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

(1.中國計量科學研究院 電離輻射計量科學研究所， 北京 100029； 2.蘭州大學 核科學與技術學院, 甘肅 蘭州 730000； 3.中國人民解放軍96901部隊， 北京 100096)

脈沖X射線在工業(yè)探傷、醫(yī)學臨床診斷和公共安全檢查等領域的應用越來越廣泛[1-3]，脈沖持續(xù)時間在毫秒量級到秒量級之間，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)生部要求對相關工作場所輻射劑量和相關職業(yè)人員的個人劑量進行監(jiān)測。主動式電子劑量率儀因具有報警功能、可直接讀取、操作簡單等優(yōu)點而廣泛應用。然而越來越多的研究表明：由于其本身響應時間的存在，主動式電子劑量率儀在常規(guī)連續(xù)輻射場中溯源后，再將其放置脈沖輻射場中后，劑量率儀無法準確進行劑量測量，從而導致對脈沖形式的輻射場劑量監(jiān)測結果出現(xiàn)較大的偏差[4-9]，給工作人員帶來安全隱患。因此有必要建立滿足上述輻射場條件的脈沖X射線輻射場，并準確測量其劑量相關參數(shù)，以滿足主動式劑量率儀在脈沖輻射條件下的溯源要求[10]。

測量輻射場劑量率的常用儀器有電離室、熱釋光劑量儀或主動式防護儀表，由于熱釋光劑量儀用來測量累計劑量，受輻照時間影響較大，目前主流的主動式防護儀表響應時間長，難以實現(xiàn)脈沖條件下的劑量率準確測量，本研究在建立脈沖X參考輻射場基礎上，采用圓柱形電離室進行脈沖條件下的劑量率測量。

1 脈沖X射線輻射場的建立

脈沖輻射場產生系統(tǒng)包括：脈沖X射線發(fā)生裝置、限束光闌、過濾片、激光定位裝置、三維移動平臺、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、遠程控制系統(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E79039X)、高壓發(fā)生器(加拿大CPI公司，型號為INDICO IQ)、冷卻劑(油冷和水冷)和曝光測量系統(tǒng)等。高壓發(fā)生器是該系統(tǒng)中的一個重要裝置，該型號的高壓發(fā)生器與連續(xù)輻射場下配備的高壓發(fā)生器不同，具有可調控X射線管，產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射線輻射場實物圖Fig.1 Photograph of the pulsed X-ray radiation field

脈沖X射線產生原理為：由高壓發(fā)生器控制X射線管柵極，進而控制X射線管陽極電子束的產生，通過改變施加電勢差時間調整脈沖X射線的曝光時間。由陰極產生的電子通過撞擊鎢錸合金靶材料，產生X射線。該系統(tǒng)可產生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間內周期性產生脈沖射線，每個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，只產生一個脈沖射線，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)測量

為了確保所建立的脈沖X射線輻射場滿足ISO-4037[12]和ISO-18090[13]等標準的要求，對該脈沖X射線參考輻射場管電壓輸出值和輻射場均勻野尺寸進行測量，以保證電離室在均勻場中被輻照，利用PIN型二極管對脈沖波形進行測量和分析。

2.1 管電壓

采用介入法對X射線管輸出電壓值進行測量：介入法測量指將示波器與高壓發(fā)生器的電壓引腳直接相連，通過示波器的脈沖幅度觀測X射線管的實際工作電壓。短期內進行10次重復介入法測量，結果如表2所示，當管電壓 100 kV時，最大相對偏差為0.19%，表明所建立的脈沖X射線參考輻射場的電壓穩(wěn)定性和準確性滿足溯源需求。

