X射线辐射场平方反比规律的研究

赵 瑞，吴金杰，余继利，廖振宇, 3，周振杰, 4，杨 扬

(1.成都理工大学，四川成都610059； 2.中国计量科学研究院，北京100029； 3.南华大学湖南衡阳421001；4.河北科技大学河北石家庄050018)



X射线辐射场平方反比规律的研究

赵 瑞1, 2，吴金杰2，余继利1, 2，廖振宇2, 3，周振杰2, 4，杨 扬2

(1.成都理工大学，四川成都610059； 2.中国计量科学研究院，北京100029； 3.南华大学湖南衡阳421001；4.河北科技大学河北石家庄050018)

X射线辐射场强度随着距离的变化而变化，同一射线在不同距离处其强度是不同的。为了研究X射线辐射场强度和距离的平方反比规律，采用PTW-30013指形电离室进行辐射场均匀性测量，并在均匀的辐射场中用PTW-32002球形电离室进行平方反比规律的验证。结果表明：在对管电压为100 kV、120 kV、150 kV三个防护水平辐射质在不同距离经空气衰减修正后，在一定距离内，X射线辐射场强度能够很好地满足距离的平方反比规律，其相对偏差不超过1%。由于散射光子的影响，平方反比规律误差随着距离的增大而有所增加。对于能量越高的X射线，平方反比规律更好。

防护水平；X射线；辐射野；电离室；平方反比；衰减系数

随着核技术应用的逐渐广泛，X射线在很多方面有着无可比拟的作用。尤其在医学和工业方面，据不完全统计，我们国家每年有数十万台X射线光机，每年利用X射线进行医学诊断人次超过2.5亿，而对于医学诊断和治疗，X射线机的正确屏蔽是非常重要的。电离辐射成了大家不可忽视的问题，在日常生活和实际工作中，如何进行有效的防护，避免不必要的照射和辐射亟待解决。辐射防护外照射三条原则[1]：尽可能减少与辐射接触的时间；正常工作情况下，尽一切可能远离射线源；适当的采取屏蔽措施遮挡辐射源发出的射线，使工作人员免受不恰当的照射。四川大学石先伟等人对γ放射源强度平方反比定律进行实验设计[2]，论证设计准直器对实验结果有很大的影响。本文针对防护中X射线辐射场距离的平方反比问题进行实验设计，研究X射线辐射场水平方向的均匀性，并对辐射场距离平方反比规律进行验证。

1 实验原理和方法

1.1 实验装置

在防护水平X射线标准辐射装置[3]的基础上设计和完成实验。实验装置包括中能X射线光机，由两个160 kV，40 kHz高频高压发生器提供高压，其管电压的变化范围为13.6～320 kV。X射线源出束装置包括支撑平台，光管多维调节机构，屏蔽外壳和光阑。辐射质的改变由滤过盘和旋转平台和控制器共同控制，其中滤过片安装在滤过盘上。实验采用标准电离室PTW-30013、PTW-32002[4]配以PTW-UNIDOS标准剂量仪，数字式温度气压计和计算机控制软件。另外还配有移动导轨和激光定位系统以及电离室可支撑平台，电离室支撑平台与计算机连接，可通过计算机控制软件对不同位置的电离室精确定位。

1.2 实验原理

阴极灯丝在加热的条件下会产生高速的电子，高速电子在外加电场的作用下轰击阳极钨靶并发生韧致辐射，这样就产生连续X射线，形成圆形光管焦斑，所以X射线经过圆形限束光阑后形成圆锥形X射线束。产生的射线束在平行于光管的平面上测得的辐射野近似为一个圆。通过空腔体积0.6cc的PTW-30013指形电离室对辐射场进行逐点扫场，可以对辐射野进行测量，验证其野的均匀性。用经过基准刻度的PTW-32002电离室，在防护水平X射线标准辐射装置建立的60～300 kV共8个不同辐射质的基础上，通过测量管电压为100 kV、120 kV、150 kV三个防护水平辐射质在不同距离处电离室的空气比释动能进行平方反比研究实验。

