CN106873019A - 一种辐射剂量测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种辐射剂量测量方法。本方法为：1)利用一闪烁体探测器探测一辐射场的辐射射线，得到该辐射场射线的能谱道址C和能谱；2)利用该闪烁体探测器的死时间校正因子对该能谱进行死时间校正处理，得到经过死时间校正后的能谱N(C)；3)根据公式计算得到该辐射射线的空气吸收剂量率D_a；A(K)为该闪烁体探测器的能谱‑剂量转换函数J(S(C))多项式中的系数；S(C)为能谱道址C对应的标准能谱的道址,B(i)为多项式系数，C为多项式变量，i多项式幂次。本发明拓展了闪烁体型辐射剂量探测器使用范围。

Description

一种辐射剂量测量方法

技术领域：

本发明属于核辐射探测领域，涉及一种核辐射剂量测量方法。

背景技术：

吸收剂量D指单位质量的受照物质所吸收的平均能量，它描述了物质吸收辐射能量及其可能引发的辐射效应。D的单位是：Gy(戈瑞)，1Gy＝1J·kg^-1。但是在人体接受相同吸收剂量的情况下，如果辐射的种类、能量或照射条件不同，其所造成的生物效应在严重程度和发生几率上也会有所不同(参考：钱建复，沈庭云.核辐射剂量学[M].北京：国防工业出版社2009.7～24；汤彬等.核辐射测量原理[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2011.53.)。

为了统一描述不同种类和能量的辐射对生物体的危害程度，核辐射防护领域引入了“剂量当量”这一概念。生物体组织或器官中某一点处的剂量当量H定义为D、Q和N的乘积，即H＝DQN。其中，H的单位是Sv(希沃特)，1Sv＝1J·kg^-1；D是该点的吸收剂量；Q是该点处的辐射品质因数，对于X或γ射线，Q＝1；N是其他修正因数的乘积，且ICRP指定为1(参考：钱建复，沈庭云.核辐射剂量学[M].北京：国防工业出版社2009.7～24)。因此，当生物体的某器官或组织受到X或γ射线的辐射时，其吸收剂量D和剂量当量H在数值上相等。

介于不同生物体的不同器官、不同组织对X或γ射线辐射的灵敏度均不相同，因此一般用空气吸收剂量，即射线在单位质量空气中所沉积的能量，来评价环境或辐射场中的辐射剂量大小。目前用于核辐射剂量探测器主要是电离室探测器、正比计数器以及盖-革管等气体探测器。这些气体核辐射剂量探测器的优点在于探测器的工作介质均为气体，因此它所探测到的吸收剂量就是辐射环境中所关注的空气吸收剂量；而缺点在于气体探测器对X或γ射线尤其是高能X或γ射线的探测效率低，因此该类探测器对于核辐射响应灵敏度较低，很难实时反映辐射场的辐射剂量变化。

闪烁探测器是测量X或γ射线应用最为广泛的探测器，它的工作介质为密度较高的闪烁体，对X或γ射线有着较高的探测效率，这意味着将该类探测器用于核辐射剂量探测将会有着较高的响应灵敏度。

对于闪烁探测器，能量为E₀的γ射线入射到闪烁体内经相互作用后将被探测到一张能谱，如图1所示。图1是¹³⁷Cs的γ能谱：横坐标为道址，它正比于一条γ射线经相互作用后在闪烁体中沉积的能量E；纵坐标代表每一道所对应的计数。对该能谱按横坐标I(能量E)进行积分就可以得到能量为E₀的γ射线经照射一段时间(与能谱采集时间相同)后在闪烁体中沉积的能量I_crystal。在此基础上计算单位质量的该种类闪烁体所吸收的辐射能量，即为此闪烁体的吸收剂量D_crystal。

相同照射条件下，同一辐射在不同的受照物质中沉积的能量并不相同。闪烁体的介质成分一般不同于剂量学所定义或关注的介质成分(如空气、生物体的器官组织)，因此只得到闪烁体对于γ射线的吸收剂量意义不是很大，需要将闪烁体对于γ射线的吸收剂量换算为空气对γ射线的吸收剂量(参考：钱建复，沈庭云.核辐射剂量学[M].北京：国防工业出版社2009.7～24)。

空气和闪烁体的区别在于线能量吸收系数不同，线能量吸收系数μ_ca表示入射粒子在其前进方向上穿过单位厚度的物质后，其能量被物质吸收的份额，它是入射光子能量E的函数(参考：汤彬等.核辐射测量原理[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2011.53.)。因此对闪烁探测器的输出能谱按(1)式进行简单积分来测量剂量无法换算到空气或其他物质的吸收剂量。

