王 鵬，邢立騰，蔣 偉

(江蘇省計量科學研究院，江蘇 南京 210023)

1 引 言

通過打靶產(chǎn)生的X射線本質(zhì)是韌致輻射，其能量是連續(xù)的，而不是單一的。對于X射線機產(chǎn)生的X射線，其額定管電壓從某種意義上代表了X射線的能量。但是由于X射線管固有過濾(油、出射窗)等因素的影響，某一特定額定電壓下的X射線能量，會低于陰極電子在此電壓下獲得的能量;所以用管電壓來描述連續(xù)X射線的輻射質(zhì)(能量)是不準確的。故引入了半值層這一概念，認為具有相同第一半值層(1stHVL)、第二半值層(2ndHVL)及相同同質(zhì)系數(shù)的2個X射線束，其能譜分布基本一致，即具有相同的平均能量。

過濾X射線是通過一定厚度的附加過濾器，將連續(xù)X射線低能端屏蔽，從而形成適用于不同應用且具有一定譜型的連續(xù)X射線，一般包含4個系列：低空氣比釋動能率、窄譜、寬譜和高空氣比釋動能率。4個系列中，低空氣比釋動能率系列過濾X射線的附加過濾最重，形成的譜型最窄，適用于測量輻射防護及輻射環(huán)境監(jiān)測類儀器的能量響應，具有非常重要的作用[1]。

目前，國內(nèi)對于低空氣比釋動能率和窄譜系列X輻射高能量段(管電壓80～250 kV)的研究工作做得較多，而針對低能量段(管電壓20～70 kV)的研究較少。本文對低空氣比釋動能率L20～L70的輻射質(zhì)作了一些測量和研究。

2 基本原理

由于過濾X射線能譜的連續(xù)性，通常用5個參數(shù)來表征其輻射質(zhì)的特性，它們分別是：半值層(HVL)、同質(zhì)系數(shù)、分辨率、平均能量或有效能量。

X射線的強度衰減為原來的一半時所需要的材料厚度即為半值層，也稱作半吸收厚度。對于單能X射線，其衰減表達式為：

X=X0e-μd

式中:X和X0分別表示透過材料后和初始的輻射量；μ為線衰減系數(shù)；d為材料的厚度。

式中:d1/2和d1/4分別表示第一、二半值層。

如果一束連續(xù)X射線的第一半值層、第二半值層及同質(zhì)系數(shù)均相同，則認為X射線的輻射質(zhì)基本一致且能譜分布基本相同。

過濾X射線的譜分辨率表示能分辨相鄰譜峰的能力，用百分比表示，其表達式為：

式中:RE為譜分辨率;ΔE為譜峰值一半處的譜寬度，也稱為半高寬(FWHM);E為全能峰能量。

式中:φE為Φ(E)對能量E的微商;Φ(E)是能量在0到E之間的光子總注量。

對于單能X射線，其半值層HVL和線衰減系數(shù)滿足如下關(guān)系：

所以，對于質(zhì)量衰減系數(shù)μm，有：

Except for eating, sleeping and bathroom 19)breaks, whatever people want to do, they do it in the OASIS. And since everyone is here, this is where we meet each other. It’s where we make friends.

式中ρ為材料密度。

從理論上講，對加一恒定電壓的X射線管，在沒有任何過濾條件下，所發(fā)出的X射線能譜是一個隨能量線性變化的曲線。低空氣比釋動能率系列過濾X射線以鋁和銅作為附加過濾，形成不同的輻射質(zhì)，只要測得其半值層并獲取過濾X射線能譜，就可以完整評價輻射質(zhì)[2,3]。

3 實驗方法與計算

3.1 半值層的測量與同質(zhì)系數(shù)

過濾X射線線衰減系數(shù)是未知的，因此無法通過理論計算的方法來獲取半值層，只能通過實驗測得[4]。本次實驗的X射線由YXLON公司的MG-325型中能X光機產(chǎn)生。MG-325管電壓范圍為 15～320 kV，可產(chǎn)生L20～L240的過濾X射線。