1.3 实验步骤

实验分两步进行，首先就是利用PTW-30013电离室对辐射场进行均匀性测量。测量目的一方面就是为了实现X射线主射束中心和过滤片以及定位装置处于同一轴线，这样可以保证电离室能处在射线束的正中心；另一方面是为了保证PTW-32002电离室在测量时能够处在99%的均匀野范围内。实验采用德国PTW-30013指形电离室，通过激光定位和移动导轨将电离室固定在离焦斑距离3m处位置。给光机加上100 kV管电压，10 mA管电流，分别以1 cm为步进长度，通过计算机控制软件对辐射场水平方向上平行于光管方向进行扫场测量，UNIDOS静电计60 s记录一次数据，同一位置测量两次。直到测量值小于初始测量值的1%左右停止测量，通过计算机控制导轨使电离室正反来回两次测量，记录下每个位置的电离电量值，最后取其平均值。具体实验装置示意图如图1所示。

图1 距离焦斑点3 m处辐射野扫场装置示意图Fig.1 Schematic diagram of radiation field scanning field device at 3 m from focal spot

其次是通过PTW-32002电离室对X射线辐射场距离平方反比规律进行测量研究。以电离室距离X射线束出口2 m为起始，通过控制导轨软件每隔20 cm测量一次，分别得出电离室在2 m、2.2 m、2.4 m等一直到4.2 m处的各位置上的电离电荷量，测量时间间隔设定60 s，每个位置测量两次电离室电荷值，取其平均值作为实验测量值。射线辐射质采用防护水平标准辐射质，本实验选用管电压为100 kV，管电流为11.9 mA、管电压为120 kV，管电流为9.0 mA、管电压为150 kV，管电流为1.8 mA的三个不同辐射质，分别对球形电离室在不同的位置进行平方反比实验测量。

2 实验结果与数据分析

2.1 辐射场的均匀性测量

实验在温度为21.5℃，气压为100.070 kPa 条件下，通过对3 m处辐射场进行逐点扫场，通过对测量数据采取最大剂量归一处理后，具体结果如图2所示。

图2 指形电离室测量距离焦斑3 m处辐射野水平方向分布曲线Fig.2 The horizontal direction distribution curve of the radiation field in the finger shaped ionization chamber at 3 m distance from the focal spot

通过测量结果可以看出，在距离防护水平X射线焦斑3 m处，水平方向均匀性好于99%的辐射野直径约为28 cm。通过比对防护水平X射线标准中其距离X射线焦斑1 m处的辐射野直径约为大于9 cm可以看出，辐射野尺寸在不同位置具有很高的线性关系，这也使射线束成锥束得到了很好的验证。由于PTW-32002电离室是球形电离室，其直径是 140 mm，在1 m处其直径大于均匀性好于99%的辐射野尺寸，故要使均匀性好于99%的射线束完整的照射到电离室上，电离室距离焦斑大约为1.5 m。实验在距离射线束出口2 m处进行初始测量，通过移动控制导轨使电离室在不同距离处均处于99%的辐射野内。

2.2 无空气衰减修正时平方反比规律的验证

根据移动电离室距离焦斑点的位置的不同，分别测量了在三种不同辐射质条件下的规律，经过最大剂量归一处理后，具体结果如图3～图5 所示。

图3 100 kV管电压下不同位置测量的电离室剂量Fig.3 Ionization chamber dose measured at 100 kV tube voltage at different locations

图 4 120 kV管电压下不同位置测量的电离室剂量Fig.4 Ionization chamber dose measured at 120 kV tube voltage at different locations

图5 150 kV管电压下不同位置测量的电离室剂量Fig.5 Ionization chamber dose measured at 150 kV tube voltage at different locations

通过对结果数据分析可以看出，X射线辐射场强度随距离的增加基本上满足平方反比规律。随着射线能量的增加，平方反比曲线拟合效果也加强。由于距离平方反比规律是射线处在真空条件下得到的，故实验中需要考虑空气衰减对射线的影响。

2.3 有空气衰减修正时平方反比规律的验证

为了更加准确地验证X射线辐射场的距离平方反比规律，需要对空气衰减[5]进行修正。根据美国无损检测手册射线卷[6]中记录，空气衰减满足一定的规律。窄束条件下，X射线在空气介质中的衰减满足指数衰减规律，即：

(1)

式中:μ为X射线的线减弱系数，cm-1；L为减弱介质厚度，cm；I表示不同空气程下测得的电离电流值。实验还需对自由空气电离室空气密度进行修正，其中实验测得气压为100 kPa，温度为20℃，即：

(2)

式中：ρ0=1.239kg/m3；T为实验温度；Pa为实验气压。由于考虑到数值的大小差异，故对测量值进行最大归一化处理。以2 m处为例，将测量结果归一化处理完结果如图6～图8所示。

