脉冲X射线剂量测量方法

刘川凤， 张晓乐,2， 李德红， 成建波， 张健， 黄建微， 曹蕾， 程金星

(1.中国计量科学研究院 电离辐射计量科学研究所， 北京 100029； 2.兰州大学 核科学与技术学院, 甘肃 兰州 730000； 3.中国人民解放军96901部队， 北京 100096)

脉冲X射线在工业探伤、医学临床诊断和公共安全检查等领域的应用越来越广泛[1-3]，脉冲持续时间在毫秒量级到秒量级之间，伴随较高剂量率。为确保工作人员和公众健康安全，环保部和卫生部要求对相关工作场所辐射剂量和相关职业人员的个人剂量进行监测。主动式电子剂量率仪因具有报警功能、可直接读取、操作简单等优点而广泛应用。然而越来越多的研究表明：由于其本身响应时间的存在，主动式电子剂量率仪在常规连续辐射场中溯源后，再将其放置脉冲辐射场中后，剂量率仪无法准确进行剂量测量，从而导致对脉冲形式的辐射场剂量监测结果出现较大的偏差[4-9]，给工作人员带来安全隐患。因此有必要建立满足上述辐射场条件的脉冲X射线辐射场，并准确测量其剂量相关参数，以满足主动式剂量率仪在脉冲辐射条件下的溯源要求[10]。

测量辐射场剂量率的常用仪器有电离室、热释光剂量仪或主动式防护仪表，由于热释光剂量仪用来测量累计剂量，受辐照时间影响较大，目前主流的主动式防护仪表响应时间长，难以实现脉冲条件下的剂量率准确测量，本研究在建立脉冲X参考辐射场基础上，采用圆柱形电离室进行脉冲条件下的剂量率测量。

1 脉冲X射线辐射场的建立

脉冲辐射场产生系统包括：脉冲X射线发生装置、限束光阑、过滤片、激光定位装置、三维移动平台、视频监控系统、远程控制系统等，如图1所示。脉冲X射线发生装置主体包括X射线管(日本CANON公司，型号E79039X)、高压发生器(加拿大CPI公司，型号为INDICO IQ)、冷却剂(油冷和水冷)和曝光测量系统等。高压发生器是该系统中的一个重要装置，该型号的高压发生器与连续辐射场下配备的高压发生器不同，具有可调控X射线管，产生不同模式和不同频率脉冲X射线的特殊功能[11]。

图1 脉冲X射线辐射场实物图Fig.1 Photograph of the pulsed X-ray radiation field

脉冲X射线产生原理为：由高压发生器控制X射线管栅极，进而控制X射线管阳极电子束的产生，通过改变施加电势差时间调整脉冲X射线的曝光时间。由阴极产生的电子通过撞击钨铼合金靶材料，产生X射线。该系统可产生2种工作模式的脉冲射线：N-SINGLE和SINGLE模式。N-SINGLE模式表示在曝光总时间内周期性产生脉冲射线，每个脉冲具有相同的脉冲宽度；SINGLE模型不具有周期或频率的概念，只产生一个脉冲射线，具体工作模式参数见表1。

表1 2种脉冲工作模式的参数表Table 1 Parameters of two pulse working modes

2 脉冲参数测量

为了确保所建立的脉冲X射线辐射场满足ISO-4037[12]和ISO-18090[13]等标准的要求，对该脉冲X射线参考辐射场管电压输出值和辐射场均匀野尺寸进行测量，以保证电离室在均匀场中被辐照，利用PIN型二极管对脉冲波形进行测量和分析。

2.1 管电压

采用介入法对X射线管输出电压值进行测量：介入法测量指将示波器与高压发生器的电压引脚直接相连，通过示波器的脉冲幅度观测X射线管的实际工作电压。短期内进行10次重复介入法测量，结果如表2所示，当管电压 100 kV时，最大相对偏差为0.19%，表明所建立的脉冲X射线参考辐射场的电压稳定性和准确性满足溯源需求。

表2 管电压测量结果Table 2 Results of tube voltage

2.2 辐射场均匀性

辐射场均匀野尺寸是辐射场的一个重要参数，在剂量测量或仪表校准过程中，辐射场均匀野要完全将剂量仪表覆盖。采用1 cm3(TW 30015)电离室在水平和竖直方向以间隔5 mm距离进行扫场测量，电离室为圆柱形，长为22 mm，底面半径为3.95 mm。将其放置在距离X光管焦斑1 m位置处，电离室中心位于光阑中心轴上。以中心轴位置为“0”位置，将其他点的剂量值归一到中心点，相对剂量值变化在95%以内的最大半径值认为是辐射场均匀尺寸的半径。从测量结果图2中可以看出：在竖直方向具有较好的对称性，在水平方向，从X负方向到X正方向剂量值呈现递增变化，即明显的 “足跟效应”，跟X光管的阳极靶的靶角相关。当相对剂量值变化为95%时，辐射场水平方向均匀野最大直径为5.0 cm，竖直方向均匀野最大直径为20.0 cm。

图2 圆柱形电离室测量辐射野均匀性结果Fig.2 Results of the uniformity of radiation field measured by cylindrical ionization chamber

