防护水平X射线电离室的校准及不确定度分析

屈冰冰，吴金杰，鲁平周，李梦宇，宋 飞，张德亮，马英杰，赵 瑞

(1.成都理工大学核技术与自动化工程学院，四川成都610059；2.中国计量科学研究院，北京100029)

1 引 言

随着核技术应用的迅速发展，辐射防护的任务显得尤为重要。据统计，我们国家的辐射防护仪表有数十万台，进行环境辐射监测的卫生防疫系统和环境监测系统有近几百个单位。辐射防护仪表为电离辐射的应用提供了准确可靠的测量基础，每年需要进行定期检定[1,2]。国际标准化组织(ISO)颁布的国际标准ISO 4037-1作为辐射防护国际推荐文件是建立辐射防护辐射质最重要的依据，该标准推荐了用于校准剂量仪和剂量率仪及确定其能响过滤的X射线参考辐射低空气比释动能率、窄谱、宽谱以及高空气比释动能率等4个系列。JJG 2043—2010 《(60～250)kV X射线空气比释动能计量器具》、JJG 393—2018《便携式X、γ辐射周围剂量当量(率)仪和监测仪》和GB/T 12162.1—2000《用于校准剂量仪和剂量率仪及确定其能量响应的X和γ参考辐射 第1部分：辐射特性及产生方法》等相关技术规范明确规定：采用窄谱辐射质(N系列)规范开展仪表的检定和校准，其剂量的准确测量是开展辐射防护工作的关键[3～6]。

目前，国际上大部分国家计量实验室均已建立X射线辐射防护国家标准装置，并开展辐射防护仪表的量值传递工作。2013～2016年，由澳大利亚辐射防护和核安全机构(Australian Radiation Protection and Nuclear Safety Agency,ARPANSA)主导，组织德国联邦物理技术研究院(Physikalisch-Technische Bundesanstalt,PTB)、日本计量院(National Metrology Institute of Japan,NMIJ)等实验室按照ISO 4037-1规定的窄谱系列辐射质进行了X射线空气比释动能比对(APMP.RI(I)-S3)，各参比实验室均已建立窄谱X射线辐射质，并且直接或间接溯源至基准。根据比对结果，参比实验室基准电离室空气比释动能率不确定度范围为0.42%～0.52%，传递电离室校准因子不确定度范围为0.48%～0.73%[7]。

我国已建立60～250 kV X射线空气比释动能国家基准装置，并于2017年完成国际关键比对(BIPM.RI(I)-K3)，实现了国际等效与互认[8]，对于窄谱X射线的量值复现也有相关研究。根据ICRU 90号报告，对于X射线空气比释动能的绝对测量，其电离功的不确定度由原先的0.15%增加至0.35%，中国计量科学研究院对防护水平X射线辐射质下空气比释动能的绝对测量进行了完善，重新评估了测量不确定度。

本文首先利用蒙特卡罗程序模拟能谱得到相应的谱分辨率和平均能量，再与ISO 4037-1推荐值进行比较，并利用基准电离室完成窄谱辐射质空气比释动能的量值复现；然后通过等效替代法完成防护水平电离室的校准；最后进行不确定度分析。本研究为辐射防护领域计量仪表的量值溯源提供了计量保证，促进了国内X射线空气比释动能测量的技术交流与合作，为后续国内辐射防护仪表的比对做了铺垫。

2 实验方法与原理

2.1 X射线辐射装置

X射线标准辐射装置主要由X射线光机、屏蔽箱、光阑(初级、次级)、快门、过滤盘、可移动导轨、控制软件等组成，其示意图如图1所示。

图1 辐射装置示意图Fig.1 Schematic diagram of the irradiation device

该装置所用的X射线光机为双极性工业X光机，靶材料为钨(W)。过滤盘主要是由附加过滤片、附加过滤控制盘、旋转平台及控制器组成。中能X射线空气比释动能基准电离室是平板型自由空气电离室，由中国计量科学研究院(National Institute of Metrology，NIM)自主设计研发，是我国实现国际比对及国内量值传递的重要设备，为各类传递电离室检定及校准提供参考标准值，由光阑、高压极、收集极、保护极和屏蔽外壳等组成[9～13]。

