張 璇，李德紅，張 健，郝艷梅，趙 瑞，范富有

(1.中國計量科學(xué)研究院，北京 100029；2.四川大學(xué)華西醫(yī)院 放療科，四川 成都 610041)

目前電離輻射廣泛用于各行各業(yè)，給人們來帶來了極大的益處，但也可能造成一些潛在的危害。研究表明，電離輻射誘發(fā)白內(nèi)障的劑量閾值遠(yuǎn)低于2.0 Gy，甚至低于0.5 Gy的劑量都有可能誘發(fā)白內(nèi)障[1-2]。2011年國際輻射防護委員會(ICRP)建議，將電離輻射職業(yè)性暴露的眼晶體年均當(dāng)量劑量限值從150 mSv降至20 mSv(連續(xù)5年中任何1年的當(dāng)量劑量不得超過50 mSv)[3]。劑量限值的大幅度降低也引得人們對該量值準(zhǔn)確測量的廣泛關(guān)注。

由于當(dāng)量劑量作為防護量，無法通過儀器直接測量得到，因此常利用個人劑量當(dāng)量Hp(d)進行評估，即距離人體表面深度d處軟組織的劑量當(dāng)量。根據(jù)眼睛模型，當(dāng)尺寸被替換為組織等效材料(軟組織)中的厚度時，眼晶體敏感部分的組織等效深度位于約3 mm處[4]，因此，國際輻射單位與測量委員會(ICRU)和ICRP建議采用Hp(3)進行眼晶體的劑量評估[5-6]。測量Hp(3)的儀器有多種，如熱釋光劑量測量系統(tǒng)、光釋光劑量測量系統(tǒng)等。但在能譜未知的輻射場中，這兩類測量系統(tǒng)的能量響應(yīng)差異較大(-29%～67%)[7-8]，為此，有必要研制對能量依賴性較小，可直接測量能譜未知輻射場Hp(3)的電離室(以下稱Hp(3)電離室)。本課題組設(shè)計制造了一種Hp(3)電離室，為評估該Hp(3)電離室的各項性能，本文從本底電流、極化效應(yīng)、能量響應(yīng)、角度響應(yīng)和不確定度評定方面對該電離室進行評價，以期為眼晶體個人劑量當(dāng)量的準(zhǔn)確測量提供參考。

1 Hp(3)電離室測量原理與結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 測量原理

確定輻射場某一點Hp(3)約定值有兩種解決方案：一是通過空氣比釋動能Ka與轉(zhuǎn)換系數(shù)的乘積確定[9]。轉(zhuǎn)換系數(shù)主要取決于光子能量與入射角，特別是對于能量較低的光子。名義上輻射質(zhì)雖相同，但其能譜分布總是存在一些較小的差異。在低能量段，特別是平均光子能量低于約25 keV的輻射質(zhì)，其轉(zhuǎn)換系數(shù)對能量的依賴性較大，因此，較小的能譜差異可能會導(dǎo)致轉(zhuǎn)換系數(shù)的差異高達百分之幾十。通過這種方法確定Hp(3)約定值，需要測量射線裝置產(chǎn)生的能譜來準(zhǔn)確得到轉(zhuǎn)換系數(shù)，而這又需要復(fù)雜且昂貴的能譜儀以及可用于脈沖幅度能譜測量的算法[10-11]。另一種則是可直接測量Hp(3)的電離室，該電離室對Hp(3)具有較小的能量和角度響應(yīng)，一旦校準(zhǔn)就不需要進行能譜測量，也不需要轉(zhuǎn)換系數(shù)，即可直接得到Hp(3)值。

在能量為E的輻射質(zhì)下，射束入射方向與Hp(3)電離室中心法線的夾角為α?xí)r，眼晶體個人劑量當(dāng)量Hp(3,E,α)計算公式為：

Hp(3,E,α)=NH·k(E,α)·Q·kTP·kh

(1)

