为了确保电离辐射场所的安全与工作人员和公众的健康, 电离辐射防护剂量/剂量率仪和巡测仪(以下统称防护仪)已被广泛应用在辐射防护实践的监测中。多年来, 防护仪在辐射防护领域充当重要的角色, 它即是评价电离辐射场所是否安全的定量基础, 也是评价辐射危险的依据。然而, 由于辐射防护评价量的演变以及研制和生产防护仪的滞后, 因而引起了如何使用防护仪测量量来评价防护量的困惑。为此, 笔者仅就辐射防护仪测量光子外照射的现状、校准以及校准后的防护仪如何用测量量估计防护量进行讨论。
1 辐射防护仪应用现状(1) 在放射防护监测中, 国际辐射单位与测量委员会(ICRU)把对光子外照射的防护监测划分为“个人监测”和“区域监测”。多年来, 我国在开展区域监测中使用的检测仪多数属于电离室型剂量/剂量率防护仪。据估计, 我国目前使用的防护仪有数千台。如果把我国应用的防护仪按测量的显示值划分, 大致可分为四类:①我国早期研制的以测量照射量率为代表的XS及WF系列; ②以测量空气吸收剂量率为代表的FJ-347A;③以测量剂量当量为代表的450P-SI; ④以近期美国进口测量周围剂量当量为代表的451P-DE-SI。在这四类仪器中多数监测机构只有其中一种防护仪, 但也有相当多的省市级监测机构有两种或两种以上不同类型防护仪。具有两种或两种以上防护仪的监测机构在测量中发现不同类型的防护仪测量数值有时不相吻合, 存在疑惑。
(2) 防护仪缺乏定期校准或者校准后没有正确理解和使用校准证书中的校准因子。
(3) 误用防护仪测量放射诊断X射线摄像的输出量。
(4) 在测量X射线场所时, 对目前大量使用的FJ-347A、WF和XS防护仪没有去掉平衡帽, 与校准条件不一致, 因而对于低kV X射线防护监测带来较大的不确定度。
2 校准防护仪的仪器和设备为了对卫生系统使用的辐射剂量仪开展定期检定和校准, 早在1984年卫生部建立了二级标准剂量学实验室(Secondary Standard Dosimetry Laboratory, 缩写SSDL)。同年, 该SSDL加入国际原子能机构(IAEA)和世界卫生组织(WHO)在世界范围内建立的SSDL网, 并获得IAEA和WHO国际组织的资助和技术服务。与此同时, 卫生部专门为SSDL下达了5项基本任务, 即(84)卫防字51号(该文件也抄送外交部和国家计量局)。其中与剂量仪器校准有关的内容包括①“定期接受国家X、γ射线基准刻度, 保存和维护X、γ射线次级标准”②“为卫生部门使用的X、γ射线剂量仪表提供次级标准刻度和质量保证工作”。1992年, 卫生部SSDL通过国家技术监督局的计量标准考核, 2002年又获得了中国国家认证认可管理委员会计量认证合格证书。到目前为止, 该实验室已开展检定和校准服务近20年。我们知道, 辐射防护仪属计量器具, 按国家计量法规定, 已被列入强制检定目录[1]。无疑, 为了确保辐射防护监督监测质量, 定期对防护仪进行检定或校准是非常重要的。对正常使用的辐射防护仪的检定或校准周期为一年。
2.1 仪器和设备在卫生部SSDL, 校准防护仪的仪器和设备按其功能分别安装在控制室和照射室内。控制室内主要安装了MG324X射线机控制台, OB34γ辐射源控制台, 附加过滤片控制台及快门控制器和计时器等。
2.1.1 X射线辐射场X射线是由德国PHILIPS公司生产的高稳定度MG324X射线机产生。射线机的管电压可调范围为14-320kV, 管电流为0.01-22.5mA (分辨率为0.01mA), X射线输出量稳定性可达0.2%。防护水平辐射场是按ISO4037推荐窄束线质建立的, 该线质是在不同管电压条件下采用不同厚度与不同材料, 如Pb, Sn、Cu、Al等附加过滤片组合调试出来的有用线束。有用线束的等效能量是通过测量半值层(HVL)计算获得, 它们的平均能量是通过X射线谱测量获得(待发表), 其线质特性列表 1中。从表 1不难看出, 本实验室调试出的防护辐射场线质与IAEA剂量学实验室与德国技术物理研究院(PTB)的线质差别小于5%。
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表 1 校准用辐射防护线质的工作条件和特性1) |
1.8×1010Bq 60Co和7.4×109Bq 137Cs放射源分别安装在自主研制的照射器和德国生产OB34辐照器内。辐射场有用线束采用了专门设计的准直器, 准直后的线束散射成分不超过5%。
2.1.3 X射线准直器的其立体角为11.7度, 通过“阴影屏蔽法”和距离反平方定律法测量有用线束散射量, 测量结果表明, 有线束内的散射贡献小于3%。检验点处的辐射场不均匀度为2%。
