歐向明

為了貫徹落實《放射診療管理規(guī)定》的有關(guān)規(guī)定，加強放射診療工作的管理保證醫(yī)療質(zhì)量和醫(yī)療安全，保障放射診療工作人員、患者和公眾的健康權(quán)益，多年來在對醫(yī)用診斷X射線機等放射工作場所及周圍環(huán)境輻射水平進行監(jiān)測時，輻射防護劑量/劑量率儀和巡測儀已被廣泛應(yīng)用在輻射防護的監(jiān)測工作中，成為評價電離輻射場所是否安全的定量基礎(chǔ)[1]。據(jù)統(tǒng)計我國各省市監(jiān)測機構(gòu)目前使用的防護儀約有數(shù)千臺，其中絕大多數(shù)屬于電離室型防護儀（以下統(tǒng)稱防護儀）。我們發(fā)現(xiàn)在輻射防護監(jiān)測實際工作中，由于有的監(jiān)測機構(gòu)的工作人員對電離室型防護儀的性能和測量電路原理不熟悉，不了解儀器的電路時間常數(shù)，而錯誤地使用上述防護儀檢測醫(yī)用診斷X射線攝影（拍片）時的防護、甚至直接測量拍片時X射線管的輸出劑量。這樣，防護儀的電路響應(yīng)時間跟隨不上致使測量值很低，造成評價結(jié)果產(chǎn)生了較大的不確定度，這種現(xiàn)象應(yīng)引起相關(guān)工作人員的足夠重視。

目前輻射防護監(jiān)測機構(gòu)常用的防護儀主要包括以下幾種∶（1）我國早期研制的以測量照射量率為代表的XS及WF系列；（2）以測量空氣吸收劑量率為代表的FJ-347A；（3）以測量劑量當量為代表的450P-SI；（4）以近期美國進口的測量周圍劑量當量為代表的451P-DE-SI。這些防護儀都具有電離室型探測器及高輸入阻抗的核電子學前置放大電路，下面分別分析它們的響應(yīng)時間。

1 電離室型探測器的響應(yīng)時間

電離室是輻射防護領(lǐng)域中問世最早、應(yīng)用最廣的一種探測器，常壓由高壓電極、收集電極及包含一定氣體體積的電離室壁等三部分構(gòu)成，按照電離室內(nèi)是否充有高壓氣體，通常被分為常壓和加壓兩類探測器。它們的工作原理是一樣的，當射線入射到電離室的靈敏體積中，在電極或室壁上打出次級電子（光電子和康普頓電子），次級電子使氣體產(chǎn)生電離，生成正負離子對[2]。在加上極化電壓的兩個電極電場的作用下，正離子和電子所呈現(xiàn)的正電荷向陰極的漂移和負電荷向陽極方向漂移，在外電路中收集成微弱的本征電離電流。

在漂移過程中的電子和正離子在兩極電場作用下被加速，使飛行時間較短，其結(jié)果在宏觀上表現(xiàn)為防護儀的電離室響應(yīng)時間僅在微秒的量級。

2 防護儀的電路的響應(yīng)時間

2.1 前置放大電路原理

按照電離室探測器的靈敏體積、及輻射防護水平的入射粒子流強度計算，由防護儀探測器所產(chǎn)生的電離電流強度在10-11至10-13安培之間。一般的電流—電壓轉(zhuǎn)換電路無法測量這種很微弱的電流信號，因此防護儀必須使用高輸入阻抗的前置放大電路（1013Ω），配合高阻值的負反饋電阻（109～1012Ω），才能保證信號不丟失并被有效放大，實現(xiàn)累積劑量或劑量率的測量[3]。常見防護儀的前置放大電路原理圖如圖一所示∶電離室輸出的us微弱信號經(jīng)保護電阻Ra接入高輸入阻抗的前置放大器PA進行放大，累積劑量的測量Cf為反饋電容、或劑量率的測量Rf 為高阻值反饋電阻，Rp為前置放大器的平衡電阻；電離室等效電容為Cd，電離室阻抗為Rd，放大線路的雜散電容為Cz，經(jīng)電流—電壓轉(zhuǎn)換后的信號以uc(t)表示。

圖1 常見防護儀的前置放大電路原理圖

2.2 等效電路分析

圖2 合成后的防護儀等效電路

以防護儀測量累積劑量時為例，經(jīng)對圖一中的電阻、電容進行合成可知，合成后的等效電阻R的大小約等于高阻值負反饋電阻Rf，等效電容很小（約幾十微微法拉）用C表示，那么合成后的防護儀前置放大器的等效電路如圖二所示[4]。

從等效電路圖二可以看出防護儀的前置電路的實質(zhì)可以等效為積分電路，即電離室探測器接收輻射后產(chǎn)生的電離電流is(t)，經(jīng)高輸入阻抗（R）的前置放大器PA進行放大并對電容C充電，電容C上的電壓值uc(t)近似地正比于輸入電壓us對時間的積分。電容C上的電壓值uc為電離電流is(t)隨時間的積分，其函數(shù)表達式為∶

或表示為e指數(shù)函數(shù)為∶

2.3 防護儀的時間常數(shù)

