50～120 kV脉冲X射线参考辐射场建立及剂量率测量

郝光辉,张晓乐,徐 坠,李德红,黄建微,成建波,万琳健

(中国计量科学研究院,北京 100029)

相较于传统的X射线,脉冲X射线剂量率高、脉冲宽度窄,可以实现高累积剂量的瞬时辐照。如今各类不同脉冲宽度的脉冲X射线应用范围愈发广泛,其中以毫秒级脉冲X射线应用最广,主要用于放疗诊断、射线探伤、人员及物品检测等领域[1]。

脉冲X射线的特性,导致剂量监测常用仪表出现响应时间不足等问题,从而无法直接且准确地监测脉冲剂量率[2-5]。为确保研究、应用过程中的量值准确和人员安全,X射线的计量学也同步发展,以对相关工作场所的辐射剂量和相关人员的个人剂量进行监测。在2012年,德国联邦物理技术研究院(PTB)率先建立了脉冲X射线参考辐射场[6],并利用该参考场实现了对剂量仪的校准[7]。国内还没有相应测量与校准能力的参考辐射场,亟待建立以解决在医疗诊断、安检、科研等领域脉冲X射线剂量(率)值的准确监测及仪表的量值溯源问题[4]。因此,本研究建立脉冲X射线参考辐射场,脉冲X射线参考波形,同时确定辐射场的参考剂量率范围,以满足国内医疗、安检等脉冲辐射场所对剂量监测仪表准确溯源的需求。

1 脉冲X射线参考辐射场装置

本研究建立的脉冲X射线参考辐射场主要由脉冲X射线发生装置、调节装置、冷却装置组成,辐射场示意图示于图1。其中,脉冲X射线发生装置包括脉冲X光机和高压发生器,通过调节高压发生器相关参数,实现对X射线管栅极的控制,以产生不同模式、脉冲宽度、频率的电子束,与钨铼合金旋转阳极靶材料作用,放出X射线。该光机有两种工作模式,“栅控”和“普通”模式,“栅控”包括脉冲式输出(PULSE)和连续式输出(CONTINUOUS)两种,“普通”包括多脉冲输出(N-SINGLE)和单脉冲输出(SINGLE),相关参数列于表1。

表1 脉冲X光机工作模式及相关参数Table 1 Working modes and relevant parameters of pulsed X-ray tube

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

调节装置包括滤波盘、光阑、校准平台及激光定位系统。滤波盘与附加过滤片为辐射场提供不同条件下的附加过滤。光阑分为两级,第一级材料为钨合金,孔直径2.3 cm,厚度2 mm,第二级材料为铅,入口直径2.5 cm,出口直径为4.5 cm,共同限制射线束流宽度。校准平台与激光定位系统用于调整被照射物位置,使其位于射线束流中心轴上。

冷却装置分为油冷和水冷两部分,组成双循环冷却系统,加强光机散热。

2 实验方法

2.1 脉冲X射线参考辐射场参数测量

2.1.1管电压、管电流稳定性 管电压和管电流的稳定性关系到脉冲持续时间内输出剂量的稳定性,故需对该参量进行测量、对比,确保该辐射场稳定性满足相关标准要求。预设管电压60 kV,采用非介入式方法测量管电压稳定性:Unfors Raysafe半导体探测器可直接得到光机管电压。再利用介入式方法分别测量管电压、管电流,即将高压发生器测试点与示波器直接相连,得到光机实际管电压及管电流,并由公式(1)、公式(2)分别计算得出管电压、管电流的相对偏差ηU、ηI。

(1)

(2)

式中,U0、I0分别为预设管电压、管电流;Umean、Imean分别为实际管电压、管电流10次测量的平均值。

2.1.2剂量线性与重复性 辐射场的剂量线性指辐射场某一位置处一定时间内的累积剂量与脉冲宽度、管电流大小之间的线性关系。在管电压60 kV、无附加过滤条件下,距光机焦点1 m处,使用热释光(TLD)、光释光(OSLD)进行辐射场剂量线性实验,TLD和OSLD均在中国计量院测试和校准,分散性分别在4.3%和5%,满足实验条件。

