脈沖X射線劑量測(cè)量方法

劉川鳳， 張曉樂(lè),2， 李德紅， 成建波， 張健， 黃建微， 曹蕾， 程金星

(1.中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院 電離輻射計(jì)量科學(xué)研究所， 北京 100029； 2.蘭州大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 甘肅 蘭州 730000； 3.中國(guó)人民解放軍96901部隊(duì)， 北京 100096)

脈沖X射線在工業(yè)探傷、醫(yī)學(xué)臨床診斷和公共安全檢查等領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[1-3]，脈沖持續(xù)時(shí)間在毫秒量級(jí)到秒量級(jí)之間，伴隨較高劑量率。為確保工作人員和公眾健康安全，環(huán)保部和衛(wèi)生部要求對(duì)相關(guān)工作場(chǎng)所輻射劑量和相關(guān)職業(yè)人員的個(gè)人劑量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。主動(dòng)式電子劑量率儀因具有報(bào)警功能、可直接讀取、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用。然而越來(lái)越多的研究表明：由于其本身響應(yīng)時(shí)間的存在，主動(dòng)式電子劑量率儀在常規(guī)連續(xù)輻射場(chǎng)中溯源后，再將其放置脈沖輻射場(chǎng)中后，劑量率儀無(wú)法準(zhǔn)確進(jìn)行劑量測(cè)量，從而導(dǎo)致對(duì)脈沖形式的輻射場(chǎng)劑量監(jiān)測(cè)結(jié)果出現(xiàn)較大的偏差[4-9]，給工作人員帶來(lái)安全隱患。因此有必要建立滿足上述輻射場(chǎng)條件的脈沖X射線輻射場(chǎng)，并準(zhǔn)確測(cè)量其劑量相關(guān)參數(shù)，以滿足主動(dòng)式劑量率儀在脈沖輻射條件下的溯源要求[10]。

測(cè)量輻射場(chǎng)劑量率的常用儀器有電離室、熱釋光劑量?jī)x或主動(dòng)式防護(hù)儀表，由于熱釋光劑量?jī)x用來(lái)測(cè)量累計(jì)劑量，受輻照時(shí)間影響較大，目前主流的主動(dòng)式防護(hù)儀表響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，難以實(shí)現(xiàn)脈沖條件下的劑量率準(zhǔn)確測(cè)量，本研究在建立脈沖X參考輻射場(chǎng)基礎(chǔ)上，采用圓柱形電離室進(jìn)行脈沖條件下的劑量率測(cè)量。

1 脈沖X射線輻射場(chǎng)的建立

脈沖輻射場(chǎng)產(chǎn)生系統(tǒng)包括：脈沖X射線發(fā)生裝置、限束光闌、過(guò)濾片、激光定位裝置、三維移動(dòng)平臺(tái)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)等，如圖1所示。脈沖X射線發(fā)生裝置主體包括X射線管(日本CANON公司，型號(hào)E79039X)、高壓發(fā)生器(加拿大CPI公司，型號(hào)為INDICO IQ)、冷卻劑(油冷和水冷)和曝光測(cè)量系統(tǒng)等。高壓發(fā)生器是該系統(tǒng)中的一個(gè)重要裝置，該型號(hào)的高壓發(fā)生器與連續(xù)輻射場(chǎng)下配備的高壓發(fā)生器不同，具有可調(diào)控X射線管，產(chǎn)生不同模式和不同頻率脈沖X射線的特殊功能[11]。

圖1 脈沖X射線輻射場(chǎng)實(shí)物圖Fig.1 Photograph of the pulsed X-ray radiation field

脈沖X射線產(chǎn)生原理為：由高壓發(fā)生器控制X射線管柵極，進(jìn)而控制X射線管陽(yáng)極電子束的產(chǎn)生，通過(guò)改變施加電勢(shì)差時(shí)間調(diào)整脈沖X射線的曝光時(shí)間。由陰極產(chǎn)生的電子通過(guò)撞擊鎢錸合金靶材料，產(chǎn)生X射線。該系統(tǒng)可產(chǎn)生2種工作模式的脈沖射線：N-SINGLE和SINGLE模式。N-SINGLE模式表示在曝光總時(shí)間內(nèi)周期性產(chǎn)生脈沖射線，每個(gè)脈沖具有相同的脈沖寬度；SINGLE模型不具有周期或頻率的概念，只產(chǎn)生一個(gè)脈沖射線，具體工作模式參數(shù)見表1。