式中：NH為Hp(3)電離室的校準(zhǔn)因子，Sv/C；k(E,α)為某能量E的輻射質(zhì)在α入射角條件下的修正因子，無量綱；Q為Hp(3)電離室測量的電荷，C；kh為環(huán)境濕度修正因子，在30%～70%的相對濕度(溫度范圍15～25 ℃)，不必修正，取kh=1；kTP為溫度氣壓修正因子，其計算見公式(2)。

(2)

式中：T為測量時的環(huán)境溫度，℃；P為測量時的環(huán)境大氣壓，kPa；T0為環(huán)境溫度參考值，20 ℃；P0為環(huán)境大氣壓參考值，101.325 kPa。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

Hp(3)電離室的設(shè)計是在球型體模內(nèi)嵌入電離室，用于直接測量眼晶體的個人劑量當(dāng)量Hp(3)。為模擬頭部組織對眼晶體劑量的散射與吸收，同時防止邊緣效應(yīng)的發(fā)生，即體模形狀為方形時，在90°方向入射時測量值會急劇下降，產(chǎn)生測量值低估實際值的現(xiàn)象[12]，降低角響應(yīng)，將散射部分設(shè)計為直徑20 cm的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材質(zhì)的實心球體。以該球內(nèi)部前表面切出一個能夠放入電離室的內(nèi)切球體，同時以該小球體的球心為頂點，向外切除張角為120°的圓錐，將空腔電離室置于內(nèi)切球的位置。電離室作為探測部分被置于散射體中，同樣為減少邊緣效應(yīng)，將電離室設(shè)計為球形。由于電離室壁材料與空氣等效材料之間的差異，其厚度、材質(zhì)等將影響電離室電流信號同射線能量之間的依賴關(guān)系。為減小該影響，通過蒙特卡羅模擬軟件(EGSnrc)對電離室壁厚度等進行模擬，得到體積30 cm3、壁厚2.7 mm、內(nèi)涂石墨的聚甲醛(POM)壁的電離室，其能量響應(yīng)較好。設(shè)計的電離室結(jié)構(gòu)如圖1所示。

a——Hp (3)電離室整體結(jié)構(gòu)；b——PMMA球；c——電離室

電離室內(nèi)部是一個小的充氣空腔，在空腔氣體中產(chǎn)生電離的全部電子都在包圍空腔的介質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生，故空腔的存在不影響該位置的注量。電離室空腔內(nèi)的能量沉積可使用Bragg-Gray公式計算。

2 設(shè)備與方法

2.1 實驗儀器

實驗用輻射場測量點處空氣比釋動能約定值的確定采用德國PTW公司生產(chǎn)的TW32002型電離室和UNIDOS劑量儀；實驗環(huán)境中的溫度、濕度與氣壓的測量采用中國計量科學(xué)研究院生產(chǎn)的XMPTH-2型氣壓溫度濕度測量儀。其量值均溯源至中國計量科學(xué)研究院標(biāo)準(zhǔn)裝置。

2.2 測量條件

采用符合GB/T 12162.1標(biāo)準(zhǔn)[13]的中能窄譜X射線(N-40～N-250)、S-Cs和S-Co γ射線輻射質(zhì)進行輻照，即中國計量科學(xué)研究院中能X射線空氣比釋動能(防護水平)標(biāo)準(zhǔn)裝置和γ射線空氣比釋動能(防護水平)標(biāo)準(zhǔn)裝置。環(huán)境溫度為20～25 ℃；氣壓為99.8～101 kPa。

2.3 實驗測量

2.3.1Hp(3)電離室校準(zhǔn) 由于Cs-137 γ射線輻射質(zhì)的能量單一且作為參考輻射質(zhì)被IEC 62387-2020標(biāo)準(zhǔn)推薦[14]，因此在GB/T 12162.1標(biāo)準(zhǔn)[13]中規(guī)定的S-Cs輻射質(zhì)及入射角α=0°條件下對Hp(3)電離室進行校準(zhǔn)，得到校準(zhǔn)因子NH。

