高能(450 kV)X射線參考輻射場附加過濾研究

徐 陽 高 飛 趙 瑞 王 波 林 敏 倪 寧

(1.中國原子能科學(xué)研究院，計(jì)量與校準(zhǔn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102413；2.中國計(jì)量科學(xué)研究院，北京 100029)

1 引 言

高能(450kV)X射線具有輸出能量高、穿透能力強(qiáng)的特點(diǎn)，被越來越多地用于醫(yī)學(xué)治療、工業(yè)探傷及科學(xué)研究等領(lǐng)域[1-5]，過濾X射線參考輻射則是電離輻射計(jì)量工作的重要前提。然而，在目前工業(yè)X探傷機(jī)裝置的檢定工作中所使用的依然是醫(yī)學(xué)治療標(biāo)準(zhǔn)中的中能X射線規(guī)范(最高管壓值為250kV)，對(duì)于250kV以上的部分能區(qū)，裝置的性能無法得到有效保證。在輻射防護(hù)用劑量儀、劑量率儀的校準(zhǔn)及確定其能量響應(yīng)工作方面，由于ISO 4037-1中未對(duì)平均能量在248.8keV(N-300 X射線參考輻射)到662keV(137Cs γ射線參考輻射)的能量區(qū)間做出規(guī)定，使得儀表在此區(qū)間的能量響應(yīng)無法準(zhǔn)確測量。故為解決上述問題，完善電離輻射計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)體系，并滿足科研生產(chǎn)的需求，需建立該能段下的X射線參考輻射規(guī)范。

2 450kV X光機(jī)模型建立及原級(jí)譜模擬計(jì)算

2.1 X光機(jī)模型建立

確定滿足國際標(biāo)準(zhǔn)要求的各系列(L、N、W及H系列)所對(duì)應(yīng)的附加過濾，是建立(250～450)keV能量段X射線參考輻射的前提。依據(jù)YXLON 450kV X光機(jī)的實(shí)際尺寸，利用蒙特卡羅方法建立450kV X光機(jī)模型，首先通過電子輸運(yùn)得到(250～450)kV管電壓下原級(jí)X射線譜，經(jīng)概化處理后所建MCNP模型如圖1所示。

圖1 MCNP模型示意圖Fig.1 MCNP model diagram

X光機(jī)的靶材料為鎢，靶角為30°，固有過濾為5mm Be，模型各部分材料與實(shí)際情況保持一致。

2.2 原級(jí)譜模擬計(jì)算

位于陰極的電子在外加高壓的作用下加速并向陽極靶發(fā)射，與陽極靶表面及靶內(nèi)部的鎢原子相互作用產(chǎn)生X射線原級(jí)譜。原級(jí)譜分為兩個(gè)部分，分別為韌致輻射連續(xù)譜與特征X射線譜(鎢的4個(gè)K系特征輻射)。通過在Be窗之前設(shè)置探測柵元得到不同管電壓下的原級(jí)X射線譜，管電壓設(shè)置范圍為(250～450)kV，模擬結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同管電壓下的原級(jí)X射線譜圖Fig.2 Primary X-ray spectrum at different tube voltage

鎢有4個(gè)K系特征峰，分別為58.0keV(Kα1)、59.3keV(Kα2)、67.2keV(Kβ1)以及69.1keV(Kβ2)，由于MCNP模擬中能量箱設(shè)置較大，圖中各相鄰特征峰之間(即Kα1與Kα2、Kβ1與Kβ2)產(chǎn)生了重疊。各曲線的整體趨勢保持一致，并且隨著管電壓的不斷增加，韌致輻射連續(xù)譜及特征X射線譜的計(jì)數(shù)率均有所增加。

3 平均光子能量計(jì)算

對(duì)于一個(gè)特定系列的參考輻射，其平均光子能量與管電壓呈線性關(guān)系，而管電壓高于標(biāo)準(zhǔn)中已規(guī)定范圍的部分，參考輻射質(zhì)的平均光子能量為低能區(qū)平均光子能量與管電壓關(guān)系曲線的線性外推。ISO 4037-1中4個(gè)系列(L、N、W及H系列)已有規(guī)定的管電壓范圍依次為：(10～240)kV、(10～300)kV、(60～300)kV、(10～300)kV。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)得到4個(gè)系列參考輻射質(zhì)平均光子能量與管電壓的關(guān)系曲線，如圖3所示，實(shí)心符號(hào)表示標(biāo)準(zhǔn)中已有數(shù)據(jù)，空心符號(hào)表示外推值。

