介入法測量工業(yè)X射線光機(jī)管電壓的研究

吳金杰， 郭 彬， 李 兵，2， 蔣 偉，2， 陳法君，2， 段盛麟，3

（1.中國計量科學(xué)研究院，北京 100029； 2.成都理工大學(xué)，四川 成都 610059；3.北京航空航天大學(xué)，北京 100191）

介入法測量工業(yè)X射線光機(jī)管電壓的研究

吳金杰1， 郭 彬1， 李 兵1，2， 蔣 偉1，2， 陳法君1，2， 段盛麟1，3

（1.中國計量科學(xué)研究院，北京 100029； 2.成都理工大學(xué)，四川 成都 610059；3.北京航空航天大學(xué)，北京 100191）

建立了基于分壓箱介入法測量工業(yè)X射線光機(jī)管電壓的方法，測量了工業(yè)X射線光機(jī)MG165的管電壓。結(jié)果顯示管電壓紋波小于4%，其中35 kV以上，紋波小于1%；7.5～150 kV范圍內(nèi)平均管電壓與標(biāo)稱值偏差小于1.8%，多次測量管電壓重復(fù)性好于0.01%，測試重新出束和開機(jī)條件下的管電壓重復(fù)性，結(jié)果好于0.02%，達(dá)到了低能X射線空氣比釋動能國家基準(zhǔn)量值復(fù)現(xiàn)、量值傳遞和國際比對的要求。

計量學(xué)；工業(yè)X射線光機(jī)；介入法；管電壓

1　引 言

X射線廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)診斷、放射治療、工業(yè)無損檢測、公共安全和科學(xué)研究等領(lǐng)域。空氣比釋動能和管電壓之間近似平方正比關(guān)系，管電壓微小的升高可能會使醫(yī)學(xué)診斷受檢者所受吸收劑量顯著增加，研究表明X射線光機(jī)管電壓產(chǎn)生變化引起的散射射線是診斷受檢者吸收劑量的一個重要貢獻(xiàn)部分［1］，因此，管電壓是醫(yī)用診斷X射線光機(jī)質(zhì)量控制的重要參數(shù)，JJG 744—2004《醫(yī)用診斷X射線輻射源》［2］計量檢定規(guī)程要求X射線光機(jī)管電壓的誤差不超過±10%。

管電壓也是衡量X射線國家基、標(biāo)準(zhǔn)裝置參考輻射質(zhì)的重要參數(shù)。國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12162.1—2000用于校準(zhǔn)劑量計和劑量率儀及確定其能量響應(yīng)的X和γ參考輻射第1部分：輻射特性及產(chǎn)生方法［3］，要求參考輻射裝置中X射線光機(jī)管電壓的紋波小于10%；能在±1%以內(nèi)顯示管電壓值；在照射期間，X射線管電壓平均值要求穩(wěn)定在1%以內(nèi)；管電壓的約定真值應(yīng)準(zhǔn)確到±2%以內(nèi)。因此，在低能國家基準(zhǔn)裝置參考輻射場中［4，5］，開展管電壓測量方法研究，實現(xiàn)管電壓精確測量是評估是否符合國際標(biāo)準(zhǔn)、達(dá)到基準(zhǔn)量值復(fù)現(xiàn)、國際比對和量值傳遞要求的重要指標(biāo)［6，7］。管電壓的精確測量也將為下一步建立診斷X射線管電壓國家標(biāo)準(zhǔn)，開展管電壓測量儀表校準(zhǔn)奠定基礎(chǔ)條件［8，9］。

X射線光機(jī)管電壓的測量方法有介入法、非介入法。介入法是指在光機(jī)初級電路中通過適當(dāng)刻度過的電阻串分壓的方式，將高電壓轉(zhuǎn)換為較小的電壓，再通過常規(guī)的電壓表進(jìn)行測量的方法。非介入法有兩種，一種是指利用多個半導(dǎo)體探測器檢測穿過不同厚度材料的X射線輻射量，通過吸收輻射量的比值來計算管電壓［10］；另一種是通過高分辨率能譜儀測量X射線光機(jī)的注量譜，管電壓通過譜的高能線性部分外推與能量軸的交點得到［11］。

介入法測量管電壓較為準(zhǔn)確，能夠溯源至國家電壓基準(zhǔn)，為計量基準(zhǔn)實驗室所采用。國際計量局BIPM、德國物理技術(shù)研究院PTB等計量實驗室已建立了介入式測量管電壓的方法［12，13］，為評價X射線基準(zhǔn)參考輻射質(zhì)和基準(zhǔn)穩(wěn)定性提供參考，也實現(xiàn)了診斷X射線光機(jī)管電壓測量儀器的量值溯源。

