2. 清华大学工程物理系，北京 100084
2. Department of Engineering Physics, Tsinghua University, Beijing 100084 China
X、γ射线探伤机在工业领域已得到广泛应用[1- 2]，但辐射是一把双刃剑，X、γ射线工业探伤导致人员误照射的事故也时有发生[3-6]。一旦发生辐射事故，人体各器官和全身的受照剂量快速估算是人员救治首先要面临的难题，为解决这一技术难题，本文基于FLUKA模拟软件和中国参考人体素模型，对3种X射线探伤机和2种γ放射源产生的射线照射（由前向后照射）人体时器官的能量沉积、吸收剂量，以及器官吸收剂量与X/γ射线入射人体前空气比释动能的转换系数、器官吸收剂量与辐射源的转换系数进行了初步研究，以期为事故情况下受照人员器官吸收剂量快速估算提供重要的剂量学参数。
1 材料与方法 1.1 研究对象利用中国男性参考人体素模型（CRAM）[7- 8]，研究200～400 kV X射线机和137Cs、60Co放射源在距离人体1 m处照射时，人体各组织与器官的能量沉积、吸收剂量及其转换系数。CRAM体模已经在辐射防护领域得到应用[5, 7-10]，该体模高度为1.70 m，重量为60 kg，体模内有103个组织/器官。
1.2 计算方法利用开源的FLUKA软件构建辐射源模型和照射事故模型[11]。参考典型X射线机的结构及相关参数构建简化的X射线机模型[12]，靶材料设为钨，焦点大小为2 mm × 3 mm，电子打靶时能量分别设置为200、300和400 keV，X射线机内部设为真空，过滤材料设为3 mm铝或3 mm铜，在X射线机出束口设3 mm有机玻璃作为Ｘ射线管的管壁，准直器设为圆锥台体，内径0.6 cm，外径为4.6 cm，高度4 cm，出束张角设为常见的45°，X射线机自身屏蔽材料保守设为4 cmPb，X射线机简化模型示意图见图1；对137Cs放射源，γ射线能量设为661.7 keV，对60Co放射源，其2种γ射线能量取平均值1.25 MeV，均为各向同性照射。人体模型构建主要是将CRAM体模转化为FLUKA可以识别的空间体素结构文件[7-8,11]，即把CRAM体模中的每个器官各自视为一个复合型的几何区域，每个区域由描述各自器官的体素组成，并分别定义器官的元素组成和密度；周围空间设置为直径1000 m的空气球体。为了便于模拟数据的拓展应用，事故情形设为人体与辐射源的距离为单位距离即1 m，辐射源的高度均设为1.35 m，照射模式为由前向后照射（AP），事故照射模型见图1所示。为保证计算的统计涨落< 10%，模拟的粒子数量均不少于2.5 × 108。
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图 1 X射线机结构示意图和事故照射模型 Figure 1 Schematic diagram of an X-ray machine and model of accidental exposure |
为了便于事故后通过测量探伤机产生的空气比释动能推导器官吸收剂量，即获得器官吸收剂量与空气比释动能的转换系数，需要将器官吸收剂量除以空气比释动能。为获得器官吸收剂量与辐射源对应的转换系数，对X射线机，即获得Ｘ射线机常见显示数值（单位时间单位电流mA·min）对应的器官吸收剂量转换系数，需要将模拟获得归一后的器官吸收剂量结果乘以打靶的总电子数（即每分钟总电子数6.25 × 1015 × 60）；对放射源，为归一到单位时间单位活度 （GBq·s）对应的器官吸收剂量转换系数，需要将单光子的器官吸收剂量结果乘以活度再乘以光子的总发射概率，其中对137Cs，γ的发射概率为0.864；对60Co，γ的总发射概率取为2。
1.3 质量控制本文把CRAM体模在FLUKA软件中构建后，为保证模拟结果的准确性，分别对0.03、0.04、0.05、0.06、0.08、0.10、0.15、0.20、0.30、0.40、0.50、0.60、0.80、1.00、2.00、4.00、6.00、10.00 MeV 的X/γ射线各向同性（ISO）照射人体进行了模拟，并使用文献中基于GEANT4的方法开展了相同的模拟[7-10]，结果显示单位注量的X/γ射线在各器官产生的剂量结果相差均< 5%，表1中列出了2种软件对大脑、肺、心脏、肌肉和软组织、肝脏等部分器官的模拟结果。
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表 1 FLUKA软件和GEANT4软件模拟结果比较（pGy·cm2） Table 1 Comparison of simulation results between FLUKA and GEANT4 |
