基于ISO 4037-1：2019对60～250 kV窄谱系列X射线参考辐射质的研建

杭仲斌，宋明哲，魏可新，王红玉，滕忠斌， 刘川凤，高 飞，倪 宁，刘蕴韬,*

(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)

自X射线被发现后，X射线广泛应用到医学、生产、科研、国防等领域，但X射线会对人类的身体健康乃至生命安全造成影响，辐射防护越来越受重视。郑均正教授多次强调建立电离辐射防护和相应的安全规范至关重要[1]。在进行X射线照射活动时，要先对X射线剂量监测仪器进行检定和校准[2]，以满足监测结果的准确性，所以，建立符合要求的X射线参考辐射场对保障X射线剂量监测仪器性能尤为重要。

目前几乎所有国家的X射线空气比释动能基准的建立都是参照国际标准化组织[3](ISO, International Organization for Standardization)于1996年更新的编号为4037的标准文件《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》[3]。ISO于2019年更新发布了新版的此项标准(ISO 4037-1：2019)[4]，其中对关于X射线参考辐射场的内容进行了多处更新。X射线窄谱系列参考辐射质由于其能量集中，且具有较高能量分辨率，通常用于防护水平剂量监测仪器的校准和检定[5]。国际上，很多国家和机构也进行了一系列窄谱系列X射线的比对工作[6-8]。为保证我国防护水平X射线剂量监测仪器的量值统一且与国际标准保持一致，本文根据ISO 4037-1：2019标准建立一套能量范围为60～250 kV的窄谱系列X射线参考辐射质。

1 新旧ISO 4037-1相关内容对比

新旧ISO 4307-1最明显的差别是半值层(HVL)的推荐值有更改。X射线参考辐射质的测量研究中，半值层是一重要的参量。第1半值层HVL1st为使X射线束在某位置处的空气比释动能率减少1/2时所需要的过滤片的厚度；第2半值层HVL2nd为X射线束在某位置处的空气比释动能率由1/2减少到1/4时所需要的过滤片的厚度。经整理，得出新旧ISO 4307-1 60～250 kV窄谱系列X射线参考辐射质的半值层推荐值的对比，列于表1(当管电压为60～250 kV时，窄谱系列半值层以mm级的Cu来表征。)。

ISO 4037-1：2019对半值层的推荐值进行了更新，还对半值层测量值的允许误差范围做出了调整。旧版ISO 4037-1要求误差在标准推荐值的±5%以内，而新版则对不同辐射质给出了具体的误差值，根据半值层推荐值和误差值，整理得出60～250 kV窄谱系列X射线参考辐射质半值层的层厚取值范围，亦列于表1。

表1 60～250 kV窄谱系列X射线参考辐射质新旧ISO 4037-1半值层推荐值对比Table 1 Comparison of recommended values of old and new ISO 4037-1 half-value layers for 60-250 kV narrow spectrum series X-ray reference radiation quality

图1 X射线参考辐射装置Fig.1 X-ray reference radiation device

2 实验装置及测量

2.1 实验装置

本次实验所使用的X射线参考辐射装置(图1)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组成。

本次实验所用的X射线光机为MG 452型高稳定X射线系统，此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。集成计算机控制系统采用S7-1200 PLC程序开发，射线束轴向、横向、升降及旋转均采用步进电机进行驱动，射线束轴向安装编码器以达到定位系统的定位重复性要求。安全连锁系统包括辐射报警器、红外门障、辐射监测仪等，主要是为了避免操作者的错误操作出现意外照射从而造成辐射损伤。X射线过滤系统由标准圆形过滤片、过滤转盘和控制器等组成，为了实验的准确性，实验中所用的附加过滤片纯度均高于99.99%。激光准直系统由3台轴向定位激光定位仪组成，调整后，保证准直器误差在±1 mm内。多维校准平台及小车主要由升降台、横移架、旋转台、定位台、直线导轨、导轨支撑等组成。多维校准平台及小车的定位精度需足够好，以保证测量电离室和剂量器械的检定和校准能进行准确的重复定位，确保由定位精度几何条件引起的误差可忽略不计。