表1 2種脈沖工作模式的參數(shù)表Table 1 Parameters of two pulse working modes

2 脈沖參數(shù)測(cè)量

為了確保所建立的脈沖X射線輻射場(chǎng)滿足ISO-4037[12]和ISO-18090[13]等標(biāo)準(zhǔn)的要求，對(duì)該脈沖X射線參考輻射場(chǎng)管電壓輸出值和輻射場(chǎng)均勻野尺寸進(jìn)行測(cè)量，以保證電離室在均勻場(chǎng)中被輻照，利用PIN型二極管對(duì)脈沖波形進(jìn)行測(cè)量和分析。

2.1 管電壓

采用介入法對(duì)X射線管輸出電壓值進(jìn)行測(cè)量：介入法測(cè)量指將示波器與高壓發(fā)生器的電壓引腳直接相連，通過(guò)示波器的脈沖幅度觀測(cè)X射線管的實(shí)際工作電壓。短期內(nèi)進(jìn)行10次重復(fù)介入法測(cè)量，結(jié)果如表2所示，當(dāng)管電壓 100 kV時(shí)，最大相對(duì)偏差為0.19%，表明所建立的脈沖X射線參考輻射場(chǎng)的電壓穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性滿足溯源需求。

表2 管電壓測(cè)量結(jié)果Table 2 Results of tube voltage

2.2 輻射場(chǎng)均勻性

輻射場(chǎng)均勻野尺寸是輻射場(chǎng)的一個(gè)重要參數(shù)，在劑量測(cè)量或儀表校準(zhǔn)過(guò)程中，輻射場(chǎng)均勻野要完全將劑量?jī)x表覆蓋。采用1 cm3(TW 30015)電離室在水平和豎直方向以間隔5 mm距離進(jìn)行掃場(chǎng)測(cè)量，電離室為圓柱形，長(zhǎng)為22 mm，底面半徑為3.95 mm。將其放置在距離X光管焦斑1 m位置處，電離室中心位于光闌中心軸上。以中心軸位置為“0”位置，將其他點(diǎn)的劑量值歸一到中心點(diǎn)，相對(duì)劑量值變化在95%以內(nèi)的最大半徑值認(rèn)為是輻射場(chǎng)均勻尺寸的半徑。從測(cè)量結(jié)果圖2中可以看出：在豎直方向具有較好的對(duì)稱性，在水平方向，從X負(fù)方向到X正方向劑量值呈現(xiàn)遞增變化，即明顯的 “足跟效應(yīng)”，跟X光管的陽(yáng)極靶的靶角相關(guān)。當(dāng)相對(duì)劑量值變化為95%時(shí)，輻射場(chǎng)水平方向均勻野最大直徑為5.0 cm，豎直方向均勻野最大直徑為20.0 cm。

圖2 圓柱形電離室測(cè)量輻射野均勻性結(jié)果Fig.2 Results of the uniformity of radiation field measured by cylindrical ionization chamber

2.3 脈沖波形

2.3.1 脈沖波形測(cè)量原理

脈沖X光機(jī)產(chǎn)生的脈沖波形圖可用圖3中的參數(shù)表示：其中A表示脈沖幅度最大值；Tplateau表示脈沖持續(xù)時(shí)間(即脈沖X射線穩(wěn)定出束的時(shí)間)；Tpulse表示脈沖寬度(單個(gè)脈沖的半高寬)；Trise表示脈沖上升時(shí)間(根據(jù)ISO18090的定義是指脈沖上升階段幅度值的20%到80%所需要的時(shí)間)；Tfall表示脈沖下降時(shí)間(定義為脈沖下降階段幅度值的80%到20%所需要的時(shí)間)；T表示一個(gè)脈沖周期；t表示脈沖曝光時(shí)間。

