2021, Vol. 41
目前，由电子束打靶产生辐射场的电子加速器或二极管等辐射装置广泛应用于医学和工业领域[1]。其产生的脉冲X射线能谱复杂、持续时间短、瞬时剂量率高，在稳态辐射场中刻度的主动式电子剂量仪难以准确测量脉冲辐射的剂量[2-3]。基于固体能带理论的热释光测量方法，不存在电子学响应时间问题，具有能量响应好、灵敏度高、量程宽等特点，可用于短脉冲X射线剂量测量。但作为被动式测量方法，其不能实时给出剂量，且由于标定辐射场与被测X射线的能谱不同，剂量测量与转换误差难以避免。短脉冲X射线对探测器的时间响应、能量响应和测量范围等性能的要求更高。治疗级石墨空腔电离室，主要用于放射治疗中的剂量测量，具有较为优异的剂量学性能，但对于瞬时高剂量率短脉冲辐射的测量效果尚不明确。本研究利用热释光剂量计和治疗级电离室剂量仪对某电子加速器装置所致脉冲X射线的辐射剂量进行测量分析，探索研究短脉冲高剂量率X射线辐射剂量快速测量方法。
材料与方法 1、仪器设备国产BX型电子加速器装置：正常工作条件下，输出电压700 kV，电流18 kA，脉冲宽度50 ns，位于30 m×20 m房间，其空间布局与热释光刻度条件较为一致。热释光测量系统为军事科学院防化研究院GR-200 A型LiF(Mg，Cu，P)热释光探测器，直径4.5 mm、厚度0.8 mm；美国Thermo Scientific公司HARSHAW 3500型热释光探测器读出仪；军事科学院军事医学研究院BR 2 000 A型热释光探测器退火炉。本实验所用电离室型X、γ剂量仪探测器为德国PTW公司TW 30012型石墨空腔电离室，主要用于放射治疗中的剂量测量，其标称电压下离子收集时间140 μs，测量仪为PTW UNIDOS，测量范围600 μGy/min~3 kGy/min，在检定合格期内。铜吸收片，纯度99.99%，尺寸30 cm×30 cm，厚度1 mm。
2、热释光测量系统的准备选取分散性≤1%的LiF(Mg，Cu，P)热释光探测器，使用前240℃、10 min退火备用。采用不同能量的标准窄谱X射线和γ射线次级标准辐射场进行能量响应实验，将随机选取的9组180个探测器给予平均能量48、83、100、118、164、208、250、662、1 250 keV的10 mGy照射，用于拟合能量响应曲线。采用标准窄谱X射线次级标准辐射场对热释光剂量计进行刻度，将退火后随机选取的5组15个热释光剂量计给予平均能量250 keV的0、1、2、5、10 mGy照射，用于拟合相应刻度系数。
3、热释光剂量计的布放与测量将热释光剂量计分别布放在距离设备左前20°方向1~12 m处，间隔1 m，与源中心等高。在频率10 Hz条件下，每个布放点位的热释光剂量计照射100个脉冲后收回，用HARSHAW 3500型热释光探测器读出仪对照射后的热释光剂量计进行测量。
4、电离室剂量仪测量方法将电离室剂量仪置于操作台上，调整高度，使探测器中心与源中心等高。在频率10 Hz的条件下，将标准铜吸收片与电离室探测器分别置于距设备外壁0.5和1 m处，吸收片中心与源中心等高，测量并记录不同厚度铜吸收片下100个脉冲的空气比释动能；在频率10 Hz的条件下，测量并记录距设备外壁左前20°方向1、2、3……11、12 m处100个脉冲的空气比释动能；将探测器置于距设备外壁正前方2 m处，测量并记录不同频率下100个脉冲的空气比释动能。
5、有效能量估算方法X射线穿过铜吸收片时，考虑积累因子的射线衰减规律近似于如下公式[4]：
| $ {k_i} = {k_0}B{e^{ - \mu d}} $ | (1) |
或
| $ {\rm{In(}}{\mathit{k}_0}\mathit{/}{\mathit{k}_i}{\rm{) = - In}}\mathit{B}{\rm{ + }}\mu \mathit{d} $ | (2) |
式中，k0为无吸收片时1 m处空气比释动能(率)；ki是射线穿过厚度为d的吸收片后1 m处空气比释动能(率)；B为累积因子；μ为线衰减系数。
根据实验测量不同厚度铜吸收片对应的ki值，对ln k0/ki与d进行线性拟合，可得拟合的线性方程。当ki=k0/2时，计算可得半值层(HVL)[5]。根据射线在物质中的衰减规律，计算可得等效光子能量在铜中的质量衰减系数μ/ρ[6]。将μ/ρ内插到美国国家标准与技术研究院(NIST)发表的铜的质量衰减系数与光子能量关系曲线，可获得其等效能量[7]。
6、统计学处理数据符合正态分布，用
在频率10 Hz的条件下，将标准铜吸收片与电离室探测器分别置于距设备外壁0.5和1 m处，测量不同厚度铜吸收片下100个脉冲的空气比释动能，结果见表 1。线性拟合可得方程ln(k0/ki)=0.025 + 0.083 d(R2=0.998)，如图 1所示，计算可得HVL=8.05 mm Cu，μ/ρ=0.096 cm2/g。内插NIST发表的铜质量衰减系数与光子的能量关系曲线，估算其等效能量约为390 keV。
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表 1 不同厚度铜吸收片下100个脉冲的空气比释动能 (mGy) Table 1 Air Kerma caused by 100 pulses at different thicknesses of Cu (mGy) |
