中国辐射卫生  1999, Vol. 8 Issue (3): 129-133  DOI: 10.13491/j.cnki.issn.1004-714x.1999.03.001

引用本文 

谢向东, 杨世魁, 郭勇, 朱云平. 光子外照射周围剂量当量与空气比释动能转换系数的实验研究[J]. 中国辐射卫生, 1999, 8(3): 129-133. DOI: 10.13491/j.cnki.issn.1004-714x.1999.03.001.
Xie Xiangdong, et al. Experimental study on the conversion factor between ambient dose equivalent and air kerma for external photon radiations[J]. Chinese Journal of Radiological Health, 1999, 8(3): 129-133. DOI: 10.13491/j.cnki.issn.1004-714x.1999.03.001.

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收稿日期:1999-01-24
光子外照射周围剂量当量与空气比释动能转换系数的实验研究
谢向东 , 杨世魁 , 郭勇 , 朱云平     
北京放射医学研究所国家生物医学分析中心, 北京 100850
摘要:为执行国际辐射单位与测量委员会(ICRU)的建议, 在光子外照射环境和个人剂量监测中使用实用量, 研究周围剂量当量H*(10)与空气比释动能Ka之间的转换系数。方法是用直径30cm的聚乙烯球代替ICRU球, 利用热释光探测器测量球表面与球内深度10mm处两位置的空气比释动能, 经过一些必要的修正, 将测量结果转化为ICRU球内的剂量值。在ISO4037规范的窄谱X射线和137Cs、60Co γ射线准平行束照射条件下, 测量了H*(10)/Ka的值, 分析了测量中不确定度的来源及其大小, 转换系数的总不确定度为3.2%。本文还与有关文献报道结果作了比较和分析。表明测量结果与理论计算值在误差范围内一致, 转换因子可用于环境监测仪和个人剂量计的刻度。
关键词周围剂量当量    空气比释动能    转换系数    
Experimental study on the conversion factor between ambient dose equivalent and air kerma for external photon radiations
Xie Xiangdong , et al     
Institute of Radiation Medicine, National Center of Biomedical Analysis, Beijing 100850
Abstract: In accordance with the recommendations of the International Commission on Radiation Units and Measurements, operational quantities should be used in environmental or individual monitoring for external photon radiations.Therefore, the conversion factor between ambient dose equivalent, H*(10), and air kerma, Ka, was studied.A sphere made of polyethylene with 30cm diameter was chosen as a substitute of ICRU sphere.The absorbed doses on the surface and at a depth 10mm of the sphere measured by thermoluminescence dosemeters were converted to the dose value in ICRU sphere with necessary corrections.The measurement of H*(10), Ka was performed for ISO-4037 narrow X rays and for gamma ray s from 137Cs and 60Co.The source and value of uncertainty were analyzed and the total uncertainty was 3.2%.Comparisons were made between our results and other published values.The results obtained are in agreement with the theoretical studies within uncertainties, and they can be used for the calibration of environmental monitors or individual dosemeters.
Key words: ambient dose equivalent    air kerma    conversion factor    
1 引言

按照国际辐射单位与测量委员会(ICRU)的建议[1], 在辐射防护领域, 测量强贯穿辐射的环境监测仪用周围剂量当量H*(10)刻度, 测量人体躯干剂量的个人剂量计用定向剂量当量H′(10)刻度。但目前在辐射防护实践中, 人们仍习惯采用照射量(X)或空气比释动能(Ka)来表达光子外照射的剂量。为了与ICRU的建议一致, 需要将外照射剂量监测结果转换成实用量H*(10)与H′(10), 这就需要建立针对不同照射条件下实用量与X或Ka之间的转换系数。考虑到在辐射剂量学的物理量中ICRU提倡使用Ka而逐渐淘汰X, 加之在ISO4037参考辐射场中刻度环境监测仪器或个人剂量计时, 辐射场近似齐向扩展场, H*(10)与H′(10)近似相等, 因此, 只需要利用周围剂量当量与空气比释动能之间的转换系数, 就可以按ICRU的建议, 将外照射剂量监测结果转换成实用量。关于H*(10)/Ka的研究, 有一些文献报道, 但研究结果之间有一些差别, 有进一步研究的必要。本文给出了在ISO4037规范的窄谱X射线和137Cs、60Coγ射线准平行束照射条件下, 用热释光探测器实验测量H*(10)/Ka的方法原理、方法和结果。

