非均整条件下β射线组织吸收剂量率测量技术研究

董世彬 魏可新 宋明哲 滕忠斌 刘川凤 王红玉

(中国原子能科学研究院，计量与校准技术重点实验室，北京 102413)

1 引 言

通常,当放射性职业人员接受放射性照射时，体表皮肤受到的照射剂量远大于人体其他器官和组织受到的照射剂量。在核爆、反应堆事故或日常工作生产、辐射治疗中，受照射人员的皮肤不可避免地受到多种射线的照射。其中，β辐射远大于γ射线造成的照射吸收剂量。因此，在上述相关工作环境中，对β射线的剂量监测必不可少。为保证β射线个人剂量计的示值准确可靠，需要将β组织吸收剂量标准作为量值溯源源头。

国内主要由中国原子能科学研究院[1]、中国辐射防护研究院[2]、中国计量科学研究院[3]等单位完成了大量β辐射吸收剂量率的研究工作，并建立了GB 12164标准。德国PTB[4-6]、美国NIST[7]、俄罗斯VNIM[8]等机构也建立了相关标准并开展比对工作。国际标准化组织(ISO)、国际电工委员会(IEC)、亚太地区计量组织(APMP)、国际原子能机构(IAEA)及欧洲计量组织(EUROMET)也建立了较为完善的β辐射剂量当量量值传递标准体系。

本研究针对BSS 2照射装置中90Sr-90Y和85Kr放射源产生的β射线参考辐射场，对非均整条件下β组织吸收剂量率进行绝对测量。结果可用于β射线参考辐射场中实用量Hp(0.07)和H’(0.07)的定值，及β射线个人剂量计的校准，为保证核工业和核医学领域中职业人员的剂量监测的准确度提供技术保障。

2 试验用仪器及参考辐射场概述

2.1 外推电离室

采用外推电离室为PTW23392型外推电离室。外推电离室是按照空腔电离理论和吸收剂量定义制作的电离室。外推电离室主要部件示意图如图1所示。

图1 PTW23392外推电离室主要部件示意图

2.2 外推电离室建模及修正因子模拟

在MCNP5模拟软件中分别对85Kr，90Sr辐射源辐射场及外推电离室进行建模。外推电离室的收集电极材料为PMMA，其表面石墨涂层厚度0.02mm。入射窗为具有石墨涂层的PET薄膜，入射窗厚度0.007 5mm，质量密度约为0.75mg/cm2。其中石墨涂层0.000 267mm，薄膜的厚度0.000 483mm[9]，入射窗口直径60.5mm，收集电极直径30mm。在模拟中，考虑了85Kr，90Sr辐射源的实际尺寸，包括其活动部分和屏蔽部分。85Kr，90Sr辐射源及外推电离室图纸及建模分别如图2和图3所示。

图2 85Kr和90Sr辐射源模拟图

图3 外推电离室入射窗模拟图

3 修正因子与吸收剂量率的测量结果

3.1 外推电离室相关参数

3.1.1外推电离室坪曲线

为保证实验结果的准确度，实验测量了85Kr和90Sr照射条件下的外推电离室不同深度时的坪曲线，如图4所示。实验中85Kr和90Sr照射距离均为放射源距外推电离室入射窗30cm。

图4 85Kr和 90Sr放射源照射下的外推曲线图

由图4可知，当极板间电压为(5～25)V时外推电离室工作在饱和区。

3.1.2有效收集面积

根据式(1)通过测量腔室电容Ck来确定有效收集面积为

(1)

式中：Ck——圆形电极平面平行板电容；εa——空气的介电常数(电容率)，8.859 78pF·m-1；xc——直接测量的电离室收集极直径；xg——保护极之间绝缘体的宽度；l——电离室的深度。

可以根据外推电离室深度与测量电容的倒数的直线的斜率1/εaa确定有效收集电极面积a。采用电荷法测量等效电容Ck[10]，即通过6517B型静电计为外推电离室提供电压并测量电容的电荷。实验求得的斜率与截距数据见表1。

由表1数据可知，测量的斜率和截距相对标准误差均在0.5%以内，保证了数据的准确性。可由此分别计算得出外推电离室有效收集面积为7.25cm2。

表1 有效收集面积和极间距测量所得斜率与截距

3.2 修正因子

3.2.1 在收集体积中吸收剂量率不均匀性的修正kih

kih的值可由式(2)计算得出[12]

(2)