表2 管電壓測量結果Table 2 Results of tube voltage

2.2 輻射場均勻性

輻射場均勻野尺寸是輻射場的一個重要參數(shù)，在劑量測量或儀表校準過程中，輻射場均勻野要完全將劑量儀表覆蓋。采用1 cm3(TW 30015)電離室在水平和豎直方向以間隔5 mm距離進行掃場測量，電離室為圓柱形，長為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，將其他點的劑量值歸一到中心點，相對劑量值變化在95%以內的最大半徑值認為是輻射場均勻尺寸的半徑。從測量結果圖2中可以看出：在豎直方向具有較好的對稱性，在水平方向，從X負方向到X正方向劑量值呈現(xiàn)遞增變化，即明顯的 “足跟效應”，跟X光管的陽極靶的靶角相關。當相對劑量值變化為95%時，輻射場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 圓柱形電離室測量輻射野均勻性結果Fig.2 Results of the uniformity of radiation field measured by cylindrical ionization chamber

2.3 脈沖波形

2.3.1 脈沖波形測量原理

脈沖X光機產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)時間(即脈沖X射線穩(wěn)定出束的時間)；Tpulse表示脈沖寬度(單個脈沖的半高寬)；Trise表示脈沖上升時間(根據(jù)ISO18090的定義是指脈沖上升階段幅度值的20%到80%所需要的時間)；Tfall表示脈沖下降時間(定義為脈沖下降階段幅度值的80%到20%所需要的時間)；T表示一個脈沖周期；t表示脈沖曝光時間。

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

脈沖輻射場最為關鍵的參數(shù)是脈沖參數(shù)。普通輻射場為了提高劑量率的準確性，通常采用的方法為將曝光時間提高至1 min以上，而脈沖輻射場無法在保持相同準確性的情況下延長曝光時間，因而需要一個與輻射場同步性好、時間分辨強、穩(wěn)定性高的X射線曝光時間測量系統(tǒng)進行脈沖輻照時間測量。

建立的曝光時間測量系統(tǒng)由曝光時間測量模塊與接收和處理信號的示波器組成。曝光時間測量模塊主要由渡越時間短、靈敏度高的PIN型光電二極管(S3590-19，HAMAMATSU)、放大器和信號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，在介質內產生大量的電子-空穴對，在外電場作用下分別向兩極漂移，在電極上產生的感應電荷在電容上累計，形成電壓脈沖，經增益放大后的電信號直接在示波器上顯示，經過后續(xù)數(shù)據(jù)處理得到脈沖X射線曝光時間、脈沖寬度、上升和下降時間等。PIN型光電二極管X射線曝光時間測量系統(tǒng)電子學響應時間在微秒量級，足以測量脈沖寬度為毫秒量級的波形。

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

2.3.2 重復性和穩(wěn)定性測量

重復性測量指在短時間內進行多次測量，將管電壓設置為60 kV，管電流為50 mA，在SINGLE模式下，測量不同脈沖寬度下的重復性，用相對標準偏差進行表征。從表3數(shù)據(jù)中可以看出，隨著脈沖寬度的增加，其短期重復性增加，脈沖寬度為5 ms時，相對標準偏差為4.04%；當脈沖寬度位于8～100 ms時，相對標準偏差小于0.42%，當脈沖寬度大于100 ms時，相對標準偏差小于0.06%。

對SINGLE模式下波形的寬度進行6個月的監(jiān)測。從圖 5可以獲得，2～10 ms的脈沖寬度相對標準偏差在3%～3.5%；10～160 ms內的相對標準偏差在1%～3%；脈沖寬度設置在160 ms以上，具有0.6%～1%的相對標準偏差。

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

2.3.3波形分析

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

圖5 不同脈沖寬度長期穩(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間占比Fig.6 Proportion of rising and falling time of different pulse widths

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

3 空氣比釋動能率測量

電離室是一種絕對測量儀器，準確性高，穩(wěn)定性好。考慮到電離室可測量的劑量率范圍，選擇型號為TW23361電離室進行測量，搭配UNIDOS webline進行信號收集和處理。電離室收集體積為30 cm3，能量響應小于4.3%(40 keV～60Co)，校準系數(shù)為9.235×105Gy/C(在參考X輻射場N60輻射質條件下進行校準)。電離室的離子收集時間為1.3 ms，則當2個脈沖時間間隔大于1.3 ms時，電離室可將前一個脈沖信號完全收集。測量過程中通過激光定位和定位平臺將電離室位置調整，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參考輻射場劑量率測量示意Fig.8 Schematic diagram of dose rate measurement of pulse X reference radiation field

