常用辐射防护仪器电路时间常数的研究

欧向明

为了贯彻落实《放射诊疗管理规定》的有关规定，加强放射诊疗工作的管理保证医疗质量和医疗安全，保障放射诊疗工作人员、患者和公众的健康权益，多年来在对医用诊断X射线机等放射工作场所及周围环境辐射水平进行监测时，辐射防护剂量/剂量率仪和巡测仪已被广泛应用在辐射防护的监测工作中，成为评价电离辐射场所是否安全的定量基础[1]。据统计我国各省市监测机构目前使用的防护仪约有数千台，其中绝大多数属于电离室型防护仪（以下统称防护仪）。我们发现在辐射防护监测实际工作中，由于有的监测机构的工作人员对电离室型防护仪的性能和测量电路原理不熟悉，不了解仪器的电路时间常数，而错误地使用上述防护仪检测医用诊断X射线摄影（拍片）时的防护、甚至直接测量拍片时X射线管的输出剂量。这样，防护仪的电路响应时间跟随不上致使测量值很低，造成评价结果产生了较大的不确定度，这种现象应引起相关工作人员的足够重视。

目前辐射防护监测机构常用的防护仪主要包括以下几种∶（1）我国早期研制的以测量照射量率为代表的XS及WF系列；（2）以测量空气吸收剂量率为代表的FJ-347A；（3）以测量剂量当量为代表的450P-SI；（4）以近期美国进口的测量周围剂量当量为代表的451P-DE-SI。这些防护仪都具有电离室型探测器及高输入阻抗的核电子学前置放大电路，下面分别分析它们的响应时间。

1 电离室型探测器的响应时间

电离室是辐射防护领域中问世最早、应用最广的一种探测器，常压由高压电极、收集电极及包含一定气体体积的电离室壁等三部分构成，按照电离室内是否充有高压气体，通常被分为常压和加压两类探测器。它们的工作原理是一样的，当射线入射到电离室的灵敏体积中，在电极或室壁上打出次级电子（光电子和康普顿电子），次级电子使气体产生电离，生成正负离子对[2]。在加上极化电压的两个电极电场的作用下，正离子和电子所呈现的正电荷向阴极的漂移和负电荷向阳极方向漂移，在外电路中收集成微弱的本征电离电流。

在漂移过程中的电子和正离子在两极电场作用下被加速，使飞行时间较短，其结果在宏观上表现为防护仪的电离室响应时间仅在微秒的量级。

2 防护仪的电路的响应时间

2.1 前置放大电路原理

按照电离室探测器的灵敏体积、及辐射防护水平的入射粒子流强度计算，由防护仪探测器所产生的电离电流强度在10-11至10-13安培之间。一般的电流—电压转换电路无法测量这种很微弱的电流信号，因此防护仪必须使用高输入阻抗的前置放大电路（1013Ω），配合高阻值的负反馈电阻（109～1012Ω），才能保证信号不丢失并被有效放大，实现累积剂量或剂量率的测量[3]。常见防护仪的前置放大电路原理图如图一所示∶电离室输出的us微弱信号经保护电阻Ra接入高输入阻抗的前置放大器PA进行放大，累积剂量的测量Cf为反馈电容、或剂量率的测量Rf 为高阻值反馈电阻，Rp为前置放大器的平衡电阻；电离室等效电容为Cd，电离室阻抗为Rd，放大线路的杂散电容为Cz，经电流—电压转换后的信号以uc(t)表示。

图1 常见防护仪的前置放大电路原理图

2.2 等效电路分析

图2 合成后的防护仪等效电路

以防护仪测量累积剂量时为例，经对图一中的电阻、电容进行合成可知，合成后的等效电阻R的大小约等于高阻值负反馈电阻Rf，等效电容很小（约几十微微法拉）用C表示，那么合成后的防护仪前置放大器的等效电路如图二所示[4]。

从等效电路图二可以看出防护仪的前置电路的实质可以等效为积分电路，即电离室探测器接收辐射后产生的电离电流is(t)，经高输入阻抗（R）的前置放大器PA进行放大并对电容C充电，电容C上的电压值uc(t)近似地正比于输入电压us对时间的积分。电容C上的电压值uc为电离电流is(t)随时间的积分，其函数表达式为∶

