X射线空气比释动能基准辐射场的研究

论文摘要

随着科学技术的进步及社会的发展,X射线因其在医学、生产、科研以至人民生活中的重要作用,得到了越来越广泛的应用。同时,用于X射线机性能检测与质量保证的仪器数量持续上升,但是许多相关指标至今无法溯源和校准,由此带来的问题急需解决。空气比释动能作为电离辐射领域重要的物理量,是X射线计量工作中的重要研究基础。论文依托中国计量科学研究院课题:中能X射线自由空气基准电离室修正因子的研究和低能X射线空气比释动能绝对测量方法的研究。课题是在电离辐射领域量和单位改制的背景下展开的,通过实验与理论研究,由照射量向空气比释动能过渡,分别建立中能和低能X射线空气比释动能基准。基准的建立可以解决医用治疗水平标准剂量计、诊断水平标准剂量计和防护X射线辐射剂量计的量值溯源的问题。空气比释动能作为国际比对中关键比对的量,本课题完成后,可以填补我国在低能X射线空气比释动能绝对测量上的空白。本文主要研究的是X射线空气比释动能基准辐射场,其在X射线空气比释动能基准研究中占有重要的地位。论文先后从基准系统的建立、半值层的测量、辐射场均匀性、能谱的测量等几个方面进行了详细的论述。基准系统包括了低能X射线空气比释动能基准和中能X射线空气比释动能基准两个基准系统的搭建,主要包括X射线发生与准直装置、X射线过滤装置、机械定位和视频装置、自由空气电离室及弱电流测量系统的设计和研究。其中主要硬件有:X射线机、过滤片、机械导轨、高压电源、静电计、数字电压表、高阻计、高精度电容和温度气压计等。通过上述基准硬件装置,配合由LABVIEW设计的用于弱电流测量的数据采集控制软件,完成基准系统的相关性能测试。在初步建立基准系统的基础上,通过物理实验对基准的辐射场进行研究。在建立基准系统时,在X射线机的选型上主要考虑其稳定性,本课题中能X射线机选用YXLON MG324,低能X射线机选用YXLON MG165,均为工业用X射线机,其性能满足基准建立的要求,适合于X射线的量值复现。为了保证X射线机的安放稳定及准确,专门设计了X射线机光学平台作为其载体。设计的准直装置能够保证得到我们想要的辐射场。X射线过滤装置在X射线辐射场研究中是必不可少的,主要由过滤片、过滤盘、旋转平台和控制器组成,可实现自动化操作,其中过滤片选用纯度99.99%的铝片和99.95%的铜片。由激光定位仪和机械导轨组成的机械定位装置,确保了基准量值复现时几何条件的严格一致,使基准量值复现点的定位精度达到了±0.1mm。为保证基准系统运行的准确性和安全性,设计了监测系统,主要包括视频监测、安全监测和监测电离室三个方面。基准系统空气比释动能的绝对测量使用自由空气电离室。按照设计原则,自由空气电离室由高压极、收集极、保护极、保护环、光阑和屏蔽外壳组成,收集极嵌装在保护极体中间的凹槽内,由琥珀螺钉固定;保护条系统由18圈硬铝矩形环组成;限制光阑由钨合金组成,成份为89%的钨、7%的镍和4%的铜。基准系统的微弱电流自动测量系统基于汤姆逊平衡法原理,由远程源表(6430)、高阻计(6517A)、高精度电容等组成。微弱电流自动测量系统的软件部分以基于虚拟仪器技术的LabVIEW作为开发工具,开发数据采集控制软件。软件采用模块化设计方法,整个测控软件分为用户管理、仪器参数设置、补偿设置、数据处理、数据库管理等多个模块。在初步建立了X射线空气比释动能基准系统后,开展了X射线空气比释动能基准辐射场的研究工作。作为描述X射线束质的重要参数,半值层是指使X射线束在某一点的空气比释动能率(或照射量率)减少一半时所需要的标准吸收片的厚度,是射线有效平均能量的量度。论文首先对比研究了半值层的测量方法,得出当内插间距选取合适时,选取内插法测量最佳的结论。