式中：Dpart of act.vol——将计数区域设定为直径3cm和整个腔深l时收集体积模拟所得的总剂量；Dtotal act.vol——将计数区域设定为收集体中心前部直径为0.5cm，深度为100μm体积模拟所得的剂量。

kih的大小可以拟合为电离室深度l如式(3)

kih=b+m·l

(3)

经过模拟仿真和计算得出了不同照射距离及不同电离室极板间距的kih值并拟合了外推电离室极板间距和kih值的曲线得出b，m的值，见表2。

表2 外推电离室的kih计算系数实验计算值

3.2.2 外推电离室侧壁对β粒子通量密度扰动的修正kpe

外推电离室侧壁对β粒子通量密度的扰动已由Böhm[4]进行了详细的研究。kpe的值可由式(4)计算得出[11]

(4)

式中：Dwall-less chamber——将电离室外壁材料设定为空气模拟所得的剂量；Dchamber——原电离室材料模拟所得的剂量。

修正因子kpe的大小可以拟合为电离室深度l的二次多项式，如式(5)所示

kpe=f6+f7l+f8l2

(5)

经过模拟和仿真，计算拟合了外推电离室极板间距与kpe的曲线得出f6，f7，f8的值，结果见表3。

表3 外推电离室的kpe计算系数实验计算值

3.2.3 来自β粒子源轫致辐射影响的修正因子kbr

轫致辐射的修正因子kbr由式(6)定义[12]

kbr=I/(I-Ibr)

(6)

式中：I——电离室测量的电流；Ibr——外推电离室入射窗前放置10cm厚度的PMMA板作为吸收体韧致辐射产生的电流。

实验测量和计算所得的kbr值见表4。

表4 修正因子kbr及β粒子源和测量几何条件

3.2.4收集体积中空气密度的修正kad

周围环境中的空气密度ρa[5]可以由式(7)表示

(7)

式中：ρa0——为参考条件下的空气密度，ρa0=1.197 4kg·m-3(由以下参数定义：T0=293.15K；p0=101.325kPa；r0=0.65。)；p——空气压力；T——收集体积中绝对温度；r——空气的相对湿度。

对收集体积中空气密度变化的修正因子kad由式(8)给出

(8)

实验所用实验室为恒温恒湿实验室，试验期间气压为(101.6～102.4)kPa；温度为20.10℃～20.56℃；湿度为40%～42%。由式(10)和式(11)可求出所求得的ρa=1.205～1.207；kad=0.9929a恒温恒湿实验。

3.2.5 由于收集电极和保护环的材料与组织的反散射效果不同而进行的修正kba

由反散射辐射导致的吸收剂量正比于有效原子序数Z，即组织和有机玻璃的反散射因子Bt和BPMMA的计算如式(9)所示

(9)

修正因子kba的计算方法，如式(10)所示

kba=Bt/BPMMA

(10)

式中：Bt——人体组织的反散射因子。

修正因子kba对不同β核素的取值及其不确定度见表5。

表5 90Sr和85Kr的反散射因子BPMMA和修正因子kba

3.2.6 由于参考条件的变化所致源和收集体积之间β粒子衰减和散射的变化的修正kabs

在参考条件下或空气密度为ρa0时，源和外推室表面之间空气层的参考厚度为y0。该空气厚度对应于组织深度ηa,tρay0ρt-1。修正因子kabs的计算方法如式(11)所示[12]

(11)

式中：ηa,t——空气和组织的β粒子衰减系数之比(0.915)；y0——源到电离室参考点的距离；ηa,tρay0——源和电离室之间空气层的组织等效厚度；ηm,t——电离室窗材料和组织的β粒子衰减系数之比；ρmdm——电离室窗材料的质量厚度；ηm,tρmdm——电离室窗材料的组织等效厚度(0.000 684cm)；α——β粒子的入射方向，测量时为垂直入射，可取α=0°。

(12)

当使用85Kr β放射源照射，电离室窗的组织等效厚度为(0.000 6～0.001 6)g·cm-2时，在照射距离30cm处，根据ISO 6980推荐值这些系数均为常数，均为1.050。本实验所用外推电离室窗的组织等效厚度为0.000 75g·cm-2。所得修正因子kabs的计算值及计算系数见表6。

表6 修正因子kabs的计算值及计算系数

3.2.7离子复合所致电离损失的修正ksat

离子复合所致电离损失由修正系数ksat计算，ksat可由式(13)计算得出[12]

(13)

