一种用于Hp(3)测量的电离室性能评价

张 璇，李德红，张 健，郝艳梅，赵 瑞，范富有

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

目前电离辐射广泛用于各行各业，给人们来带来了极大的益处，但也可能造成一些潜在的危害。研究表明，电离辐射诱发白内障的剂量阈值远低于2.0 Gy，甚至低于0.5 Gy的剂量都有可能诱发白内障[1-2]。2011年国际辐射防护委员会(ICRP)建议，将电离辐射职业性暴露的眼晶体年均当量剂量限值从150 mSv降至20 mSv(连续5年中任何1年的当量剂量不得超过50 mSv)[3]。剂量限值的大幅度降低也引得人们对该量值准确测量的广泛关注。

由于当量剂量作为防护量，无法通过仪器直接测量得到，因此常利用个人剂量当量Hp(d)进行评估，即距离人体表面深度d处软组织的剂量当量。根据眼睛模型，当尺寸被替换为组织等效材料(软组织)中的厚度时，眼晶体敏感部分的组织等效深度位于约3 mm处[4]，因此，国际辐射单位与测量委员会(ICRU)和ICRP建议采用Hp(3)进行眼晶体的剂量评估[5-6]。测量Hp(3)的仪器有多种，如热释光剂量测量系统、光释光剂量测量系统等。但在能谱未知的辐射场中，这两类测量系统的能量响应差异较大(-29%～67%)[7-8]，为此，有必要研制对能量依赖性较小，可直接测量能谱未知辐射场Hp(3)的电离室(以下称Hp(3)电离室)。本课题组设计制造了一种Hp(3)电离室，为评估该Hp(3)电离室的各项性能，本文从本底电流、极化效应、能量响应、角度响应和不确定度评定方面对该电离室进行评价，以期为眼晶体个人剂量当量的准确测量提供参考。

1 Hp(3)电离室测量原理与结构设计

1.1 测量原理

确定辐射场某一点Hp(3)约定值有两种解决方案：一是通过空气比释动能Ka与转换系数的乘积确定[9]。转换系数主要取决于光子能量与入射角，特别是对于能量较低的光子。名义上辐射质虽相同，但其能谱分布总是存在一些较小的差异。在低能量段，特别是平均光子能量低于约25 keV的辐射质，其转换系数对能量的依赖性较大，因此，较小的能谱差异可能会导致转换系数的差异高达百分之几十。通过这种方法确定Hp(3)约定值，需要测量射线装置产生的能谱来准确得到转换系数，而这又需要复杂且昂贵的能谱仪以及可用于脉冲幅度能谱测量的算法[10-11]。另一种则是可直接测量Hp(3)的电离室，该电离室对Hp(3)具有较小的能量和角度响应，一旦校准就不需要进行能谱测量，也不需要转换系数，即可直接得到Hp(3)值。

在能量为E的辐射质下，射束入射方向与Hp(3)电离室中心法线的夹角为α时，眼晶体个人剂量当量Hp(3,E,α)计算公式为：

Hp(3,E,α)=NH·k(E,α)·Q·kTP·kh

(1)

式中：NH为Hp(3)电离室的校准因子，Sv/C；k(E,α)为某能量E的辐射质在α入射角条件下的修正因子，无量纲；Q为Hp(3)电离室测量的电荷，C；kh为环境湿度修正因子，在30%～70%的相对湿度(温度范围15～25 ℃)，不必修正，取kh=1；kTP为温度气压修正因子，其计算见公式(2)。

(2)

式中：T为测量时的环境温度，℃；P为测量时的环境大气压，kPa；T0为环境温度参考值，20 ℃；P0为环境大气压参考值，101.325 kPa。

1.2 结构设计

Hp(3)电离室的设计是在球型体模内嵌入电离室，用于直接测量眼晶体的个人剂量当量Hp(3)。为模拟头部组织对眼晶体剂量的散射与吸收，同时防止边缘效应的发生，即体模形状为方形时，在90°方向入射时测量值会急剧下降，产生测量值低估实际值的现象[12]，降低角响应，将散射部分设计为直径20 cm的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材质的实心球体。以该球内部前表面切出一个能够放入电离室的内切球体，同时以该小球体的球心为顶点，向外切除张角为120°的圆锥，将空腔电离室置于内切球的位置。电离室作为探测部分被置于散射体中，同样为减少边缘效应，将电离室设计为球形。由于电离室壁材料与空气等效材料之间的差异，其厚度、材质等将影响电离室电流信号同射线能量之间的依赖关系。为减小该影响，通过蒙特卡罗模拟软件(EGSnrc)对电离室壁厚度等进行模拟，得到体积30 cm3、壁厚2.7 mm、内涂石墨的聚甲醛(POM)壁的电离室，其能量响应较好。设计的电离室结构如图1所示。

a——Hp (3)电离室整体结构；b——PMMA球；c——电离室

电离室内部是一个小的充气空腔，在空腔气体中产生电离的全部电子都在包围空腔的介质内产生，故空腔的存在不影响该位置的注量。电离室空腔内的能量沉积可使用Bragg-Gray公式计算。