普通X射線輻射場由于可設置較長曝光時間，在達到穩(wěn)定后直接讀取劑量率值，為了測量結果更加準確，減少偶然誤差，常使用多次測量求平均值的方法表征輻射場劑量率。脈沖輻射場由于脈沖寬度的限制，測量時間有限，無法通過常規(guī)輻射場的方法來測量劑量率。但與常規(guī)X射線輻射場相比，上升沿時間和下降沿時間小很多，相同曝光時間內脈沖輻射場的Tplateau占比更大，因此可通過不同脈沖寬度范圍內的Tplateau來對不同脈沖寬度范圍的脈沖輻射場定值。

3.1 SINGLE模式空氣比釋動能率測量

空氣比釋動能率與電離電流關系為：

(1)

式中：kT,P為溫度氣壓修正；ksca為散射修正。電離室的響應時間小于脈沖周期，則認為電離電荷被完全收集。電離電流Iion通過累計電荷與脈沖周期之間的比值進行計算。

根據(jù)脈沖寬度大小分4段進行考慮，分別為2～10、25～160、250～630和1 000～2 500 ms。首先測量不同脈沖寬度下的累計電荷并對數(shù)據(jù)進行線性擬合(如圖9所示)，每個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，對應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能率，如表4所示。

圖9 不同脈沖寬度與累計電荷的關系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能率

從表4看出，脈沖寬度小于10 ms的單個脈沖產生的劑量率值與脈沖寬度大于10 ms時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，產生的脈沖上升沿和下降沿時間占比高，造成Tplateau占比少。同時可證明在脈沖寬度設置大于10 ms時，電離室可產生穩(wěn)定的電離電流，進而實現(xiàn)對脈沖X射線劑量率的測量。

使用電離室在普通場中測量空氣比釋動能率與在SINGLE模式中的唯一區(qū)別為曝光時間，基本方法相同；在滿足能量響應的條件下，電離室校準系數(shù)大小的決定因素主要為電離室本身，因此普通場中電離室校準系數(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)這種差異的原因為：脈沖寬度小，造成電離室測量電荷的統(tǒng)計漲落較大。10 ms以上的脈沖寬度能使電離室產生穩(wěn)定的電離電流值，即該模式下設置相同管電流與管電壓，脈沖寬度大于10 ms時，脈沖X射線可產生穩(wěn)定的空氣比釋動能率。

3.2 N-SINGLE模式空氣比釋動能率測量

由于N-SINGLE模式產生的X射線具有一定占空比，為實現(xiàn)該模式下劑量率的準確測量，減小由于多個因素導致的偏差，采用測量多個脈沖的累計電荷方法，利用平均值來表征單一脈沖產生的電離電流。

在相同管電壓和管電流條件下，保持脈沖寬度不變，設置不同脈沖個數(shù)，理論上每個脈沖的累計電荷之和為曝光時間內的總累計電荷為：

(2)

式中：Q為在曝光時間內電離室收集的總電荷量；N為曝光時間內的脈沖個數(shù)，即N=f·t,f為頻率，t為曝光時間；qi為電離室收集到的第i個脈沖的電荷量。

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

圖10 N-SINGLE模式下累計電荷和脈沖個數(shù)的關系Fig.10 The cumulative charge of the number of pulses in N-SINGLE mode

表5 N-SINGLE模式不同曝光時間內的劑量率

4 結論

1)在管電壓設置為100 kV時，實際測量電壓和預設電壓相對偏差為0.19%。

2)脈沖輻射場在水平方向存在足跟效應，導致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模式下對脈沖波形進行分析和研究。利用標準電離室對2種模式下，不同脈沖寬度的劑量率進行了測量。在SINGLE模式下，2～10 ms時劑量率為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能率的差異主要是由2種模式下產生的波形差異和光機的穩(wěn)定性造成的，而對于脈沖寬度小于10 ms時，波形發(fā)生嚴重畸變，對該研究中使用的方法有較大影響，需進一步改進測量方法。