40～125 kV脉冲X射线参考辐射场的建立

张晓乐, 黄建微, 李德红, 成建波,杨 扬, 曹 蕾,3, 赵 瑞

(1.兰州大学,甘肃 兰州 730000；2.中国计量科学研究院,北京 100029；3.北京师范大学,北京 100011)

1 引 言

目前,德国物理技术研究院(PTB)建立了包括N系列和RQR系列辐射质在内的脉冲X射线辐射场[1],并开展了剂量仪表的量传和相关科研工作[2]。中国辐射防护研究院提出建立用于防护仪表研发与量传相关工作的脉冲X射线辐射装置,中国原子能科学研究院开展了用于测量脉冲X射线的电离室的研制[3,4]。

曝光时间在毫秒级的脉冲X射线主要用于放射诊断、射线探伤、安全检查等领域[5]；公众接触到的X射线主要在医学诊断、安检等领域,典型脉冲X射线辐射曝光时间1 ms～1 s之间[6]。为确保设备周边人员的辐射安全,在上述设备使用过程中,大多使用主动式辐射剂量仪监测其辐射剂量率,以评估射线装置的辐射安全性；但由于剂量仪在探测射线过程中需要一定的响应时间[7],因此导致测量显示值往往与脉冲辐射的实际剂量率存在较大的差异[8]。随着脉冲射线装置的使用量日益增加[9],用于测量脉冲或准脉冲辐射场剂量率的剂量仪表的时间响应和溯源问题亟待解决[10]；为此建立了模拟放射诊断、射线探伤、安全检查等脉冲X射线条件的参考辐射场[11],用于该类剂量仪表的时间响应修正和溯源。

2 测量设备

使用带有旋转阳极靶的医用诊断X射线管,用于产生曝光时间可调的X射线,其阳极靶材是钨铼合金,靶角为11°。热电子在距离出射口一定距离处沿平行于中心轴的方向轰击阳极靶,通过韧致辐射产生焦点直径不同的X射线[12],其中大焦点直径约1 mm,小焦点直径约0.6 mm。高压发生器是脉冲X射线参考辐射场的重要装置,用于调控X射线光管产生不同模式、不同频率、不同能量等参数的脉冲X射线,使得X射线的曝光时间在一定范围内可调[13]。

常用医用X射线诊断剂量质控设备(除乳腺X射线诊断之外)溯源所使用的电压范围为40～125 kV。因此,建立的脉冲X参考辐射场主要参数为：最大运行功率80 kW；输出电压范围40～125 kV；输出电流范围10～800 mA；脉冲频率0.5～90 Hz；曝光时间最小为1 ms,最大为6.3 s。其它硬件包括：导轨和载物台、光学平台、滤波盘等,其结构如图1所示。

图1 脉冲X射线参考辐射场示意图Fig.1 The sketch map of reference radiation field for pulsed X-ray

为准确测量脉冲曝光时间,搭建了由脉冲时间测试模块和示波器组成的脉冲时间测量系统,其中时间测试模块主要包括Si-PIN二极管和快速放大电路。硅光二极管的光谱响应范围为340～1 100 nm,光灵敏度约为0.66 A/W,最大暗电流约为6 nA,截止频率为40 MHz；其受到X射线照射后产生电信号,经快速放大电路输出,从而直接在示波器上显示脉冲信号。

3 辐射场参数及测量方法

3.1 管电压

分别采用介入与非介入的方法测量X射线光管的工作电压[14]：介入测量时将示波器直接与高压发生器的电压测量引脚相连接,通过示波器直接观测射线产生时的X射线光管工作电压；使用RaySafe X2和R/F Sensor进行非介入测量,将探测器放置在距离焦点1 m处位置,可直接显示出X射线光管发出射线时的电压参数。

3.2 辐射场均匀性

辐射场的均匀性测量拟采用矩阵电离室,对距离焦点不同距离处(70、80、90、100、110 cm)的相对剂量进行比较得到。

3.3 脉冲参数

产生X射线的模式有两种,分别是栅控模式和普通模式。栅控模式又分“脉冲(PULSE)”和“连续(CONTINUOUS)”(以下简称PULSE和CONTINUOUS)两种模式；普通模式分为“非-单脉冲(N-SINGLE)”和“单脉冲(SINGLE)”两种模式(以下简称N-SINGLE和SINGLE)。为得到不同模式下脉冲宽度、上升沿和下降沿时间。依据ISO 18090.1—2015国际标准,所产生的脉冲X射线的等效梯形脉冲及其参数如图2所示[15]。

图2 等效梯形脉冲及其参数Fig.2 The equivalent trapezoidal pulse and the parameters of it

图2中,Amplitude表示等效梯形脉冲空气比释动能率最小值与最大值之间的幅度；Tplateau表示等效梯形脉冲空气比释动能率达到最大值时持续的时间；Tpulse表示等效梯形脉冲空气比释动能率值达到其最大值50%的第一个时刻与最后一个时刻之间的时间间隔；Tbase表示等效梯形脉冲空气比释动能率偏离基线的第一和最后时刻之间的时间间隔；Trise表示等效梯形脉冲上升过程中空气比释动能率值从其最大值的20%到80%的时刻之间的时间间隔；Tfall表示等效梯形脉冲下降过程中空气比释动能率值从其最大值的80%到20%的时刻之间的时间间隔。