半值層的測量應將吸收材料放在X射線管(圖1中1)焦斑與電離室近似中間的位置進行。對射線進行三級限束，初級光闌(圖1中3)為鎢合金材料，用以形成一定大小的錐形束并過濾掉X光機固有過濾(圖1中2)等原因形成的散射成分。吸收材料(圖1中5)夾在第二級和第三級限束光闌(圖1中6)之間。第二級限束光闌使X射線在吸收材料處的射野小于材料的尺寸；第三級限束光闌屏蔽由于X射線在吸收材料上形成的散射成分，第三級限束應足夠大，以便最終的X射野能完全覆蓋測量用的電離室(圖1中7)。半值層測量示意圖如圖1所示。

圖1 半值層測量示意圖Fig.1 Measurement schematic diagram of HVL (half-value layer)1—X射線管；2—固有過濾；3—初級光闌；4—附加過濾；5—吸收材料；6—第二級和第三級限束光闌；7—電離室

按ISO 4037推薦的值添加附加過濾片(圖1中4)，但由于實際測量過程中為了和標準中推薦的半值層盡量接近，且實際加工會有誤差，因此個別輻射質(zhì)的附加過濾片和推薦值會有差異，見表1。表1中管電壓20～100 kV依次對應L20～L100的X射線。依次測量無吸收材料和添加不同厚度吸收材料后的輻射值，繪制衰減曲線，通過計算得到半值層的值。

表1 低空氣比釋動能率系列(L20～L100)附加過濾測量值與推薦值比較Tab.1 Comparison of additional filtration measurement values and recommended values of low air kerma rate series (L20～L100) mm

3.2 平均能量的計算

由平均能量的定義可知，平均能量的計算首先需要測量該X射線的能譜。

3.2.1 能譜測量

能譜測量采用碲鋅鎘(CdZnTe)探頭，其相關(guān)參數(shù)如表2。用能譜儀測量之前應使用已知能量的γ放射源對其進行準確的能量刻度[5]。

表2 碲鋅鎘探測器相關(guān)參數(shù)Tab.2 Related parameters of CZT detector

X射線強度高，即光子數(shù)非常大，直接測量會完全將探測器堵死。因此，在進行測量時，能譜儀與X光機的距離應足夠遠，同時需設計多級的準直，以調(diào)整到合理的光通量，使探測器的死時間盡可能小，圖2為管電壓為L20～L100 的能譜實測圖。

圖2 低空氣比釋動能率系列(20～100) kV能譜測量圖Fig.2 Energy spectrum measurement of low air kerma rate series (20～100) kV

3.2.2 平均能量計算

實驗測得的能譜為X射線的脈沖高度譜，將能譜導出數(shù)據(jù)進行分析。嚴格意義上，為了得到真實的光子注量譜要對光子吸收不完全、康普頓散射和KX射線逃逸的影響進行校正。將脈沖高度譜轉(zhuǎn)換為注量譜常見的方法有剝譜法、逆矩陣法和反卷積法[6,7]。本工作不進行轉(zhuǎn)換，直接使用脈沖高度譜進行計算[8]。

3.3 有效能量計算

根據(jù)有效能量Eeff(effective energy)的定義：由一定能量范圍的X射線組成的輻射的有效能量是具有與其相同HVL的單能X射線的能量。由NIST(美國國家標準與技術(shù)研究院)公布的不同能量的單能X射線在不同材料中的質(zhì)量衰減系數(shù)[9]見表3，不同的單能X射線組成一連續(xù)曲線，見圖3。那么，只要求得了質(zhì)量衰減系數(shù)，就可以根據(jù)曲線反推出對應X射線的能量。

圖3 X射線在鋁和銅中的質(zhì)量衰減系數(shù)Fig.3 Mass attenuation coefficient of X rays in Al and Cu

