医学诊疗设备的辐射防护以及在使用过程中医护人员和受检者所受辐射剂量的评估日益受到公众的广泛关注。通过模拟计算医用诊断辐射质的主射线束剂量学相关参数，可以对上述评估工作提供技术参数支持^[1-5]。受检者所接受剂量和影像质量与诊断X光机的能谱直接相关；根据国际电工委员会(IEC)技术规范IEC 61267-2005《用于确定特性的医疗诊断X射线仪器辐射条件》^[6]建立了医疗诊断X射线RQR辐射质^[7]，利用BEAMnrc蒙特卡罗模拟计算诊断X射线RQR辐射质的主射线束能谱，并与高纯锗谱仪实验测量结果进行比较，以验证模拟结果的可靠性。

1.材料

(1) X射线发生器：采用瑞士Comet公司生产的双极性油冷X射线发生器(Comet MXR-320/26，序列号为272410) 作为X射线发生装置，其靶材料为钨，靶角为20°，焦点尺寸为3.0 mm，固有过滤为3.0 mm Be，最高管电压320 kV。

表 1(Table 1)

表 1 RQR辐射质性能参数 Table 1 Performance parameters of RQR qualities 辐射质 管电压(kV) 附加过滤(mmAl) 实验室 IEC 61267 1st HVL 同质系数 1st HVL 同质系数 RQR 4 60 2.1 2.15 0.73 2.19 0.74 RQR 5 70 2.4 2.55 0.69 2.58 0.71 RQR 6 80 2.4 3.00 0.69 3.01 0.69 RQR 7 90 2.6 3.40 0.68 3.48 0.68 RQR 8 100 2.6 3.93 0.69 3.97 0.68 RQR 9 120 2.9 4.96 0.69 5.00 0.68 RQR 10 150 3.3 6.55 0.74 6.57 0.72  注：1stHVL.第一半值层

表 1 RQR辐射质性能参数 Table 1 Performance parameters of RQR qualities

根据国际电工委员会(IEC)技术规范IEC 61267-2005《用于确定特性的医疗诊断X射线仪器辐射条件》，依靠管电压和第一、第二半值层实现RQR辐射质系列，RQR辐射质是医疗诊断中最常见的一种辐射质，又称非减弱束辐射条件辐射质，它要求使用钨靶X射线源，并且满足管电压、第一半值层厚度(1^st HVL)和同质系数的相关条件^[6]。

(2) 模拟软件：使用加拿大国家研究院(NRC)开发的EGSnrc系列软件^[8]，该蒙特卡罗模拟软件可以模拟能量范围1 keV~10 GeV电子和光子在物质中输运情况，尤其适用于低能电子和光子输运模拟。本研究主要使用其中的BEAMnrc软件包下面的BEAMnrc和BEAMDP两个子程序^[9]：BEAMnrc用于构建X射线发生器模型，模拟粒子输运过程，计算结果的相空间数据文件中包含有粒子能量、注量、角分布等信息；BEAMDP用于对相空间数据文件进行分析，可得到粒子的注量离轴分布(与射线束中心轴不同距离处的能量注量分布)、能量注量分布及其离轴分布(与射线束中心轴不同距离处的能量注量分布)、能谱、角分布和平均能量等参数。

(3) 高纯锗(HPGe)谱仪：采用美国Canberra公司生产的宽能型锗探测器(BE3830)，探头面积38 cm²，厚度30 mm，探测效率为30%，⁶⁰Co 1 332 keV能量分辨力为1.8 keV。探测光子的能量范围为3 keV~3 MeV。进行能谱测量之前，已经使用²⁴¹Am、¹³³Ba、⁵⁷Co、¹³⁷Cs和¹⁵²Eu等同位素标准源进行能量刻度^[10]。

2.蒙特卡罗模拟：使用BEAMnrc构建X射线发生器模型需要对两类参数进行设置，即几何参数和主要输入参数：其中几何参数需要根据X射线光管说明书和待模拟的参考辐射质的附加过滤、光阑等进行材料、尺寸的设置；主要输入参数的设置包括入射电子能量、光子和电子输运截止能量等。其中电子和光子截止能量分别为0.521和0.01 MeV，在截面选项和需要考虑的效应方面需要注意考虑到所涉及的电子、光子能量均低于1 MeV。

通过子程序BEAMnrc模拟计算，可得到包含有粒子能量、注量、角分布等信息的相空间数据文件；分别使用子程序BEAMDP中2~7选项对相空间数据文件进行分析处理，可以得到辐射质的注量、能量注量、能谱和角分布等参数。

3.实验测量：采用高纯锗(HPGe)谱仪测量过程中，为了尽量减小“死时间”的影响，需要减少实际到达谱仪探头的光子数，因此在探测器入射窗前使用了开孔直径为1 mm的铅准直器。同时，为了减小散射光子的影响，探头周围采用铅包壳进行屏蔽^[11-12]。