为了避免散射辐射对辐射场的影响，在无CRAM体模时，分别模拟了200～400 kV X射线机、60Co和137Cs放射源产生的剂量分布，图2给出了200 kV X射线机产生的周围剂量当量分布。归一后的200～400 kV的X射线机打靶时产生的X射线能谱分布见图3。从图3中可以看到200 keV电子打钨靶时在60～80 keV产生了明显的特征X射线峰，与文献报道一致[12]。
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图 2 200 kV X射线机产生的周围剂量当量分布图 Figure 2 Distribution of ambient dose equivalent of 200 kV X-ray machines |
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图 3 200～400 kV X射线机产生的X射线能谱分布图 Figure 3 Distribution of X-ray energy spectrum generated by 200-400 kV X-ray machines |
根据图3中的能谱分布和《用于光子外照射放射防护的剂量转换系数》（GBZ/T 144—2002）规定的不同能量的转换系数，表2给出了X射线机产生的不同能量光子所占份额百分比，并计算出了加权后的周围剂量当量与空气比释动能比值（H*（10）/Ka），即周围剂量当量与空气比释动能的转换系数，对200～400 kV X射线机，H*（10）/Ka值的范围为1.50～1.60。
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表 2 X射线机产生的不同能量光子所占比例和H*（10）/Ka值 Table 2 The proportion of photons of different energy levels generated by X-ray machines and their H*(10)/Ka values |
根据模拟的周围剂量当量分布，可以推导出模拟的X射线机输出量和γ放射源1 m处的周围剂量当量率，结果详见表3，对照相关文献报道的理论结果[12-14]，γ放射源1 m处的周围剂量当量率模拟结果与理论结果一致，偏差< 2%；X射线机模拟结果与文献值相比，最大偏差< 15%，一致性较好。
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表 3 X射线机输出量和γ放射源周围剂量当量率常数模拟结果 Table 3 Simulation results of X-ray machine outputs and dose equivalent rate constants around γ radiation sources |
200～400 kV X射线机和137Cs、60Co放射源距离人体1 m照射时，对模拟出的人体103个组织器官能量沉积结果进行统计分析发现，能量主要沉积在肌肉和软组织、肺、皮肤、肝脏、大脑、心脏等器官，分析原因，主要是由于在103个器官中这些器官的质量和体积较大。X、γ射线在该6个器官和全身的能量沉积结果见表4，表4中对X射线机照射时的能量沉积归一到单电子，对137Cs、60Co放射源照射时能量沉积归一到单γ光子。
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表 4 单光子或单电子打靶在人体全身及主要器官产生的能量沉积模拟结果（GeV） Table 4 Simulation results of energy deposition generated by single photon or single electron impinging on target in human body and major organs |
根据表5中各器官的质量可获得单位质量的能量沉积，再根据吸收剂量（Gy）与单位质量能量沉积（GeV/g）转换系数（1.6 × 10−7），可获得人体全身及肺、肌肉和软组织、皮肤、肝脏、大脑、心脏的吸收剂量模拟计算结果，详见表6。有文献报道60Co放射源在水模中半径1.5 cm照射野内的吸收剂量为2.62～2.88 × 10−5 pGy[15]，与本文各器官吸收剂量具有可比性。
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表 5 人体主要器官的质量 Table 5 Mass of major human organs |
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表 6 单光子或单电子打靶在人体全身及主要器官的吸收剂量模拟结果（pGy） Table 6 Simulation results of absorbed dose of single photon or single electron impinging on target in human body and major organs |