非介入法由于其便捷，適用于醫(yī)院等現(xiàn)場條件下X射線光機(jī)管電壓的測量。國內(nèi)管電壓的測量研究集中于采用半導(dǎo)體探測器測量材料減弱的方法實現(xiàn)管電壓的非介入測量［14］。

低能X射線空氣比釋動能國家基準(zhǔn)作為醫(yī)學(xué)診斷、放射治療、輻射防護(hù)和環(huán)境監(jiān)測儀表在低能X射線能量段量值溯源的源頭，建立介入法測量X射線光機(jī)管電壓測量裝置，研究X射線光機(jī)管電壓的精確度、穩(wěn)定性，對輻射質(zhì)的評價和非介入式管電壓儀表的量值溯源有重要意義。

2　原理、方法和實驗裝置

X射線管電壓定義為加在X射線管陽極和陰極之間的電位差。實際上這個定義并不嚴(yán)謹(jǐn)，它可以指絕對電壓峰值Up、平均峰值電壓、有效峰值電壓Ueff、平均管電壓或其它。20世紀(jì)90年代末期，德國科學(xué)家Kramer及合作者提出了一個新的物理量——實際峰值電壓Upp［12］。實際峰值電壓是基于不同管電壓波形成，相同的實際峰值電壓下，可以獲得相同對比度水平的圖像質(zhì)量。2002年，國際電工委員會（InternationalElectroTechnical Commission，IEC）采納了該方法，并以IEC 61267標(biāo)準(zhǔn)的形式發(fā)布［15］，因此對于診斷X射線千伏表，應(yīng)用于評價影像質(zhì)量，需要校準(zhǔn)的物理量為實際峰值電壓Upp。而對于X射線輻射質(zhì)的描述，由于直接相關(guān)的是X射線空氣比釋動能，所以應(yīng)該采用的物理量為平均管電壓

介入式分壓測量系統(tǒng)包括介入式分壓箱、數(shù)字電壓表和數(shù)據(jù)采集軟件。其原理就是測量電阻串上每個電阻所分電壓乘以分壓系數(shù)，電阻串的阻值經(jīng)過刻度，溫度和電壓影響較小。系統(tǒng)連接示意圖見圖1。X射線光機(jī)的光管和高壓發(fā)生器之間聯(lián)入分壓箱，數(shù)字電壓表采用五位半數(shù)字萬用表，測量輸出分壓，基于VC的測量軟件實現(xiàn)數(shù)字萬用表的數(shù)字化采集。示波器可以監(jiān)視管電壓的波形。

圖1　介入式管電壓測量連接示意圖

低能X射線光機(jī)為德國YXLON公司生產(chǎn)，型號為MG165，X射線光機(jī)總功率4 500 W，具體性能參數(shù)見表1。分壓箱采用美國GE公司生產(chǎn)的Titan E，電壓表為美國安捷倫五位半數(shù)字萬用表，型號Agilent 34411A。

表1　X射線機(jī)的性能指標(biāo)

分壓箱電壓測量范圍：10～225 kV，輸入/輸出電阻：2500MΩ/100kΩ，分壓比為25000∶1，電壓測量精確度：0.1%，溫度熱穩(wěn)定性：阻抗小于25× 10-6/℃，電壓穩(wěn)定性小于0.5×10-6/V。

分壓箱經(jīng)德國物理技術(shù)研究院（PTB）實驗室校準(zhǔn)，給出了不同管電壓值下的分壓系數(shù)，見表2

表2　分壓箱不同管電壓下的分壓系數(shù)

采用四次多項式進(jìn)行擬合，結(jié)果見圖2，通過擬合公式可以給出不同管電壓下的分壓系數(shù)。

圖2　四次多項式擬合分壓箱分壓比例系數(shù)

3　結(jié) 果

3.1光機(jī)管電壓曲線

在10 kV標(biāo)稱管電壓下，測量X射線光機(jī)啟動與關(guān)閉時管電壓變化曲線?？梢钥吹絏射線光機(jī)管電壓在上升沿有一個抖動，之后進(jìn)入平臺，初期管電壓紋波較大，自開機(jī)0.3 s后，達(dá)到10 kV，到開機(jī)1.0 s后，管電壓趨于穩(wěn)定，見圖3；關(guān)機(jī)時，光機(jī)在0.1 s之內(nèi)下降為0，見圖4。該結(jié)果對于低能X射線國家基準(zhǔn)裝置量值復(fù)現(xiàn)、量值傳遞實驗具有參考價值。

