响应，以及剂量当量转换因子的不确定度的贡献较大。此外，待检仪表测量结果的统计标准偏差，辐射场均匀性的不确定度的贡献也占有重要部分。在对该类仪表进行校准或者量值传递时，通过提高辐射场参考值的不确定度水平可以显著改善待校仪表校准因子的不确定度。