4 测量结果

4.1 管电压测量结果

在工作电压40～125 kV范围内电压介入式和非介入式的相对标准偏差基本一致,在此仅以测量X射线光机固有过滤时的电压值60 kV为例,给出PULSE、CONTINUOUS、N-SINGLE和SINGLE等4种工作模式下的管电压测量结果,如表1所示。

表1 不同模式条件下的管电压测量结果Tab.1 The result of the tube voltage in different models

可以看出,在不同模式下测得的X射线光管工作电压值与预设电压值的相对标准偏差均在±1.5%以内,表明本项目所建立的脉冲X射线参考辐射场的工作电压具有较好的稳定性。

4.2 辐射野均匀性测量结果

在距离焦点分别为70、80、90、100和110 cm位置处,垂直于射线束方向,测量无附加过滤条件下的辐射场剂量率,并以中心点位置处的剂量率测量结果作为归一点进行比较,辐射场相对剂量率的测量结果如图3、图4所示。

图3 竖直方向辐射野均匀性Fig.3 The uniformity of radiation field in the vertical

图4 水平方向辐射野均匀性Fig.4 The uniformity of radiation field in the in the horizontal

可以看出无附加过滤时,辐射野水平方向出现因“足跟”效应导致的射野不对称现象[16],表明了辐射野测量方法的可靠性；此外,还可以看出不同距离处的中心点归一值相同,表明了射线束方向与导轨定位系统平行。基于该参考辐射场,可进一步建立符合ISO或者IEC标准的辐射质[17]。

4.3 脉冲参数测量结果

使用脉冲时间测试模块,分别在PULSE、CONTINUOUS、N-SINGLE和SINGLE等4种工作模式下,预设脉冲宽度Tset条件下该辐射场X射线的脉冲宽度Tpulse、上升沿Trise和下降沿Tfall时间分别如表2,表3及表4所示。

表2中的实测脉宽是指相应条件下多次测量值的算术平均值,实测脉宽的相对标准偏差η计算方法如下：

(1)

式中：n为测量次数；Ti为第i次实际测量值；Tpulse为n次实际测量值的平均值。

实测脉宽的平均值(实测值)与预设脉冲宽度(预设值)的相对偏差σ可表示为：

(2)

表2和表3的结果表明：PULSE模式、N-SINGLE模式、SINGLE模式下预设脉冲宽度(以下简称“脉宽”)Tset与实测脉宽Tpulse的相对偏差随着预设脉宽变长,相对偏差变小,预设脉宽Tset在10 ms以上时,实测脉宽Tpulse的相对偏差在±2%以内；而CONTINUOUS模式下,实测脉宽Tpulse的相对偏差较大,重复性在1%左右,并且其可以设置的曝光时间(脉冲宽度)最小为1 s,无法提供主动式仪表毫秒级响应的脉冲宽度范围。因此在脉冲辐射条件下开展剂量仪表的检测过程中,建议以PULSE模式、N-SINGE模式或SINGLE模式下产生的脉冲射线作为推荐测试条件。在相同条件下测试其重复性,重复性(实测相对标准偏差)好于1%。脉冲宽度设置为5 ms以下时,实测宽度相对偏差较大,但其脉冲宽度已经具有较好的重复性,基本具备了为单脉冲剂量(宽度为1 ms～6.3 s)定值的条件,为主动式仪表检测提供了稳定的工作状态。

表2 PULSE和CONTINUOUS模式脉冲宽度Tpulse测量结果Table.2 The pulse width “Tpulse” of PULSE and CONYINUOUS model

表3 N-SONGLE和SINGLE模式脉冲宽度Tpulse测量结果Tab.3 The pulse width “Tpulse” of N-SINGLE and SINGLE model

表4 脉冲上升沿时间和下降沿时间测量结果Fig.4 The measurement of pulse rise time and pulse fall time ms

通过表4可以看出：PULSE模式下上升沿时间Trise比下降沿时间Tfall长,N-SINGLE和SINGLE模式下的上升沿时间Trise均比下降沿时间Tfall短。其中PULSE模式下的上升沿时间小于0.1 ms,下降沿时间小于0.05 ms；普通模式(N-SINGLE和SINGLE)上升沿时间Trise均小于0.4 ms,下降沿时间Tfall小于0.5 ms。因此,PULSE模式相比普通模式具有更快的上升沿和下降沿时间,更有利于针对主动式剂量仪表的检测。

5 结 论

本研究所建立X射线参考辐射场的管电压、辐射野均匀性的统计结果表明该参考辐射场已经具备了常规参考辐射场一系列的稳定参数；脉冲曝光时间(脉宽)、上升沿时间和下降沿时间的测量和比较、脉冲重复性的结果表明脉宽在1 ms～6.3 s的条件下所建立的辐射场的参考脉冲满足了稳定、连续可调、准确测量的要求。所以40～125kV脉冲X射线参考辐射场可用于主动式剂量监测设备的时间响应修正和剂量溯源。