2 方法原理

按照H*(10)的定义, 它等于齐向扩展场中在ICRU球体内逆向齐向场半径深度10mm处的剂量当量。在ICRU球内, 对于能量从33keV到1.25MeV的光子外照射, 剂量当量与吸收剂量数值相等, 并且球内深度10mm处近似存在电子平衡, 于是有:

(1)

式中, DU(10)和Kt, U(10)分别为ICRU球内深度10mm处的组织等效材料的吸收剂量和碰撞比释动能。

考虑到在实践中难以配制与ICRU球完全一致的组织等效材料, 同时据理论研究表明聚乙烯与ICRU球组织有相近的辐射吸收特性, 因此本研究中用聚乙烯球代替ICRU球进行剂量测量, 而在计算ICRU球内剂量参数时再做必要的修正。假设探测器在聚乙烯球内深度10mm处的读数为MO, 则可将Kt, U(10)变为:

(2)

式中, Ka, X(10)为球X中深度10mm处的空气碰撞比释动能, X表示聚乙烯球(下标O表示)或ICRU球(下标U表示); 表示组织—空气质能吸收系数比在ICRU球内深度10mm处能谱上的平均值。

公式(2)中第二项Ka, O(10)/MO为探测器在聚乙烯球中对空气比释动能的刻度因子, 若探测器有较好的能量响应, 或者射线在自由空气中的能谱和在球中的能谱差别忽略不计, 球中的刻度因子就可用自由空气中的刻度因子来替代, 即Ka/Ma(自由空气的比释动能/自由空气中探测器的读数)。第三项Ka, U(10)/Ka, 0(10)的值在考虑到因两球材料不同对射线吸收的差异后, 用球表面处的值Ka, U(0)/Ka, 0(0)来表示。于是由(1)式和(2)式可得:

(3)

式中, T(10)为聚乙烯深度10mm处的深度剂量, T(10)=MO/MS, MS为探测器在聚乙烯球表面上的读数; BU为ICRU球的反散射系数; f是对聚乙烯和I-CRU球组织两种材料吸收系数不同引入的修正因子, f=exp[(μO-μU)x], 其中μUμO分别为组织等效材料和聚乙烯的线性吸收系数, x为深度, x=10mm。

由(3)式可知, 只要测得探测器在聚乙烯球中内深度10mm处的剂量T(10), 就可计算得到H*(10)/ Ka。

3 实验材料与测量条件 3.1 实验模体

用北京塑料研究所生产的聚乙烯棒, 在精密车床上加工成的直径为30cm的球体作为实验模体, 其比重为0.94g·cm-3, 重量百分比为碳85.7%, 氢14.3%, 无其它杂质。靠球表面10mm处钻一直径为8mm的圆柱形小洞, 插入一个与小洞大小相当的圆棒, 圆棒一头开槽(长15mm, 厚1mm), 槽中可放置三个探测器, 如图 1所示。

图 1 实验模体
3.2 探测器

探测器为北京放射医学研究所研制的BIRM- 1000型LiF:Mg, Cu, P热释光探测器, 规格为直径4.5mm, 厚0.8mm, 在能量33KeV-1.25MeV范围内的能量响应好于±20%, 剂量响应线性范围为(1× 10-4-10)Gy, 相关系数好于0.999[2]。由于探测器两面的能量响应不完全相同, 为了消除这种影响, 在探测器中心做了一个小凹, 以此来区分其正反面, 以保证探测器在照射、测量和退火过程完全一致。将探测器在60Coγ射线下照射相同剂量(约1mGy), 在TOLEDO654热释光读出器上进行测量, 选出测量值在±2%范围内的一批探测器, 在精密退火炉中退火后, 每三个一组, 用硫酸纸包好供实验使用。