圖3 參考輻射質(zhì)平均光子能量與管電壓關(guān)系圖Fig.3 Relationship between the average photon energy of the reference radiation and tube voltage

隨后，外推得到高能區(qū)參考輻射質(zhì)的平均光子能量，見表1。

4 (250～450)kV高能區(qū)附加過濾模擬研究

4.1 附加過濾模擬厚度范圍確定

高能區(qū)附加過濾模擬研究中，首先對(duì)ISO 4037-1中已有能區(qū)的管電壓與附加過濾關(guān)系曲線進(jìn)行兩次擬合(即一次線性擬合與二次曲線擬合)并外推至高能區(qū)，初步得到高能區(qū)管電壓值所對(duì)應(yīng)附加過濾的取值范圍。隨后，通過MCNP模型計(jì)算相應(yīng)附加過濾條件下參考輻射的平均光子能量值，若該值與平均光子能量線性外推值的誤差在±5%以內(nèi)并最接近外推值，則可初步認(rèn)為該值即為相應(yīng)管電壓下的附加過濾。最后，將部分附加過濾計(jì)算結(jié)果同PTB及中國計(jì)量院所確定的附加過濾進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。

表1 高能區(qū)平均光子能量線性外推值Tab.1 Linear extrapolation of average photon energy in high energy region管電壓/kV平均能量/keVL系列N系列W系列H系列250219.70———300263.80———350307.89289.80240.70174.42400351.99331.34274.62198.58450396.09372.89308.54222.74

分別對(duì)4個(gè)系列參考輻射的管電壓與附加過濾關(guān)系曲線進(jìn)行擬合并外推至高能區(qū)，經(jīng)兩次擬合后所確定的附加過濾片厚度范圍,見表2，總過濾=附加過濾+5mm Be固有過濾。

4.2 各系列參考輻射附加過濾模擬

在MCNP模型中，將模擬電子打靶得到的X射線原級(jí)譜作為源項(xiàng)，依據(jù)表2所得結(jié)果設(shè)置相應(yīng)的附加過濾片，并在距離X光機(jī)焦斑1m位置處放置探測柵元。利用F4柵元計(jì)數(shù)卡得到過濾X射線注量譜，通過注量譜計(jì)算得出對(duì)應(yīng)的平均光子能量，計(jì)算結(jié)果見表3至表5。

表2 兩次擬合后確定的各系列總過濾厚度范圍Tab.2 Total filter thickness range of each series determined after twice fitting管電壓/kVL系列N系列W系列H系列PbSnCuBePbSnBeSnBe2506～6.520.55///////3008.5～10.520.55///////35011.5～1620.557～84～558～1053～4540014.5～22.520.559～11.55～659.5～13.554～5545017.5～3020.5511～15.56～8.5511.5～1855～65

表3 L系列附加過濾模擬結(jié)果Tab.3 L-series additional filter simulation results管電壓/kVL系列總過濾/mmPbSnCuBe平均光子能量/keV與外推平均光子能量的相對(duì)偏差/%管電壓/kVL系列總過濾/mmPbSnCuBe平均光子能量/keV與外推平均光子能量的相對(duì)偏差/%250220.55200.99-8.51420.55214.07-2.56520.55217.15-1.165.520.55217.83-0.856.520.55216.76-1.34720.55214.48-2.37820.55204.63-6.86300420.55244.19-7.43620.55253.53-3.898.520.55258.24-2.111020.55255.96-2.971220.55240.87-8.69350420.55270.80-12.05620.55283.10-8.05820.55291.16-5.441020.55296.07-3.8411.520.55297.64-3.333501220.55297.62-3.341420.55293.98-4.521620.55281.38-8.61400820.55319.88-9.121020.55327.33-7.011220.55332.56-5.5214.520.55336.12-4.5115.520.55336.31-4.461620.55336.00-4.5418.520.55330.60-6.084501420.55367.96-7.101620.55371.83-6.121820.55374.13-5.551920.55374.45-5.462020.55374.06-5.562220.55371.07-6.322420.55363.61-8.20注:加粗行為平均光子能量與外推值相對(duì)偏差最小的情況。

表4 N系列附加過濾模擬結(jié)果Tab.4 N-series additional filter simulation results管電壓/kVN系列總過濾/mmPbSnBe平均光子能量/keV與外推平均光子能量的相對(duì)偏差/%管電壓/kVN系列總過濾/mmPbSnBe平均光子能量/keV與外推平均光子能量的相對(duì)偏差/%350745288.74-0.36755289.34-0.16795291.450.57845292.070.78855292.510.94895293.981.441045296.682.381055296.652.361095296.462.30400955325.56-1.751055328.71-0.7910.555330.07-0.39400965326.07-1.591065329.10-0.6810.565330.39-0.29450116.55361.46-3.07126.55364.44-2.27146.55369.26-0.97117.55361.96-2.93127.55364.85-2.16147.55369.50-0.91118.55362.43-2.81128.55365.25-2.05148.55369.67-0.86注:加粗行為平均光子能量與外推值相對(duì)偏差最小的情況。