2.2 半值层的测量

由于X射线是一连续谱，存在第1半值层相同，但辐射质却不同的情况，所以需要测量第2半值层，如果两个辐射质第1半值层和第2半值层均在规定的允许误差范围内，则认为两个辐射质的能谱相同[9]。

HVL1st、HVL2nd和d1/4(使X射线的空气比释动能率减少至1/4时标准吸收片的厚度，mm)的关系如式(1)[10]所示：

HVL1st+HVL2nd=d1/4

(1)

测量电离室选用计量与校准技术重点实验室自主研发的大体积自由空气电离室，其测量范围为60～350 kV，由于环境中湿度过大会导致大体积自由空气电离室漏电不稳定，所以实验前使用抽湿机将实验环境湿度降低至较低水平。为保证实验数据的可靠性，数据处理时再将温湿度及气压修正至标准实验条件。

空气温湿度及气压的变化会对空气密度产生一定的影响，在一非零湿度的环境下，空气密度和外界温度t呈反比，与压强p呈正比，因此修正因子kρ使用式(2)表示。由于湿度变化对空气中光子质能吸收系数、空气密度和空气中的电离功的值均有影响，导致其修正过程复杂[11]，且ICRU90号报告指出在整个测量体系下，湿度修正因子带来的误差不超过0.3%，相对湿度不需要非常精准的测量[12]，所以本次实验直接引用ICRU31号和ICRU90号报告结果，取湿度修正因子kh=0.997，不确定度为0.3%。

(2)

在本实验前已对电离室的各项性能进行了测试，其性能均满足测量的要求。

实验时，实验室温度为13.93 ℃，湿度为23%，气压为102.1 kPa。管电压分别调至60、80、100、120、150、200、250 kV，管电流调至5 mA，将大体积自由空气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。

通过增减吸收片和附加过滤片的厚度，得到最终的满足要求的辐射质，各辐射质下最终的衰减曲线如图2所示。整理得出辐射质HVL1st和HVL2nd与ISO 4037-1：2019推荐值的对比列于表2，建立的参考辐射质的半值层与标准推荐值的相对误差在允许范围之内，因此建立的参考辐射质符合ISO 4037-1：2019标准。

图2 60～250 kV窄谱系列X射线辐射质衰减曲线Fig.2 60-250 kV narrow spectrum series X-ray radiation quality attenuation curve

2.3 脉冲幅度谱测量

本研究使用HPGe谱仪对N-60～N-250进行脉冲幅度谱测量，实验所用高纯锗探头型号为GL2020。具体的参数列于表3。实验前，已用标准点源对高纯锗谱仪进行了能量刻度。

在前期实验中，由于光子数量太多而出现了“堵死”的现象，为使到达探头的光子数的数量减少到谱仪的测量范围，设计加工了一套适用于此套设备的准直系统，该系统最主要的部分就是在探头前加了厚70 mm、孔径1 mm的铅准直器，经测试，在配套此准直系统时，HPGe谱仪可正常工作。

表2 60～250 kV窄谱系列X射线参考辐射质半值层测量结果Table 2 60-250 kV narrow spectrum series X-ray reference radiation quality half-value layer measurement results

表3 高纯锗探测器相关参数Table 3 Related parameters of high purity germanium detector

实验时，始终保持高纯锗探测器在低温环境下(液氮制冷)，将高纯锗探头置于距离焦斑1 m处，保证射束中心和探头中心在1条直线上，进行不同辐射质下的脉冲幅度谱测量，结果示于图3。

图3 60～250 kV窄谱系列X射线 参考辐射质脉冲幅度谱Fig.3 60-250 kV narrow spectrum series X-ray reference radiation quality pulse amplitude spectrum

严格意义上，为得到真实的光子注量谱，需对光子吸收不完全、康普顿散射和KX射线逃逸的影响进行校正，即需要进行解谱工作[13]。由于解谱工作较复杂，本工作不进行转换，直接使用脉冲幅度谱进行计算[14]。

