40～125 kV脈沖X射線參考輻射場(chǎng)的建立

張曉樂(lè), 黃建微, 李德紅, 成建波,楊 揚(yáng), 曹 蕾,3, 趙 瑞

(1.蘭州大學(xué),甘肅 蘭州 730000；2.中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院,北京 100029；3.北京師范大學(xué),北京 100011)

1 引 言

目前,德國(guó)物理技術(shù)研究院(PTB)建立了包括N系列和RQR系列輻射質(zhì)在內(nèi)的脈沖X射線輻射場(chǎng)[1],并開(kāi)展了劑量?jī)x表的量傳和相關(guān)科研工作[2]。中國(guó)輻射防護(hù)研究院提出建立用于防護(hù)儀表研發(fā)與量傳相關(guān)工作的脈沖X射線輻射裝置,中國(guó)原子能科學(xué)研究院開(kāi)展了用于測(cè)量脈沖X射線的電離室的研制[3,4]。

曝光時(shí)間在毫秒級(jí)的脈沖X射線主要用于放射診斷、射線探傷、安全檢查等領(lǐng)域[5]；公眾接觸到的X射線主要在醫(yī)學(xué)診斷、安檢等領(lǐng)域,典型脈沖X射線輻射曝光時(shí)間1 ms～1 s之間[6]。為確保設(shè)備周邊人員的輻射安全,在上述設(shè)備使用過(guò)程中,大多使用主動(dòng)式輻射劑量?jī)x監(jiān)測(cè)其輻射劑量率,以評(píng)估射線裝置的輻射安全性；但由于劑量?jī)x在探測(cè)射線過(guò)程中需要一定的響應(yīng)時(shí)間[7],因此導(dǎo)致測(cè)量顯示值往往與脈沖輻射的實(shí)際劑量率存在較大的差異[8]。隨著脈沖射線裝置的使用量日益增加[9],用于測(cè)量脈沖或準(zhǔn)脈沖輻射場(chǎng)劑量率的劑量?jī)x表的時(shí)間響應(yīng)和溯源問(wèn)題亟待解決[10]；為此建立了模擬放射診斷、射線探傷、安全檢查等脈沖X射線條件的參考輻射場(chǎng)[11],用于該類劑量?jī)x表的時(shí)間響應(yīng)修正和溯源。

2 測(cè)量設(shè)備

使用帶有旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極靶的醫(yī)用診斷X射線管,用于產(chǎn)生曝光時(shí)間可調(diào)的X射線,其陽(yáng)極靶材是鎢錸合金,靶角為11°。熱電子在距離出射口一定距離處沿平行于中心軸的方向轟擊陽(yáng)極靶,通過(guò)韌致輻射產(chǎn)生焦點(diǎn)直徑不同的X射線[12],其中大焦點(diǎn)直徑約1 mm,小焦點(diǎn)直徑約0.6 mm。高壓發(fā)生器是脈沖X射線參考輻射場(chǎng)的重要裝置,用于調(diào)控X射線光管產(chǎn)生不同模式、不同頻率、不同能量等參數(shù)的脈沖X射線,使得X射線的曝光時(shí)間在一定范圍內(nèi)可調(diào)[13]。

常用醫(yī)用X射線診斷劑量質(zhì)控設(shè)備(除乳腺X射線診斷之外)溯源所使用的電壓范圍為40～125 kV。因此,建立的脈沖X參考輻射場(chǎng)主要參數(shù)為：最大運(yùn)行功率80 kW；輸出電壓范圍40～125 kV；輸出電流范圍10～800 mA；脈沖頻率0.5～90 Hz；曝光時(shí)間最小為1 ms,最大為6.3 s。其它硬件包括：導(dǎo)軌和載物臺(tái)、光學(xué)平臺(tái)、濾波盤(pán)等,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 脈沖X射線參考輻射場(chǎng)示意圖Fig.1 The sketch map of reference radiation field for pulsed X-ray

為準(zhǔn)確測(cè)量脈沖曝光時(shí)間,搭建了由脈沖時(shí)間測(cè)試模塊和示波器組成的脈沖時(shí)間測(cè)量系統(tǒng),其中時(shí)間測(cè)試模塊主要包括Si-PIN二極管和快速放大電路。硅光二極管的光譜響應(yīng)范圍為340～1 100 nm,光靈敏度約為0.66 A/W,最大暗電流約為6 nA,截止頻率為40 MHz；其受到X射線照射后產(chǎn)生電信號(hào),經(jīng)快速放大電路輸出,從而直接在示波器上顯示脈沖信號(hào)。

