过滤X射线参考辐射装置是刻度中、低能电离辐射剂量仪表的标准计量设备。它对确保剂量量值传递和统一, 医疗照射最优化, 提高医疗系统射线装置的场所监测和个人剂量监测水平有重要意义。我们对一台国产F-34型X射线深部治疗机进行了技术改造作为X射线参考辐射发生器, 并设计制造了气动快门、盘式旋转过滤器、监督电离室、防护水平参考电离室、X射线准直系统及刻度平台等设备, 组建了一台60~220kV中能过滤X射线参考辐射装置。经过系统调试, 其主要技术指标, 如参考辐射的固有过滤、射线质、辐射场均匀性、距离反平方律、散射影响及时间控制等均达到或接近国际标准ISO 4037的规定^[1], 满足了当前在X射线治疗与防护中对常用剂量仪表的刻度要求。

1 X射线参考辐射基本装置

该装置由X射线发生器、气动快门、盘式过滤器、透过式监督电离室、防护水平标准电离室、X射线准直系统及刻度平台等组成, 见图 1。

1.1 X射线发生器

过滤参考辐射X射线发生器由国产F-34型X射线深部治疗机的高压发生器、高压电缆、控制器、X射线管及冷却系统等构成。舍去深部治疗机的支撑立柱、移动轨道、电动快门和过滤器等部件。依据次级标准实验室的要求设计了距地面1.3m装置固定台, 将X射线管组装体固定于平台上并可作三维调整, 使射线束沿刻度平台轨道中心线水平方向射出。将厚6mm, 内径23mm的铅光阑镶嵌在管壳X射线出口处作初始光阑, 以减少散射对辐射场的影响。

对高压电路进行除尘、清洁、干燥、更换元器件和电源稳压等措施提高绝缘水平, 消除故障保证电路的稳定性。

1.2 气动铅快门

气动快门的作用是控制照射时间, 它由空气压缩机、电磁阀、三联体、缓冲气缸和一个100mm×100mm×15mm的铅板组成。快门行程100mm, 当压力为8.5kg/cm²时, 运行时间71.2ms, 压力降到4.5kg/cm²时, 运行时间升为83.2ms, 出线口为ϕ23mm, 所以当快门运行60.5mm时出线口将完全被打开或完全被关闭。在压力8.5kg/cm²时需要43.1ms, 压力4.5kg/cm²时需要50ms。所以对长于1min的照射可不做时间修正(ISO 4037规定)。铅快门独立地置于X射线窗口和限束光阑之间的地面上, 不与装置固定台接触, 从而避免了快门动作对其它部件产生振动影响。

1.3 盘式过滤器

盘式过滤器为直径360mm厚10mm的铝圆盘, 在圆盘上直径256mm的园周上等弧度镶有8组不同材料及厚度的ϕ80mm的滤片(ISO 4037窄谱)。以实现不用停机就可自动更换附加过滤的目的。

1.4 准直系统

准直系统由限束光阑、多层反射光阑和激光器构成, 用以限定射野形状和大小, 并保证射线束中心能与激光束重合。准直器尺寸根据仪表探头几何形状的大小设计加工。其中限束光阑内径小25mm, 外径ϕ110mm, 厚15mm, 用铅片制成。多层反射光阑由4个按内径由大到小顺序排列的铅光阑组成, 外径均为110mm, 厚度均为10mm, 光阑间的空隙为20mm。多层反射光阑总长为10mm, 激光器为国产星牌激光器, 出光口加有聚焦透镜, 以减小光斑。

1.5 监督电离室

自行研制了透射型监督电离室^[2]。电极为碳纤维和环氧树脂复合材料, 电离室直径6mm, 极间距5.5mm, 电极的质量厚度为55mg/cm²。按IEC推荐的有关标准进行了主要性能实验, 其结果是:漏电流 < 5×10^-15A, 33keV-161keV能量响影变化 < 10%;250V极化电压, 收集效率为0.993, 重复性(Sx/) < 0.4%, 1.5年稳定性变化 < 1%。以上各项指标均达到中能X射线次级标准实验室的要求。

1.6 防护水平次级标准电离室

防护水平次级标准电离室是我们为过滤X射线参考辐射装置研制的配套设备^[3]。电离室为球形, 内外电极均采用碳纤维和环氧树脂复合材料, 整体成型, 具有不易破损, 体积稳定和无需导电涂层等特点。电离室体积为3000cm³, 壁厚小35mg/cm³, 灵敏度为3×10^-15A/2.58×10^-7C·kg^-1·h^-1。对15keV至200keV能量范围的光子(此能量范围内电离室不用加平衡帽)能响在2%以内。电离室角响应为0.6%, 一年的稳定性在0.5%以内。电离室配有活度为1.85×10⁸Bq(5mCi)²⁴¹Am检测源, 该电离室对低能光子具有高灵敏度和好的能量响应, 不仅可以作为防护水平次级标准实验室参考标准, 而且适用于剂量率现场测量以及用于对低活度放射源空气比释动能的刻度。