2.1.3脉冲波形参数 脉冲波形参数是脉冲辐射场区别于连续场特殊的关键参数。ISO/TS 18090中明确定义了脉冲参考波形,即等效梯形脉冲,如图2所示,图中脉冲基宽Tbase指等效梯形脉冲瞬时空气比释动能值偏离零的第一和最后时刻之间的时间间隔,脉冲平台时间Tplateau指等效梯形脉冲幅度稳定在最大值的持续时间,脉冲宽度Tpulse指等效梯形脉冲强度达到其最大值50%的第一个时刻t1与最后一个时刻t2之间的时间间隔,上升沿时间Trise指脉冲幅度从最大值的20%上升至80%所需的时间,下降沿时间Tfall指脉冲幅度从最大值的80%下降至20%所需的时间[8]。理想情况下Trise、Tfall与Tpulse相比均可忽略,此时脉冲波形可近似为方波,认为在整个脉冲基宽内剂量率稳定。

图2 等效梯形脉冲Fig.2 Equivalent trapezoidal pulse

波形实验所用脉冲时间测量系统主要由高灵敏度的硅光电二极管、放大器、示波器组成,电源独立供电,使用三同轴电缆连接放大模块和示波器,其结构示意图示于图3。辐射场中的光子经过硅光电二极管,与其内介质相互作用放出电子-空穴对,受电场作用向极板漂移,在极板上产生感应电荷并由电容收集而形成电压脉冲信号,经放大后由示波器接收并显示波形。该时间测量系统具有μs量级的响应时间,能够满足该ms级辐射场脉冲的测量需求,同时硅光电二极管的灵敏面积远小于该位置处99%均匀野,避免了大量散射带来的影响。

图3 脉冲时间测量系统结构图Fig.3 Structure diagram of pulse time measurement system

调节光机处于SINGLE模式,在避光条件下,利用该脉冲时间测量系统开展不同管电压、管电流等条件下的脉冲宽度、脉冲幅度、脉冲波形有效性研究。

(1) 脉冲宽度。分别预设不同的管电压、管电流和脉冲宽度,利用上述测量系统对辐射场1 m处的X射线实际脉冲波形宽度Tpulse进行测量。

(2) 脉冲幅度。对于小宽度脉冲,其Trise和Tfall在整个脉冲周期内会占有明显比重,导致脉冲波形产生畸变,影响脉冲幅度大小,故在辐射场1 m处进行不同脉冲宽度下的脉冲幅度测量实验,研究辐射场可输出稳定幅度的脉冲宽度范围。

(3) 脉冲波形的有效性。ISO/TS 18090中规定,参考辐射脉冲波形的表征需要脉冲的高压时变、空气比释动能率时变等特性均满足一定要求。

① 脉冲的时变高压特性

根据公式(3),脉冲的高压时变指在脉冲平台时间Tplateau内管电压的标准偏差,即高压纹波Uripple,可表征脉冲峰值的稳定性,ISO 18090要求该高压纹波Uripple不应超过0.07。在管电压60 kV,管电流20 mA条件下,利用脉冲时间测量系统获得1～1 000 ms不同脉冲宽度的脉冲波形,在各脉冲的Tplateau内分别按时间均匀选取50个幅值作为管电压峰值序列,根据公式(3)计算得到高压纹波。

(3)

式中,npeak为测量次数,Ui为按时间均匀获取的管电压序列,Upeak,mean为管电压序列平均值。

② 脉冲的时变空气比释动能率特性

根据公式(4)将上升沿、下降沿时间与脉冲宽度的比值之和定义为上升沿与下降沿时间占比ηslope,根据ISO/TS 18090的相关要求,该占比不得超过60%,据此进一步分析Trise和Tfall在不同实验条件下对脉冲波形的影响以及该辐射场输出脉冲波形的参考能力。在不同管电压、管电流条件下,利用脉冲时间测量系统测量不同宽度脉冲的ηslope。

(4)

2.1.4辐射野均匀性 ISO/TS 18090指出:辐射野均匀性能直观反映出辐射场内的剂量空间分布情况,也是辐射场的重要参数之一。为研究该辐射场中距焦点1 m处的均匀性,获得该位置的辐射野尺寸,使用灵敏体积1 cm3的标准电离室PTW 30015,在1 m位置处分别沿水平、竖直激光线以5 mm为间隔进行步进扫描,以辐射野中心轴处为坐标原点,经归一处理后获得辐射场1 m处的剂量分布曲线。根据公式(5)及图中曲线可得到相对剂量变化在一定范围内的辐射野尺寸。式中,Nmax和Nmin为在一定相对变化范围内,归一化数值(即a点电荷测量值与中心点电荷测量值之比,Na=Qa/Q0)的最大值和最小值。

