窄X射线束屏蔽材料铅当量测量研究

韩 露，赵 瑞，吴金杰，陆春海，文玉琴，严永强，3

(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.中国计量大学，浙江 杭州 310018)

1 引 言

随着科学的不断发展，人们对核技术的应用越来越广泛。在医学上，X射线常用来作为临床诊断以及治疗肿瘤细胞，在X射线带给人们极大益处的同时，人们逐渐意识到过量的照射X射线会造成潜在的风险，危害极大。所以在核技术的医疗等应用中要尽量避免电离辐射对患者和工作人员造成的短期或可能的长期风险。根据辐射防护三要素原则，人们常根据工作性质，穿戴不同等级防护材料以减少或避免X射线所带来的危害。目前对于辐射防护材料的应用正在逐渐发生改变，起初铅由于其独特的屏蔽吸收特性被广泛应用在各种辐射防护用具上[1]。随着使用时间的推移，铅的缺点也逐渐暴露出来，铅的密度大并且有毒[2,3]，常常会给穿戴者带来很大的负担，且铅会对环境造成污染；于是含铅或无铅屏蔽材料得到了人们的广泛研究和应用[4～7]，以此起到替代铅屏蔽材料的目的。

辐射防护材料的屏蔽性能通常用“铅当量”表示，铅当量是指当某一厚度的屏蔽材料达到与一定厚度的铅的屏蔽效果相同时，这时铅的厚度就是这种材料在自身厚度下的铅当量[8]。为了确保铅当量的测量准确可靠，国际上制定了标准来规定测量铅当量的方法及参考条件[9]。本文主要对窄射线束X射线铅当量辐射质及测量方法进行了研究，并对不同厂家的几种辐射屏蔽材料进行了铅当量测量。

2 原理方法和实验装置

2.1 铅当量测量装置

铅当量的测量在中能X射线空气比释动能标准装置上进行，辐射装置包含X射线光机、限束光阑、过滤系统、三维支撑平台、激光定位系统、附加过滤系统、导轨、控制系统等。X射线光机的主要性能参数如表1所示，X射线过滤系统用于建立规范辐射质，按照文献[9]中的规定选用纯度为99.99%的铝片作为附加过滤，厚度为2.5 mm。

表1 X射线光机主要性能参数Tab.1 Main performance parameters of X-ray machine

2.2 参考辐射模拟能谱

能谱可较好地衡量过滤X射线的辐射质量[10]，影响辐射质量的因素包括靶材料的性质、管电压大小以及总过滤。其中总过滤包含固有过滤和附加过滤。在国际电工委员会发布的1994版的屏蔽测量方法中规定的管电压范围在30～150 kV之内的辐射质的附加过滤是不同厚度的Cu材料，而2014版本修改之后将辐射质的附加过滤改为了Al材料。为了研究两种附加过滤材料的区别，将两种材料分别进行蒙特卡罗模拟研究。

蒙特卡罗方法目前已广泛应用于模拟粒子运输，结果精确、可靠。EGSnrc是基于蒙特卡罗方法的一个用来模拟1 keV～10 GeV能量范围的电子和光子与物质之间相互作用的软件[11]，可以快速进行参数设置以及模型建立[12]，利用BEAMnrc程序来建立球管和加速器模型[13]，在FLATFILT模块中依据IEC 61331(如表2所示)的标准来设置过滤材料和厚度。设置光管靶角为20°，出口窗为3 mm厚的Be。

表2 IEC 61331规定的辐射质参数Tab.2 Radiation quality parameters specified by IEC 61331

2.3 铅当量测量方法

X射线辐射防护器具的衰减性能，通常在“窄射线束测量条件”和“宽射线束测量条件”下进行[9]。常规在窄束条件下测量铅当量不考虑散射辐射和荧光等成分；虽然在宽束条件下(如图1所示)可以将散射成分考虑进去，但是该方法需要的屏蔽材料尺寸较大，在实际应用中很少采用[14]。窄射线束测量方法如图2所示。

图1 宽射线束测量方法示意图Fig.1 Schematic diagram of broad beam condition

图2 窄射线束测量方法示意图Fig.2 Schematic diagram of narrow beam condition

衰减率是评价衰减性能的指标之一，衰减率表示的是衰减材料处于辐射线束外和辐射线束内的不同条件下所受到的辐射量的比值，用F来表示。在窄射线束条件下测得的衰减率为FN的计算公式为：

