使用PHITS代码通过蒙特卡洛模拟对X射线校准系统进行建模

《Radiation Physics and Chemistry》：Modeling of an X-ray calibration system using the Monte Carlo simulation with the PHITS code

X射线校准系统基于PHITS蒙特卡洛模拟建模，覆盖1-80 keV能量范围，验证符合ISO 4037-1:2019标准，实验与模拟的HVL1、HVL2相对偏差分别为1.5%和2.7%，均匀性系数h在推荐范围内，辐射衰减及散射贡献实测吻合良好，证实PHITS可高效低成本用于X射线剂量校准研究。

　　本研究探讨了使用蒙特卡洛模拟工具PHITS对X射线校准系统进行建模的可能性。该系统在1 keV至80 keV的能量范围内，具备0.5 keV的分辨率。研究的目标是评估PHITS模型在模拟ISO 4037–1:2019标准下的X射线参考辐射场时的准确性与可靠性，并通过实验测量来验证模拟结果。ISO 4037–1:2019标准对X射线参考辐射场的建立提出了严格的要求，确保不同实验室之间的测量结果具有一致性。研究中涉及的关键参数包括第一半值层（HVL?）、第二半值层（HVL?）、均匀性系数（h）和平均能量（E_mean）。通过实验测量与模拟数据的对比，结果显示模拟结果与实验数据之间的相对偏差控制在合理范围内，表明PHITS模型在该领域具有较高的应用价值。

X射线校准系统是用于校准辐射剂量测量设备的重要工具。它通常由X射线发生器、电离室、静电计以及辐射安全系统组成。这些系统在辐射防护、医学成像、工业检测等领域广泛应用，因此其校准的准确性至关重要。为了确保校准的可靠性，X射线校准系统需要定期在符合ISO 4037–1:2019标准的实验室进行校验。然而，建立符合该标准的参考辐射场通常需要复杂的实验过程，这不仅耗费大量时间和资源，而且在某些情况下可能面临技术挑战。因此，借助先进的模拟技术，如蒙特卡洛方法，成为一种替代方案，以提高校准过程的效率和成本效益。

蒙特卡洛方法是一种基于概率统计的数值计算方法，广泛应用于粒子输运模拟领域。它通过模拟粒子在物质中的随机运动路径，能够准确地预测辐射场的特性。在核工程、医学物理、环境监测等多个领域，蒙特卡洛模拟已被证明是一种有效的工具。本研究选择PHITS（Particle and Heavy Ion Transport code System）作为模拟平台，因其在粒子输运模拟方面具有良好的性能和广泛的应用基础。PHITS不仅能够处理X射线、伽马射线等电离辐射的模拟，还支持对重离子和中子等非电离辐射的建模，使其成为一种多功能的仿真工具。

为了验证PHITS模型的准确性，本研究首先基于ISO 4037–1:2019标准对N-80窄谱X射线参考辐射场的特性进行了建模。N-80指的是一个具有80 kV额定管电压，并附加了2 mm铜滤片的窄谱X射线场。通过PHITS模拟，研究团队计算了该辐射场的HVL?、HVL?、h和E_mean等关键参数，并与ISO 4037–1:2019标准中规定的参考值进行了对比。结果显示，模拟结果与标准值之间存在良好的一致性，且相对偏差较小，表明PHITS在该领域的建模能力得到了有效验证。

接下来，研究团队进行了实验测量，以进一步验证PHITS模型的可靠性。实验结果表明，HVL?和HVL?的相对偏差分别为1.5%和2.7%，均在可接受范围内。均匀性系数h的实验值为0.91 ± 0.07，而模拟值为0.92 ± 0.06，同样符合ISO 4037–1:2019推荐的范围（0.88–1）。此外，研究还对辐射场的均匀性、散射辐射的贡献以及辐射强度随距离的变化进行了分析。这些参数的模拟结果与实验测量值之间也表现出较高的一致性，进一步证明了PHITS模型的适用性。

除了对关键参数的验证，研究还利用PHITS模型计算了不同位置的环境剂量当量率，并与实验测量值进行了比较。结果表明，在距离X射线管100 cm的位置，模拟与实验结果之间的最大偏差为0.6%，而在整个60 cm至450 cm的范围内，偏差均未超过7.7%。这一结果说明，PHITS模型在预测环境剂量当量率方面具有较高的精度，能够有效支持X射线校准系统的应用。研究团队认为，使用PHITS对X射线校准系统进行建模，不仅能够提高校准过程的效率，还能够在没有实际测量条件的情况下，为后续研究提供可靠的理论依据。