2.3.2確定修正因子k(E,α) 為減少能量和入射角變化引起的響應(yīng)差異，通過實驗測量確定Hp(3)電離室在不同能量及入射角下的修正因子k(E,α)，見公式(3)。

(3)

式中：Ka為能量為E、入射角為0°時空氣比釋動能的約定值，Gy；hpk(3,E,α)為能量為E的輻射質(zhì)，入射角為α輻照電離室時，圓柱模體中Ka至Hp(3)的轉(zhuǎn)換系數(shù)；Q為Hp(3)電離室測量的電荷；kTP為溫度氣壓修正因子。

在GB/T 12162.1標(biāo)準(zhǔn)[13]中規(guī)定的N-40～N-250 X射線輻射質(zhì)以及S-Cs、S-Co γ射線輻射質(zhì)下，采用標(biāo)準(zhǔn)電離室和劑量儀，測量輻射場參考點的空氣比釋動能，根據(jù)ISO 4037.3-2019中表41和表44提供的hpk(3,E,α)[9]，確定不同輻射質(zhì)照射下Hp(3)的約定值。

2.3.3本底電流Hp(3)電離室的本底電流主要來自三個方面：一是高壓極與中心電極之間絕緣材料的電阻不是無窮大而導(dǎo)致的暗電流；二是天然輻射入射產(chǎn)生的電離電流；三是電離室材料中天然放射性核素產(chǎn)生的電離電流。本底電流過高將對射線的測量帶來干擾，因此為評估該電離室的性能，對本底電流進行測量。

2.3.4極化效應(yīng) 當(dāng)電離室加一定高壓，在內(nèi)部形成電場，在電場的作用下電離電荷被收集，其電子-離子對在正、負(fù)高壓下的收集效率存在差異，這種現(xiàn)象稱為極化效應(yīng)。該差異將影響電離室的使用效果，是電離室的關(guān)鍵指標(biāo)之一。將Hp(3)電離室置于S-Cs輻射質(zhì)下，Hp(3)電離室的幾何中心在照射線束的中心軸線上，采用相同的劑量率進行輻照，在正極化和負(fù)極化電壓條件下分別測量Hp(3)值。

2.3.5能量響應(yīng) 能量響應(yīng)是指被測儀器的響應(yīng)隨入射輻射質(zhì)能量的變化。由于在能譜未知的情況下，無法確定k(E,α)值以對結(jié)果進行修正，因此，在未進行能量修正情況下對該電離室進行能量響應(yīng)實驗。

2.3.6角度響應(yīng) 角度響應(yīng)是指被測儀器的響應(yīng)隨入射角的變化。在入射方向未知的情況下，無法根據(jù)k(E,α)值對結(jié)果進行修正，因此，在未進行入射角修正情況下對該電離室進行角度響應(yīng)實驗。

2.4 不確定度評定

采用Hp(3)電離室對輻射場中某一點的劑量當(dāng)量進行測量，利用JJF 1059.1-2012標(biāo)準(zhǔn)[15]的方法對測量結(jié)果的不確定度進行評定。第一步確定Hp(3)電離室校準(zhǔn)因子的相對擴展不確定度；第二步確定電離室測量值Hp(3)的相對擴展不確定度。

3 結(jié)果與討論

3.1 Hp(3)電離室校準(zhǔn)

第一步采用溯源至Cs-137γ射線空氣比釋動能率國家基準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)電離室及劑量儀，測量輻射場測量點的空氣比釋動能率Ka。利用公式(4)計算得到該參考點處的約定值Hp(3,Rref,0°)。

Hp(3,Rref,0°)=Ka·hpk(3,Rref,0°)

(4)

式中：Ka為參考條件下(溫度：20 ℃，氣壓：101.325 kPa，相對濕度：65%)S-Cs輻射質(zhì)，入射角為0°時空氣比釋動能的約定值，Gy；hpk(3,Rref,0°)為S-Cs輻射質(zhì)條件下α=0°入射時圓柱模體中Ka至Hp(3)的轉(zhuǎn)換系數(shù)，其值為1.63 Sv/Gy[9]。

