H－450 X射线参考辐射质的研建及验证

杭仲斌王红玉杨 静刘川凤滕忠斌徐 阳韦凯迪耿 璇张昕宇魏可新宋明哲∗

（1.中国原子能科学研究院，计量与校准技术重点实验室，北京 102413；2.中国计量科学研究院，北京 100029）

1 引 言

随着医学治疗、工业探伤及科学研究等领域的不断进步，管电压达450 kV 的X 射线装置的应用越来越广泛，对高能量X 射线计量器具的量值溯源需求日益迫切。 目前，中国已经建立了（10～60）kV 低能X 射线、（60～250）kV 中能X 射线，以及Cs、Coγ 射线空气比释动能基准，为填补X 射线平均能量介于（250～450）kV 的空缺，解决该能量段下的X 射线剂量仪表的量值溯源问题，急需建立（250～450）kV 段X 射线空气比释动能基准。

德国物理技术研究院（PTB）建立的X 射线空气比释动能国家基准量值复现能量达400 kV，目前为国际最高；另外，国际标准化组织（International Organization for Standardization，ISO）于2019年发布更新了ISO 4037－1 标准（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年发布的版本，标准中将4 个系列辐射质的管电压上限值从300 kV 提升至400 kV，并对（10～300）kV 管电压的辐射质数据进行了更新。 针对（10～400）kV 范围的辐射质的建立可以参考PTB和ISO 4037－1：2019，然而，可参考的450kV 管电压下的辐射质数据都是基于蒙特卡洛法模拟不同厚度过滤片下的平均光子能量来不断缩小附加过滤厚度范围的方法得到的，此方法的工作量较大，且大部分参考的数据为ISO 4037－1：1996 的平均光子能量的外推值，在ISO 4037 更新之后，此类数据也需重新进行分析。

以PTB 和ISO 4037－1：2019 标准为参考，选用辐射质单一的H 系列X 射线参考辐射质，利用管电压与辐射质主要参数的函数关系进行外推得出H－450 X射线参考辐射质相关参数理论值，并以此理论值开展H－450 X 射线参考辐射质的研建工作，最后再以平均光子能量和剂量率值进行验证。

2 实验装置与测量器具

本实验所使用的X 射线参考辐射装置由X 射线机、集成计算机控制系统、安全连锁系统、X 射线过滤系统、激光准直系统和多维校准平台及小车等设备组成。 X 射线光机为MG 452 型X 射线系统，此套光机具有电压调节范围大、温度漂移小、稳定性高、连续曝光时间长、使用寿命长、自动操作X 光管的训机过程等优点，其主要参数如表1所示；本实验所用的计量器具为PTW32005 和PTW30013 电离室，其主要参数如表2所示。

表1 X 射线机主要参数Tab.1 Main parameters of X-ray generator

表2 PTW32005 和PTW30013 电离室主要参数Tab.2 Main parameters of PTW32005 and PTW30013 chambers

3 H－450 辐射质相关参数的确定

根据PTB 和ISO 4037－1：2019 推荐的H 系列X 射线辐射质数据，建立相关的函数关系，外推得到平均光子能量、剂量率值（距离焦斑1 m，管电流10 mA）、厚度、附加过滤厚度的理论值。

首先，通过整理，得出距离焦斑1 m 处的PTB 和ISO 4037.1－2019 的H 系列辐质相关数据如表3所示。 另外，ISO 4037－1：2019 相较ISO 4037－1：1996新增了两个辐射质，H－80 和H－150，使得中能部分有更好的能量连贯性。

表3 H 系列X 射线参考辐射质对比Tab.3 Comparison of H series X-ray reference radiation quality

从表3可知，对于H－350 和H－400，PTB 和ISO 4037 －1：2019 给出的附加过滤和半值层的值是相同的，不过PTB 给出的参考位置是距离焦斑1 m处，ISO 4037－1：2019 给出的参考位置是距离焦斑2.5 m 处，原因可能是X 射线能量越高，空气对射线的衰减效果越弱所导致的。 下述的拟合外推将使用距离焦斑1 m 处的数据。

3.1 平均光子能量

对于一个特定系列的X 射线参考辐射质，其平均光子能量与管电压呈线性关系，在距离焦斑1 m 时，PTB 推荐值范围为（10～400）kV，ISO 4037－1：2019 推荐值为（10～300）kV，依据标准得到H 系列参考辐射质平均光子能量与管电压的关系曲线，如图1所示，根据PTB 和ISO 4037－1：2019 推荐值拟合可得出H－450 的平均光子能量分别为214.25 keV 和214.78 keV，两者偏差极小。

图1 管电压和平均光子能量的关系图Fig.1 Diagram of relationship between tube voltage and average photon energy

3.2 第一半值层（HVL1st）

半值层是表征辐射质的重要参数，且半值层厚度和附加过滤厚度在辐射质建立过程中会相互影响。是使X 射线束在某一位置处的空气比释动能率减少一半时所需要的过滤片的厚度。 由于H－150～H－400 辐射质采用4 mm Al 固有过滤组合mm 级Cu 附加过滤表征总过滤，与H－10～H－100的表征方法有所不同。 在相同表征方法下，随着管电压的增加，的值也呈线性增长趋势，当然，这一规律只适用于同一种过滤金属片的情况下。 多种金属过滤片的情况下，由于不同的金属的质能衰减系数的不同，这一规律将不适用。 且PTB 只推荐了数据，所以本次拟合选用H－150～H－400数据，根据PTB 和ISO 4037－1：2019 推荐值可得管电压与的关系，如图2所示，外推得出H－450 的分别为5.51 mm Cu和5.39 mm Cu。