或表示为e指数函数为∶

2.3 防护仪的时间常数

按照经典的电子学理论，对于RC电路的时间常数为等效电阻R与等效电容C的乘积，用τ表示∶τ = R ×C。

时间常数在电子线路中是一个很重要的参数，用来表征过渡过程的长短。τ越大则过渡过程时间越长，反之就短。若R的单位为欧姆，C的单位为法拉，则τ的单位为秒。对于防护仪的等效电路图二，电容C上的电压值uc随时间按指数规律上升。一个τ的时间截止时，电容C上的电压值uc约等于输入信号电压us的63.2%， 时间常数越大，则防护仪的响应就越慢，反之则越快。防护仪的响应时间与τ的对应关系曲线见图3。

图3 防护仪的响应时间与τ的对应关系曲线

τ可以从uc的变化曲线上求得。从曲线上任选一点起算，每经过t =τ秒的时间，电流或电压就变化了起算值与稳态值之差的63.2%，即尚余36.8% 需要在以后过程中完成。或者可在起算点“0”做指数曲线的切线，此切线与稳态值坐标线us的交点a与起算点之间的时间坐标差即为时间常数。相对于常用 防护仪的时间常数τ来说∶取测量电路的等效电阻R为欧姆、等效电容C为法拉，则∶

核电子学理论一般认为，仪器电路从电离室探测器接收到稳定的信号us，需经过5倍的时间常数（5τ）的时间，放大电路的过渡过程才能趋于结束。防护仪的读数值从检测到信号逐步开始上升，大约需要5s的才能接近100%的响应读数值。

2.4 防护仪响应时间的综合分析

对于一台经过充分预热后的防护仪响应时间来说，一方面影响主要来自高输入阻抗的前置放大电路，而电离室探测器的响应时间仅在微秒的量级可忽略不计。另一方面防护仪的量程一般探测下限10-2μSv/h至最大量程102m Sv/h，所对应的电路等效高阻值也从高到低、时间常数由大到小，表现为实际监测中，被测量的辐射剂量水平越低、防护仪的量程约低、响应时间越长。以目前辐射防护监测机构常用的451P型防护仪为例，笔者查阅了美国FLUKE公司生产的451P-DE-SI巡测仪相关指标参数。在说明书中的“响应时间”一项，有如下使用注意事项“对于满刻度阶跃上升，从读数10%到90%的模拟响应时间取决于操作量程”，在不同本底辐射照射量率下的阶跃上升响应时间为表1∶

表1 不同本底的阶跃上升响应时间

表2显示在量程不变时，测量照射量率阶跃上升（或下降）从终值的10%到90%各量程所用的响应时间∶

4 结论

对于医用诊断X射线机透视时的漏射线防护检查，只要能保证加载的X射线束持续时间超过5 s，防护仪的响应时间是足够的。

表2 同一量程时的阶跃上升响应时间

由于医用诊断X射线机拍片时的曝光时间较短，在分析了电离室型防护仪的时间常数等性能后我们知道，若使用它检测拍片时的防护、或者测量X射线管的输出剂量，防护仪的时间响应远远跟随不上拍片的曝光时间致使测量值很低。这造成评价结果低于实际辐射危害，这是违背辐射防护应尽可能“偏安全”原则的。另一方面由于防护仪探测下限灵敏度的限制，实际检测中很难测量出防护条件较好的、环境辐射水平的X射线机房漏射线剂量。

笔者建议使用能量响应较好的固态传感器型剂量仪，来检测医用诊断X射线机的漏射线，一方面探测下限可满足环境辐射水平的测量，同时剂量仪的时间常数较小，仪器的响应时间可满足毫秒量级的检测。对于开展质量控制（QC）和质量保证(QA)时医用诊断X射线机输出量的测量，则应该使用专门的诊断X射线剂量仪[5]，此类仪器一般选择专用的半导体材料做为探测器，仪器的能量响应及电路时间常数等指标，完全可以满足质控检测工作的需求。

[1]中华人民共和国卫生部令第46号.放射诊疗管理规定[M].北京∶人民卫生出版社，2006∶6-9.

[2]李星洪.辐射防护基础[M].北京∶原子能出版社[M]. 1982∶17-19.

[3]F.H.阿蒂克斯等著，施学勤等译.辐射剂量学（第二卷）[M]. 北京∶原子能出版社，1981∶45-66.

[4]秦世才，贾香鸾.模拟集成电子学[M].天津∶天津科学技术出版社，1996∶122-130.

[5]赵士庵，欧向明.RD-98智能型诊断X射线剂量仪的研制[J].中华放射医学与防护杂志，2001，21(1)∶50-52.