第二步將Hp(3)電離室放置在測量點處，采用相同的輻射條件，重復(fù)測量6次。采用公式(5)計算得到Hp(3)電離室的校準(zhǔn)因子NH=1.19 μSv/pC。

(5)

3.2 確定修正因子k(E,α)

將Hp(3)電離室放置在實驗平臺上，采用相同的照射條件進行輻照，射束覆蓋整個前表面，當(dāng)入射角為0°時，參考點軸向與射束一致，利用激光準(zhǔn)直器準(zhǔn)直。測得每個輻射質(zhì)和入射角下的Hp(3)值，將其與約定值比較，得到各個能量及角度下的k(E,α)值列于表1。從表1可知，在X射線輻射質(zhì)下，正角度下的k(E,α)普遍比負(fù)角度下的值偏高，尤其在低能量輻射質(zhì)下，偏差更大(5.7%)，該現(xiàn)象可能與X射線參考輻射場的“足跟效應(yīng)”有關(guān)，即從靠近陰極一端到靠近陽極一端，X射線需要穿過更長的靶材料，阻礙作用越來越強，射線強度越來越弱，因此在水平方向上會出現(xiàn)“足跟效應(yīng)”。

表1 Hp(3)電離室k(E,α)值測量結(jié)果

3.3 本底電流

將Hp(3)電離室加上400 V的高壓，開機30 min后，在不加輻射信號的情況下重復(fù)測量電荷6次，累積時間為60 s，分別得到漏電流為-0.17、0.17、0.67、0.17、0.17、0.5 fA，即該Hp(3)電離室的本底電流為-0.2～0.7 fA，平均為0.2 fA。

3.4 極化效應(yīng)

在正極化電壓條件下和負(fù)極化電壓條件下分別測量Hp(3)值，其結(jié)果見表2。極化效應(yīng)的計算采用公式(6)：

表2 正負(fù)高壓下測得的Hp(3)值

(6)

式中：Hp(3)+為正高壓下測得的眼晶體個人劑量當(dāng)量；Hp(3)-為負(fù)高壓下測得的眼晶體個人劑量當(dāng)量。

最終計算得到極化效應(yīng)為0.10%，小于要求的1.0%。

3.5 能量響應(yīng)

根據(jù)窄譜系列、S-Cs和S-Co輻射質(zhì)條件下Hp(3)電離室k(E,α)值的測量結(jié)果取其倒數(shù)，歸一到S-Cs輻射質(zhì)，得到0°入射條件下Hp(3)電離室的能量響應(yīng)相對誤差結(jié)果，如圖2所示。在33 keV～1.25 MeV能量范圍內(nèi)，Hp(3)電離室的能量響應(yīng)相對誤差為-0.9%～12.6%，即測量值最大相對誤差不超過±13%，遠(yuǎn)低于熱釋光/光釋光劑量測量系統(tǒng)對于能量響應(yīng)相對誤差的要求(-29%～+67%)[7-8]。當(dāng)能量低于48 keV時，由于電離室壁厚以及散射體對低能光子的阻擋作用增強，故其響應(yīng)值偏低。表明在能譜未知的復(fù)雜輻射場，無需進行能譜測量，直接使用Hp(3)電離室可知輻射場中的Hp(3)值。

圖2 Hp(3)電離室的能量響應(yīng)相對誤差

3.6 角度響應(yīng)

在S-Cs輻射質(zhì)下測量各個入射方向歸一到入射角為0°時Hp(3)電離室的角響應(yīng)相對誤差，結(jié)果如圖3所示。從圖3可知，在-60°～ 60°入射角范圍內(nèi)，Hp(3)電離室的角度響應(yīng)相對誤差為-7.9%～0%，最大相對誤差不超過8%。同時，入射角越大，Hp(3)電離室在未進行修正的情況下其測量值越易于低估實際值。

