X射线铅当量测量辐射质的建立和能谱模拟

赵 瑞， 文玉琴,2， 吴金杰， 韩 露,2， 郭 彬

(1.中国计量科学研究院，北京 100029；2.成都理工大学，四川成都610059 )

1 引 言

X射线广泛应用于医学诊断、放射治疗、辐射防护和科学研究等领域，尤其是医学诊断过程中，医生和病人都不可避免地受到不同剂量的照射。为了保障公众和工作人员免受不必要的放射危害，根据不同的辐射防护目的，常佩戴不同材质与不同厚度的X射线屏蔽材料，常见的有铅衣、铅橡胶围裙、铅橡胶手套和铅玻璃眼镜[1,2]。传统意义上使用的铅屏蔽材料重量大、易折损，并且铅元素对人体有毒，给使用过程中带来了极大的不便。近年来随着含少量铅、无铅和复合高分子材料的发展，质量轻、价格便宜以及材料本身对人体无害的新型防护材料越来越受到人们的青睐[3，4]。

防护材料的屏蔽性能通常用铅当量表示，即用铅作为比较标准，某种材料在一定厚度下的屏蔽效果用达到同种屏蔽效果的铅的厚度来表达，称为该厚度防护材料的铅当量，通常用mm Pb表示。通常对于纯铅或者含铅材料，由于铅对X射线的衰减作用，其屏蔽性能的大小通常在窄束条件下即可测量其铅当量。而对于含少量铅或无铅材料，其对X射线的衰减主要是由材料本身衰减系数的总和构成，通常很难计算出每种材料本身对特定能量X射线的衰减系数，更不可能预测它们的铅当量随X射线能量的变化，只能通过实际测量得出。实际上该类型材料在吸收X射线的同时也会与X射线发生相互作用，产生不同能量的散射辐射和荧光辐射，如果使用常规的窄束条件进行测量则会遗漏散射贡献，造成测量铅当量偏小，即存在防护不足的危害[5]。针对以上问题，国内外开展了相关研究。主要依据的标准就是IEC 61331-1:2014[6]和DIN 6857-1[7]。德国联邦物理技术研究院(PTB)做了相关研究，在窄束、宽束和逆向宽束条件下对不同材料的铅当量做了测试，结果表明防护材料铅当量的大小与测量方法存在较大关系[8～11]。日本工业标准JIS Z4831—2000《防护医疗诊断X光辐射的装置》中采用标准铅片进行曲线拟合，用最小二乘法计算出铅当量； Shinichi I等在此基础上又提出了一种利用衰减系数进行计算的方法，并运用这2种方法计算出能量约为60 keV时材料的铅当量[12]。

在国内，目前依据的标准是GBZ/T 147—2002《X射线防护材料衰减性能的测定》，YY—T0292.1—2020《医用诊断X射线辐射防护器具》第1部分：《材料衰减性能的测定》。林关鑫等人建议应该用一定管电压的最小铅当量表示[13]。欧向明等人研究了不同管电压对铅当量测量的影响[14]，结果表明铅的屏蔽作用越大，防护材料铅当量随管电压变化越小；其它化合物或者混合物等介质材料对屏蔽的贡献越大，防护材料铅当量随管电压的变化越大。杜继星等人研究了医用诊断X射线的衰减和防护性能，表明光电吸收效应是医用诊断X射线被物质衰减的主要方式[15]。

为了研究屏蔽材料的防护性能差异，给出合理的评价标准，本文结合国际电工委员会IEC标准中对X射线参考辐射的新要求，建立辐射防护材料X射线铅当量用辐射质，研究其辐射特性，通过蒙特卡罗模拟程序模拟其能谱，得到平均能量。为测量不同材料在窄束、宽束和逆向宽束条件下的X射线铅当量提供基础。

2 原理和方法

2.1 X射线辐射装置

X射线参考辐射装置采用工业X射线光机作为辐射源，光管型号为COMET MXR-320/26，靶材为钨靶，靶角为20°，固有过滤为3 mm厚的 Be。高压由Gulmay GX160型号的2个160 kV、45 kHz高频发生器提供[16]，管电压调节范围为10～320 kV。X射线通过限束光阑进行限束和准直，其中初级限束光阑直径为1.9 cm，厚度为2 cm。经过准直的X射线在参考平面处形成满足空气比释动能测量和传递的均匀辐射野，其中距离焦斑1 m处的均匀辐射野直径为9 cm。另外配备激光定位和电离室支撑平台，可满足测量需求[17,18]。

2.2 蒙特卡罗模拟程序

由加拿大国家研究委员会与美国威斯康星大学合作开发的基于蒙特卡罗方法的EGSnrc程序[19]，是揭示电子和光子在物质中输送规律有力的和较为方便的理论分析及模拟工具，可以有效模拟电子和光子在物质中输运情况，适用的能量范围是5 keV～10 GeV。程序内设置了光电效应、瑞利散射、康普顿散射、电子对效应、轫致辐射等可能发生的相互作用的类型。构建钨靶X射线光机模型，包括光管结构参数，附加结构及与光源焦斑的距离均通过实际测量得到。根据辐射质管电压设置对应的单能电子作为入射粒子，截止能量设置为0.512 MeV，记录平面设置在离光源焦点100 cm处。

