X射線輻射場平方反比規律的研究

趙 瑞，吳金杰，余繼利，廖振宇, 3，周振杰, 4，楊 揚

(1.成都理工大學，四川成都610059； 2.中國計量科學研究院，北京100029； 3.南華大學湖南衡陽421001；4.河北科技大學河北石家莊050018)

?

X射線輻射場平方反比規律的研究

趙 瑞1, 2，吳金杰2，余繼利1, 2，廖振宇2, 3，周振杰2, 4，楊 揚2

(1.成都理工大學，四川成都610059； 2.中國計量科學研究院，北京100029； 3.南華大學湖南衡陽421001；4.河北科技大學河北石家莊050018)

X射線輻射場強度隨著距離的變化而變化，同一射線在不同距離處其強度是不同的。為了研究X射線輻射場強度和距離的平方反比規律，采用PTW-30013指形電離室進行輻射場均勻性測量，并在均勻的輻射場中用PTW-32002球形電離室進行平方反比規律的驗證。結果表明：在對管電壓為100 kV、120 kV、150 kV三個防護水平輻射質在不同距離經空氣衰減修正后，在一定距離內，X射線輻射場強度能夠很好地滿足距離的平方反比規律，其相對偏差不超過1%。由于散射光子的影響，平方反比規律誤差隨著距離的增大而有所增加。對于能量越高的X射線，平方反比規律更好。

防護水平；X射線；輻射野；電離室；平方反比；衰減系數

隨著核技術應用的逐漸廣泛，X射線在很多方面有著無可比擬的作用。尤其在醫學和工業方面，據不完全統計，我們國家每年有數十萬臺X射線光機，每年利用X射線進行醫學診斷人次超過2.5億，而對于醫學診斷和治療，X射線機的正確屏蔽是非常重要的。電離輻射成了大家不可忽視的問題，在日常生活和實際工作中，如何進行有效的防護，避免不必要的照射和輻射亟待解決。輻射防護外照射三條原則[1]：盡可能減少與輻射接觸的時間；正常工作情況下，盡一切可能遠離射線源；適當的采取屏蔽措施遮擋輻射源發出的射線，使工作人員免受不恰當的照射。四川大學石先偉等人對γ放射源強度平方反比定律進行實驗設計[2]，論證設計準直器對實驗結果有很大的影響。本文針對防護中X射線輻射場距離的平方反比問題進行實驗設計，研究X射線輻射場水平方向的均勻性，并對輻射場距離平方反比規律進行驗證。

1 實驗原理和方法

1.1 實驗裝置

在防護水平X射線標準輻射裝置[3]的基礎上設計和完成實驗。實驗裝置包括中能X射線光機，由兩個160 kV，40 kHz高頻高壓發生器提供高壓，其管電壓的變化范圍為13.6～320 kV。X射線源出束裝置包括支撐平臺，光管多維調節機構，屏蔽外殼和光闌。輻射質的改變由濾過盤和旋轉平臺和控制器共同控制，其中濾過片安裝在濾過盤上。實驗采用標準電離室PTW-30013、PTW-32002[4]配以PTW-UNIDOS標準劑量儀，數字式溫度氣壓計和計算機控制軟件。另外還配有移動導軌和激光定位系統以及電離室可支撐平臺，電離室支撐平臺與計算機連接，可通過計算機控制軟件對不同位置的電離室精確定位。

1.2 實驗原理

陰極燈絲在加熱的條件下會產生高速的電子，高速電子在外加電場的作用下轟擊陽極鎢靶并發生韌致輻射，這樣就產生連續X射線，形成圓形光管焦斑，所以X射線經過圓形限束光闌后形成圓錐形X射線束。產生的射線束在平行于光管的平面上測得的輻射野近似為一個圓。通過空腔體積0.6cc的PTW-30013指形電離室對輻射場進行逐點掃場，可以對輻射野進行測量，驗證其野的均勻性。用經過基準刻度的PTW-32002電離室，在防護水平X射線標準輻射裝置建立的60～300 kV共8個不同輻射質的基礎上，通過測量管電壓為100 kV、120 kV、150 kV三個防護水平輻射質在不同距離處電離室的空氣比釋動能進行平方反比研究實驗。