圖3 Hp(3)電離室的角度響應(yīng)相對誤差

4 不確定度評定

4.1 校準(zhǔn)因子的相對不確定度

根據(jù)公式(5)可知，校準(zhǔn)因子NH的不確定度來源如下。1) 標(biāo)準(zhǔn)電離室校準(zhǔn)因子引入的不確定度分量：采用B類評定方法，根據(jù)溯源證書得到標(biāo)準(zhǔn)電離室校準(zhǔn)因子的相對擴展不確定度。2) 輻射場與上級輻射場的差異：由于本級實驗室與上級標(biāo)準(zhǔn)實驗室輻射質(zhì)可能存在差異，標(biāo)準(zhǔn)電離室對不同輻射場的響應(yīng)差異將引入不確定度，這部分差異與標(biāo)準(zhǔn)電離室的能量響應(yīng)有關(guān)，通過電離室的溯源證書獲得，采用B類評定方法評定。3) 標(biāo)準(zhǔn)電離室的長期穩(wěn)定性：根據(jù)至少兩次溯源至上一級標(biāo)準(zhǔn)的校準(zhǔn)因子的相對變化得到長期穩(wěn)定性引入的不確定度，可通過標(biāo)準(zhǔn)電離室歷年的溯源證書得到，屬于B類評定方法。4) 溫度氣壓測量不確定度：溫度氣壓修正值的不確定度應(yīng)包括重復(fù)測量溫度和氣壓得到測量結(jié)果的統(tǒng)計標(biāo)準(zhǔn)偏差(A類)和溫度氣壓儀表本身溯源的不確定度(B類)。5) 標(biāo)準(zhǔn)電離室測量結(jié)果的統(tǒng)計標(biāo)準(zhǔn)偏差：在輻射場參考值確定過程中，需要使用標(biāo)準(zhǔn)電離室多次測量取平均值得到，多次測量結(jié)果的統(tǒng)計漲落導(dǎo)致的不確定度采用A類不確定度評定方法。6) 劑量當(dāng)量轉(zhuǎn)換系數(shù)不確定度：劑量當(dāng)量轉(zhuǎn)換系數(shù)所引入的不確定度采用B類評定方法，通過ISO 6980.3-2019標(biāo)準(zhǔn)查詢得到[9]。7) 待校Hp(3)電離室的讀數(shù)統(tǒng)計漲落標(biāo)準(zhǔn)差：重復(fù)測量過程中統(tǒng)計漲落導(dǎo)致的不確定度，采用A類不確定度評定方法分析。8) 與檢驗點位置差異導(dǎo)致的不確定度：標(biāo)準(zhǔn)電離室和Hp(3)電離室的放置過程中，采用量桿測量源與電離室之間的距離，因此Hp(3)電離室與標(biāo)準(zhǔn)電離室位置偏差導(dǎo)致的不確定度可認(rèn)為來自量桿本身，該不確定度可通過量桿的溯源證書，采用B類評定方法得到。9) 輻射場不均勻性導(dǎo)致的不確定度：實際校準(zhǔn)過程中，Hp(3)電離室和標(biāo)準(zhǔn)電離室的探測中心難以重合，由于輻射場的不均勻性導(dǎo)致校準(zhǔn)位置處的劑量率存在差異，不均勻性是參考輻射場本身的性質(zhì)，采用B類評定方法確定。

最終得到校準(zhǔn)因子的相對不確定度見表3，即校準(zhǔn)因子的相對擴展不確定度為5.6%(k=2)。

表3 電離室校準(zhǔn)因子的不確定度評定表

4.2 Hp(3)的相對不確定度

4.2.1輻射場能量和入射角已知情況下Hp(3)的相對不確定度 當(dāng)已知輻射場中輻射質(zhì)與入射角的情況下，測量值Hp(3)的測量模型見公式(1)。以輻射質(zhì)為N-40、入射角為15°時Hp(3)測量為例，對測量值Hp(3)的不確定度進行評定。其影響量有Hp(3)電離室的校準(zhǔn)因子、電離電流、能量/入射角響應(yīng)修正因子、溫度、氣壓和電離室的長期穩(wěn)定性。