圖3 脈沖波形圖Fig.3 The parameters of pulse waveform

脈沖輻射場(chǎng)最為關(guān)鍵的參數(shù)是脈沖參數(shù)。普通輻射場(chǎng)為了提高劑量率的準(zhǔn)確性，通常采用的方法為將曝光時(shí)間提高至1 min以上，而脈沖輻射場(chǎng)無(wú)法在保持相同準(zhǔn)確性的情況下延長(zhǎng)曝光時(shí)間，因而需要一個(gè)與輻射場(chǎng)同步性好、時(shí)間分辨強(qiáng)、穩(wěn)定性高的X射線曝光時(shí)間測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行脈沖輻照時(shí)間測(cè)量。

建立的曝光時(shí)間測(cè)量系統(tǒng)由曝光時(shí)間測(cè)量模塊與接收和處理信號(hào)的示波器組成。曝光時(shí)間測(cè)量模塊主要由渡越時(shí)間短、靈敏度高的PIN型光電二極管(S3590-19，HAMAMATSU)、放大器和信號(hào)采集接口等部件組成，如圖4所示。X射線照射PIN型光電二極管，在介質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生大量的電子-空穴對(duì)，在外電場(chǎng)作用下分別向兩極漂移，在電極上產(chǎn)生的感應(yīng)電荷在電容上累計(jì)，形成電壓脈沖，經(jīng)增益放大后的電信號(hào)直接在示波器上顯示，經(jīng)過(guò)后續(xù)數(shù)據(jù)處理得到脈沖X射線曝光時(shí)間、脈沖寬度、上升和下降時(shí)間等。PIN型光電二極管X射線曝光時(shí)間測(cè)量系統(tǒng)電子學(xué)響應(yīng)時(shí)間在微秒量級(jí)，足以測(cè)量脈沖寬度為毫秒量級(jí)的波形。

圖4 脈沖波形測(cè)量模塊Fig.4 The measurement module of pulse waveform

2.3.2 重復(fù)性和穩(wěn)定性測(cè)量

重復(fù)性測(cè)量指在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行多次測(cè)量，將管電壓設(shè)置為60 kV，管電流為50 mA，在SINGLE模式下，測(cè)量不同脈沖寬度下的重復(fù)性，用相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差進(jìn)行表征。從表3數(shù)據(jù)中可以看出，隨著脈沖寬度的增加，其短期重復(fù)性增加，脈沖寬度為5 ms時(shí)，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為4.04%；當(dāng)脈沖寬度位于8～100 ms時(shí)，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差小于0.42%，當(dāng)脈沖寬度大于100 ms時(shí)，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差小于0.06%。

對(duì)SINGLE模式下波形的寬度進(jìn)行6個(gè)月的監(jiān)測(cè)。從圖 5可以獲得，2～10 ms的脈沖寬度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差在3%～3.5%；10～160 ms內(nèi)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差在1%～3%；脈沖寬度設(shè)置在160 ms以上，具有0.6%～1%的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差。

表3 不同脈沖寬度的短期重復(fù)性Table 3 Short term repeatability of different pulse widths

2.3.3波形分析

上升沿時(shí)間和下降沿時(shí)間與脈沖寬度的比值定義為上升沿與下降沿時(shí)間占比，測(cè)量結(jié)果如圖6所示。2種模式波形的共有特點(diǎn)都是隨著脈沖寬度增加，上升沿與下降沿時(shí)間占比減少，說(shuō)明Tplateau時(shí)間內(nèi)波形逐漸平穩(wěn)。N-SINGLE模式相對(duì)SINGLE模式，在脈沖寬度小于20 ms時(shí)，具有更大的占比，脈沖寬度大于20 ms時(shí)，兩者的占比相同，均小于5%。

圖5 不同脈沖寬度長(zhǎng)期穩(wěn)定性Fig.5 The stability of different pulse widths

圖6 不同脈沖寬度的上升沿和下降沿時(shí)間占比Fig.6 Proportion of rising and falling time of different pulse widths

無(wú)論是SINGLE模式還是N-SINGLE模式，脈沖寬度設(shè)置在10 ms以下時(shí)不具有明顯的Tplateau，上升沿與下降沿時(shí)間具有較大的占比。上升沿與下降沿時(shí)間占比隨著脈沖寬度的增大而逐漸減小，說(shuō)明Tplateau逐漸明顯，具有穩(wěn)定的最高幅度，如圖7所示。