2.1.4 标准剂量仪英国NE公司生产的2550二级标准辐射防护剂量仪是测量辐射场的标准剂量仪。该仪器的测量结果可溯源到国家标准和国际标准。辐射场稳定性是用IAEA资助的DCI-8500精密电流积分器和LS-01二级标准电离室测量的。稳定性测量结果表明, 辐射场短期稳定性好于0.5%, 长期稳定性好于1%。
2.1.5 轨道和三维可调夹具车长9 m、轨距为1.2 m的钢质可定位轨道和一套三维可调夹具测量车安装在17 m×9 m×4.5 m照射室内。该装置是由中国国家计量研究院设计、制造、安装和调试的, 全部机械调节和定位体现了高精度的可重复性。
2.1.6 检验点定位辐射场检验点的定位是靠莱塞线和潜望镜共同完成, 定位精度可达1 mm。
2.1.7 定期检定或校准实验室装有定期检定或校准的气压表和温度计, 确保测量值可溯源到国家基准。
2.1.8 防护与安全设施照射室和控制室具有符合国家要求的防护设施和安全设施。专用地线和电磁干扰屏蔽符合国家要求。
在过去的20年校准服务中, 卫生部SSDL检定和校准各类辐射仪表数千台次。虽然, 目前该实验室已更名中国疾病预防控制中心辐射安全所SSDL, 但宗旨和任务没有改变。
3 防护仪校准的概念和量值 3.1 校准校准是指在一组受控标准试验条件下, 定量确定剂量仪读数与被测量标准值(约定值)的关系。通常, 校准防护仪的标准条件除了要符合环境、电磁、辐射本底和应具备的防护条件外, 还应具备国际标准化组织(ISO) 4037推荐的线质, 即我国等同采用标准GB/T12162中校准剂量仪和剂量率仪及其确定其能量响应的X和γ参考辐射。否则很难获得防护水平校准量值的相互转换。
3.2 剂量标准值它是被测量的最佳估计值。该值由初级或次级标准通过参考仪器测量确定或通过国际上推荐认可的转换因子获得。只有建立了符合ISO4037标准的辐射线束, 二级标准剂量学实验室采用换算因子对校准防护仪带来的误差才可以忽略不计。
3.3 替代法替代法是检定或校准剂量仪的方法之一。其基本原理是将标准仪器放置在辐射场检验点上, 经测量获得剂量/剂量率标准值, 然后将被校准仪器准确地放在同一位置, 并使被校准仪器参考点与检验点重合, 经测量获得仪器读数。经比较两者的测量结果获得校准因子。
3.4 检验点是辐射场有用线束中的一点, 该点的剂量标准值(约定值)已知的。在校准防护仪时将防护仪参考点放置在检验点上。
3.5 参考点是防护仪上的一点, 该点一般在剂量仪探测器外表标明或制造商在说明书中注明。虽然防护仪电离室具有一定的体积, 实际上在校准中获得的是被检验点处的剂量值。要校准时应将仪器参考点与检验点重合。
3.6 防护水平外照射光子剂量学量的表示在卫生部SSDL校准防护仪时, 针对我国目前使用的4种类型的防护仪器分别给出了照射量、空气吸收剂量、剂量当量有周围剂量当量4种标准值。4种标准值的转换是建立在ISO4037窄束基础上给出的。
3.6.1 照射量XX是定量描述辐射场的基本物理量, 也是目前标准仪器溯源到国家标准的基本量。它只使用光子能量小于3MeV的X、γ射线。按ICRU的定义, 照射量是dQ除以dm所得的商:
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式中:dQ的值是在质量为dm的空气中, 由光子释放的全部电子(正、负电子)在空气中完全被阻止时, 空气中产生一种符号的离子的总电荷的绝对值。照射量的SI单位为C/kg, 伦琴(R)曾用单位。1R=2.58×10-4C/kg。XS和早期WF系列防护仪的测量值是照射量率, mR/h;
3.6.2 吸收剂量D它是dε除以dm所得的商:
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式中:dε是致电离辐射授予质量为dm的物质的平均能量。由于辐射防护仪是电离室型, 因此, 校准中给出的标准值是空气吸收剂量。按国际上已确定的空气电离功33.97J/C可得1R=2.58×10-4C/kg×33.97J/C=8.76×10-3J/kg=8.76×10-3Gy。Gy (戈瑞)是吸收剂量的专门单位。FJ-347A系列的防护仪面板显示是空气吸收剂量率, μGy/h; 另外, 空气比释动能Ka虽然与空气吸收剂量定义不同, 但对常规的光子防护监测中在电子平衡后两者数值差别甚小, 而且目前空气比释动能尚无国家基准, 可以认为在数值上Da=Ka。
3.6.3 剂量当量H某点处的剂量当量H由下式给出