2 设备与方法

2.1 实验仪器

实验用辐射场测量点处空气比释动能约定值的确定采用德国PTW公司生产的TW32002型电离室和UNIDOS剂量仪；实验环境中的温度、湿度与气压的测量采用中国计量科学研究院生产的XMPTH-2型气压温度湿度测量仪。其量值均溯源至中国计量科学研究院标准装置。

2.2 测量条件

采用符合GB/T 12162.1标准[13]的中能窄谱X射线(N-40～N-250)、S-Cs和S-Co γ射线辐射质进行辐照，即中国计量科学研究院中能X射线空气比释动能(防护水平)标准装置和γ射线空气比释动能(防护水平)标准装置。环境温度为20～25 ℃；气压为99.8～101 kPa。

2.3 实验测量

2.3.1Hp(3)电离室校准 由于Cs-137 γ射线辐射质的能量单一且作为参考辐射质被IEC 62387-2020标准推荐[14]，因此在GB/T 12162.1标准[13]中规定的S-Cs辐射质及入射角α=0°条件下对Hp(3)电离室进行校准，得到校准因子NH。

2.3.2确定修正因子k(E,α) 为减少能量和入射角变化引起的响应差异，通过实验测量确定Hp(3)电离室在不同能量及入射角下的修正因子k(E,α)，见公式(3)。

(3)

式中：Ka为能量为E、入射角为0°时空气比释动能的约定值，Gy；hpk(3,E,α)为能量为E的辐射质，入射角为α辐照电离室时，圆柱模体中Ka至Hp(3)的转换系数；Q为Hp(3)电离室测量的电荷；kTP为温度气压修正因子。

在GB/T 12162.1标准[13]中规定的N-40～N-250 X射线辐射质以及S-Cs、S-Co γ射线辐射质下，采用标准电离室和剂量仪，测量辐射场参考点的空气比释动能，根据ISO 4037.3-2019中表41和表44提供的hpk(3,E,α)[9]，确定不同辐射质照射下Hp(3)的约定值。

2.3.3本底电流Hp(3)电离室的本底电流主要来自三个方面：一是高压极与中心电极之间绝缘材料的电阻不是无穷大而导致的暗电流；二是天然辐射入射产生的电离电流；三是电离室材料中天然放射性核素产生的电离电流。本底电流过高将对射线的测量带来干扰，因此为评估该电离室的性能，对本底电流进行测量。

2.3.4极化效应 当电离室加一定高压，在内部形成电场，在电场的作用下电离电荷被收集，其电子-离子对在正、负高压下的收集效率存在差异，这种现象称为极化效应。该差异将影响电离室的使用效果，是电离室的关键指标之一。将Hp(3)电离室置于S-Cs辐射质下，Hp(3)电离室的几何中心在照射线束的中心轴线上，采用相同的剂量率进行辐照，在正极化和负极化电压条件下分别测量Hp(3)值。

2.3.5能量响应 能量响应是指被测仪器的响应随入射辐射质能量的变化。由于在能谱未知的情况下，无法确定k(E,α)值以对结果进行修正，因此，在未进行能量修正情况下对该电离室进行能量响应实验。

2.3.6角度响应 角度响应是指被测仪器的响应随入射角的变化。在入射方向未知的情况下，无法根据k(E,α)值对结果进行修正，因此，在未进行入射角修正情况下对该电离室进行角度响应实验。

2.4 不确定度评定

采用Hp(3)电离室对辐射场中某一点的剂量当量进行测量，利用JJF 1059.1-2012标准[15]的方法对测量结果的不确定度进行评定。第一步确定Hp(3)电离室校准因子的相对扩展不确定度；第二步确定电离室测量值Hp(3)的相对扩展不确定度。

3 结果与讨论

3.1 Hp(3)电离室校准

第一步采用溯源至Cs-137γ射线空气比释动能率国家基准的标准电离室及剂量仪，测量辐射场测量点的空气比释动能率Ka。利用公式(4)计算得到该参考点处的约定值Hp(3,Rref,0°)。

Hp(3,Rref,0°)=Ka·hpk(3,Rref,0°)

(4)

式中：Ka为参考条件下(温度：20 ℃，气压：101.325 kPa，相对湿度：65%)S-Cs辐射质，入射角为0°时空气比释动能的约定值，Gy；hpk(3,Rref,0°)为S-Cs辐射质条件下α=0°入射时圆柱模体中Ka至Hp(3)的转换系数，其值为1.63 Sv/Gy[9]。