3.2管電壓紋波

建立參考輻射場要求X射線發(fā)生器管電壓紋波不超過10%，紋波定義為最大管電壓與最小管電壓的差值與最大管電壓的比值

圖3　X射線光機(jī)管電壓上升曲線

圖4　X射線光機(jī)管電壓下降曲線

圖5　不同采樣時間間隔MG165光機(jī)的紋波值隨管電壓的變化

MG165型光機(jī)由Y.TU 160-D02光管和40 kHz高頻高壓發(fā)生器等組成，因此，管電壓隨時間變化的周期約為25 μs，而測量系統(tǒng)使用的數(shù)字萬用表最小的采樣時間間隔為20 μs，能夠完全測量出管電壓的波動情況，故選用不同的采樣時間間隔進(jìn)行比較，其結(jié)果見圖5。

可以看出，在采樣間隔≤1 ms時，不同采樣間隔，管電壓紋波大小基本一致，隨管電壓大小從4.0%至0.3%，逐漸減少，在管電壓大于35 kV時，紋波小于1%。

3.3平均管電壓值

非介入系統(tǒng)空載時測量，可以獲得管電壓測量的臺階，其結(jié)果見圖6，其中DVB表示臺階平均分壓值，為0.000 4 V，按最大分壓比為25 043∶1計算，可得臺階為0.01 kV，低能X射線基準(zhǔn)最低管電壓為10 kV，臺階對管電壓的影響小于0.1%，可以忽略。

圖6　介入式管電壓測量系統(tǒng)本底測量

在X射線光機(jī)標(biāo)稱管電壓50 kV下，采用介入式分壓箱測量系統(tǒng)測量電壓結(jié)果見圖7，經(jīng)計算可得到采樣時間間隔為0.02 ms時平均管電壓為49.475 kV，與標(biāo)稱值的差別為1.05%。

圖7　采樣時間間隔0.02 ms介入式管電壓測量50 kV所得管電壓值

在X射線光機(jī)從7.5 kV至150 kV管電壓范圍內(nèi)，對測得的平均管電壓與標(biāo)稱值進(jìn)行比較，X射線光機(jī)出廠的管電壓的精度為設(shè)定值的±1%±0.1 kV。表3的結(jié)果顯示測量值與設(shè)定值的差別小于±1%±0.1 kV，符合出廠指標(biāo)。

表3　MG165光機(jī)上管電壓的介入式測試結(jié)果

3.4平均管電壓重復(fù)性

X射線光機(jī)運行中管電壓的重復(fù)性是X射線基準(zhǔn)空氣比釋動能量值復(fù)現(xiàn)重復(fù)性的影響因素。采用介入式測量系統(tǒng)對X射線管電壓的重復(fù)性進(jìn)行測試，結(jié)果見表4。在管電壓為50 kV，采樣時間間隔為0.02 ms條件下，測量5次，結(jié)果顯示平均管電壓標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.005%。低能X射線基準(zhǔn)量值復(fù)現(xiàn)時，空氣比釋動能測量的重復(fù)性從0.03%至0.08%，可以看出由管電壓變化引入的影響可以忽略。

3.5開關(guān)機(jī)對管電壓的影響

在X射線光機(jī)僅關(guān)閉射束和關(guān)閉整個電源兩種條件下，考察平均管電壓的變化。圖8顯示了光

圖8　管電壓60 kV的開關(guān)機(jī)穩(wěn)定性

機(jī)管電壓為60 kV兩種條件下開、關(guān)機(jī)對管電壓的影響，由圖可以看出開關(guān)機(jī)變化小于0.02%。

表4　管電壓50 kV，采樣間隔0.02 ms條件下重復(fù)性測試結(jié)果

4　結(jié) 論

本文介紹了介入式測量工業(yè)X射線光機(jī)管電壓的方法，對YXLON MG165工業(yè)X射線光機(jī)管電壓測量的結(jié)果表明，光機(jī)管電壓紋波小于4%；在35 kV以上，管電壓紋波小于1%；滿足建立標(biāo)準(zhǔn)輻射質(zhì)要求紋波小于10%的要求。

X射線光機(jī)平均管電壓與標(biāo)稱值偏差小于1.8%，滿足管電壓的約定真值應(yīng)準(zhǔn)確到±2%以內(nèi)的要求。目前，實際測量的管電壓值均比示值小，通過適當(dāng)調(diào)高示值，結(jié)合非介入式管電壓測量方法，可以使實際管電壓與約定真值更接近。

平均管電壓的重復(fù)性好于0.02%，達(dá)到照射期間管電壓穩(wěn)定在1%以下的要求。實驗測試了多次出束與開機(jī)時，平均管電壓的變化，穩(wěn)定性好于0.02%，完全達(dá)到低能X射線空氣比釋動能國家基準(zhǔn)量值復(fù)現(xiàn)、量值傳遞和國際比對的要求。

［1］ 李鋒坦，李東，張云亭，等.管電壓對CT值測量、輻射劑量及圖像質(zhì)量影響的模型研究［J］.中華放射學(xué)雜志，2013，47（5）：458-461.