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图 1 铜吸收片厚度与ln(k0/ki)的关系 Figure 1 The relationship between the thickness of Cu and ln(k0/ki) |
2、热释光探测器能量响应测量结果
在标准窄谱X射线和γ射线次级标准辐射场中，本研究所用LiF(Mg，Cu，P)热释光探测器光子能量响应的测量结果，如图 2所示。当光子能量>200 keV时，探测器的能量响应趋于平稳。由此，可将热释光探测器的测量结果作为参考剂量，进一步估算脉冲X射线的瞬时剂量率水平。
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图 2 LiF(Mg，Cu，P)热释光探测器能量响应曲线 Figure 2 Energy response curve of LiF(Mg, Cu, P) detectors |
3、不同距离电离室剂量仪测量结果
在频率10 Hz的条件下，100个脉冲所致空气比释动能电离室剂量仪测量结果与源距离成平方反比关系，如图 3所示，曲线拟合方程为y=14.24 x-2，相关系数R2=0.999 7。
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图 3 电离室剂量仪空气比释动能测量结果与距离关系 Figure 3 The relationship between the distances and results of air Kerma measured by the ionization chamber dosimeters |
4、热释光剂量计与电离室剂量仪测量结果对比
在频率10 Hz的条件下，分别利用热释光剂量计和电离室剂量仪测量设备左前20°方向1~12 m处100个脉冲所致空气比释动能，结果见图 4。两者空气比释动能均与距离呈负相关(R2>0.99，P < 0.05)，且二者间差异无统计学意义(P>0.05)，测量结果相差范围为-9.65%~9.22%。根据脉冲宽度约为50 ns，可估算1 m处瞬时剂量率水平约为2.0×103 Gy/s。
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注：R2>0.99，P < 0.05 图 4 不同距离热释光剂量计与电离室剂量仪测量结果对比图 Figure 4 Comparison diagram of the measurement results of TLD and ionization chamber dosimeter at different distances |
5、不同频率电离室剂量仪测量结果
在1、2、4、5、6、8、10 Hz频率下，距离设备正前方2 m处电离室剂量仪所测100个脉冲累积空气比释动能结果分别为(3.87±0.03)、(3.87±0.03)、(3.88±0.02)、(3.84±0.00)、(3.87±0.01)、(3.84±0.02)和(3.83±0.01)mGy，差异无统计学意义(P>0.05)。
讨论常见脉冲功率装置[8-13]产生的脉冲X射线能量范围为1 keV至几MeV，脉冲时间宽度为几十到数百ns，瞬时空气比释动能率可达103 Gy/s以上。在电离辐射防护与监测实践中，便携式设备多属于环境级或防护级X、γ剂量率仪，如FH-40系列辐射测量仪、AT-1123型塑料闪烁体剂量率仪、451P或451B型电离室剂量仪等，其测量上限远低于某些脉冲辐射装置所致瞬时剂量率水平，无法完成准确测量[3, 14]。电子加速器或二极管等装置所致辐射场能谱较复杂，大都为连续轫致辐射X射线和特征X射线的叠加谱，能谱精确测量较为困难[15]。LiF(Mg，Cu，P)热释光探测器存在低能区光子能量响应问题，而对200 keV以上的中高能X射线具有较为平稳的能量响应，其测量结果可作为参考剂量估算瞬时剂量率水平。在频率10 Hz的条件下，电离室剂量仪的测量结果与热释光剂量计测量结果相差10%以内，其误差可能来源于仪器相对固有误差或不确定度、探测器的分散性与稳定性、测量位置的差异和对脉冲辐射的能量响应等[16]。在不同频率(1~10 Hz)下，电离室测量结果较为一致，说明治疗级石墨空腔电离室测量脉冲X射线具有较好的稳定性。针对10 Hz以下的短脉冲X射线，即使瞬时剂量率高于仪器标称最大剂量率，脉冲宽度小于响应时间，治疗级石墨空腔电离室依然可以较为准确地测量其剂量，而无需修正。其原因可能是该电子加速器装置所致脉冲X射线脉冲宽度较窄，但是脉冲频率较低，脉冲之间的时间间隔远大于电离室的响应时间，在宽量程的条件下可较为准确地测量其剂量。因此，针对本实验所涉平均能量约390 keV的加速器装置，在脉冲宽度约50 ns和频率10 Hz的条件下，治疗级电离室可用于短脉冲高剂量率X射线辐射剂量的快速测量。故而，可根据实验研究结果对加速器装置的屏蔽防护进行计算与验证，其测量结果亦可作为工作人员个人防护和辐射环境影响评价的参考依据。此外，通过进一步的理论与实验研究有望拓展电离室测量短脉冲X射线的应用范围。
利益冲突 无
作者贡献声明 李大伟负责实验并撰写文章；纪云龙、袁勇、周红梅参与实验；董国福、王琦整理数据；宁静指导实验并修改论文
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