3 空氣比釋動(dòng)能率測(cè)量

電離室是一種絕對(duì)測(cè)量?jī)x器，準(zhǔn)確性高，穩(wěn)定性好?？紤]到電離室可測(cè)量的劑量率范圍，選擇型號(hào)為TW23361電離室進(jìn)行測(cè)量，搭配UNIDOS webline進(jìn)行信號(hào)收集和處理。電離室收集體積為30 cm3，能量響應(yīng)小于4.3%(40 keV～60Co)，校準(zhǔn)系數(shù)為9.235×105Gy/C(在參考X輻射場(chǎng)N60輻射質(zhì)條件下進(jìn)行校準(zhǔn))。電離室的離子收集時(shí)間為1.3 ms，則當(dāng)2個(gè)脈沖時(shí)間間隔大于1.3 ms時(shí)，電離室可將前一個(gè)脈沖信號(hào)完全收集。測(cè)量過(guò)程中通過(guò)激光定位和定位平臺(tái)將電離室位置調(diào)整，使得其中心位置位于射束中心軸上，且距離光管中心1 m，電離室靈敏體積完全被均勻輻射場(chǎng)覆蓋,如圖8所示。

圖7 不同脈沖寬度的波形Fig.7 Waveforms of different pulse widths

圖8 脈沖X參考輻射場(chǎng)劑量率測(cè)量示意Fig.8 Schematic diagram of dose rate measurement of pulse X reference radiation field

普通X射線輻射場(chǎng)由于可設(shè)置較長(zhǎng)曝光時(shí)間，在達(dá)到穩(wěn)定后直接讀取劑量率值，為了測(cè)量結(jié)果更加準(zhǔn)確，減少偶然誤差，常使用多次測(cè)量求平均值的方法表征輻射場(chǎng)劑量率。脈沖輻射場(chǎng)由于脈沖寬度的限制，測(cè)量時(shí)間有限，無(wú)法通過(guò)常規(guī)輻射場(chǎng)的方法來(lái)測(cè)量劑量率。但與常規(guī)X射線輻射場(chǎng)相比，上升沿時(shí)間和下降沿時(shí)間小很多，相同曝光時(shí)間內(nèi)脈沖輻射場(chǎng)的Tplateau占比更大，因此可通過(guò)不同脈沖寬度范圍內(nèi)的Tplateau來(lái)對(duì)不同脈沖寬度范圍的脈沖輻射場(chǎng)定值。

3.1 SINGLE模式空氣比釋動(dòng)能率測(cè)量

空氣比釋動(dòng)能率與電離電流關(guān)系為：

(1)

式中：kT,P為溫度氣壓修正；ksca為散射修正。電離室的響應(yīng)時(shí)間小于脈沖周期，則認(rèn)為電離電荷被完全收集。電離電流Iion通過(guò)累計(jì)電荷與脈沖周期之間的比值進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)脈沖寬度大小分4段進(jìn)行考慮，分別為2～10、25～160、250～630和1 000～2 500 ms。首先測(cè)量不同脈沖寬度下的累計(jì)電荷并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合(如圖9所示)，每個(gè)擬合公式的決定系數(shù)R2>0.999。斜率代表單位脈沖寬度的電離電流，對(duì)應(yīng)的電離電流值分別為3.01、3.48、3.48和3.47 pC/ms，將電離電流代入式(1)即可得到空氣比釋動(dòng)能率，如表4所示。

圖9 不同脈沖寬度與累計(jì)電荷的關(guān)系Fig.9 The relationship between the accumulated charged with the pulse width

表4 SINGLE模式下不同脈沖寬度的空氣比釋動(dòng)能率

從表4看出，脈沖寬度小于10 ms的單個(gè)脈沖產(chǎn)生的劑量率值與脈沖寬度大于10 ms時(shí)的劑量率值相比具有13.4%((3.21-2.78)/3.21=13.4%)的差異，造成這種差異的原因，可能是在10 ms以下時(shí)，產(chǎn)生的脈沖上升沿和下降沿時(shí)間占比高，造成Tplateau占比少。同時(shí)可證明在脈沖寬度設(shè)置大于10 ms時(shí)，電離室可產(chǎn)生穩(wěn)定的電離電流，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖X射線劑量率的測(cè)量。