针对该问题有两种解决方案，一种是解谱法，一种是G函数法。

解谱法是将从辐射场中得到的各类能谱，结合辐射场中各种单能γ射线源的分布配额，经复杂的解谱技术得到单能能谱，再对分解得到的单能能谱按(1)式进行积分；然后通过查表得到闪烁体和空气对于各种能量的线能量吸收系数，按(2)式换算得到该辐射场的空气吸收剂量。对于新型闪烁体材料，相关数据欠缺，此方法无法应用；即使对于常规闪烁体，此方法亦过于复杂，一般需要离线分析数据才能得到辐射场的辐射剂量，不具备实时显示功能。

G函数法是引入剂量转换因子G(E)对从探测器γ能谱到吸收剂量的积分过程进行加权修正，使得闪烁体探测器输出的γ能谱经加权积分后与空气所对应的吸收剂量D相等。这样，不经过解谱就能实现γ能谱到空气吸收剂量的转换(参考：任晓娜，胡遵素.用NaI(Tl)探测器测量γ辐射场剂量特性的加权积分方法研究[J].辐射防护，2003，23(2):65～72.)。

该方法方便简单，辐射测量精度高；在G函数获取过程需要测量几个标准辐射场的能谱以及相应的剂量，而不同闪烁探测器的G函数均不相同，因此针对多个闪烁辐射剂量探测器需要分别获取独立的G函数，这限制了G函数的普遍适用性，尤其是当成千上百台闪烁辐射剂量探测器需要研制的时候，G函数的获取将会是很大的困难；另一方面，由于探测器和电子学组成的系统存在死时间，探测器探测到的辐射强度与探测器输出的辐射强度并不完全相同，而传统G函数法并没有将该因素考虑在内，这限制G函数法只能适用于低强度辐射场内。

发明内容：

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种辐射剂量测量方法。本发明引入能谱标准化因子与死时间校正因子，整合G函数的基本思想，得到更具普遍适用性的能谱-剂量转换因子J(S(C))函数；不仅使得由谱仪所获取的能谱向空气吸收剂量的转换计算更加方便、空气吸收剂量测量结果更为准确，而且能谱标准化因子的引入使得该能谱-剂量转换函数适用于由相同闪烁体研制的不同闪烁体型辐射剂量探测器；同时死时间校正因子又使得本函数适用于低、中、高强度的辐射场，拓展了闪烁体型辐射剂量探测器使用范围。

本发明的技术方案为：

一种辐射剂量测量方法，其步骤为：

1)利用一闪烁体探测器探测一辐射场的辐射射线，得到该辐射场射线的能谱；

2)利用该闪烁体探测器的死时间校正因子对该能谱进行死时间校正处理，得到经过死时间校正后的能谱N(C)；

3)根据公式计算得到该辐射射线的空气吸收剂量率D_a；A(K)为该闪烁体探测器的能谱-剂量转换函数J(S(C))多项式中的系数；S(C)为能谱道址C对应的标准能谱的道址。

进一步的，步骤3)中，首先计算能谱N(C)的单位时间内死时间校正后的能谱n(C)，然后根据公式计算得到该辐射射线的空气吸收剂量率

进一步的，步骤3)中，根据已知K_max个已知空气吸收剂量率的辐射场采集K_max个能谱代入能谱-剂量转换函数J(S(C))多项式得到一方程组，然后通过求解该方程组得到所用同款闪烁体型辐射剂量探测器的能谱-剂量转换函数J(S(C))多项式中的K_max个待定系数A(K)；其中，该Kmax个辐射场的射线源能量不相同。

进一步的，标准化道址用一个多项式表达：S(C)＝∑_iB(i)*Cⁱ；其中，B(i)为多项式系数，C为多项式变量，i多项式幂次，i的取值范围为：-∞～+∞。

进一步的，通过该闪烁体探测器获取的能谱与标准能谱做线性变换得到该闪烁体探测器的能量标准化系数B(i)。

进一步的，该能谱-剂量转换函数其中，K_max为多项式的项数，m为优化因子。

进一步的，根据J(S(C))函数的形状以及能谱-剂量转换的精度确定优化因子m值。

进一步的，经过死时间校正后的能谱其中，τ为该闪烁体探测器的死时间，N_Test为该闪烁体探测器在辐射场中所探测到的总计数，N_Test(C)为该闪烁体探测器在辐射场中获取的能谱。