图2 管电压和HVL1st的关系图Fig.2 Diagram of relationship between tube voltage and HVL1st

3.3 附加过滤

附加过滤厚度是决定辐射质的先决条件，它的厚度会直接影响辐射质的能谱形状等物理性质，H系列X 射线辐射质的附加过滤较为单一，在（100～400）kV 之间均为mm Cu 表征附加过滤，对比PTB和ISO 4037－1：2019 数据，在H－100～H－400 之间，除了H－300 辐射质外，两者的附加过滤完全相同，故选用剔除H－300 后的H－100～H－400 之间推荐的附加过滤数据进行拟合，结果如图3所示，外推可得H－450 附加过滤理论值为6.27 mm Cu。

图3 管电压和附加过滤的关系图Fig.3 Diagram of relationship between tube voltage and additional filtertion

3.4 剂量率值

PTB 给出了距离焦斑1 m 处，管电流10 mA 时各辐射质下的剂量率值，而ISO 4037－1：2019 并未给出各辐射质下的剂量率数据，故采用PTB 数据进行拟合，通过拟合结果可以发现剂量率与管电压的关系，且（150～400）kV 能量段呈现较好的线性关系，如图4所示，外推可得出H－450 的剂量率为11.51 Gy／h。

图4 管电压与剂量率值的关系图Fig.4 Relationship between tube voltage and dose rate value

至此，外推得出H－450 的附加过滤为6.24 mm Cu，为（5.39～5.52）mm，平均能量为（214.25～214.78）keV，1m 处剂量率为11.51 Gy／h（距离焦斑1 m 处，管电流为10 mA）。

4 H－450 辐射质建立

半值层是过滤X 射线参考辐射质的一个重要表征。的概念见3.2；第二半值层（）是指X 射线束在某一位置处的空气比释动能率由一半减少至四分之一时所需要的过滤片厚度。 由于X 射线是一个连续谱，或许相同，但是辐射质却不一定相同，所以需要测量，如果两个辐射质和均满足要求，则认为两个辐射质的能谱相同，另外，ISO 4037－1：2019 提出了同质系数的概念，并将同质系数定义为与的比值。

测量电离室选用PTW32005 电离室。 实验时，实验室温度为21.2 ℃，湿度为48.9 %，气压为102.1 kPa。 管电压调至450 kV，管电流调至5 mA，电离室的参考点移至距离焦斑1 m 处，Cu 吸收片置于距离焦斑0.5 m 处位置。

已知X 射线装置的固有过滤为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 固有过滤，然后，再搭配6.24 mm Cu 的附加过滤，通过测量可得H－450 辐射质的衰减曲线如图5所示。 根据衰减函数得出H－450辐射质的为5.37 mm Cu，为5.97 mm Cu，同质系数为0.9。

图5 H－450 X 射线辐射质衰减曲线图Fig.5 Curve of H－450 X-ray radiation mass attenuation

5 结果验证

5.1 剂量率测量

实验使用校准过的次级标准电离室PTW30013进行剂量率的测量，实验前已将环境温度、气压数据输入主机进行修正，将管电压调至450 kV，管电流调至10 mA，采用累积剂量的测量方式，累积时间为60 s，测量10 次，取平均值得出H－450 X 射线辐射质的剂量率值为11.98 Gy／h，与外推值11.51 Gy／h 的相对偏差为4.07 %。

5.2 平均光子能量模拟

利用MCNP5 软件进行H－450X 射线参考辐射质的能谱模拟，将X 射线机和实际测量环境进行简化，将附加过滤设置为4 mm Al ＋6.24 mm Cu，探测栅元置于距离焦斑1 m 处，源项为半径2.5 mm 的面源，入射粒子为450kV 的电子，选用F4 计数卡得出计数栅元的注量，为提高模拟精度，设置粒子数5E9 个。

经过数据处理，最终得出的能注量谱如图6所示，根据ISO 4037.1－2019 推荐的公式进行平均光子能量的计算，可知平均光子能量就是将所有光子的能量和所有光子的个数的商，如式（1）：

图6 H－450 X 射线参考辐射质能注量谱图Fig.6 Fluence spectrum of H－450 X-ray reference radiation mass

通过计算可以得出H－450X 射线参考辐射质的平均光子能量为200.4 keV，与外推值相对偏差为－6.5 %～－6.7 %。 由于模拟对X 射线机模型和测量模型进行了简化，能谱起终点的选择，外推值自身带来的误差等因素影响，认为此范围的误差在可接受范围内。

通过使用H－450 X 射线参考辐射质剂量率值和平均光子能量的理论值对所建立的X 射线参考辐射质进行验证，误差均在合理范围内，证明使用外推法得到H－450 X 射线参考辐射质的可行性。经整理，最终结果如表4所示。

表4 H－450 X 射线参考辐射质参数Tab.4 H－450 X-ray reference radiation quality parameters

6 结束语

以H 系列X 射线参考辐射质为例，根据PTB和ISO 4037－1：2019 的推荐数据，选取合适的数据拟合并外推得到平均光子能量、剂量率值（距离焦斑1 m，管电流10 mA）、厚度、附加过滤厚度的理论值，以厚度和附加过滤厚度理论值为参考值，建立起H－450 X 射线参考辐射质，并用H－450 X 射线参考辐射质剂量率值和平均光子能量的理论值对所建立的X 射线参考辐射质进行验证，此实验结果可为（300～450）kV X 射线参考辐射基准的建立提供一定的参考。