使用電離室在普通場(chǎng)中測(cè)量空氣比釋動(dòng)能率與在SINGLE模式中的唯一區(qū)別為曝光時(shí)間，基本方法相同；在滿足能量響應(yīng)的條件下，電離室校準(zhǔn)系數(shù)大小的決定因素主要為電離室本身，因此普通場(chǎng)中電離室校準(zhǔn)系數(shù)可以直接在SINGLE模式下使用。脈沖寬度在10 ms及以下時(shí)電離電流最小，寬度在10 ms以上的3種脈沖寬度范圍的電離電流均增大且趨于穩(wěn)定，出現(xiàn)這種差異的原因?yàn)椋好}沖寬度小，造成電離室測(cè)量電荷的統(tǒng)計(jì)漲落較大。10 ms以上的脈沖寬度能使電離室產(chǎn)生穩(wěn)定的電離電流值，即該模式下設(shè)置相同管電流與管電壓，脈沖寬度大于10 ms時(shí)，脈沖X射線可產(chǎn)生穩(wěn)定的空氣比釋動(dòng)能率。

3.2 N-SINGLE模式空氣比釋動(dòng)能率測(cè)量

由于N-SINGLE模式產(chǎn)生的X射線具有一定占空比，為實(shí)現(xiàn)該模式下劑量率的準(zhǔn)確測(cè)量，減小由于多個(gè)因素導(dǎo)致的偏差，采用測(cè)量多個(gè)脈沖的累計(jì)電荷方法，利用平均值來(lái)表征單一脈沖產(chǎn)生的電離電流。

在相同管電壓和管電流條件下，保持脈沖寬度不變，設(shè)置不同脈沖個(gè)數(shù)，理論上每個(gè)脈沖的累計(jì)電荷之和為曝光時(shí)間內(nèi)的總累計(jì)電荷為：

(2)

式中：Q為在曝光時(shí)間內(nèi)電離室收集的總電荷量；N為曝光時(shí)間內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)，即N=f·t,f為頻率，t為曝光時(shí)間；qi為電離室收集到的第i個(gè)脈沖的電荷量。

由表4和表5可知，脈沖寬度在2～10 ms內(nèi)的N-SINGLE模式空氣比釋動(dòng)能率相對(duì)SINGLE模式相對(duì)偏差為10.9%((3.12-2.78)/3.12=10.9%)，主要原因是在這2種模式下，上升沿和下降沿時(shí)間占比最大偏差為10%；10 ms以上相對(duì)偏差為5%，主要是由光機(jī)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性導(dǎo)致的(2次測(cè)量在不同日期完成)，在20～40 ms內(nèi)時(shí)，長(zhǎng)期穩(wěn)定性最大偏差為2%，同時(shí)考慮到測(cè)量點(diǎn)定位等因素，2次測(cè)量值在可接受范圍內(nèi)。

圖10 N-SINGLE模式下累計(jì)電荷和脈沖個(gè)數(shù)的關(guān)系Fig.10 The cumulative charge of the number of pulses in N-SINGLE mode

表5 N-SINGLE模式不同曝光時(shí)間內(nèi)的劑量率

4 結(jié)論

1)在管電壓設(shè)置為100 kV時(shí)，實(shí)際測(cè)量電壓和預(yù)設(shè)電壓相對(duì)偏差為0.19%。

2)脈沖輻射場(chǎng)在水平方向存在足跟效應(yīng)，導(dǎo)致1 m處水平方向均勻野最大直徑為5.0 cm，豎直方向均勻野最大直徑為20.0 cm。

3)利用PIN型二極管在SINGLE和N-SINGLE模式下對(duì)脈沖波形進(jìn)行分析和研究。利用標(biāo)準(zhǔn)電離室對(duì)2種模式下，不同脈沖寬度的劑量率進(jìn)行了測(cè)量。在SINGLE模式下，2～10 ms時(shí)劑量率為2.78 mGy/s、10 ms以上為3.21 mGy/s；在N-SINGLE模式下，2～10 ms為3.12 mGy/s、20～40 ms為3.05 mGy/s。

本研究中空氣比釋動(dòng)能率的差異主要是由2種模式下產(chǎn)生的波形差異和光機(jī)的穩(wěn)定性造成的，而對(duì)于脈沖寬度小于10 ms時(shí)，波形發(fā)生嚴(yán)重畸變，對(duì)該研究中使用的方法有較大影響，需進(jìn)一步改進(jìn)測(cè)量方法。