2)Hp(3)電離室校準(zhǔn)因子引入的不確定度分量根據(jù)4.1節(jié)計算結(jié)果可見，由于校準(zhǔn)因子引入的相對不確定度為urel,c,NH=2.81%。

3) 能量和角度響應(yīng)修正因子。輻射質(zhì)N-40、入射角為15°時，k(E,α)值計算如下：

(7)

其合成不確定度為：

urel,k(E,α)=

3.8%

(8)

4) 溫度和氣壓引入的不確定度分量。測量結(jié)果的統(tǒng)計標(biāo)準(zhǔn)偏差(A類)和溫度氣壓表本身溯源的不確定度(B類)對溫度氣壓修正值引入的不確定度進行評定。

評定結(jié)果如表4所示。由表4數(shù)據(jù)可知，在輻射場的能量和入射角已知情況下測得的Hp(3)值的相對擴展不確定度為9.4%(k=2)。

表4 Hp(3)的不確定度評定表

4.2.2輻射場能量和入射角未知情況下Hp(3)的相對不確定度 當(dāng)未知輻射場中輻射質(zhì)與入射角情況下，對測量值Hp(3)進行評定，其測量模型見公式(1)。由于輻射場能量和入射角未知，無法確定具體的k(E,α)值，因此該值視為1，除該值的不確定度評定與4.2.1節(jié)不一樣外，其他過程均一致。

Hp(3)電離室在33 keV～1.25 MeV能量范圍內(nèi)，能量響應(yīng)最大相對誤差為12.6%，其分布視為矩形分布，按B類不確定度對其進行評定，能量響應(yīng)所引起的不確定度為7.3%。

在-60°～ 60°入射角范圍內(nèi)，Hp(3)電離室的角度響應(yīng)最大相對誤差為7.9%，其分布視為矩形分布，按B類不確定度對其進行評定，角度響應(yīng)所引起的不確定度為4.6%。能量和角度修正因子引入的不確定度為：

(9)

當(dāng)輻射場能量和入射角未知情況下評定結(jié)果如表5所示。自研的用于眼晶體個人劑量當(dāng)量測量的Hp(3)電離室在能量和入射角未知情況下測得的Hp(3)的相對擴展不確定度為18%(k=2)，高于在已知輻射場能量和入射角時的不確定度結(jié)果，但在不確定度范圍內(nèi)均可用于Hp(3)的測量。

表5 Hp(3)的不確定度評定表

5 結(jié)論

本文介紹了一種自研的用于眼晶體個人劑量當(dāng)量測量的Hp(3)電離室，并通過實驗測量確定了該電離室的校準(zhǔn)因子NH為1.19 μSv/pC，以及在33 keV～1.25 MeV能量、-60°～60°入射角范圍內(nèi)的能量/入射角修正因子。Hp(3)電離室的本底電流為0.2 fA，極化效應(yīng)為0.10%。在未進行能量/入射角修正情況下，將各能量下Hp(3)電離室的響應(yīng)值歸一到S-Cs輻射質(zhì)，各入射角度下的響應(yīng)值歸一到0°，得到在33 keV～1.25 MeV范圍內(nèi)相對響應(yīng)在0.99～1.13之間變化；-60°～60°入射角范圍內(nèi)相對響應(yīng)在0.92～1.0之間變化。通過對電離室的校準(zhǔn)因子進行不確定度評定，得到其相對擴展不確定度為5.6%(k=2)。當(dāng)能量和入射角已知情況下，如在輻射質(zhì)為N-40、入射角為15°情況下照射時，Hp(3)測量值的相對擴展不確定度為9.4%(k=2)；當(dāng)能量和入射角未知情況下，Hp(3)測量值的相對擴展不確定度為18%(k=2)。對于能量和入射角未知情況下的輻射場，無需使用能譜測量裝置，在不確定度范圍內(nèi)直接采用Hp(3)電離室即可得到輻射場中的Hp(3)值。本研究可為眼晶體個人劑量當(dāng)量的準(zhǔn)確測量提供參考。