2.3 脉冲波形

2.3.1 脉冲波形测量原理

脉冲X光机产生的脉冲波形图可用图3中的参数表示：其中A表示脉冲幅度最大值；Tplateau表示脉冲持续时间(即脉冲X射线稳定出束的时间)；Tpulse表示脉冲宽度(单个脉冲的半高宽)；Trise表示脉冲上升时间(根据ISO18090的定义是指脉冲上升阶段幅度值的20%到80%所需要的时间)；Tfall表示脉冲下降时间(定义为脉冲下降阶段幅度值的80%到20%所需要的时间)；T表示一个脉冲周期；t表示脉冲曝光时间。

图3 脉冲波形图Fig.3 The parameters of pulse waveform

脉冲辐射场最为关键的参数是脉冲参数。普通辐射场为了提高剂量率的准确性，通常采用的方法为将曝光时间提高至1 min以上，而脉冲辐射场无法在保持相同准确性的情况下延长曝光时间，因而需要一个与辐射场同步性好、时间分辨强、稳定性高的X射线曝光时间测量系统进行脉冲辐照时间测量。

建立的曝光时间测量系统由曝光时间测量模块与接收和处理信号的示波器组成。曝光时间测量模块主要由渡越时间短、灵敏度高的PIN型光电二极管(S3590-19，HAMAMATSU)、放大器和信号采集接口等部件组成，如图4所示。X射线照射PIN型光电二极管，在介质内产生大量的电子-空穴对，在外电场作用下分别向两极漂移，在电极上产生的感应电荷在电容上累计，形成电压脉冲，经增益放大后的电信号直接在示波器上显示，经过后续数据处理得到脉冲X射线曝光时间、脉冲宽度、上升和下降时间等。PIN型光电二极管X射线曝光时间测量系统电子学响应时间在微秒量级，足以测量脉冲宽度为毫秒量级的波形。

图4 脉冲波形测量模块Fig.4 The measurement module of pulse waveform

2.3.2 重复性和稳定性测量

重复性测量指在短时间内进行多次测量，将管电压设置为60 kV，管电流为50 mA，在SINGLE模式下，测量不同脉冲宽度下的重复性，用相对标准偏差进行表征。从表3数据中可以看出，随着脉冲宽度的增加，其短期重复性增加，脉冲宽度为5 ms时，相对标准偏差为4.04%；当脉冲宽度位于8～100 ms时，相对标准偏差小于0.42%，当脉冲宽度大于100 ms时，相对标准偏差小于0.06%。

对SINGLE模式下波形的宽度进行6个月的监测。从图 5可以获得，2～10 ms的脉冲宽度相对标准偏差在3%～3.5%；10～160 ms内的相对标准偏差在1%～3%；脉冲宽度设置在160 ms以上，具有0.6%～1%的相对标准偏差。

表3 不同脉冲宽度的短期重复性Table 3 Short term repeatability of different pulse widths

2.3.3波形分析

上升沿时间和下降沿时间与脉冲宽度的比值定义为上升沿与下降沿时间占比，测量结果如图6所示。2种模式波形的共有特点都是随着脉冲宽度增加，上升沿与下降沿时间占比减少，说明Tplateau时间内波形逐渐平稳。N-SINGLE模式相对SINGLE模式，在脉冲宽度小于20 ms时，具有更大的占比，脉冲宽度大于20 ms时，两者的占比相同，均小于5%。

图5 不同脉冲宽度长期稳定性Fig.5 The stability of different pulse widths

图6 不同脉冲宽度的上升沿和下降沿时间占比Fig.6 Proportion of rising and falling time of different pulse widths

无论是SINGLE模式还是N-SINGLE模式，脉冲宽度设置在10 ms以下时不具有明显的Tplateau，上升沿与下降沿时间具有较大的占比。上升沿与下降沿时间占比随着脉冲宽度的增大而逐渐减小，说明Tplateau逐渐明显，具有稳定的最高幅度，如图7所示。

3 空气比释动能率测量

电离室是一种绝对测量仪器，准确性高，稳定性好。考虑到电离室可测量的剂量率范围，选择型号为TW23361电离室进行测量，搭配UNIDOS webline进行信号收集和处理。电离室收集体积为30 cm3，能量响应小于4.3%(40 keV～60Co)，校准系数为9.235×105Gy/C(在参考X辐射场N60辐射质条件下进行校准)。电离室的离子收集时间为1.3 ms，则当2个脉冲时间间隔大于1.3 ms时，电离室可将前一个脉冲信号完全收集。测量过程中通过激光定位和定位平台将电离室位置调整，使得其中心位置位于射束中心轴上，且距离光管中心1 m，电离室灵敏体积完全被均匀辐射场覆盖,如图8所示。

图7 不同脉冲宽度的波形Fig.7 Waveforms of different pulse widths

图8 脉冲X参考辐射场剂量率测量示意Fig.8 Schematic diagram of dose rate measurement of pulse X reference radiation field