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式中:Q (L)是具有传能线密度L粒子的品质因子; (dD/dL) dL是在该点处传能线密度L与L+dL之间的吸收剂量。对于外照射光子L≤3.5keV/μm, 被认为Q=1。在这种情况下剂量当量H数值上与D相等, 但单位是希弗, Sv。防护仪450P-SI的测量值是剂量当量率, μSv/h或mSv/h。
3.6.4 周围剂量当量H* (10)辐射场中某点处的周围剂量当量H* (d)是相应的扩展齐向场在ICRU球体内, 对着齐向场半径上、深度d处产生的剂量当量。H* (10)是针对测量强贯穿辐射推荐的实用量。实际上, 照辐射防护规定给出的剂量限值是防护量, 它是不可直接测量的[2], 尽管防护量在照射条件已知情况下可以计算获得。因此, 目前使用在ICRU10mm深处的周围剂量当量H* (10)做为防护量的最佳近似估计。451P-DE-SI防护仪的测量值是周围剂量当量率, μSv/h或mSv/h。由于周围剂量当量H* (10)是虽光子能量变化的, 因此, 它与照射量及空气比释动能之间的换算系数也随光子能量而变化。GB/T12162-3给出了各种条件下的换算系数。为了在校准防护仪时给出不同能量的校准因子, 表 2列出了窄束线质的换算系数。
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表 2 扩展齐向场ICRU球中空气比释动能Ka和照射量R到周围剂量当量H* (10)的转换系数 |
校准因子定义为在标准实验室校准仪器中, 检验点处的标准值, Ro除以被校仪器的读数, R, 即CF=Ro/R。如果被校仪器的探测器是与环境相通, R读数要做温度和气压修正。校准因子是无量纲的, 当剂量仪准确无误的测出检验点处的标准值, 其校准因子为1。校准因子的倒数等于参考条件下的仪器的响应。该响应是随着校准时光子能量变化而变化, 我们把这种变化称为防护仪的能量响应特性。
4 讨论(1) 我们知道, 国际上在放射防护应用中专门定义了两类量。一是由ICRP定义的防护量, 二是由ICRU定义的实用量。我国辐射防护规定采用的剂量限值是依照防护量来表示的, 而辐射防护量又是不可直接测量的量。因此, 只能通过测量ICRU定义的实用量(Operational quantity)作为防护量的最佳估计值。在辐射环境监测中采用周围剂量当量, H* (10), 即不会低估又不会过高高估防护量, 即
(2) 校准辐射防护仪时, 只有在符合ISO线质条件下才能引用各个量之间的转换因子, 而且被认为各个量之间的转换误差才可以接受。其原因是这些转换因子与X射线能量存在函数关系, 见表 2。
(3) 然而, 按国际电工委员会IEC395推荐, 对场所级防护仪器测量示值的固有误差允许范围分别为, Ⅰ级:±10%;Ⅱ级:±20%;Ⅲ:±40%。这就意见味着当测量的被测场所的测量值与防护限值相差较大时, 为了简化的目的可不做修正。但在测量值接近防护限值时, 应该严格地进行修正, 以便对测量结果做出最佳估计。
(4) 用防护仪器测量X射线时, 由于X射线谱是连续的, 而且因X射线过滤不同, 测量几何条件和空间散射不同等原因使得X谱变的更加复杂。尽管如此, 一般认为X射线的等效能量是在X射线管电压的3/5处, 例如, 100kV管电压产生X射线的等效能量约60keV[3]。这只适用于辐射防护测量。
(5) 凡由电离室做探测器的防护仪一般适合测量X和γ射线场所, 但由于测量灵敏度的限制, 很难测量环境辐射水平的辐射场所; 能够测量环境辐射水平的剂量仪一般是由晶体探测器或盖格管做为探测器。不幸的是这两类剂量仪存在着较大的能量响应, 因此被认为不适合测量X射线场所。
(6) 由于防护仪时间响应远远跟随不上摄片的曝时间, 它不能用于摄片X射线输出量的测量。
| [1] |
法规编制委员会. 技术监督法规汇编(计量法规分册)[M]. 北京: 中国计量出版社, 1995.
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| [2] |
国际放射防护委员会.第74号出版物[M].北京: 外照射放射防护中使用的换算系数, 原子能出版社, 1998.
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| [3] |
余建明. 数字减影血管造影技术[M]. 北京: 人民军医出版社, 1999.
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