［2］ JJG 744—2004，醫(yī)用診斷X射線輻射源［S］.

［3］ GB/T 12162.1—2000，用于校準(zhǔn)劑量計和劑量率儀及確定其能量響應(yīng)的X和γ參考輻射：第1部分：輻射特性及產(chǎn)生方法［S］.

［4］ 吳金杰，王培瑋，段小娟，等.低能X射線基準(zhǔn)輻射裝置的建立［J］.計量學(xué)報，2011，32（z1）：9-13.

［5］ 段小娟，吳金杰，楊元第，等.EGSnrc程序模擬低能X射線光管參數(shù)對射線能譜的影響［J］.計量學(xué)報，2011，32（z1）：51-53.

［6］ Burns D T，O’Brien M.Comparison of the NIST and BIPM standards for air kerma in medium-energy X-rays［J］.Journal of Research of the National Institute of Standards&Tec，2006，111（5）：385-391.

［7］ Burns D T，Kessler C，Büermann L.Key comparison BIPM.RI（I）-K2 of the air-kerma standards of the PTB，Germany and the BIPM in low-energy X-rays［J］. Metrologia，2014，51（1A）：1-10.

［8］ Chu C H，Yuan M C，Huang W S，et al.Dosimetry and kVpstandardizationforqualityassuranceof mammography［J］.Radiation Physics and Chemistry，2014，104（11）：316-320.

［9］ Vivolo Vitor，Potiens P A，Correa E.Comparesion of kVp and ppv measurements between a constant potential and a clinical x-ray system used for calibration in mammography［C］//2011 International Nuclear Atlantic Conference，MG，Brazil，2011.

［10］ 薛永庫，楊國山，周紅梅，等.用非介入法檢測診斷X射線機(jī)的管電壓和曝光時間［J］.中國輻射衛(wèi)生，2001，10（4）：193-196.

［11］ 蔣偉，吳金杰，方方，等.一種便攜式X光機(jī)的能譜及管電壓測量研究［J］.核電子學(xué)與探測技術(shù)，2013，33（10），1229-1233.

［12］ Kramer H M，Selbach H J，Iles W J.The practical peak voltage of diagnostic X-ray generators［J］.Br J Radiol，1998，71（842）：200-209.

［13］ Kramer H M，Selbach H J.Extension of the range of definition of the practical peak voltage up to 300 kV［J］.Br J Radiol，2008，81：693-698.

［14］ 楊建，侯新生，鄭永明，等.基于非介入式X射線管電壓測量的研究［J］.中國測試技術(shù)，2008，34（5）：110-112.

［15］ IEC61676—2002，Internationalelectrotechnical commission.Medicalelectricalequipment-dosimetric instruments used for non-invasive measurements of X-ray tube voltage in diagnostic radiology［S］.

Research on Tube Potential of Industrial X-rays Generator by Invasive Measurement

WU Jin-jie1， GUO Bin1， LI Bing1，2， JIANG Wei1，2， CHEN Fa-jun1，2， DUAN Sheng-lin1，3
（1.National Institute of Metrology，Beijing 100029，China；2.Chengdu University of Technology，Chengdu，Sichuan 610059，China；3.Beihang University，Beijing 100191，China）

An invasive measurement method is established to get the tube potential of industrial X-rays generator base on high voltage divider.The tube potential of X-rays machine MG165 is obtained.The results show the ripple of tube potential is less than 4%，when tube potential is more than 35 kV，the ripple is less than 1%.The relative deviation between average tube potential and nominal value is less than 1.8%in the range from 7.5 kV to 150 kV.The repeatability of average tube potential is better than 0.01%.It is less than 0.02%on the condition of re-open beam and re-open generator.All the testing results shows this X-rays generator is satisfy the requirement for realization，dissemination and international comparison of primary standard of air kerma in the range of low-energy X-rays.

metrology；industrial X-rays generator；invasive measurement method；tube potential

TB98

A

1000-1158（2015）05-0550-05

10.3969/j.issn.1000-1158.2015.05.22

2014-10-14；

2015-06-04

國家科技支撐項目（2011BAI02B07）；質(zhì)檢公益行業(yè)專項（201210003）

吳金杰（1981-），男，浙江東陽人，中國計量科學(xué)研究院副研究員，博士，主要從事X射線計量學(xué)研究。wujj@nim.ac.cn