低空氣比釋動能率系列半值層[10,11]的表述方法中，當管電壓為20～35 kV時，半值層以鋁厚度來表示；當管電壓為55～100 kV時，其半值層以銅厚度來表示。根據(jù)我們所需要計算的輻射質(zhì)，當X射線能量在2～30keV區(qū)間內(nèi)，其質(zhì)量衰減系數(shù)大致呈冪函數(shù)關(guān)系，管電壓20 kV、30 kV正好處于冪函數(shù)區(qū)間；而35 kV可能不在此區(qū)間，因此需要進行分段擬合插值[12,13]。X射線在Al和Cu中的質(zhì)量衰減數(shù)據(jù)見表3，我們將表3數(shù)據(jù)通過函數(shù)繪圖軟件origin進行分段擬合，擬合函數(shù)分別為Allometric1：y=axb和ExpDec2：y=y0+A1e-x/t1+A2e-x/t2。

表3 X射線能量與Al和Cu的質(zhì)量衰減系數(shù)Tab.3 X ray energy and mass attenuation coefficients in Al and Cu

根據(jù)質(zhì)量衰減系數(shù)與半值層的關(guān)系，首先通過測得的半值層數(shù)據(jù)計算得到質(zhì)量衰減系數(shù)，再通過質(zhì)量衰減系數(shù)進行數(shù)學插值就可以得到低空氣比釋動能率系列過濾X射線的有效能量[14,15]。

4 結(jié)果與分析

根據(jù)前面半值層測量、能譜測量得到的結(jié)果及其相關(guān)計算，得到1stHVL、平均能量、有效能量見表4和表5。表4和表5中加粗的數(shù)字表示附加過濾為鋁，同列的其它數(shù)字的附加過濾為銅。

表4 低空氣比釋動能率系列過濾X射線輻射質(zhì)計算結(jié)果Tab.4 Calculation results of radiation quality for the filtered X-ray of low air kerma rate series

表5 低比釋動能率系列過濾X射線有效能量計算結(jié)果Tab.5 Calculation results of radiation effective energy for the filtered X-ray of low air kerma rate series

低空氣比釋動能率系列，對于20 kV、30 kV、100 kV 產(chǎn)生的輻射，第一半值層在±5%內(nèi)與推薦值一致；對于35 kV、55 kV、70 kV的能量，第一半值層在±2%以內(nèi)與推薦值相一致。從表4的測量結(jié)果來看，完全符合推薦值的要求。也正是由于該能量段的附加過濾較薄，因此半值層實驗過程中，附加過濾片的準確度要求必須嚴格；同時限束光闌應盡量避免散射射線成分，以免影響測量結(jié)果[16]。

由能譜測量結(jié)果可以看出，實測能譜與ISO理論譜相比較，譜形和位置都一致，這也進一步驗證了所建立的輻射質(zhì)的正確性。當然，實測能譜中仍有一些難點和缺陷。同時，測量方案中準直和屏蔽效果并不是太好，測量譜明顯受到許多未知的對工作無用的散射峰的影響。

從平均能量的計算結(jié)果可以看出，參考輻射計算結(jié)果和推薦值的偏差較大，實測值與理論數(shù)值差別均達到5%以上。分析原因應該是由于探測器為鋁封裝，其對平均能量測量影響較大。

5 結(jié)束語

本工作完成了低空氣比釋動能率過濾X射線輻射質(zhì)幾個重要參數(shù):半值層(HVL)、平均能量和有效能量的實驗測量或計算，并將結(jié)果和ISO推薦值進行了比較。比較結(jié)果表明，大部分測量和計算結(jié)果都符合ISO要求，說明了實驗方案和計算方法的合理性及正確性。某些實驗細節(jié)和計算過程存在的缺陷，將在今后的工作中進行完善和改進。

低空氣比釋動能率系列過濾X射線參考輻射典型空氣比釋動能率為10～300 μGy/h，對于確定輻射儀器的環(huán)境水平劑量率的相對誤差有著重大的意義。本工作可對更深入的研究提供一定的參考。