普通X射线辐射场由于可设置较长曝光时间，在达到稳定后直接读取剂量率值，为了测量结果更加准确，减少偶然误差，常使用多次测量求平均值的方法表征辐射场剂量率。脉冲辐射场由于脉冲宽度的限制，测量时间有限，无法通过常规辐射场的方法来测量剂量率。但与常规X射线辐射场相比，上升沿时间和下降沿时间小很多，相同曝光时间内脉冲辐射场的Tplateau占比更大，因此可通过不同脉冲宽度范围内的Tplateau来对不同脉冲宽度范围的脉冲辐射场定值。

3.1 SINGLE模式空气比释动能率测量

空气比释动能率与电离电流关系为：

(1)

式中：kT,P为温度气压修正；ksca为散射修正。电离室的响应时间小于脉冲周期，则认为电离电荷被完全收集。电离电流Iion通过累计电荷与脉冲周期之间的比值进行计算。

根据脉冲宽度大小分4段进行考虑，分别为2～10、25～160、250～630和1 000～2 500 ms。首先测量不同脉冲宽度下的累计电荷并对数据进行线性拟合(如图9所示)，每个拟合公式的决定系数R2>0.999。斜率代表单位脉冲宽度的电离电流，对应的电离电流值分别为3.01、3.48、3.48和3.47 pC/ms，将电离电流代入式(1)即可得到空气比释动能率，如表4所示。

图9 不同脉冲宽度与累计电荷的关系Fig.9 The relationship between the accumulated charged with the pulse width

表4 SINGLE模式下不同脉冲宽度的空气比释动能率

从表4看出，脉冲宽度小于10 ms的单个脉冲产生的剂量率值与脉冲宽度大于10 ms时的剂量率值相比具有13.4%((3.21-2.78)/3.21=13.4%)的差异，造成这种差异的原因，可能是在10 ms以下时，产生的脉冲上升沿和下降沿时间占比高，造成Tplateau占比少。同时可证明在脉冲宽度设置大于10 ms时，电离室可产生稳定的电离电流，进而实现对脉冲X射线剂量率的测量。

使用电离室在普通场中测量空气比释动能率与在SINGLE模式中的唯一区别为曝光时间，基本方法相同；在满足能量响应的条件下，电离室校准系数大小的决定因素主要为电离室本身，因此普通场中电离室校准系数可以直接在SINGLE模式下使用。脉冲宽度在10 ms及以下时电离电流最小，宽度在10 ms以上的3种脉冲宽度范围的电离电流均增大且趋于稳定，出现这种差异的原因为：脉冲宽度小，造成电离室测量电荷的统计涨落较大。10 ms以上的脉冲宽度能使电离室产生稳定的电离电流值，即该模式下设置相同管电流与管电压，脉冲宽度大于10 ms时，脉冲X射线可产生稳定的空气比释动能率。

3.2 N-SINGLE模式空气比释动能率测量

由于N-SINGLE模式产生的X射线具有一定占空比，为实现该模式下剂量率的准确测量，减小由于多个因素导致的偏差，采用测量多个脉冲的累计电荷方法，利用平均值来表征单一脉冲产生的电离电流。

在相同管电压和管电流条件下，保持脉冲宽度不变，设置不同脉冲个数，理论上每个脉冲的累计电荷之和为曝光时间内的总累计电荷为：

(2)

式中：Q为在曝光时间内电离室收集的总电荷量；N为曝光时间内的脉冲个数，即N=f·t,f为频率，t为曝光时间；qi为电离室收集到的第i个脉冲的电荷量。

由表4和表5可知，脉冲宽度在2～10 ms内的N-SINGLE模式空气比释动能率相对SINGLE模式相对偏差为10.9%((3.12-2.78)/3.12=10.9%)，主要原因是在这2种模式下，上升沿和下降沿时间占比最大偏差为10%；10 ms以上相对偏差为5%，主要是由光机的长期稳定性导致的(2次测量在不同日期完成)，在20～40 ms内时，长期稳定性最大偏差为2%，同时考虑到测量点定位等因素，2次测量值在可接受范围内。

图10 N-SINGLE模式下累计电荷和脉冲个数的关系Fig.10 The cumulative charge of the number of pulses in N-SINGLE mode

表5 N-SINGLE模式不同曝光时间内的剂量率

4 结论

1)在管电压设置为100 kV时，实际测量电压和预设电压相对偏差为0.19%。

2)脉冲辐射场在水平方向存在足跟效应，导致1 m处水平方向均匀野最大直径为5.0 cm，竖直方向均匀野最大直径为20.0 cm。

3)利用PIN型二极管在SINGLE和N-SINGLE模式下对脉冲波形进行分析和研究。利用标准电离室对2种模式下，不同脉冲宽度的剂量率进行了测量。在SINGLE模式下，2～10 ms时剂量率为2.78 mGy/s、10 ms以上为3.21 mGy/s；在N-SINGLE模式下，2～10 ms为3.12 mGy/s、20～40 ms为3.05 mGy/s。

本研究中空气比释动能率的差异主要是由2种模式下产生的波形差异和光机的稳定性造成的，而对于脉冲宽度小于10 ms时，波形发生严重畸变，对该研究中使用的方法有较大影响，需进一步改进测量方法。