X射线机和放射源产生的吸收剂量空间分布分别见图4和图5，从图4中可以看出，200～400 kV X射线机距离人体1 m时产生的X射线照射野基本覆盖了人体头、胸和腹部的主要器官。
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图 4 200～400 kV X射线机照射人体时的吸收剂量分布 Figure 4 Distribution of absorbed dose in human body irradiated by 200-400 kV X-ray machines |
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图 5 137Cs和60Co放射源照射人体时的吸收剂量分布 Figure 5 Distribution of absorbed dose in human body irradiated by 137Cs and 60Co sources |
表7给出了人体主要器官吸收剂量与照射野中心轴1 m处空气比释动能（无人体散射时）的转换系数，本文定义的转换系数以1 m处的空气比释动能作为除数，主要是考虑实际检测时具有代表性和可操作性。X射线探伤机和γ放射源对肺、心脏、肌肉和软组织、肝脏、皮肤和大脑的吸收剂量转换系数范围为0.30～1.19（Gy/Gy）。
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表 7 人体主要器官的吸收剂量与照射野中心轴1 m处空气比释动能的转换系数（Gy/Gy） Table 7 Conversion coefficients between major organ absorbed dose in human body and air kerma at 1 m from the central axis of the irradiation field |
表8给出了人体主要器官吸收剂量与工业探伤机输出量或活度的相关的转换系数，对X射线探伤机，肺、心脏、肌肉和软组织、肝脏、皮肤和大脑的吸收剂量转换系数范围为6.12 × 10−3～2.90 × 10−2 Gy·m2/（mA·min）；对137Cs和60Co放射源，肺、心脏、肌肉和软组织、肝脏、皮肤和大脑的吸收剂量转换系数范围为1.12 × 10−8～7.01 × 10−8 Gy·m2/（GBq·s）。
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表 8 人体主要器官的吸收剂量与工业探伤机输出量或活度的转换系数 Table 8 Conversion coefficients between major organ absorbed dose in human body and output or activity of industrial flaw detectors |
本文在FLUKA软件中构建了CRAM体模和X射线机简化模型，初步研究了3种X射线机和2种放射源在单位距离（1 m）处照射人体时，人体各组织器官的吸收剂量与空气比释动能的转换系数、组织器官的吸收剂量与辐射源相关的转换系数，该结果可为受照剂量快速估算提供剂量数据，需要指出，不同的照射距离会导致辐射场的分布不同，计算出的转换系数也会有所不同，当距离较远时可近似看作均匀辐射场，而事故时可能发生近距离照射，因此不同的照射距离还需下一步分别建模研究。对吸收剂量与工业探伤机输出量换算系数，在实际应用中需要注意的是还需乘以实际输出量与模拟输出量比值，另外还要考虑实际高度和距离的影响。本文研究的照射模式为由前向后照射（AP），在后续的研究中还可继续研究由后向前照射（PA），由左侧面照射（LLAT）和由右侧面照射（RLAT）模式。
本文仅对能量沉积多的器官的剂量转换系数进行了初步研究，针对特定辐射事故，如果对具体的敏感器官（如红骨髓、睾丸、晶状体）或某个器官局部区域感兴趣，可进行有针对性的建模分析。另外，本研究中人体皮肤的吸收剂量与空气比释动能的转换系数为0.42～0.59，而《电离辐射所致皮肤剂量估算方法》GBZ/T 244—2017中给出的50～600 keV X射线空气比释动能与男性皮肤吸收剂量的转换系数 Cks值在1左右，转换系数数值不同主要是由于两个转换系数的定义不同所致。
另外，对X射线机输出量的模拟和计算时需注意的影响因素有准直器及其张角（可导致1～2倍差别）、周围剂量当量与空气比释动能的换算系数（不考虑可导致1.5～1.6倍差别）和人体模型的散射辐射（可导致1.2～1.4倍差别）[12]，其他影响较小的因素有焦点大小、X射线管真空度及其体积等，这些经验可为X射线探伤机的模拟研究提供参考。
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