根据模拟得到的光子注量谱可以得到平均光子能量即平均能量，其定义为：

(1)

式中:ΦE是Φ(E)对能量的微商；Φ(E)是能量在0和E之间的光子总注量。

2.3 X射线辐射特性

X射线的辐射质主要依赖于3个方面：靶的特性、X射线管电压以及总过滤的性质和厚度。其中总过滤包括固有过滤及附加过滤，固有过滤包括X射线管的油、玻璃、窗等部分，是由光机自身的特性所决定的；附加过滤的作用是调整过滤X射线能谱分布，得到需要的辐射质条件。当单能窄束X射线穿过某一物质时，X射线空气比释动能率的变化满足指数衰减规律：

(2)

根据X射线半值层定义，选用能量响应在5%以内的电离室作为探测器，通过添加不同厚度的铝衰减片(纯度好于99.9%)，测量得到第一半值层。半值层测量示意图如图1所示。

图1 半值层测量示意图

3 实验结果与分析

在IEC 61331-1:2002、DIN 6857-1以及GBZ/T 147—2002等相关标准中，均有关于防护材料屏蔽性能测试的推荐辐射质，如表1所示。事实上，添加Cu过滤会使X射线能谱硬化，其平均能量相对于Al过滤会更大。

表1 不同标准推荐的铅当量辐射质

3.1 半值层测量结果

通过调节管电压，调整吸收片厚度，得到(40～150)kV X射线空气比释动能率随吸收片厚度的衰减曲线，如图2所示。

图2 半值层测量拟合曲线

经分析计算可以得到X射线半值层，结果如表2所示。

表2 半值层测量结果

根据IEC 61331-1：X射线管电压与标称值之间的差异不得超过2%或2 kV；铝过滤器的纯度应为99.9%或更高，密度为2.70 g/cm3；铝过滤器的厚度与标称值的差异不得超过0.1 mm。最终半值层测量结果与标准中给出的推荐值进行比较，最大偏差不超过5%即可满足条件。IEC标准中给出的半值层推荐值是在21°靶角，7 mm厚 的Be固有过滤条件下测量得到的。PTB所使用的X射线设备是基于钨靶X射线光管，靶角为30°，固有过滤为4 mm厚的Be，其半值层测量结果与IEC标准推荐值最大相差4%。可以看出，本文通过测量得到的半值层结果与IEC推荐值相比，最大偏差为2.8%，故满足要求。

3.2 蒙特卡罗能谱模拟结果

为了进一步通过能谱的方式验证所建立辐射质的准确性，首先需要对添加的附加过滤进行验证，进而对所建立的辐射质平均能量进行比较。PTB采用2.5 mm厚的Al附加过滤，利用高纯锗探测器在距离焦斑1 m处进行能谱测量，最后完成脉冲高度谱到注量谱的求解，得到平均能量。本文根据PTB-DOS-34初级谱数据，利用MCNP5，将实际所添加的附加过滤调整至2.5 mm厚的Al，通过模拟得到不同管电压下过滤X射线能谱，如图3所示。将模拟的平均能量与实际测量的平均能量进行比较，经过计算，可以得到每个辐射质下的X射线平均能量，如表3所示。可以看出，模拟得到的X射线平均能量相对于PTB测量的能谱结果，大部分都偏小，分析原因是本文将总过滤调整为2.5 mm厚的Al，所以添加的附加过滤偏薄，导致平均能量略有区别。

图3 MCNP5模拟X射线能谱

表3 能谱模拟结果比较

采用EGSnrc软件中BEAMnrc程序对X射线能谱进行模拟，可以得到不同管电压下的过滤X射线能谱。根据本实验情况，建立光机模型，调整总过滤为2.5 mm厚的Al，得到X射线能谱，如图4所示。计算得到X射线平均能量，与IEC标准值进行比较，如表4所示。

图4 EGSnrc模拟X射线能谱

表4 模拟能谱与IEC能谱的比较

可以看出，X射线平均能量测量结果与IEC的推荐值结果相符，最大相对偏差为0.40%。平均能量测量结果相对于IEC的结果有所偏大，主要原因是Be窗厚度不同造成的。验证了所建模型的正确性，可以为后续铅当量测量提供不同参考辐射质。

4 结 论

根据辐射防护材料屏蔽性能的具体要求，为了进一步评价含铅或无铅材料的屏蔽效果，研究建立辐射防护材料铅当量用40～150 kV X射线参考辐射质，通过添加附加过滤的方式得到过滤X射线，测量Al半值层结果与IEC标称值一致，最大相对偏差为2.8%。通过蒙特卡罗模拟，得到40～150 kV X射线的能谱，其平均能量与IEC标称值结果一致，最大相对偏差为0.4%。通过本研究，建立的X射线铅当量测量参考辐射质满足标准要求，可以为防护材料在窄束、宽束和逆向宽束条件下的屏蔽性能测试提供辐射条件。