1.3 實驗步驟

實驗分兩步進行，首先就是利用PTW-30013電離室對輻射場進行均勻性測量。測量目的一方面就是為了實現X射線主射束中心和過濾片以及定位裝置處于同一軸線，這樣可以保證電離室能處在射線束的正中心；另一方面是為了保證PTW-32002電離室在測量時能夠處在99%的均勻野范圍內。實驗采用德國PTW-30013指形電離室，通過激光定位和移動導軌將電離室固定在離焦斑距離3m處位置。給光機加上100 kV管電壓，10 mA管電流，分別以1 cm為步進長度，通過計算機控制軟件對輻射場水平方向上平行于光管方向進行掃場測量，UNIDOS靜電計60 s記錄一次數據，同一位置測量兩次。直到測量值小于初始測量值的1%左右停止測量，通過計算機控制導軌使電離室正反來回兩次測量，記錄下每個位置的電離電量值，最后取其平均值。具體實驗裝置示意圖如圖1所示。

圖1 距離焦斑點3 m處輻射野掃場裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of radiation field scanning field device at 3 m from focal spot

其次是通過PTW-32002電離室對X射線輻射場距離平方反比規律進行測量研究。以電離室距離X射線束出口2 m為起始，通過控制導軌軟件每隔20 cm測量一次，分別得出電離室在2 m、2.2 m、2.4 m等一直到4.2 m處的各位置上的電離電荷量，測量時間間隔設定60 s，每個位置測量兩次電離室電荷值，取其平均值作為實驗測量值。射線輻射質采用防護水平標準輻射質，本實驗選用管電壓為100 kV，管電流為11.9 mA、管電壓為120 kV，管電流為9.0 mA、管電壓為150 kV，管電流為1.8 mA的三個不同輻射質，分別對球形電離室在不同的位置進行平方反比實驗測量。

2 實驗結果與數據分析

2.1 輻射場的均勻性測量

實驗在溫度為21.5℃，氣壓為100.070 kPa 條件下，通過對3 m處輻射場進行逐點掃場，通過對測量數據采取最大劑量歸一處理后，具體結果如圖2所示。

圖2 指形電離室測量距離焦斑3 m處輻射野水平方向分布曲線Fig.2 The horizontal direction distribution curve of the radiation field in the finger shaped ionization chamber at 3 m distance from the focal spot

通過測量結果可以看出，在距離防護水平X射線焦斑3 m處，水平方向均勻性好于99%的輻射野直徑約為28 cm。通過比對防護水平X射線標準中其距離X射線焦斑1 m處的輻射野直徑約為大于9 cm可以看出，輻射野尺寸在不同位置具有很高的線性關系，這也使射線束成錐束得到了很好的驗證。由于PTW-32002電離室是球形電離室，其直徑是 140 mm，在1 m處其直徑大于均勻性好于99%的輻射野尺寸，故要使均勻性好于99%的射線束完整的照射到電離室上，電離室距離焦斑大約為1.5 m。實驗在距離射線束出口2 m處進行初始測量，通過移動控制導軌使電離室在不同距離處均處于99%的輻射野內。

2.2 無空氣衰減修正時平方反比規律的驗證

根據移動電離室距離焦斑點的位置的不同，分別測量了在三種不同輻射質條件下的規律，經過最大劑量歸一處理后，具體結果如圖3～圖5 所示。

圖3 100 kV管電壓下不同位置測量的電離室劑量Fig.3 Ionization chamber dose measured at 100 kV tube voltage at different locations

圖 4 120 kV管電壓下不同位置測量的電離室劑量Fig.4 Ionization chamber dose measured at 120 kV tube voltage at different locations

圖5 150 kV管電壓下不同位置測量的電離室劑量Fig.5 Ionization chamber dose measured at 150 kV tube voltage at different locations

通過對結果數據分析可以看出，X射線輻射場強度隨距離的增加基本上滿足平方反比規律。隨著射線能量的增加，平方反比曲線擬合效果也加強。由于距離平方反比規律是射線處在真空條件下得到的，故實驗中需要考慮空氣衰減對射線的影響。

2.3 有空氣衰減修正時平方反比規律的驗證

為了更加準確地驗證X射線輻射場的距離平方反比規律，需要對空氣衰減[5]進行修正。根據美國無損檢測手冊射線卷[6]中記錄，空氣衰減滿足一定的規律。窄束條件下，X射線在空氣介質中的衰減滿足指數衰減規律，即：

(1)

式中:μ為X射線的線減弱系數，cm-1；L為減弱介質厚度，cm；I表示不同空氣程下測得的電離電流值。實驗還需對自由空氣電離室空氣密度進行修正，其中實驗測得氣壓為100 kPa，溫度為20℃，即：

(2)