(1)

被测试材料和探测器全部在X射线的均匀辐射场之内，且几何中心均与X射线轴线重合，被测试材料距离X光机焦斑0.5 m，探测器放置于距离光机焦斑1.0 m处。所用铅片为标准测试铅片，其所用的探测器为PTW 34069平板型电离室[15,16]，用于在高剂量率的放射诊断和乳腺摄影中进行测量，有效体积为6 cm3，直径为30.4 mm。

3 实验与结果

3.1 辐射质能谱模拟

在表2辐射质中选定了80，100，150 kV三个管电压进行蒙特卡罗模拟，由于IEC 61331在1994版本和2014版本中所规定的附加过滤不同，因此将2种情况分别进行了模拟，得到的模拟能谱如图3和图4所示。

图3 根据IEC 61331-1994推荐的参考辐射Cu过滤模拟能谱Fig.3 According to IEC 61331-1994 recommended reference radiation Cu filter simulation energy spectrum

图4 根据IEC 61331-2014推荐的参考辐射Al过滤模拟能谱Fig.4 According to IEC 61331-2014 recommended reference radiation Al filter simulation energy spectrum

根据平均能量的定义

(2)

由式(2)计算上述3种辐射质在不同附加过滤下的平均能量，结果如表3所示。

从表3可以看出，在相同参考辐射过滤条件下，能谱的平均能量随X射线管电压的增大而增大；在相同管电压条件下，采用Al过滤得到的平均能量小于Cu过滤得到的平均能量，这是由于Al对辐射质的过滤作用小于Cu。由此可见，在一定的管电压下，若采用Cu过滤，需要的防护屏蔽材料要比Al过滤厚，即需要铅当量更大的防护材料，这样在实际应用中会极大地产生不便甚至负担。

表3 EGS能谱模拟得到的平均能量Tab.3 Average energy obtained by EGS spectrum simulation

3.2 铅当量测量

实验选取了16种不同成分比例的辐射防护材料，其中材料1～材料4为无铅型核辐射防护手套，材料5和材料6为无铅型核辐射防护鞋，材料7～材料10为无铅型辐射屏蔽材料，材料11为无铅型医用射线防护帽，材料12为无铅型医用射线防护围脖，材料13为无铅型医用射线防护披肩式活袖，材料14～材料16为不同颜色的铅帘。

将上述16种材料放置在标准辐射场中，根据我国现有标准规定，对医用X射线防护器具进行铅当量的测试时采用的X射线机管电压为120 kV，因此将X射线管电压设置为120 kV，利用图2所示的窄射线束测量方法，对16种屏蔽材料进行了铅当量的测量，测量结果如表4所示。

表4 不同材料的铅当量测量结果Tab.4 Lead equivalent measurement results of different materials mm

从表4中的数据可以看到，在120 kV管电压下，所测试的材料铅当量测量结果均不低于给定的标称铅当量，说明上述材料能够达到所要求的屏蔽效果。其中所涉及的产品大致包含了目前现有的常用辐射防护用具种类。材料7～材料13以及材料15、材料16的测量铅当量减去标称铅当量的差值所占标称铅当量的比值超过10%，若比值太大在实验人员进行操作时会加重他们的负担，因此对于铅当量的厚度控制显得尤为重要。

4 结 论

本文依据IEC 61331-1-2014标准，建立了用于辐射防护材料铅当量测量的X射线辐射质，并利用蒙特卡罗模拟程序完成了辐射质能谱的模拟，其平均能量满足标准要求。对比了附加过滤为Cu和Al得到的平均能量差别，结果表明在相同管电压条件下，用Al过滤得到的平均能量小于Cu过滤得到的平均能量，对于铅当量的测量有着重要的参考依据。通过加工限束光阑和搭建测试平台，建立了窄射线束X射线铅当量测量条件。对窄射线束条件下X射线铅当量测量方法进行了研究，在120 kV辐射质条件下，完成了16种不同防护材料铅当量的测量，铅当量测量结果均不低于标称铅当量，说明屏蔽效果能够满足要求。窄射线束X射线铅当量测量方法的研究，可以为更多的防护材料屏蔽性能的评价提供测试依据。