(5)

2.2 脉冲X射线参考辐射场剂量率测量

2.2.1光机固有过滤测量 采用半值层法测量固有过滤,即通过收集电荷量随吸收片厚度的变化曲线得到半值层,而后根据半值层与固有过滤的关系曲线求得X光机固有过滤。实验时使用电离室PTW 23361以及配套UNIDOS静电计测量电离电荷,电离室置于距光机焦点1 m处,所用吸收片材料为99.99%纯度的铝,置于距光机焦点50 cm处,光机管电压设为60 kV,管电流设为100 mA,脉冲宽度设为2 s,工作模式为单脉冲输出(SINGLE),满足了稳定脉冲的要求。更换不同厚度的吸收片,测量X射线随吸收片厚度的衰减。

(6)

式中,Ka为辐射场内该点处的空气比释动能,Nk为电离室刻度系数,Q为脉冲累积电荷量,k为温度气压修正、散射修正等修正因子的乘积。

3 结果与讨论

3.1 脉冲X射线参考辐射场参数

3.1.1管电压、管电流稳定性 实验得到管电压、管电流稳定性测试结果分别列于表2、表3。可以看出,4种不同工作模式下,管电压的非介入式和介入式测量结果与预设值的相对偏差均在±1.5%以内,其中SINGLE模式的管电压偏差不超过±0.9%,满足ISO 4037对于管电压偏差不超过±1%的规定;管电流测量结果与预设值的相对偏差在1.0%～3.0%范围内,同样满足辐射场建立要求[10]。

表2 管电压稳定性测试结果Table 2 Tube voltage stability test results

表3 管电流稳定性测试结果Table 3 Tube current stability test results

3.1.2剂量线性与重复性 剂量线性实验结果示于图4、图5。由图4、图5结果可知,TLD、OSLD分别测得的个人剂量当量均随脉冲宽度的增大而增大,随管电流升高而增大,辐射场剂量与脉冲宽度、管电流均呈现出较好的线性关系,说明通过改变光机的管电流、脉冲宽度,可以实现对辐射场剂量的精确控制;而随着脉冲宽度、管电流的增大,TLD、OSLD测得的个人剂量当量值出现明显差异,这主要是由于短脉冲、高剂量率的辐照条件超过了OSLD剂量率响应范围的限制[9,11],而TLD在28.5 keV～6 MeV能量范围内能量响应偏差均在5%以内[11-12],因此更适用于该脉冲辐射场的剂量测量,量值更为准确。

图4 管电流50 mA时TLD、OSLD的累积剂量与脉冲宽度的关系曲线Fig.4 Relation curve between accumulated doses of TLD and OSLD and pulse width at 50 mA tube current

图5 脉冲宽度1 000 ms时TLD、OSLD的累积剂量与管电流的关系曲线Fig.5 Relation curve between accumulated doses of TLD and OSLD and tube current at 1 000 ms pulse width

辐射场的剂量重复性,指不同宽度单脉冲的剂量值一致性。在光机SINGLE模式、管电压60 kV条件下,使用灵敏体积30 cm3的圆柱形标准电离室PTW 23361对1 m处不同脉冲宽度的剂量值进行多次测量,得到剂量值相对标准偏差与脉冲宽度的关系曲线示于图6。由图6可知,随脉冲宽度增大,测得剂量值的相对标准偏差逐渐减小,脉冲宽度<100 ms时,剂量重复性在1%～4%范围内,而在100～2 500 ms脉冲宽度范围内,剂量重复性好于1%。

a——1～100 ms;b——100～2 500 ms图6 不同脉冲宽度的剂量值相对标准偏差Fig.6 Relative standard deviations of dose values for different pulse width

3.1.3脉冲波形参数

(1) 脉冲宽度

不同条件下脉冲宽度测试结果示于表4。对比不同实验条件下的结果,Tpulse的实测值与预设值均基本相当,相对偏差均≤±5%,而在宽度较大时,相对偏差可达到±1%以内,证明光机对输出脉冲宽度的控制足够精确;相对偏差随管电压增大而增大,随管电流增大而减小,随脉冲宽度增大而减小。