实际上HPGe谱仪测得的只是入射X射线的脉冲高度谱，若要得到光子的注量谱，还必须对脉冲高度谱进行探测效率的卷积计算处理，从而得到入射X射线的注量谱。Rosad等^[13]通过实验测量得到的脉冲高度谱与经卷积计算解谱得到的注量谱差异较小，认为可以直接使用实测能谱(脉冲高度谱)来对光子注量谱进行初步评估。

1.射线分布：注量和能量注量离轴分布是通过BEAMDP子程序对得到的相空间数据文件进行分析，得到RQR辐射质在距靶焦点100 cm的半径为15 cm圆形区域的注量离轴分布，其中，横坐标为与射线束中心轴距离，纵坐标为归一化后的相对注量。注量离轴分布和能量注量离轴分布分别对于RQR4、RQR6和RQR9辐射质在垂直于射线束方向注量、注量率分布相对标准偏差分别为1.5%、1.1%、0.9%，见图 1，2。

图 1 与射线束中心轴不同距离处的注量分布 Figure 1 Distribution of fluence with different distance to beam center axis

图 2 与射线束中心轴不同距离处的能量注量分布 Figure 2 Distribution of energy fluence with different distance to beam center axis

2.角分布：通过对RQR4、RQR6和RQR9辐射质的角度分布模拟计算结果，光管靶倾角为20°时，在限束光阑尺寸固定的情况下，RQR辐射质的角分布在5°附近达到最大值，如图 3所示。

图 3 辐射质角分布 Figure 3 Angular distributions of radiation qualities

3.能谱的模拟及测量结果：采用BEAMDP子程序分析处理辐射质RQR4、RQR6和RQR9的相空间数据文件，得到各自的能谱分布，在此基础上，使用HPGe谱仪测量得到的脉冲高度谱的最大值进行归一化处理，模拟计算能谱与实测谱结果比较，如图 4~6所示。

图 4 RQR4能谱模拟和测量结果比较 Figure 4 Comparison between measured and simulated energy spectrum of RQR4

图 5 RQR6能谱模拟和测量结果比较 Figure 5 Comparison between measured and simulated energy spectrum of RQR6

图 6 RQR9能谱模拟和测量结果比较 Figure 6 Comparison between measured and simulated energy spectrum of RQR9

4.平均能量：在不考虑对脉冲高度谱进行探测效率的卷积计算处理的情况下，采用上述平均能量计算方法对HPGe实测谱仪结果进行直接处理，可得到脉冲高度谱的初步平均能量。与模拟计算结果得到的平均能量结果比较，两者的差异在3%以内，如表 2所示。

表 2(Table 2)

表 2 X射线能谱平均能量的模拟、实测和参考值之间的比较 Table 2 Comparison between measured, simulated and reference mean energy for energy spectrum of X-ray 辐射质 模拟计算结果(keV) 测量结果(keV) 模拟计算与测量值差异(%) 参考值[7](keV) RQR4 35.9 36.8 2.5 34.4 RQR6 43.2 44.3 2.5 41.6 RQR9 55.4 56.7 2.3 56.2

表 2 X射线能谱平均能量的模拟、实测和参考值之间的比较 Table 2 Comparison between measured, simulated and reference mean energy for energy spectrum of X-ray

分析注量离轴分布和能量注量离轴分布结果，可以看出在X射线发生器的射线靶角和限束光阑尺寸固定的情况下，距靶焦点100 cm的RQR辐射质注量和能量注量均匀分布在半径为10 cm圆面上，随着与射线中心轴距离的增加而减小，而且两者趋势完全一致；在入射粒子相同、相当于相同管电流情况下，不同的辐射质的相对注量差异很明显，表明不同电压下的有效光子产生效率差异很大，有效光子的产生效率随着电压的增加而增大；由于辐射质的能量注量离轴分布是射线能量和相应注量综合作用的结果，因此不同辐射质的能量注量的离轴分布与所对应的注量离轴分布的趋势一致。

射线的角分布结果表明：诊断X射线RQR辐射质的沿射线出射方向的夹角分布不受管电压的影响，光管靶倾角为20°时，RQR辐射质的角分布在5°附近达到最大值，并随发散角的增大而急剧减小。

通过模拟和实测能谱的比较结果表明：对于RQR4~RQR9辐射质，采用射线脉冲高度谱表示其注量谱的差异在3%左右；在充分考虑X光机的物理参数和待模拟辐射质的特性的前提下，可采用EGSnrc蒙特卡罗软件模拟诊断X射线辐射质。另外，在与HPGe实测能谱的比较过程中，并没有对脉冲高度谱进行卷积处理，因此该方法得到的平均能量只能用于预估辐射质的平均能量的变化趋势和大致范围。