式中：VH——为测量时加在电离室上的高压值；VL——为测量时加在电离室上的高压值；要求VL的值要不大于VH值的二分之一；IH——为电离室所加高压值为VH时的平均电离电流；IL——为电离室所加高压值为VL时的平均电离电流。

实验所选VH电压为15V，VL电压为5V。所选电离室深度均为2.5mm，复合损失修正相关测量结果见表7。

表7 外推电离室的ksat计算系数及实验计算值

3.2.8粒子源放射性衰变的修正kde

β粒子源放射性衰变的修正因子如式(14)

kde=exp[(tm-t0)ln(2)/t1/2]

(14)

式中：tm——进行测量的时间；t0——被修正后的时间，测量的参考时间；t1/2——放射性核素的半衰期。

3.2.9其他修正因子

收集体积中空气湿度对产生一个离子对所需平均能量的影响的修正khu。对于标准试验条件，khu可视为1[13]；实验选用电压为±5～±25入射窗静电吸引的修正因子kel可以忽略[5]，即kel=1；实验选用外推电离室深度均大于等于0.5mm，收集体积中空气和邻近的入射窗以及收集电极之间界面效应的修正因子kin可以视为kin=1[14]。

3.3 组织吸收剂量测量结果

3.3.1外推曲线

受外推电离室深度改变影响的修正因子有kad，kabs，ksat，kpe，kih，kde。电离电流的值均需要通过以上修正因子的修正。

实验测量了在有外推电离室极间距修正情况下，改变电离室极间距下的修正电离电流，修正后的电离电流和外推电离室深度拟合所得的外推曲线即d(kI)/dL结果如图5所示。

由图5电离电流和电离室深度拟合的直线可知85Kr放射源在照射距离为30cm，50cm修正后的外推曲线斜率分别为0.618 0，0.161 7；90Sr放射源在照射距离为11cm，20cm，30cm，50cm修正后的外推曲线斜率分别为1.714，0.550 9，0.248 6，0.104 0。

图5 非均整条件下85Kr和90Sr放射源照射下的外推曲线图

3.3.2测量结果

综合上述所有不同照射距离、不同深度修正的因子在温度为20℃气压为101.325kPa下的空气密度ρ0和修正后外推曲线的极限斜率dI/dL的值计算得出85Kr和90Sr的非均整条件下β组织吸收剂量值汇总见表8。

表8 吸收剂量率测量结果

3.3.3不确定度分析

β射线吸收剂量的测量由式(18)计算，不确定度的主要来源于式(15)中的各个分量[12]

(15)

式中：st,a——平均阻止本领，对90Sr，85Kr外推电离室入射窗材料的st,a值分别为1.121，1.110[15]；W/e——在空气中产生一个离子对所需要的平均能量；a——外推电离室的有效吸收面积；ρ0——在温度为20℃气压为101.325kPa下的空气密度；I——外推电离室的电离电流即外推电离室的测得的电流对收集电压的极性、漏电流和电荷收集损失进行了修正而得到电离电流；L——收集体积的深度。

其各分量不确定度见表9。90Sr和85Kr吸收剂量率的不确定度分别为2.7%，2.9%(k=2)。

表9 各分量不确定度

4 结束语

实验测量得到了外推电离室相关参数及85Kr，90Sr参考辐射场下外推电离室入不同外推电离室极间距和不同源距下的部分修正因子及外推电离室相关部分参数：通过测量外推电离室的坪曲线，确定了该外推电离室的正常工作电压范围为(±5～±25)V；使用电容法测量得到了外推电离室的有效收集面积为7.25cm2；测量了收集体积中的空气密度修正因子kad，轫致辐射影响修正因子kbr，以及复合损失修正因子ksat；并使用蒙特卡罗方法模拟计算了外推电离室侧壁对β粒子通量密度扰动的修正因子kpe和在收集体积中吸收剂量率不均匀性的修正因子kih。测量得出不带展平过滤90Sr照射距离11cm，20cm，30cm，50cm处吸收剂量率分别为274.9mGy/h，88.35mGy/h，39.87mGy/h，16.68mGy/h，不确定度为2.7%(k=2)；不带展平的85Kr照射距离为30cm，50cm处吸收剂量率分别为98.20mGy/h，25.69mGy/h，不确定度为2.9%(k=2)。通过本研究工作将90Sr和85Kr参考辐射的剂量率上限分别扩展到近250mGy/h和100mGy/h，测量不确定度与均整条件下相当，有效提高了β辐射监测仪表的计量校准能力。