3 輻射場(chǎng)參數(shù)及測(cè)量方法

3.1 管電壓

分別采用介入與非介入的方法測(cè)量X射線光管的工作電壓[14]：介入測(cè)量時(shí)將示波器直接與高壓發(fā)生器的電壓測(cè)量引腳相連接,通過(guò)示波器直接觀測(cè)射線產(chǎn)生時(shí)的X射線光管工作電壓；使用RaySafe X2和R/F Sensor進(jìn)行非介入測(cè)量,將探測(cè)器放置在距離焦點(diǎn)1 m處位置,可直接顯示出X射線光管發(fā)出射線時(shí)的電壓參數(shù)。

3.2 輻射場(chǎng)均勻性

輻射場(chǎng)的均勻性測(cè)量擬采用矩陣電離室,對(duì)距離焦點(diǎn)不同距離處(70、80、90、100、110 cm)的相對(duì)劑量進(jìn)行比較得到。

3.3 脈沖參數(shù)

產(chǎn)生X射線的模式有兩種,分別是柵控模式和普通模式。柵控模式又分“脈沖(PULSE)”和“連續(xù)(CONTINUOUS)”(以下簡(jiǎn)稱PULSE和CONTINUOUS)兩種模式；普通模式分為“非-單脈沖(N-SINGLE)”和“單脈沖(SINGLE)”兩種模式(以下簡(jiǎn)稱N-SINGLE和SINGLE)。為得到不同模式下脈沖寬度、上升沿和下降沿時(shí)間。依據(jù)ISO 18090.1—2015國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),所產(chǎn)生的脈沖X射線的等效梯形脈沖及其參數(shù)如圖2所示[15]。

圖2 等效梯形脈沖及其參數(shù)Fig.2 The equivalent trapezoidal pulse and the parameters of it

圖2中,Amplitude表示等效梯形脈沖空氣比釋動(dòng)能率最小值與最大值之間的幅度；Tplateau表示等效梯形脈沖空氣比釋動(dòng)能率達(dá)到最大值時(shí)持續(xù)的時(shí)間；Tpulse表示等效梯形脈沖空氣比釋動(dòng)能率值達(dá)到其最大值50%的第一個(gè)時(shí)刻與最后一個(gè)時(shí)刻之間的時(shí)間間隔；Tbase表示等效梯形脈沖空氣比釋動(dòng)能率偏離基線的第一和最后時(shí)刻之間的時(shí)間間隔；Trise表示等效梯形脈沖上升過(guò)程中空氣比釋動(dòng)能率值從其最大值的20%到80%的時(shí)刻之間的時(shí)間間隔；Tfall表示等效梯形脈沖下降過(guò)程中空氣比釋動(dòng)能率值從其最大值的80%到20%的時(shí)刻之間的時(shí)間間隔。

4 測(cè)量結(jié)果

4.1 管電壓測(cè)量結(jié)果

在工作電壓40～125 kV范圍內(nèi)電壓介入式和非介入式的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差基本一致,在此僅以測(cè)量X射線光機(jī)固有過(guò)濾時(shí)的電壓值60 kV為例,給出PULSE、CONTINUOUS、N-SINGLE和SINGLE等4種工作模式下的管電壓測(cè)量結(jié)果,如表1所示。

表1 不同模式條件下的管電壓測(cè)量結(jié)果Tab.1 The result of the tube voltage in different models

可以看出,在不同模式下測(cè)得的X射線光管工作電壓值與預(yù)設(shè)電壓值的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差均在±1.5%以內(nèi),表明本項(xiàng)目所建立的脈沖X射線參考輻射場(chǎng)的工作電壓具有較好的穩(wěn)定性。

4.2 輻射野均勻性測(cè)量結(jié)果

在距離焦點(diǎn)分別為70、80、90、100和110 cm位置處,垂直于射線束方向,測(cè)量無(wú)附加過(guò)濾條件下的輻射場(chǎng)劑量率,并以中心點(diǎn)位置處的劑量率測(cè)量結(jié)果作為歸一點(diǎn)進(jìn)行比較,輻射場(chǎng)相對(duì)劑量率的測(cè)量結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 豎直方向輻射野均勻性Fig.3 The uniformity of radiation field in the vertical

圖4 水平方向輻射野均勻性Fig.4 The uniformity of radiation field in the in the horizontal

可以看出無(wú)附加過(guò)濾時(shí),輻射野水平方向出現(xiàn)因“足跟”效應(yīng)導(dǎo)致的射野不對(duì)稱現(xiàn)象[16],表明了輻射野測(cè)量方法的可靠性；此外,還可以看出不同距離處的中心點(diǎn)歸一值相同,表明了射線束方向與導(dǎo)軌定位系統(tǒng)平行?；谠搮⒖驾椛鋱?chǎng),可進(jìn)一步建立符合ISO或者IEC標(biāo)準(zhǔn)的輻射質(zhì)[17]。