3.3 照射条件

实验地点在国防科工委放射性计量一级站的次级标准实验室, X射线机为PhilipMG-324型, 管电压为40~300kV共9种, 考虑到X射线机的固有过滤后按照ISO4037规范的窄谱系列[3]设置合适的过滤层。该机的照射量率经中国计量科学院刻度的英国产次级标准NPL-2560型电离室测量得到, 照射量率的长期稳定性小于0.3%。为了准确确定X射线的有效能量, 用电离室距源1.2m处对第一半值层进行了准确测量, 结果见表 1

表 1 X射线的半值层及有效能量

γ辐射源为137Cs和60Co, 其中137Cs的活度为0.37TBq, 60Co活度为37GBq(1994年10月31日), 源到位的重复性好于0.1%。

照射室尺寸为10m×5m×3m, 照射架置于有轨小车上, 轨道上有刻度, 通过激光器进行精确定位。由气动快门的开、闭实现照射和停止照射, 照射时同时计时, 计时准确性好于0.2s。考虑到照射时需兼顾源强度与辐射场均匀性, 照射参考点与源相距2.5m, 球中心位于射线中心轴上。为了减小支架及周围物体的散射影响, 确定射野直径为34cm, 球体置于泡沫塑料上, 如图 2所示。

图 2 实验照射条件

当探测器在球表面照射时, 对于X射线和137Csγ射线, 辐射与空气相互作用产生的次级电子在空气中的最大射程小于2.5m, 因而利用空气作平衡层就可达到电子平衡; 而对于60Coγ射线, 由于次级电子在空气中的射程已超过2.5m, 所以照射时在探测器前加一小块3mm的有机玻璃板以建立电子平衡。探测器受照剂量为0.5mGy。

4 结果与讨论 4.1 研究结果

实验测量了能量从33keV到1.25MeV之间11种不同能量X或γ射线的H*(10)/Ka值, 其中X射线为ISO4037规范的的窄谱系列, 管电压为40, 60, 80, 100, 120, 150, 200, 250和300kV共9种, γ源为137Cs和60Co。表 2给出了测量结果。在推导H* (10)/Ka时, ICRU球的反散射系数引自Williams的计算结果[4]。, 计算f时使用的线性吸收系数引自Hubbell的数据[5], ICRU球内的组织—空气质能吸收系数比平均值引自Hubbell的数据[6]

表 2 H*(10)/Ka的测量结果(Sv/Gy)及与文献资料的比较

表 2中可看出, 能量从33keV到65keV, H* (10)/Ka值随能量增加而迅速增加, 在65keV时转换因子达到最大值; 当大于能量65keV时, 转换因子随能量增加而逐渐减小, 65keV处的值比1.25MeV的值高54%。从H*(10)/Ka的计算公式可知, 转换系数由深度剂量T(10)、反散射系数BU、材料修正因子f和质能吸收系数比四个参数决定。图 3给出了这些参数以及转换系数随能量的变化。从图 3可知, 球的反散射因子起主导作用, 其次是深度剂量, 转换系数随能量的变化与它们的变化趋势相同。深度剂量和反散射因子在65keV处达到最大值。球体材料不同引入的修正在低能时影响较大, 但随着能量的增加, 这种影响迅速变得可忽略不计。

图 3 H*(10)/Ka及各项参数随能量的变化
4.2 与其它研究的比较

为了检验本研究结果的可靠性, 在表 2中与有关文献资料做了比较。本文结果与Williams的理论计算值[4]符合较好。与Sollier的实验结果[7]相比, 在能量较高的137Cs和60Co辐射源照射时结果很接近, 但低能时相差较大。分析原因有两点:首先Sollier实验使用的是水球, 他们的测量结果未对水球与ICRU球的辐射吸收特性差异作校正, 水球的反散射因子比ICRU球的小[8], 并且水对辐射的吸收比ICRU组织的吸收大; 其次, 所用X射线机的高压和过滤层的不完全一致以及周围物体散射影响使能谱偏移。转换系数在低能时对能谱的变化敏感, 这引起在低能情况下有较大的差异; 而对于能量较高的60Coγ射线, 即使考虑散射影响, 由于散射光子能量多在1.0MeV-1.2MeV之间[9], 接近初始射线的能量, 因而散射影响相对较小, 本文的实验结果与文献报道的实测结果差别很小。