1.7 刻度平台

刻度平台机械性能稳定, 可做三维调节, 以便于准确定位。平台可在4米长的轨道上移动, 高度和横向调节范围0-250mm, 能满足治疗级和防护级剂量仪器仪表刻度的要求。为了保证轨道水平和两轨道间的平行度, 采用先将两轨道焊接成一体, 然后用大型机床进行整体加工的工艺。

2 参考辐射特性 2.1 能量范围

48keV-161keV连续谱的过滤X射线辐射, 采用ISO 4037窄谱过滤条件。

2.2 射线质

在国际标准ISO 4037中, 用射束平均能量(keV)、分辩率(%)、半值层(照射量)和同质系数(k)表征过滤X辐射的辐射质。本实验室用ISO 4037中的校正程序对过滤X射线参考辐射的第一和第二半值层进行了测量与校正。除个别能量点外大部分能量点的HVL1、HVL2数值在1%以内, 与ISO 4037给出的数值符合。

2.3 固有过滤

用ISO 4037规定实验方法测量了本装置60kV时第一半值层为1.9。由ISO 4037表 2得到本装置的固有过滤(X射线管的玻璃、冷却油、出线窗监督电离室)为2mmAL。在附加过滤后另加2mmAL, 使总固有过滤为4mmAL达到标准标求。

2.4 辐射场均匀性

该辐射场是指射束通过初始、限束和多层反射光阑后的辐射场。在较高照射量率(150kV(118keV)5mA)下用1.00cm³小型电离室对100cm和200cm处的剂量分布做了测量。测量沿水平(阳-阴极)和垂直两个方向进行, 测量结果见图 2。

图 2表明100cm处80mm×80mm的辐射场内, 非均匀性 < 4%, 200cm处160×160 mm辐射场内其非均匀性 < 3%, 达到ISO 4037规定。

2.5 散射辐射影响

通过以下2个实验检验了散射辐射的影响。

2.5.1 移出实验

在50cm和100cm处垂直线束辐射场平面内, 测量了离射线束中心两个场半径加半影区的距离上的照射量率, 测量表明50cm处的散射影响为0.8%, 100cm处的散射影响为1.7%。均符合ISO 4037规定的辐射散射 < 5%的要求。

2.5.2 反平方律实验

在150kV窄谱条件下距焦斑1、2、3、4m的处进行照射量率测量, 测量结果经空气减弱校正后, 在4%内正比于距离平方倒数, 满足ISO 4037规定的必须在5%内正比于焦斑到探测器的距离平方的倒数的要求。

3 参考辐射装置性能

用美国NERO 6000B型非介入式诊断X射线质量保证系统对参考辐射装置的有关参数和性能进行了测量与评价^[4]。

3.1 管电压、输出量和照射时间

测量表明, 该装置的管电压和照射时间的指示值(120kV, 3.00s)与测量值(120.7 kV, 3.04s)分别相差0.6%和1.3%。辐射输出量为0.15mGy/mAs。辐射波形与kV波形一致。表明该装置工作正常。

3.2 重复性

在130kV, 3.00s和5mA条件下进行了10次重复测量, 所测的AVGkV、MAXkV、EFFkVmGy/mAs等参数其变异系数CV均 < 1%。表明装置重复性较好。

3.3 高压波纹与高压稳定性

由高压波形图中的数据和ISO 4037给的波纹定义:

计算出高压波纹为6.14%, 小于ISO 4037规定标准(≤10%)。

高压稳定性按ISO 4037规定, 在照射期间高压的平均值必须稳定在±1%以内。在本装置上连续10min的照射时间里进行5次高压测量, 结果为:

达到了射定要求。

3.4 X线管组装体漏射线

国际放射防护委员会33号出版物《医用外部电离辐射的防护》和GBW-2-80《用于治疗的X线卫生防护》中规定管电压大于100 kV时, 距焦点1m处的X线管组装体的漏射线限制量为2.58×10^-4C·kg/h(1R/h), 管电压50~100ky时为2.58×10^-5C·kg /h(0.1R/h)。这比ISO 4037规定的刻度防护水平剂量仪和剂量率仪的照量率下限10^-8C·kg/h(几十mR/h)要高, 为此对本装置的X射管组装体漏射线进行测量以确定对刻度仪器的影响。

X射线管漏射线的测量按GBW-2-80规定的检验方法进行:用大于10个HVL的铅(6mm)封闭出线窗口, 分别在60kV 8mA, 150kV 10mA, 150kV 3mA下的55、100、200、400、600cm不同距离上测量漏射线的照射量率, 测量结果与相同条件下主射束照射量相比, 比值最高为1.2×10^-3, 最低为5×10^-5, 说明X线管组装体的漏射线对刻度剂量仪和剂量率仪的影响最大不会超过2‰。, 所以在对剂量仪器刻度时对漏射线的影响不必进行修正。但是, 在测量中观察到从初始光阑散射出来的射线, 特别在低能情况, 不可忽视, 应该采取措施减少对刻度的影响。

4 小结

本装置自1992年考核认可以来运行稳定, 曾多次对外单位的剂量仪表进行过刻度。