第二步将Hp(3)电离室放置在测量点处，采用相同的辐射条件，重复测量6次。采用公式(5)计算得到Hp(3)电离室的校准因子NH=1.19 μSv/pC。

(5)

3.2 确定修正因子k(E,α)

将Hp(3)电离室放置在实验平台上，采用相同的照射条件进行辐照，射束覆盖整个前表面，当入射角为0°时，参考点轴向与射束一致，利用激光准直器准直。测得每个辐射质和入射角下的Hp(3)值，将其与约定值比较，得到各个能量及角度下的k(E,α)值列于表1。从表1可知，在X射线辐射质下，正角度下的k(E,α)普遍比负角度下的值偏高，尤其在低能量辐射质下，偏差更大(5.7%)，该现象可能与X射线参考辐射场的“足跟效应”有关，即从靠近阴极一端到靠近阳极一端，X射线需要穿过更长的靶材料，阻碍作用越来越强，射线强度越来越弱，因此在水平方向上会出现“足跟效应”。

表1 Hp(3)电离室k(E,α)值测量结果

3.3 本底电流

将Hp(3)电离室加上400 V的高压，开机30 min后，在不加辐射信号的情况下重复测量电荷6次，累积时间为60 s，分别得到漏电流为-0.17、0.17、0.67、0.17、0.17、0.5 fA，即该Hp(3)电离室的本底电流为-0.2～0.7 fA，平均为0.2 fA。

3.4 极化效应

在正极化电压条件下和负极化电压条件下分别测量Hp(3)值，其结果见表2。极化效应的计算采用公式(6)：

表2 正负高压下测得的Hp(3)值

(6)

式中：Hp(3)+为正高压下测得的眼晶体个人剂量当量；Hp(3)-为负高压下测得的眼晶体个人剂量当量。

最终计算得到极化效应为0.10%，小于要求的1.0%。

3.5 能量响应

根据窄谱系列、S-Cs和S-Co辐射质条件下Hp(3)电离室k(E,α)值的测量结果取其倒数，归一到S-Cs辐射质，得到0°入射条件下Hp(3)电离室的能量响应相对误差结果，如图2所示。在33 keV～1.25 MeV能量范围内，Hp(3)电离室的能量响应相对误差为-0.9%～12.6%，即测量值最大相对误差不超过±13%，远低于热释光/光释光剂量测量系统对于能量响应相对误差的要求(-29%～+67%)[7-8]。当能量低于48 keV时，由于电离室壁厚以及散射体对低能光子的阻挡作用增强，故其响应值偏低。表明在能谱未知的复杂辐射场，无需进行能谱测量，直接使用Hp(3)电离室可知辐射场中的Hp(3)值。

图2 Hp(3)电离室的能量响应相对误差

3.6 角度响应

在S-Cs辐射质下测量各个入射方向归一到入射角为0°时Hp(3)电离室的角响应相对误差，结果如图3所示。从图3可知，在-60°～ 60°入射角范围内，Hp(3)电离室的角度响应相对误差为-7.9%～0%，最大相对误差不超过8%。同时，入射角越大，Hp(3)电离室在未进行修正的情况下其测量值越易于低估实际值。

图3 Hp(3)电离室的角度响应相对误差

4 不确定度评定

4.1 校准因子的相对不确定度

根据公式(5)可知，校准因子NH的不确定度来源如下。1) 标准电离室校准因子引入的不确定度分量：采用B类评定方法，根据溯源证书得到标准电离室校准因子的相对扩展不确定度。2) 辐射场与上级辐射场的差异：由于本级实验室与上级标准实验室辐射质可能存在差异，标准电离室对不同辐射场的响应差异将引入不确定度，这部分差异与标准电离室的能量响应有关，通过电离室的溯源证书获得，采用B类评定方法评定。3) 标准电离室的长期稳定性：根据至少两次溯源至上一级标准的校准因子的相对变化得到长期稳定性引入的不确定度，可通过标准电离室历年的溯源证书得到，属于B类评定方法。4) 温度气压测量不确定度：温度气压修正值的不确定度应包括重复测量温度和气压得到测量结果的统计标准偏差(A类)和温度气压仪表本身溯源的不确定度(B类)。5) 标准电离室测量结果的统计标准偏差：在辐射场参考值确定过程中，需要使用标准电离室多次测量取平均值得到，多次测量结果的统计涨落导致的不确定度采用A类不确定度评定方法。6) 剂量当量转换系数不确定度：剂量当量转换系数所引入的不确定度采用B类评定方法，通过ISO 6980.3-2019标准查询得到[9]。7) 待校Hp(3)电离室的读数统计涨落标准差：重复测量过程中统计涨落导致的不确定度，采用A类不确定度评定方法分析。8) 与检验点位置差异导致的不确定度：标准电离室和Hp(3)电离室的放置过程中，采用量杆测量源与电离室之间的距离，因此Hp(3)电离室与标准电离室位置偏差导致的不确定度可认为来自量杆本身，该不确定度可通过量杆的溯源证书，采用B类评定方法得到。9) 辐射场不均匀性导致的不确定度：实际校准过程中，Hp(3)电离室和标准电离室的探测中心难以重合，由于辐射场的不均匀性导致校准位置处的剂量率存在差异，不均匀性是参考辐射场本身的性质，采用B类评定方法确定。

