热释光剂量计测量X射线半值层法初步探讨

郝艳梅，吕雅竹，李德红，刘 欢，李 涛

(1.四川大学华西医院 放疗科，四川 成都 610041； 2.中国计量科学研究院，北京 100029)

1 引 言

随着X射线技术的成熟，X射线已被广泛应用于医疗卫生、科学研究、工农业生产等方面。为了加强对各类X射线机的监督管理，关于X光机输出射线束质量保证和检测仪器的需求也在不断增加[1～3]。按照JJG 774-2004《医用诊断X射线辐射源检定规程》，国内将半值层作为描述X射线辐射质的重要参数。半值层(half-value layer，HVL)是使在X射线束某一点的照射量率减少一半所需要的标准吸收片的厚度，X光机半值层既关系到成像质量，也是快速估算受照个体剂量的物理量。通常采用电离室测量空气比释动能的方法确定X射线机的半值层，因为成本和地域限制，质控监管部门以及X光机使用单位迫切需求一种成本更低、更便利的检测方法[4,5]。

LiF剂量计能够方便快捷地记录X射线的累积剂量，且体积小，便于质控部门统一邮寄和回收，使用LiF剂量计测量X射线半值层的方法，不仅可使X光机使用单位快速地有效实现X光机半值层测量，同时还可节省时间、降低检测器材和人力成本[6,7]。

本文通过模拟计算和实验测量对LiF测量X光机半值层的可行性进行初步研究[8]。运用Penelope模拟软件，通过计算N80(65 keV)、N100(83 keV)、N150(118 keV)、N200(164 keV)不同能量辐射场LiF剂量计能量沉积，计算出X射线的半值层。同时，实验测量LiF剂量计分别加不同厚度的铜片后重过滤窄谱3 m处的剂量，拟合得到X射线的半值层厚度。最后，对模拟结果和实验室测量结果进行了对比分析。

2 原 理

LiF剂量计具有晶体结构，当材料受到射线辐照时，由于电离激发作用使得部分电子受激进入亚稳态，电子缺失的位置形成晶格缺陷即空穴。空穴具有捕获电子的能力，当晶体加热，被捕获的电子热运动达到导带，导带中的电子退激发进入基态，退激发过程发光。LiF材料发光强度与陷阱中的电子数目有关，而电子数目取决于固体材料所受的剂量，在一定剂量范围内晶体退激发放出的总光子数与探测器受辐照所吸收能量成正比[9]。

模拟射线通过不同厚度的铜片后的LiF能量沉积，能量沉积衰减到没有铜片时一半时所需的标准物质的厚度，即射线的半值层。

3 模拟软件与物理模型

Penelope(penetration and energy loss of positrons and electrons)是模拟电子光子级联簇射在物质中运输的程序，适用能量范围100 eV～1 GeV。模拟主要运用模拟程序中Pendbase和Penmain计算模块，Pendbase生成Air、Cu、LiF截面数据库[10]。材料密度为Air(dry)：ρ=1.205 g/m3，Cu：ρ=8.96 g/cm3，LiF：ρ=2.635 g/cm3。

Penmain通过编译输入文件和结构文件对X射线能谱与几何形状、材料及相关参数进行设置[11]。模拟计算示意如图1所示。其中，300 cm空气层模拟计算耗时较多，X光机HVL代表射线穿透能力，所以Penelope几何结构中铜片与LiF剂量计间空气层厚度同样只设置10 cm，同时也可以减少铜片产生次级电子对LiF能量沉积影响。

图1 HVL模拟计算示意图Fig.1 The simulation setup for HVL measurements

距LiF前表面10 cm，设置发散角θ为6°且具有一定能谱的γ光子放射点源。考虑精度和计算时间平衡，设置记录的粒子数为107，15 cm×15 cm×30 cm空气层。输入文件设置模拟计算Z轴吸收剂量分布(absorbed dose distribution)和LiF剂量计能量沉积(energy deposition)。