表5 W系列與H系列附加過濾模擬結(jié)果Tab.5 W-series and H-series additional filter simulation results管電壓/kVW系列總過濾/mmSnBe平均光子能量/keV與外推平均光子能量的相對(duì)偏差/%H系列總過濾/mmCuBe平均光子能量/keV與外推平均光子能量的相對(duì)偏差/%35085231.08-4.0035162.17-7.028.55233.16-3.133.55166.56-4.5195235.13-2.3245170.33-2.359.55236.99-1.54////105238.76-0.80////4009.55255.54-6.9545182.72-7.9910.55259.47-5.524.55186.28-6.1911.55263.08-4.2055189.48-4.5812.55266.402-2.99////13.55269.46-1.88////400125282.71-8.3755201.42-9.57135286.29-7.215.55204.54-8.17145289.63-6.1365207.42-6.88155292.75-5.12////165295.66-4.18////175298.42-3.28////185301.04-2.43////注:加粗行為平均光子能量與外推值相對(duì)偏差最小的情況。

由表3～5可知，設(shè)置的附加過濾不同，1m處X射線能譜分布將出現(xiàn)差異，繼而使平均光子能量產(chǎn)生相應(yīng)變化。經(jīng)過兩次擬合確定了附加過濾的大致厚度范圍，再利用蒙卡方法模擬計(jì)算平均光子能量從而進(jìn)一步縮小研究范圍。從模擬結(jié)果可以看出，在研究范圍內(nèi)得到的平均光子能量模擬結(jié)果除個(gè)別能量點(diǎn)外，基本能夠?qū)崿F(xiàn)與外推值的相對(duì)偏差在±5%以內(nèi)的要求。

為了驗(yàn)證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，將部分能量點(diǎn)對(duì)應(yīng)的附加過濾及平均光子能量的模擬結(jié)果同PTB及中國計(jì)量院測量結(jié)果進(jìn)行比較，見表6。

從以上5個(gè)能量點(diǎn)的對(duì)比情況可以看出，MCNP對(duì)平均光子能量的模擬較為準(zhǔn)確，模擬值與測量值的相對(duì)偏差在2%以內(nèi)，而對(duì)于附加過濾的計(jì)算，模擬值與測量值的相對(duì)偏差在18%以內(nèi)。ISO 4037-1中所規(guī)定X射線參考輻射的總過濾包括X光機(jī)的固有過濾加上附加過濾，由于不同光機(jī)的固有過濾存在差別，且不同實(shí)驗(yàn)條件下的能譜分布并不完全相同，故使計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)差異。

表6 模擬結(jié)果與測量結(jié)果對(duì)比Tab.6 Comparison between simulation and measurement results輻射質(zhì)附加過濾/mm平均光子能量/keVPb1Pb2相對(duì)偏差/%Sn1Sn2相對(duì)偏差/%Cu1Cu2相對(duì)偏差/%E1E2相對(duì)偏差/%N-3507.007.000.005.004.5011.11///289.34288.000.47N-40010.5010.005.006.006.000.00///330.39328.000.73H-350//////4.003.4017.65170.33167.002.00H-400//////5.004.706.38189.48190.00-0.27H-450//////6.005.803.45207.42208.00-0.28注:附加過濾中下角標(biāo)為1表示MCNP模擬結(jié)果;下角標(biāo)為2表示PTB或中國計(jì)量院測量結(jié)果。

5 結(jié)束語

利用MCNP模擬得到了各輻射質(zhì)對(duì)應(yīng)平均光子能量值，并初步研究了(250～450)kV高能區(qū)參考輻射的附加過濾。從部分能量點(diǎn)的模擬結(jié)果與測量結(jié)果的對(duì)比可以看出，模擬得出的平均光子能量在2%以內(nèi)與PTB及中國計(jì)量院測量結(jié)果保持一致，而附加過濾最大相對(duì)偏差為18%。在后續(xù)的研究中，將針對(duì)高能段參考輻射質(zhì)的附加過濾進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，進(jìn)一步確定其附加過濾，并對(duì)輻射質(zhì)的各參數(shù)值(第一第二半值層、同質(zhì)系數(shù)等)進(jìn)行計(jì)算。