最终得到校准因子的相对不确定度见表3，即校准因子的相对扩展不确定度为5.6%(k=2)。

表3 电离室校准因子的不确定度评定表

4.2 Hp(3)的相对不确定度

4.2.1辐射场能量和入射角已知情况下Hp(3)的相对不确定度 当已知辐射场中辐射质与入射角的情况下，测量值Hp(3)的测量模型见公式(1)。以辐射质为N-40、入射角为15°时Hp(3)测量为例，对测量值Hp(3)的不确定度进行评定。其影响量有Hp(3)电离室的校准因子、电离电流、能量/入射角响应修正因子、温度、气压和电离室的长期稳定性。

2)Hp(3)电离室校准因子引入的不确定度分量根据4.1节计算结果可见，由于校准因子引入的相对不确定度为urel,c,NH=2.81%。

3) 能量和角度响应修正因子。辐射质N-40、入射角为15°时，k(E,α)值计算如下：

(7)

其合成不确定度为：

urel,k(E,α)=

3.8%

(8)

4) 温度和气压引入的不确定度分量。测量结果的统计标准偏差(A类)和温度气压表本身溯源的不确定度(B类)对温度气压修正值引入的不确定度进行评定。

评定结果如表4所示。由表4数据可知，在辐射场的能量和入射角已知情况下测得的Hp(3)值的相对扩展不确定度为9.4%(k=2)。

表4 Hp(3)的不确定度评定表

4.2.2辐射场能量和入射角未知情况下Hp(3)的相对不确定度 当未知辐射场中辐射质与入射角情况下，对测量值Hp(3)进行评定，其测量模型见公式(1)。由于辐射场能量和入射角未知，无法确定具体的k(E,α)值，因此该值视为1，除该值的不确定度评定与4.2.1节不一样外，其他过程均一致。

Hp(3)电离室在33 keV～1.25 MeV能量范围内，能量响应最大相对误差为12.6%，其分布视为矩形分布，按B类不确定度对其进行评定，能量响应所引起的不确定度为7.3%。

在-60°～ 60°入射角范围内，Hp(3)电离室的角度响应最大相对误差为7.9%，其分布视为矩形分布，按B类不确定度对其进行评定，角度响应所引起的不确定度为4.6%。能量和角度修正因子引入的不确定度为：

(9)

当辐射场能量和入射角未知情况下评定结果如表5所示。自研的用于眼晶体个人剂量当量测量的Hp(3)电离室在能量和入射角未知情况下测得的Hp(3)的相对扩展不确定度为18%(k=2)，高于在已知辐射场能量和入射角时的不确定度结果，但在不确定度范围内均可用于Hp(3)的测量。

表5 Hp(3)的不确定度评定表

5 结论

本文介绍了一种自研的用于眼晶体个人剂量当量测量的Hp(3)电离室，并通过实验测量确定了该电离室的校准因子NH为1.19 μSv/pC，以及在33 keV～1.25 MeV能量、-60°～60°入射角范围内的能量/入射角修正因子。Hp(3)电离室的本底电流为0.2 fA，极化效应为0.10%。在未进行能量/入射角修正情况下，将各能量下Hp(3)电离室的响应值归一到S-Cs辐射质，各入射角度下的响应值归一到0°，得到在33 keV～1.25 MeV范围内相对响应在0.99～1.13之间变化；-60°～60°入射角范围内相对响应在0.92～1.0之间变化。通过对电离室的校准因子进行不确定度评定，得到其相对扩展不确定度为5.6%(k=2)。当能量和入射角已知情况下，如在辐射质为N-40、入射角为15°情况下照射时，Hp(3)测量值的相对扩展不确定度为9.4%(k=2)；当能量和入射角未知情况下，Hp(3)测量值的相对扩展不确定度为18%(k=2)。对于能量和入射角未知情况下的辐射场，无需使用能谱测量装置，在不确定度范围内直接采用Hp(3)电离室即可得到辐射场中的Hp(3)值。本研究可为眼晶体个人剂量当量的准确测量提供参考。