图6 100 kV管电压下平方反比规律拟合Fig.6 Fitting the square inverse law of 100 kV tube voltage

图 7 120 kV管电压下平方反比规律拟合Fig.7 Fitting the square inverse law of 120 kV tube voltage

图 8 150 kV管电压下平方反比规律拟合Fig.8 Fitting the square inverse law of 150 kV tube voltage

由图可知，在均匀性好于99%的辐射野直径内，X射线辐射场符合平方反比规律。在不同辐射质下，随着距离的增大，射线强度满足平方反比规律的相对偏差逐渐增大。在有空气修正时X射线平方反比规律相对偏差较无空气修正时有明显的减小，说明空气对于X射线辐射场强度衰减有一定影响。

3 结论

经过比较可知，空气衰减修正后X射线剂量与距离能够很好地满足平方反比规律，其相对偏差相比于未修正之前减小很多，大部分距离平方反比的相对偏差均降到1%以下，只有超过一定距离后其偏差有所增大。这是由于随着距离的增大，散射光子对其影响增加，但均不超过ISO-4037[7]所给的5%的标准。故由本实验可以得出X射线辐射场满足距离的平方反比规律。对于X射线不同辐射质，其能量不同也会造成衰减规律有所偏差，有效能量越大，平方反比规律越明显。但是随着距离的不断增大，实验测量到的数据偏离平方反比规律越来越大。故可以得出X射线辐射场平方反比规律在一定距离条件下符合较好，当距离过大时，该规律融合性会逐渐减弱，误差增大。在以后的实验和科学研究中，需要考虑距离对实验测量的影响。

致谢

感谢实验过程中吴金杰研究员的耐心指导和教诲，尤其是在测量X射线辐射场场的特性时给予大力帮助；余继利同志对本实验步骤和方法提出了宝贵的意见和建议，在此一并表示感谢。

[1] 杨朝文.电离辐射防护与安全基础[M].北京: 原子能出版社, 2011.

[2] 石先伟, 白立新.γ放射源强度平方反比定律验证实验设计[J].大学物理, 2013, 9, 32(9):39-42.

[3] 葛双, 吴金杰, 郭彬, 等.(20-300)kV X射线参考辐射装置的建立[J].核电子学与探测技术, 2016, 36(1):68-72.

[4] Ionizing Radiation Detectors[S].2008/2009.

[5] 成建波.137Cs-γ辐照器辐射场特性研究[D].甘肃:兰州, 2015.

[6] 方向威.美国无损检测手册[M].世界图书出版公司, 1992.

[7] ISO4037-1, part 1:X and gamma reference radiation for calibrating dosimeters and dose rate meters and for determining their response as a function of photon energy[S].

Study on the Inverse Square Law of X-ray Radiation Field

ZHAO Rui1, 2，WU Jin-jie2，YU Ji-li1, 2，LIAO Zhen-yu2, 3，ZHOU Zhen-jie2, 4，YANG Yang2

(1.Chengdu University of Technology, Chengdu, Sichuan 610059, China； 2.National Institute of Metrology, Beijing 100029, China； 3.University of South China，Hengyang, Hunan 421001, China； 4.Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang, Hebei, 050018, China)

The intensity of X-ray radiation field varies with the change of distance, and the strength of the same ray at different distance is different.In order to study the inverse square law of X-ray radiation field intensity and distance, the PTW-30013 finger shaped ionization chamber is used to measure the uniformity of the radiation field, and the PTW-32002 spherical ionization chamber is used for the verification of the inverse square law.The results showed that: in the tube voltage of 100 kV, 120 kV, 150 kV levels of protection against radiation quality at different distances by air attenuation correction, X ray radiation field intensity can well satisfy the inverse square law of the distance in a certain distance.And the relative deviation is less than 1%.Due to the influence of scattered photons, the square inverse square law error becomes significant with the distance increasing. For the higher energy X rays, the inverse square law is much better.

Protection level; X-ray; Radiation field; Ionization chamber; Square inverse ratio; Attenuation coefficient

2016-11-04

科技部转制科研院所创新能力专项(25-CXNL1401)，X射线GEM探测器的研制与开发

赵 瑞，(1992—)，男，安徽舒城人，在读硕士研究生，主要从事电离辐射研究

TL71

A

0258-0918(2017)03-0482-05