2.2 窄谱X射线参考辐射质

对于60～250 kV窄谱X射线参考辐射质来说，半值层用铜片厚度(mmCu)来表示。半值层包含第一半值层和第二半值层，第一半值层是使辐射束的空气比释动能率减小到其初始值的一半所需的吸收片的厚度，第二半值层是使辐射束的空气比释动能率从初始值的1/2减小到初始值的1/4所需的吸收片的厚度[14～16]。根据ISO 4037-1文件规定：如果两个X射线束的第一半值层和第二半值层的偏差都在±5%以内，则可认为两个射线束本质上具有相同的辐射质。

X射线能谱是用来表征X射线辐射质最直观的参数。每一个X射线辐射质都对应唯一一个特定的X射线能谱，运用从能谱中读取的数据可以通过计算得到表征该辐射质的平均能量、半值层、能谱分辨率等物理量。目前对于X射线能谱测量通常采用蒙特卡罗程序模拟的方法，通过模拟验证所建立的辐射质，为X射线空气比释动能准确测量奠定基础。

2.3 X射线量值复现原理

X射线与电离室空腔内的空气作用产生电子-离子对。在强电场下，电子和正离子分别向正极和负极漂移，从而被收集极收集形成电离电流。由于电离电流与X射线的空气比释动能成正比，测量该电离电流即可得到空气比释动能[17,18]。实际测量中，由于电离室结构及物理机制带来的修正项、温度气压的修正以及极小部分初级电子能量会通过轫致辐射损失能量等原因，收集到的电离电流并不是按假设条件收集到的。因此，综合以上对轫致辐射与修正因子的考虑，自由空气电离室复现空气比释动能率的原理如式(1)：

(1)

∏ki=ka·ks·kd·kp·kpol·kdia·kh·ke·ksc

(2)

式中：ka为空气衰减修正因子；ks为复合损失修正因子；kd为电场畸变修正因子；kp为前臂穿透修正因子；kpol为正负极性修正因子；kdia为光阑边沿穿透修正因子；kh为空气湿度修正因子；ke为电子损失修正因子；ksc为散射荧光修正因子。

2.4 替代法

通常辐射监测仪器测量的量最终需要溯源至国家基准，对于辐射监测仪器在X射线能量段的量值传递，通常采用替代法进行检定和校准[19～21]。替代法的原理是首先利用基准电离室在距离X光机焦斑1m参考点处进行空气比释动能的量值复现;然后将传递电离室放置于参考点处，保证测量条件完全一致，测量得到传递电离室的电离电流示值，通过计算得到传递电离室在该辐射质下的校准因子。传递电离室PTW-32005和PTW-23361参数见表1。

表1 本文所用传递电离室参数Tab.1 Transfer ionization chamber parameters

由式(3)表示为：

(3)

对于较大体积的防护水平电离室，如PTW-32002，考虑到1 m处的均匀辐射野大小未能完全覆盖其有效探测体积，需将传递电离室移至距离焦斑较远位置处进行测量，但此时基准电离室测量电离电流较低，故采用逐级替代法完成较大体积电离室的校准。将传递电离室移动至距离X光机焦斑2.25 m的待测点处，保证除距离外其余测量条件与测得该校准因子时的测量条件完全一致，通过微电流测量系统测得此处的电离电流。待测点处的空气比释动能率可由式(4)表示为：

(4)

最后对PTW-32002(参数见表1)电离室进行校准测量。将其置于待测点处，保证测量条件与传递电离室得到该点处的空气比释动能时的测量条件完全一致，通过微电流测量系统测得此处的电离电流I2。则PTW-32002球形电离室的校准因子可由式(5)得到，即为：