表4 不同条件下脉冲宽度测试结果Table 4 Pulse width test results under different conditions

(2) 脉冲幅度

脉冲幅度随脉冲宽度的变化示于图7。从图7结果可以看出,随管电压升高,脉冲宽度对幅度的影响逐渐降低;当脉冲宽度≥20 ms时,脉冲幅度基本稳定,不再随脉冲宽度明显变化,存在明显Tplateau;而脉冲宽度<20 ms时,脉冲幅度明显低于稳定值,波形先上升后下降,无明显Tplateau(图8)。因此,为输出幅度稳定的脉冲,该参考辐射场的脉冲宽度需≥20 ms。

图7 脉冲幅度随脉冲宽度的变化曲线Fig.7 Curve of pulse amplitude versus pulse width

图8 脉冲宽度2 ms的波形图Fig.8 Waveform with pulse width of 2 ms

(3) 脉冲波形的有效性

不同脉冲宽度条件下的Uripple结果示于图9。由图9可以看出,在Tpulse≥1 ms范围内,其脉冲波形的高压纹波均可满足ISO/TS 18090要求,其中因1 ms脉冲波形畸变严重,无稳定的峰值平台,高压纹波较大,达到约0.06,其他宽度脉冲波形的高压纹波均稳定在0.04以内,说明该辐射场的输出脉冲峰值具有良好的稳定性。

图9 不同脉冲宽度条件下的UrippleFig.9 Uripple at different pulse widths

不同管电压、电流条件下的ηslope实验结果示于图10、图11。从图10、图11中可以看出,脉冲ηslope呈现如下变化趋势:保持管电压不变,管电流增大,同一宽度脉冲的ηslope会随之减小,保持管电流不变,管电压增大,同一宽度脉冲的ηslope会随之增大;但随着脉冲宽度增大,管电压、管电流的变化所带来的偏差会逐渐减小至0,脉冲ηslope本身也会逐渐减小并趋近于0。当脉冲宽度≥5 ms时,改变管电压、管电流均可满足ηslope≤60%的要求;当脉冲宽度≥20 ms时,在不同管电压、管电流条件下,ηslope均低于10%,脉冲Trise和Tfall对波形的影响可近似忽略,结合脉冲幅度和时变高压测试结果,此时脉冲峰值稳定且波形具有明显的Tplateau,波形可近似为方波,证明脉冲宽度≥20 ms时该辐射场输出脉冲能提供足够的波形参考能力。

图10 不同管电压条件下的ηslopeFig.10 ηslope at different tube voltages

图11 不同管电流条件下的ηslopeFig.11 ηslope at different tube currents

3.1.4辐射野均匀性 经归一处理后获得辐射场1 m处的剂量分布曲线示于图12。图12表明辐射场竖直方向的均匀性、对称性较好,而在水平方向上,曲线存在明显的斜率,即“足跟效应”,该效应与光机阳极靶的靶角有关,会对辐射场均匀性产生显著影响[13]。

图12 电离室扫场辐射野测量结果Fig.12 Measurement results of radiation field scanning with ionization chamber

ISO/TS 18090要求一定区域内单个脉冲产生的辐射场均匀性需不低于85%,该脉冲辐射场在距光机焦点1 m处,无任何附加过滤的情况下,水平方向85%均匀野直径约为14 cm,95%均匀野的直径约为5.5 cm,而竖直方向95%均匀野的直径可达20.0 cm。

3.2 脉冲X射线参考辐射场剂量率测量

3.2.1光机固有过滤 X射线随吸收片厚度的衰减曲线示于图13。无吸收片时,电离室实测收集电荷为3.475 nC,从曲线中可得第一半值层为1.66 mm Al,根据ISO 4037推荐的固有过滤与半值层关系曲线(图14),得到光机固有过滤为1.67 mm Al。

图13 X射线随吸收片厚度的衰减曲线Fig.13 Attenuation curve of X-ray with the thickness of absorber