4 实验方法与仪器设备

实验采用氟化锂(LiF(Mg,Cu,P))剂量计进行实验，直径4.5 mm，厚度0.8 mm，退火并静置24 h后使用。铜片纯度99.9%，大小约15 cm×15 cm。X射线辐射场为中国计量科学研究院X射线辐射防护计量标准实验室重过滤窄谱标准辐照场，辐射质为N100(83 keV)。

实验操作：筛选分散性小于2%的TLD元件70片，每10片1组，分别用白纸包装，如图2所示，其中1组为本底。按照HVL测量辐照实验装置示意图3，将LiF剂量计置于距源3 m处，与辐射场的轴向垂直方向，用厚度为0.5 cm聚甲基丙烯酸甲酯板固定，剂量片接收到的射线角度在0.4°以内，均可认为是垂直入射。在5组不同铜片厚度di(i=1,2,3,4,5)和1组没有铜片的情况下，对LiF进行辐照，铜片置于附加过滤片后10 cm处，每组剂量片照射时长为300 s。实验测量得到铜片厚度为d1=0.479 mm，d2=0.804 mm，d3=1.376 mm，d4=1.855 mm，d5=2.155 mm。

图2 热释光剂量计包装示意图Fig.2 The experimental of TLD setup

图3 HVL测量实验装置示意图Fig.3 The experimental setup for HVL measurements

辐照完成后，将LiF剂量计和本底组同在铅屏蔽环境条件下，静置24 h后进行测读。

5 研究结果

5.1 模拟程序验证

Penmain按照图1模型通过输入文件中的Absorbed dose distribution计算模块，计算在N100(83 keV)辐照场中LiF的受照剂量，得到depth-dose.dat输出文件，进而得到LiF剂量计空间位置的总累积沉积能量。

取出铅蔽中辐照后的LiF剂量计并用BR2000D读出仪读数，得到重过滤窄谱N100(83 keV)标准辐照场3 m处6组数据，取平均值后扣除本底计数。为方便与模拟数据比较，模拟与实验数据经过归一后作图并拟合，如图4所示。

图4 模拟与实验数据归一值Fig.4 Normalized data of simulate and experiment

由图4可知，模拟结果与实验结果符合较好。

5.2 不同能量辐射场HVL模拟计算

按照图1分别计算N80(65 keV)、N100(83 keV)、N150(118 keV)、N200(164 keV)辐照场LiF能量沉积，归一值作图拟合，如图5所示。

图5 TLD能量沉积随铜片厚度变化的模拟Fig.5 The simulation of TLD energy deposition for it placed in different copper thickness

由图5得到不同辐照场HVL，查阅标准实验室电离室测量HVL结果[11]，与模拟计算结果进行对比，见表1。

表1 不同辐照场HVLTab.1 HVL in different irradiation fields

模拟计算能谱设计更简单，半高宽更小，电离法测量的是电离电流均值，对于辐射场粒子类型和能量区分灵敏度没有固体探测器强[12]。对于不同能量，加不同厚度铜片对于辐射场能谱具有不同程度的影响。由图5可知与查阅电离室测量重过滤窄谱半值层厚度比较，低能部分LiF剂量计具有与电离室更接近的响应。考虑辐射场不确定度和LiF辐照不确定度，对于83 keV和65 keV辐射场LiF测量半值层厚度实验结果在最大允许范围内；对于118 keV和164 keV不建议直接使用LiF剂量计测量X光机半值层。

6 结 论

N100(83 keV)标准辐照场实验结果验证了模拟软件主程序正确合理。Penelope模拟计算N80(65 keV)、N100(83 keV)、N150(118 keV)、N200(164 keV)重过滤窄谱标准辐照场3 m处半值层，在低能N80(65 keV)、N100(83 keV)LiF剂量计响应更接近电离室，LiF剂量计测量低能辐射场X射线半值层的方法具有可行性[13]。而对于N150(118 keV)、N200(164 keV)辐照场，LiF法测量半值层还需进一步研究。

本研究对X光机半值层测量提供了一个成本低、流程简单、易于操作的质控方法[14]，同时也能够实现质控部门远程质控和X光机使用单位实时质控，因此具有广阔的应用前景。