然后详细设计和研究了测量半值层的实验过程,通过实验研究得到了低能和中能各5个能量规范,并与BIPM(国际计量局)标准值进行了比对,达到了理想的结果。论文还研究了X射线机的管电压和管电流的稳定性,测量了其变化对辐射场剂量率的影响,并分析了目前采用的X射线机的性能指标对基准量值复现不确定度的影响。根据实验结果,在国际关键比对采用的辐射束规范条件下,管电压波动0.01%,剂量率变化0.017%至0.04%;管电流波动0.01%,剂量率变化0.01%。研究结果表明本课题X射线机的管电压和管电流重复性指标是符合基准建立以及量值传递要求的。均匀性作为辐射场的重要指标,本文也分别对低能和中能空气比释动能基准辐射场的均匀性进行了研究,得到了辐射场在不同均匀性下的射野范围,其结果满足了X射线空气比释动能基准辐射场量值复现和传递的使用。使用能谱装置对中能X射线的能谱完成了研究性测量,得到了中能X射线不同能量规范下的能谱,给出了峰位、半高宽等相关信息并进行了分析。能谱测量装置由屏蔽准直系统、NaI(TI) 2×2 in探测器和数字化谱仪构成。最后论文给出了本次X射线能谱测量的探讨结果,并对未来相关的能谱测量工作进行了展望。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 选题依据及研究意义
• 1.2 研究现状
• 1.3 研究内容
• 1.4 课题依托
• 1.5 预期研究成果
• 第2章 X射线空气比释动能理论基础
• 2.1 X 射线理论
• 2.1.1 X 射线介绍
• 2.1.2 X 射线的分类
• 2.1.3 X 射线特性
• 2.1.4 X 射线机
• 2.1.5 X 射线的应用
• 2.2 空气比释动能
• 2.2.1 定义
• 2.2.2 空气比释动能与照射量
• 2.3 X 射线探测器
• 2.3.1 气体探测器
• 2.3.2 闪烁探测器
• 2.3.3 半导体探测器
• 2.3.4 热释光探测器
• 第3章 基准系统的建立
• 3.1 基准系统总体设计思想
• 3.2 X 射线发生与准直装置
• 3.2.1 X 射线机
• 3.2.2 X 射线机光学平台
• 3.2.3 X 射线准直装置
• 3.3 X 射线过滤装置
• 3.4 机械定位与监测系统
• 3.4.1 机械定位系统
• 3.4.2 监测系统
• 3.5 自由空气电离室
• 3.5.1 绝对测量
• 3.5.2 设计原则
• 3.5.3 低能X 射线基准电离室
• 3.5.4 中能X 射线基准电离室
• 3.6 弱电流控制系统
• 第4章 基准辐射场的研究
• 4.1 X 射线辐射场的描述
• 4.2 半值层测量方法及其对比研究
• 4.2.1 半值层测量方法
• 4.2.2 半值层测量方法对比研究
• 4.3 低能X 射线辐射场半值层的测量
• 4.3.1 实验设计
• 4.3.2 实验结果
• 4.4 中能X 射线辐射场半值层的测量
• 4.5 X 射线机管电压和管电流对辐射场剂量率测量的影响研究
• 4.5.1 管电压和管电流对辐射场剂量率的影响
• 4.5.2 管电压的影响
• 4.5.3 管电流的影响
• 4.5.4 小节
• 4.6 X 射线辐射场均匀性
• 4.6.1 低能X 射线辐射场均匀性
• 4.6.2 中能X 射线辐射场均匀性
• 第5章 X射线能谱测量
• 5.1 X 射线能谱
• 5.2 X 射线能谱测量装置
• 5.2.1 能谱仪
• 5.2.2 屏蔽准直系统的设计
• 5.2.3 能量刻度
• 5.3 能谱测量结果
• 5.4 展望
• 5.4.1 低能X 射线能谱测量
• 5.4.2 能谱的间接测量
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间取得学术成果