在核工程领域，X射线校准系统的建立和维护是一项复杂而重要的任务。由于X射线的特性受到多种因素的影响，如管电压、滤片材料、辐射源的几何结构等，因此需要对这些参数进行精确的控制和测量。传统的实验方法虽然能够提供准确的数据，但往往受到设备限制、实验环境条件以及操作复杂性等因素的影响。相比之下，蒙特卡洛模拟方法能够提供更为灵活和高效的解决方案。通过建立精确的物理模型，研究人员可以在计算机上模拟不同条件下的辐射场，从而减少对实际实验的依赖，提高研究的可重复性和可扩展性。

PHITS作为一种成熟的蒙特卡洛模拟工具，已经被广泛应用于多个研究领域。例如，它被用于预测中子源的谱分布、评估荧光强度、模拟缪子对的产生过程、建模加速器头以及分析回收玻璃的X射线/伽马射线屏蔽性能等。这些应用表明，PHITS在处理复杂辐射场的模拟方面具有较高的可靠性和适用性。然而，尽管PHITS在许多领域得到了验证，但在ISO 4037–1:2019标准下的X射线参考辐射场建模方面，仍缺乏系统的实验验证。因此，本研究的开展具有重要的现实意义，不仅填补了这一领域的空白，还为未来相关研究提供了参考依据。

在本研究中，PHITS模型的构建基于对X射线校准系统的详细物理描述。研究团队首先对X射线发生器的参数进行了设定，包括管电压、滤片材料和厚度等。然后，通过模拟X射线在空气中的传播过程，计算了不同位置的辐射强度分布。为了进一步提高模型的准确性，研究团队还对实验条件进行了优化，确保测量数据的可靠性。实验过程中，使用了高精度的仪器和设备，以减少测量误差。此外，研究团队还对实验数据进行了统计分析，评估了不同参数的不确定度，并与模拟结果进行了对比。

研究结果显示，PHITS模型在模拟X射线参考辐射场时表现出良好的性能。模拟结果与实验测量值之间的相对偏差均在合理范围内，说明该模型能够有效地再现实际物理过程。特别是在HVL?、HVL?和h等关键参数的计算上，模拟结果与实验数据的高度一致性表明，PHITS能够准确地预测X射线场的特性。这一发现对于提高X射线校准系统的可靠性具有重要意义，因为它意味着研究人员可以在没有实际测量设备的情况下，通过模拟方法获得可靠的校准数据。

此外，本研究还分析了散射辐射对总剂量当量的贡献。散射辐射是X射线校准系统中不可忽视的因素，因为它会影响测量结果的准确性。通过PHITS模拟，研究团队能够追踪X射线在物质中的散射路径，并计算其对总剂量当量的影响。实验测量结果表明，散射辐射的贡献与模拟结果之间存在良好的一致性，进一步验证了模型的可靠性。这一分析不仅有助于提高校准过程的精度，还为优化X射线校准系统的性能提供了理论支持。

研究团队还对X射线场的均匀性进行了评估。均匀性是X射线校准系统的重要性能指标之一，因为它直接影响到测量设备的校准效果。通过模拟和实验，研究团队发现X射线场在实验范围内表现出良好的均匀性，说明系统设计符合ISO 4037–1:2019标准的要求。这一结果表明，PHITS模型不仅能够准确地预测X射线场的特性，还能够为系统的优化设计提供指导。

最后，本研究探讨了X射线强度随距离变化的规律。辐射强度通常会随着距离的增加而衰减，这一现象在辐射防护和剂量计算中具有重要意义。通过PHITS模拟，研究团队计算了不同距离下的辐射强度，并与实验测量值进行了对比。结果显示，模拟结果与实验数据之间存在较高的一致性，表明PHITS能够有效地预测辐射强度随距离的变化趋势。这一发现对于制定合理的辐射防护措施和优化X射线校准系统的布局具有重要参考价值。

总体而言，本研究展示了PHITS在X射线校准系统建模中的应用潜力。通过将模拟与实验相结合，研究团队验证了PHITS模型的准确性，并证明了其在预测X射线参考辐射场特性方面的可靠性。这一成果不仅为X射线校准系统的理论研究提供了新的思路，还为实际应用中的剂量计算和辐射防护提供了有效的工具。未来，随着计算技术的不断进步，PHITS等蒙特卡洛模拟工具将在更多领域发挥重要作用，推动核工程和辐射防护技术的发展。