进一步的，采用双源法、双源比值法或衰变源法确定该闪烁体探测器的死时间τ。

进一步的，该辐射场为单一能量辐射场、混合能量辐射场或混合放射源辐射场。

本发明技术方案的主要内容包括：

测量获取闪烁探测器的死时间校正因子，对闪烁探测器在已知辐射场中获取的能谱进行死时间校正处理N＝N(t,C)；

测量获取闪烁探测器的能谱标准化因子，对闪烁探测器在已知辐射场中获取的能谱进行标准化处理其中，i代表多项式的幂次(-∞～+∞)，C代表多项式的变量，其物理意义为探测器测得的某已知能量射线的全能峰，B(i)代表多项式中第i项的系数，例如如果标准化函数如果为一元三项式，那么S(C)＝B(0)*C⁰+B(1)*C¹+B(2)*C²。用已知能量的放射源对闪烁探测器进行标准化校正即可得到能谱标准化因子。

利用能谱-剂量转换因子J(S(C))函数对上述能谱进行加权积分；

结合辐射场标准剂量得到能谱-剂量转换因子J(S(C))函数；

对于使用相同闪烁体研制的其他闪烁体型辐射剂量探测器，经上述死时间校正处理与能谱标准化处理后，便可适用于本能谱-剂量转换函数J(S(C))。

与现有技术相比，本发明的积极效果为：

本发明引入能谱标准化因子与死时间校正因子，整合G函数的基本思想，得到更具普遍适用性的能谱-剂量转换因子J(S(C))函数；不仅使得由谱仪所获取的能谱向空气吸收剂量的转换计算更加方便、空气吸收剂量测量结果更为准确，而且能谱标准化因子的引入使得该能谱-剂量转换函数适用于由相同闪烁体研制的不同闪烁体型辐射剂量探测器；同时死时间校正因子又使得本函数适用于低、中、高强度的辐射场，拓展了闪烁体型辐射剂量探测器使用范围。

附图说明

图1为¹³⁷Cs的γ能谱图；

图2为本发明所述的探测器数据转换为辐射剂量流程图；

图3为J(S)因子曲线图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明进行进一步详细描述：

测得的能谱死时间校正函数为

其中，τ为探测器的死时间，N_Test为探测器在辐射场中所探测到的总计数，N_Test(C)为探测器在辐射场中所获取的能谱；N(C)为经过死时间校正以后的能谱。死时间τ的确定方法包括双源法、双源比值法、衰变源法等。

由探测器和电子学组成的核探测系统，采集到的谱上全能峰道址正比于全能峰脉冲平均幅度，此平均幅度又正比于射线的特征能量，S(C)标准化函数就是为了标定射线能量与全能峰道址的函数关系。假定谱标准化函数为S(C)＝B(0)+B(1)·C。

其中，C为闪烁体型探测器谱仪所获取的能谱道址，S(C)为C所对应的标准能谱的道址。

能谱-剂量转换因子函数J(S(C))的表达式为：

其中K_max为多项式的项数，由J(S(C))求解过程中所使用的放射源或辐射场的个数决定，可取2,3,4…；m为优化因子，可取-10,-9,…,0,…,9,10，具体大小根据J(S(C))函数的形状以及能谱-剂量转换的精度确定；A(K)为J(S(C))函数表达式的待定系数；根据已知K_max个已知空气吸收剂量率的辐射场(该Kmax个辐射场的射线源能量不相同)采集K_max个能谱代入能谱-剂量转换函数J(S(C))多项式得到一方程组，然后求解该方程组便可以得到所用闪烁体型辐射剂量探测器的能谱-剂量转换函数J(S(C))多项式中的K_max个待定系数A(K)。

C为闪烁体型辐射剂量探测器谱仪所采集的能谱中每一道的道址，C为正整数，具体大小由闪烁体型辐射剂量探测器谱仪所采集的实际能谱确定：C的最小值C_min取决于探测器系统的电子学噪声及电子学基线，而C的最大值C_max则取决于探测器系统输出的信号幅度与探测器的增益和电子学放大倍数有关；B(0)和B(1)为能谱标准化系数，通过将探测器所获取能谱与标准能谱做线性变换得到，不同的闪烁体型辐射剂量探测器具有不同的能谱标准化系数。