图14 固有过滤与半值层关系曲线Fig.14 Relation curve between inherent filtration and HVL

3.2.2辐射场不同辐射质条件下的剂量率 X射线的显著特点之一是其能谱连续且低能部分占比大,而辐射剂量仪表自身对不同能量X射线的响应存在一定差异,大量低能射线会影响仪表的整体响应,故辐射场若要具备量值传递能力,需要建立准确的辐射质,过滤部分低能射线并使其能谱满足标准要求。ISO 4037规定了窄谱系列(简称N系列)辐射质建立所需达到的半值层、同质系数等参数要求,并推荐了对应的附加过滤,且IEC 61267中也阐述了诊断X射线RQR系列辐射质的建立要求[14],根据光机固有过滤和该脉冲辐射场进行N系列和RQR系列的辐射质搭建。该辐射场搭建的辐射质参数与推荐值对比结果列于表5～表6。ISO 4037要求相同条件下N系列辐射质的第一、第二半值层均应在推荐值的±5%以内,IEC 61267规定RQR系列辐射质的第一半值层与推荐值的偏差需在±0.1 mm Al以内,同质系数与推荐值的偏差需在±0.03以内,该辐射场的对应辐射质搭建均满足以上规范要求。

表5 N系列辐射质参数与推荐值对比Table 5 Comparison of N-series radiation quality parameters with recommended values

表6 RQR系列辐射质参数与推荐值对比Table 6 Comparison of RQR-series radiation quality parameters with recommended values

各辐射质脉冲剂量率实验结果列于表7。经实验,管电流50 mA条件下,脉冲辐射场1 m位置处N系列辐射质的空气比释动能率范围为0.068～0.264 mGy/s,RQR系列辐射质的空气比释动能率范围为1.52～5.66 mGy/s。剂量率的范围可通过调节距离和电流大小进行拓宽,最终可实现N系列辐射质和RQR系列辐射质的空气比释动能率范围分别约为0.002～10 mGy/s和0.03～250 mGy/s。

表7 各辐射质脉冲剂量率Table 7 Dose rates of pulses with different radiation qualities

4 结论

本项研究建立了50～120 kV脉冲X射线参考辐射场,利用基于自制信号放大模块组建的脉冲时间测量系统建立了该辐射场的参考脉冲辐射波形,并搭建了N系列、RQR系列辐射质,主要得到以下结论。

(1) 该脉冲X射线参考辐射场管电压范围为50～120 kV,脉冲宽度在1～6 300 ms范围内可调,60 kV的管电压实际值相对偏差不超过±1.5%,管电流实际值相对偏差在1.0%～3.0%范围内,且该辐射场脉冲剂量与管电流、脉冲宽度间线性较好,不同宽度脉冲的剂量重复性均不超过3%,满足参考辐射场建立要求。

(2) 无附加过滤条件下,在1 m处,该辐射场的85%均匀野直径约14 cm,95%均匀野直径约5.5 cm,输出脉冲的宽度实际值与预设值间相对偏差均在±5%以内,且不同宽度脉冲的高压纹波均在0.07以内,脉冲ηslope与管电压成正相关,与管电流、脉冲宽度成负相关,且随脉冲宽度增大,各管电压、管电流条件下的ηslope均逐渐趋于0,当脉冲宽度≥5 ms时,可满足ηslope≤60%,达到标准要求,而当脉冲宽度≥20 ms时,ηslope不超过10%,且可输出稳定的脉冲幅度,此时可认为该辐射场瞬时剂量率足够稳定,输出的脉冲辐射具备足够的参考能力。

(3) 利用标准电离室进行脉冲X射线不同辐射质条件下的剂量率测量,1 m处N系列辐射质的空气比释动能率范围为0.068～0.264 mGy/s,RQR系列辐射质的空气比释动能率范围为1.52～5.66 mGy/s,根据剂量率随距离的平方反比变化以及随管电流的线性变化,该辐射场N系列辐射质和RQR系列辐射质的空气比释动能率范围可分别扩大至约0.002～10 mGy/s和0.03～250 mGy/s,因此该辐射场剂量率覆盖范围较大,上限较高。

本研究建立的50～120 kV脉冲X射线参考辐射场达到了参考辐射场建立标准,已具备量值传递、溯源的能力,且该参考场剂量率范围大、上限高,可满足市面上多数辐射防护仪表的校准需求,可基于该脉冲参考场进行仪表量传研究,为脉冲辐射场所、个人剂量准确监测提供保障。