4.3 脈沖參數(shù)測(cè)量結(jié)果

使用脈沖時(shí)間測(cè)試模塊,分別在PULSE、CONTINUOUS、N-SINGLE和SINGLE等4種工作模式下,預(yù)設(shè)脈沖寬度Tset條件下該輻射場(chǎng)X射線的脈沖寬度Tpulse、上升沿Trise和下降沿Tfall時(shí)間分別如表2,表3及表4所示。

表2中的實(shí)測(cè)脈寬是指相應(yīng)條件下多次測(cè)量值的算術(shù)平均值,實(shí)測(cè)脈寬的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差η計(jì)算方法如下：

(1)

式中：n為測(cè)量次數(shù)；Ti為第i次實(shí)際測(cè)量值；Tpulse為n次實(shí)際測(cè)量值的平均值。

實(shí)測(cè)脈寬的平均值(實(shí)測(cè)值)與預(yù)設(shè)脈沖寬度(預(yù)設(shè)值)的相對(duì)偏差σ可表示為：

(2)

表2和表3的結(jié)果表明：PULSE模式、N-SINGLE模式、SINGLE模式下預(yù)設(shè)脈沖寬度(以下簡(jiǎn)稱“脈寬”)Tset與實(shí)測(cè)脈寬Tpulse的相對(duì)偏差隨著預(yù)設(shè)脈寬變長(zhǎng),相對(duì)偏差變小,預(yù)設(shè)脈寬Tset在10 ms以上時(shí),實(shí)測(cè)脈寬Tpulse的相對(duì)偏差在±2%以內(nèi)；而CONTINUOUS模式下,實(shí)測(cè)脈寬Tpulse的相對(duì)偏差較大,重復(fù)性在1%左右,并且其可以設(shè)置的曝光時(shí)間(脈沖寬度)最小為1 s,無(wú)法提供主動(dòng)式儀表毫秒級(jí)響應(yīng)的脈沖寬度范圍。因此在脈沖輻射條件下開(kāi)展劑量?jī)x表的檢測(cè)過(guò)程中,建議以PULSE模式、N-SINGE模式或SINGLE模式下產(chǎn)生的脈沖射線作為推薦測(cè)試條件。在相同條件下測(cè)試其重復(fù)性,重復(fù)性(實(shí)測(cè)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差)好于1%。脈沖寬度設(shè)置為5 ms以下時(shí),實(shí)測(cè)寬度相對(duì)偏差較大,但其脈沖寬度已經(jīng)具有較好的重復(fù)性,基本具備了為單脈沖劑量(寬度為1 ms～6.3 s)定值的條件,為主動(dòng)式儀表檢測(cè)提供了穩(wěn)定的工作狀態(tài)。

表2 PULSE和CONTINUOUS模式脈沖寬度Tpulse測(cè)量結(jié)果Table.2 The pulse width “Tpulse” of PULSE and CONYINUOUS model

表3 N-SONGLE和SINGLE模式脈沖寬度Tpulse測(cè)量結(jié)果Tab.3 The pulse width “Tpulse” of N-SINGLE and SINGLE model

表4 脈沖上升沿時(shí)間和下降沿時(shí)間測(cè)量結(jié)果Fig.4 The measurement of pulse rise time and pulse fall time ms

通過(guò)表4可以看出：PULSE模式下上升沿時(shí)間Trise比下降沿時(shí)間Tfall長(zhǎng),N-SINGLE和SINGLE模式下的上升沿時(shí)間Trise均比下降沿時(shí)間Tfall短。其中PULSE模式下的上升沿時(shí)間小于0.1 ms,下降沿時(shí)間小于0.05 ms；普通模式(N-SINGLE和SINGLE)上升沿時(shí)間Trise均小于0.4 ms,下降沿時(shí)間Tfall小于0.5 ms。因此,PULSE模式相比普通模式具有更快的上升沿和下降沿時(shí)間,更有利于針對(duì)主動(dòng)式劑量?jī)x表的檢測(cè)。

5 結(jié) 論

本研究所建立X射線參考輻射場(chǎng)的管電壓、輻射野均勻性的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明該參考輻射場(chǎng)已經(jīng)具備了常規(guī)參考輻射場(chǎng)一系列的穩(wěn)定參數(shù)；脈沖曝光時(shí)間(脈寬)、上升沿時(shí)間和下降沿時(shí)間的測(cè)量和比較、脈沖重復(fù)性的結(jié)果表明脈寬在1 ms～6.3 s的條件下所建立的輻射場(chǎng)的參考脈沖滿足了穩(wěn)定、連續(xù)可調(diào)、準(zhǔn)確測(cè)量的要求。所以40～125kV脈沖X射線參考輻射場(chǎng)可用于主動(dòng)式劑量監(jiān)測(cè)設(shè)備的時(shí)間響應(yīng)修正和劑量溯源。