4.3 误差分析

从公式(3)可知, 测量结果的误差主要来源于T (10)、BU、K和四个参数的不确定度以及在导出公式(3)中的简化假设。T(10)测量的误差主要来源于以下因素:照射位置剂量率的准确性[9]和稳定性, 照射时间控制, 距离测量, 实验辐射场与齐向扩展场的差异和探测器性能等。当射线品质不同时, 以上各误差项的大小也不一样, 它们随着能量增加而降低。表 3给出了对于能量从33keV到1.25MeV的光子外照射, 测量结果中的各项不确定度的最大值及相应的合成不确定度。

表 3 测量结果的不确定度分析

下面对其中几个误差项作简要讨论。

4.3.1 实验辐射场偏离齐向扩展场的影响

辐射场偏离齐向扩展场的程度反映在反散射因子的差别上。为了确定本研究采用的辐射场与齐向扩展场间的差异, 我们测量了在150kVX射线照射条件下不同距离处球的反散射因子, 表 4给出了测量结果。

表 4 150kV的X射线不同距离处的反散射因子

表 4看出, 不同距离处的反散射因子差别不大。据文献报道[11], 在与本实验类似的条件下, 采用电离室测量离源1.9~3.8m处的反散射因子相差小于0.5%, 实际辐射场偏离齐向扩展场对所有能量的光子给T(10)测量带来的误差最大不超过0.5%[7]

4.3.2 探测器的性能

若用探测精确测量球内深度10mm处和球表面处的任一位置Ka值, 则必须对探测器进行严格的能量响应刻度, 同时还需对球面处辐射场能谱与球中辐射能谱的差异作校正, 对探测器的引入对辐射场的扰动作校正, 并考虑探测器灵敏度的变化、剂量响应的线性及探测器分散性等因素的影响。在本研究中采用相对测量的方法, 即测量这两个位置的Ka之比T(10)随能量的变化, 在测量中两个位置的反散射体相差不大, 其反散射也应基本一致, 使两个位置的能谱相差不会很大, 这样在两处测量时会存在相同的系统误差, 其比值就可消除这种误差。相同批次的探测器灵敏度的变化相同并且经几次照射和退火后变化很小, 相对测量也可消除这种影响。至于剂量响应的线性, 考虑到两处的吸收剂量相差不到20%, 探测器又有很好的剂量响应, 它的影响也可忽略不计。只有探测器的分散性(它包含选片时测量仪器的各种不确定度)是一个随机因素, 无法在相对测量消除。因此, 探测器性能给T(10)测量带来的误差主要来自于其分散性, 按挑选探测器时的精度取值为2.0%。

4.3.3 质能吸收系数的不确定度

对于能量从33keV到1.25MeV的光子, Hubbell计算的质能吸收系数的统计误差约为2%, 但对两种有效原子序数接近的物质, 在计算其质能吸收系数比值时, 由于计算中系统的不确定度可相互抵消, 计算两种质能吸收系数比值的误差要比计算单一物质质能吸收系数的误差小许多。由于空气和ICRU球组织的有效原子序数接近, 因此对来源于的误差, 据文献的不确定度[8]本文取值为1.0%。

4.3.4 公式中的简化假设

在公式推导中作了两点假设, 即假设是在ICRU球内深度10mm处存在电子平衡, 于是在计算中用碰撞比释动能表示吸收剂量。对实验中33keV到1.25MeV能量的光子, 它们与ICRU球组织相互作用产生的次级电子在ICRU球的最大射程小于10mm, 因此由电子平衡假设带来的误差可忽略不计。另一假设是探测器在实验球内的能量响应与在空气中的能量响应相同, 但实际上由于空气和球体对入射辐射的散射和吸收作用不同, 使空气中的能谱与球中的能谱有差异, 由此引入的误差[12]最大可达1.6%。

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图 1 实验模体
表 1 X射线的半值层及有效能量
图 2 实验照射条件
表 2 H*(10)/Ka的测量结果(Sv/Gy)及与文献资料的比较
图 3 H*(10)/Ka及各项参数随能量的变化
表 3 测量结果的不确定度分析
表 4 150kV的X射线不同距离处的反散射因子
光子外照射周围剂量当量与空气比释动能转换系数的实验研究
谢向东 , 杨世魁 , 郭勇 , 朱云平