按照經(jīng)典的電子學理論，對于RC電路的時間常數(shù)為等效電阻R與等效電容C的乘積，用τ表示∶τ = R ×C。

時間常數(shù)在電子線路中是一個很重要的參數(shù)，用來表征過渡過程的長短。τ越大則過渡過程時間越長，反之就短。若R的單位為歐姆，C的單位為法拉，則τ的單位為秒。對于防護儀的等效電路圖二，電容C上的電壓值uc隨時間按指數(shù)規(guī)律上升。一個τ的時間截止時，電容C上的電壓值uc約等于輸入信號電壓us的63.2%， 時間常數(shù)越大，則防護儀的響應(yīng)就越慢，反之則越快。防護儀的響應(yīng)時間與τ的對應(yīng)關(guān)系曲線見圖3。

圖3 防護儀的響應(yīng)時間與τ的對應(yīng)關(guān)系曲線

τ可以從uc的變化曲線上求得。從曲線上任選一點起算，每經(jīng)過t =τ秒的時間，電流或電壓就變化了起算值與穩(wěn)態(tài)值之差的63.2%，即尚余36.8% 需要在以后過程中完成。或者可在起算點“0”做指數(shù)曲線的切線，此切線與穩(wěn)態(tài)值坐標線us的交點a與起算點之間的時間坐標差即為時間常數(shù)。相對于常用 防護儀的時間常數(shù)τ來說∶取測量電路的等效電阻R為歐姆、等效電容C為法拉，則∶

核電子學理論一般認為，儀器電路從電離室探測器接收到穩(wěn)定的信號us，需經(jīng)過5倍的時間常數(shù)（5τ）的時間，放大電路的過渡過程才能趨于結(jié)束。防護儀的讀數(shù)值從檢測到信號逐步開始上升，大約需要5s的才能接近100%的響應(yīng)讀數(shù)值。

2.4 防護儀響應(yīng)時間的綜合分析

對于一臺經(jīng)過充分預(yù)熱后的防護儀響應(yīng)時間來說，一方面影響主要來自高輸入阻抗的前置放大電路，而電離室探測器的響應(yīng)時間僅在微秒的量級可忽略不計。另一方面防護儀的量程一般探測下限10-2μSv/h至最大量程102m Sv/h，所對應(yīng)的電路等效高阻值也從高到低、時間常數(shù)由大到小，表現(xiàn)為實際監(jiān)測中，被測量的輻射劑量水平越低、防護儀的量程約低、響應(yīng)時間越長。以目前輻射防護監(jiān)測機構(gòu)常用的451P型防護儀為例，筆者查閱了美國FLUKE公司生產(chǎn)的451P-DE-SI巡測儀相關(guān)指標參數(shù)。在說明書中的“響應(yīng)時間”一項，有如下使用注意事項“對于滿刻度階躍上升，從讀數(shù)10%到90%的模擬響應(yīng)時間取決于操作量程”，在不同本底輻射照射量率下的階躍上升響應(yīng)時間為表1∶

表1 不同本底的階躍上升響應(yīng)時間

表2顯示在量程不變時，測量照射量率階躍上升（或下降）從終值的10%到90%各量程所用的響應(yīng)時間∶

4 結(jié)論

對于醫(yī)用診斷X射線機透視時的漏射線防護檢查，只要能保證加載的X射線束持續(xù)時間超過5 s，防護儀的響應(yīng)時間是足夠的。

表2 同一量程時的階躍上升響應(yīng)時間

由于醫(yī)用診斷X射線機拍片時的曝光時間較短，在分析了電離室型防護儀的時間常數(shù)等性能后我們知道，若使用它檢測拍片時的防護、或者測量X射線管的輸出劑量，防護儀的時間響應(yīng)遠遠跟隨不上拍片的曝光時間致使測量值很低。這造成評價結(jié)果低于實際輻射危害，這是違背輻射防護應(yīng)盡可能“偏安全”原則的。另一方面由于防護儀探測下限靈敏度的限制，實際檢測中很難測量出防護條件較好的、環(huán)境輻射水平的X射線機房漏射線劑量。

筆者建議使用能量響應(yīng)較好的固態(tài)傳感器型劑量儀，來檢測醫(yī)用診斷X射線機的漏射線，一方面探測下限可滿足環(huán)境輻射水平的測量，同時劑量儀的時間常數(shù)較小，儀器的響應(yīng)時間可滿足毫秒量級的檢測。對于開展質(zhì)量控制（QC）和質(zhì)量保證(QA)時醫(yī)用診斷X射線機輸出量的測量，則應(yīng)該使用專門的診斷X射線劑量儀[5]，此類儀器一般選擇專用的半導(dǎo)體材料做為探測器，儀器的能量響應(yīng)及電路時間常數(shù)等指標，完全可以滿足質(zhì)控檢測工作的需求。

[1]中華人民共和國衛(wèi)生部令第46號.放射診療管理規(guī)定[M].北京∶人民衛(wèi)生出版社，2006∶6-9.

[2]李星洪.輻射防護基礎(chǔ)[M].北京∶原子能出版社[M]. 1982∶17-19.

[3]F.H.阿蒂克斯等著，施學勤等譯.輻射劑量學（第二卷）[M]. 北京∶原子能出版社，1981∶45-66.

[4]秦世才，賈香鸞.模擬集成電子學[M].天津∶天津科學技術(shù)出版社，1996∶122-130.

[5]趙士庵，歐向明.RD-98智能型診斷X射線劑量儀的研制[J].中華放射醫(yī)學與防護雜志，2001，21(1)∶50-52.