(5)

3 测量结果与分析

3.1 窄谱系列X射线参考辐射质的建立与能谱测量结果

根据ISO 4037-1，建立了7个窄谱系列X射线参考辐射质，其中第一半值层1stHVL和第二半值层2ndHVL与ISO推荐值最大偏差均不超过4.2%，满足标准要求，测量结果如表2所示。

表2 窄谱参考辐射质特性Tab.2 Characteristics of narrow spectrum reference radiation quality

采用EGSnrc程序模拟X射线能谱，在粒子输运过程中，所有电子和光子的信息都保存在相空间文件中，运用EGSnrc中的BEAMdp程序包解析相空间文件并获得对应的能谱分布数据，然后进行数据处理，得到每个辐射质对应的模拟能谱，如图2所示。通过数据分析得到模拟能谱的平均能量和谱分辨率，使其与ISO 4037-1推荐值相比较，平均能量偏差在1.04%以内，谱分辨率偏差在7.1%以内，符合规范要求的平均能量在±3%以内和分辨率在 ±10% 以内，结果如表3所示。

3.2 基准电离室空气比释动能量值复现及其不确定度分析

表3 窄谱辐射质的谱分辨率和平均能量的蒙卡模拟结果Tab.3 Results of Monte Carlo simulations of the resolution and average energy of narrow spectrum radiation quality

图2 窄谱参考辐射质X射线模拟能谱Fig.2 The X-Ray Simulation Spectrum of narrow spectrum reference radiation quality

3.3 传递电离室校准结果及其不确定度分析

传递电离室PTW-32005和PTW-23361的校准因子的不确定度分析如表6所示。其中PTW-32005的校准因子及其不确定度如图3所示；PTW-23361的校准因子及其不确定度与加拿大国家研究委员会(National Research Council Canada，NRC)的校准(不确定度水平为0.8%)比较结果如表7所示，校准因子及其不确定度如图4所示，其校准因子最大偏差为0.6%，在不确定度范围内符合较好。

PTW-32005和PTW-23361电离室在2.25 m处测得空气比释动能率的不确定度分析如表8所示；PTW-32002电离室校准因子的不确定分析如表9所示，其校准因子及其不确定度如图5所示。

表4 基准电离室在距X光机1m处测得的空气比释动能率

表5 基准电离室测得空气比释动能率的相对不确定度Tab.5 Relative uncertainty of air-kerma rate measured with primary standard ionization chamber (%)

表6 PTW-32005和PTW-23361的校准因子的相对不确定度Tab.6 Relative uncertainty of calibration coefficient for PTW-32005 and PTW-23361 (%)

图3 PTW-32005的归一化校准因子比较结果Fig.3 Comparison results of normalized calibration coefficient of PTW-32005

图5 PTW-32002的归一化校准因子比较结果Fig.5 Comparison results of normalized calibration coefficient of PTW-32002

4 结 论

本文依托60～250 kV X射线空气比释动能国家基准装置，利用EGSnrc蒙特卡罗程序模拟窄谱系列参考辐射质下的X射线能谱，数据分析得到模拟能谱的平均能量和谱分辨率与ISO 4037-1推荐值比较，平均能量偏差均在1.04%以内，谱分辨率偏差均在7.1%以内，满足要求。

在窄谱条件下利用基准电离室完成了空气比释动能量值复现，空气比释动能测量结果相对标准不确定度为0.45%；通过替代法完成PTW-32005和PTW-23361两个传递电离室的校准，校准因子的相对标准不确定度均为0.82%，最后利用PTW-32005和PTW-23361两个传递电离室完成PTW-32002电离室的校准，校准因子相对扩展不确定度为2.2%(k=2)。本研究为后续国内的辐射防护仪表的检定和校准提供了有力参考。