3 参数对比分析

3.1 能量分辨率的对比

根据N-60～N-250的脉冲幅度谱可得到相应的谱分辨率，在ISO 4037-1：2019中对谱分辨率RE的描述如式(3)所示：

(3)

其中：ΔE为对应于谱的最大纵坐标1/2处的谱宽度；E为对应峰值处的峰位值。

根据上述方法得出所建辐射质下的谱分辨率，并与ISO 4037-1：2019标准比较，结果列于表4。结果显示，实验所建辐射质和标准推荐值的谱分辨率的相对误差均在±4%以内。

3.2 平均光子能量的对比

在ISO 4037-1：2019中，平均光子能量仅给出了1个表达式，如式(4)所示：

(4)

其中，ΦE为能谱的积分通量，换言之，平均光子能量是将所有光子的能量除以所有光子的个数。计算平均光子能量时，Ankerhold等提出起终点位置取值的方法，允许的取值误差应小于20%[15]，所以，在能谱起终点位置的能量值取值上不可避免存在人为误差。最终可得出N-60～N-250辐射质所对应的平均光子能量，将数据整理并与标准推荐值进行比较，列于表5。

表4 60～250 kV窄谱系列 X射线辐射质谱分辨率对比Table 4 Comparison of 60-250 kV narrow spectrum series X-ray radiation quality spectrometry resolution

表5 60～250 kV窄谱系列X射线 参考辐射质平均光子能量对比

3.3 有效能量的对比

根据ISO 4037-1：2019描述，由一定能量范围的X射线组成的辐射的有效能量是具有与其相同HVL的单能X射线的能量[5]，有效能量也是表征X射线参考辐射质的1个重要参数。根据定义，有效能量和半值层关系密切，即若某一辐射质的半值层与某一单能X射线的半值层相等，那么该辐射质下的有效能量就等于该单能X射线的能量。对于单能X射线来说，穿过厚度为d、密度为ρ的过滤器时，满足式(5)的衰减规律。

(5)

(6)

通过查阅美国国家标准与技术研究院官网(https:∥physics.nist.gov/PhysRefData/Xray-MassCoef/ElemTab/z29.html)，可得出Cu在不同能量下对应的质量衰减系数关系，且Cu的密度是8.96 g/cm3。

在60～500 kV区间内，可采用非线性拟合，然后根据不同辐射质下的质量衰减系数可得出其有效能量(图4)。

图4 单能X射线在Cu中的质量衰减系数的曲线Fig.4 Curve of mass attenuation coefficient of single-energy X-ray in Cu

根据ISO 4037-1：2019推荐的半值层值，代入式(6)，得出其质量衰减系数，随后内插至拟合好的曲线之中，得到对应的有效能量，根据同样的方法，将实际测量得出的半值层代入，得到实际情况下的有效能量，并进行结果比对，其对比结果列于表6。

表6 60～250 kV窄谱系列X射线 参考辐射质有效能量对比Table 6 Comparison of effective energy of 60-250 kV narrow spectrum X-ray series reference radiation quality

4 小结

本次研究根据ISO 4037-1：2019标准，采用半值层法建立了60～250 kV窄谱X射线参考辐射质，并采用HPGe谱仪对所建立的辐射质进行测量，得到各辐射质下的脉冲幅度谱，其谱型和位置与ISO 4037-1：2019相较基本一致，并通过与标准推荐值比较谱分辨率、平均光子能量和有效能量3个物理量来对所建立的参考辐射质进行进一步验证。结果表明，建立的60～250 kV窄谱系列X射线参考辐射质均符合新版ISO 4037-1标准规范要求。本次实验为ISO 4037-1：2019标准的推行和实施奠定了基础。

由于没有进行解谱工作，能谱分辨率和平均光子能量的值与实际值存在一定误差。在下一步的工作中，计划使用MC模拟软件建立实测谱的响应矩阵并利用UMG解谱程序开展解谱技术研究，以确定实际的光子能量注量谱。