闪烁体型辐射剂量探测器所获取的能谱N(C)与辐射场的空气吸收剂量Da通过能谱-剂量转换因子函数J(S(C))建立如(5)式所示关系：

进一步进行多项式变换有(6)式，

其中，等式两端的空气吸收剂量Da与闪烁体型辐射剂量探测器所获取的经过死时间校正后的能谱N(C)需要相同的采集时间，因此，本发明采用辐射场中的空气吸收剂量率并将能谱N_Test(C)进行死时间校正和时间归一化处理，即单位时间内所获取的经过死时间校正后的能谱n(C)。在此基础上，能谱到剂量的转换关系可表述为(7)式：

根据已知K_max个已知空气吸收剂量率的辐射场采集K_max个能谱，便可以求解方程组得到所用闪烁体型辐射剂量探测器的能谱-剂量转换函数J(S(C))多项式中的K_max个待定系数A(K)。

对用相同闪烁体研制的任一闪烁体探测器，只要得到该探测器谱仪的能量标准化系数B(0)和B(1)及该探测器的死时间，便可适用于本发明所得到的能谱-剂量转换函数J(S(C))。

表1不同已知辐射场的射线能量和相对应的空气吸收剂量率

能量(keV)	48	60	87	109	149	211	662	1170、1330
									剂量率(μSv\h)	11.1	10.2	10.9	9.3	10.6	12.3	1.37	52.14

将X或γ射线能量为48keV、60keV、109keV、211keV、662keV、1170和1330keV的辐射场的空气吸收剂量率(如表1所示)结合经过能谱标准化处理和单位时间内的经死时间校正处理的γ能谱数据n(C)组成六元一次方程组，求解方程组得到剂量转换因子J(S)的曲线如图3所示。

将γ谱仪在不同辐射场(不同能量、不同强度)中采集的能谱通过图3中的能谱-剂量转换函数J(S(C))加权积分后得到吸收剂量率，并与辐射场中能谱采集点处已知的空气吸收剂量率进行比对(如表2所示)，结果显示通过该方法进行48keV至1330keV能量范围内的能谱-剂量转换偏差小于±10％；同时，将本发明中的J(S(C))函数应用于其他探测器，在提供其死时间以及能谱标准化系数后得到能谱-剂量转换结果如表3所示，显然本发明所设计的能谱-剂量转换方法具有普遍适用性。

表2能谱-剂量转换方法准确性验证

表3能谱-剂量转换算法普遍适用性验证

Claims (10)

1.一种辐射剂量测量方法，其步骤为：

1)利用一闪烁体探测器探测一辐射场的辐射射线，得到该辐射场射线的能谱；

2)利用该闪烁体探测器的死时间校正因子对该能谱进行死时间校正处理，得到经过死时间校正后的能谱N(C)；

3)根据公式计算得到该辐射射线的空气吸收剂量率D_a；A(K)为该闪烁体探测器的能谱-剂量转换函数J(S(C))多项式中的系数；S(C)为能谱道址C对应的标准能谱的道址。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3)中，首先计算能谱N(C)的单位时间内死时间校正后的能谱n(C)，然后根据公式计算得到该辐射射线的空气吸收剂量率

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤3)中，根据已知K_max个已知空气吸收剂量率的辐射场采集K_max个能谱代入能谱-剂量转换函数J(S(C))多项式得到一方程组，然后通过求解该方程组得到所用同款闪烁体型辐射剂量探测器的能谱-剂量转换函数J(S(C))多项式中的K_max个待定系数A(K)；其中，该Kmax个辐射场的射线源能量不相同。

4.如权利要求1或2或3所述的方法，其特征在于，标准化道址用一个多项式表达：S(C)＝∑_iB(i)*Cⁱ；其中，B(i)为多项式系数，C为多项式变量，i多项式幂次，i的取值范围为：-∞～+∞。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，通过该闪烁体探测器获取的能谱与标准能谱做线性变换得到该闪烁体探测器的能量标准化系数B(i)。

6.如权利要求1或2或3所述的方法，其特征在于，该能谱-剂量转换函数其中，K_max为多项式的项数，m为优化因子。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，根据J(S(C))函数的形状以及能谱-剂量转换的精度确定优化因子m值。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，经过死时间校正后的能谱其中，τ为该闪烁体探测器的死时间，N_Test为该闪烁体探测器在辐射场中所探测到的总计数，N_Test(C)为该闪烁体探测器在辐射场中获取的能谱。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，采用双源法、双源比值法或衰变源法确定该闪烁体探测器的死时间τ。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该辐射场为单一能量辐射场、混合能量辐射场或混合放射源辐射场。