式中：ρ0=1.239kg/m3；T為實驗溫度；Pa為實驗氣壓。由于考慮到數值的大小差異，故對測量值進行最大歸一化處理。以2 m處為例，將測量結果歸一化處理完結果如圖6～圖8所示。

圖6 100 kV管電壓下平方反比規律擬合Fig.6 Fitting the square inverse law of 100 kV tube voltage

圖 7 120 kV管電壓下平方反比規律擬合Fig.7 Fitting the square inverse law of 120 kV tube voltage

圖 8 150 kV管電壓下平方反比規律擬合Fig.8 Fitting the square inverse law of 150 kV tube voltage

由圖可知，在均勻性好于99%的輻射野直徑內，X射線輻射場符合平方反比規律。在不同輻射質下，隨著距離的增大，射線強度滿足平方反比規律的相對偏差逐漸增大。在有空氣修正時X射線平方反比規律相對偏差較無空氣修正時有明顯的減小，說明空氣對于X射線輻射場強度衰減有一定影響。

3 結論

經過比較可知，空氣衰減修正后X射線劑量與距離能夠很好地滿足平方反比規律，其相對偏差相比于未修正之前減小很多，大部分距離平方反比的相對偏差均降到1%以下，只有超過一定距離后其偏差有所增大。這是由于隨著距離的增大，散射光子對其影響增加，但均不超過ISO-4037[7]所給的5%的標準。故由本實驗可以得出X射線輻射場滿足距離的平方反比規律。對于X射線不同輻射質，其能量不同也會造成衰減規律有所偏差，有效能量越大，平方反比規律越明顯。但是隨著距離的不斷增大，實驗測量到的數據偏離平方反比規律越來越大。故可以得出X射線輻射場平方反比規律在一定距離條件下符合較好，當距離過大時，該規律融合性會逐漸減弱，誤差增大。在以后的實驗和科學研究中，需要考慮距離對實驗測量的影響。

致謝

感謝實驗過程中吳金杰研究員的耐心指導和教誨，尤其是在測量X射線輻射場場的特性時給予大力幫助；余繼利同志對本實驗步驟和方法提出了寶貴的意見和建議，在此一并表示感謝。

[1] 楊朝文.電離輻射防護與安全基礎[M].北京: 原子能出版社, 2011.

[2] 石先偉, 白立新.γ放射源強度平方反比定律驗證實驗設計[J].大學物理, 2013, 9, 32(9):39-42.

[3] 葛雙, 吳金杰, 郭彬, 等.(20-300)kV X射線參考輻射裝置的建立[J].核電子學與探測技術, 2016, 36(1):68-72.

[4] Ionizing Radiation Detectors[S].2008/2009.

[5] 成建波.137Cs-γ輻照器輻射場特性研究[D].甘肅:蘭州, 2015.

[6] 方向威.美國無損檢測手冊[M].世界圖書出版公司, 1992.

[7] ISO4037-1, part 1:X and gamma reference radiation for calibrating dosimeters and dose rate meters and for determining their response as a function of photon energy[S].

Study on the Inverse Square Law of X-ray Radiation Field

ZHAO Rui1, 2，WU Jin-jie2，YU Ji-li1, 2，LIAO Zhen-yu2, 3，ZHOU Zhen-jie2, 4，YANG Yang2

(1.Chengdu University of Technology, Chengdu, Sichuan 610059, China； 2.National Institute of Metrology, Beijing 100029, China； 3.University of South China，Hengyang, Hunan 421001, China； 4.Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang, Hebei, 050018, China)

The intensity of X-ray radiation field varies with the change of distance, and the strength of the same ray at different distance is different.In order to study the inverse square law of X-ray radiation field intensity and distance, the PTW-30013 finger shaped ionization chamber is used to measure the uniformity of the radiation field, and the PTW-32002 spherical ionization chamber is used for the verification of the inverse square law.The results showed that: in the tube voltage of 100 kV, 120 kV, 150 kV levels of protection against radiation quality at different distances by air attenuation correction, X ray radiation field intensity can well satisfy the inverse square law of the distance in a certain distance.And the relative deviation is less than 1%.Due to the influence of scattered photons, the square inverse square law error becomes significant with the distance increasing. For the higher energy X rays, the inverse square law is much better.

Protection level; X-ray; Radiation field; Ionization chamber; Square inverse ratio; Attenuation coefficient

2016-11-04

科技部轉制科研院所創新能力專項(25-CXNL1401)，X射線GEM探測器的研制與開發

趙 瑞，(1992—)，男，安徽舒城人，在讀碩士研究生，主要從事電離輻射研究

TL71

A

0258-0918(2017)03-0482-05