50～120 kV脈沖X射線參考輻射場建立及劑量率測量

郝光輝,張曉樂,徐 墜,李德紅,黃建微,成建波,萬琳健

(中國計量科學研究院,北京 100029)

相較于傳統的X射線,脈沖X射線劑量率高、脈沖寬度窄,可以實現高累積劑量的瞬時輻照。如今各類不同脈沖寬度的脈沖X射線應用范圍愈發廣泛,其中以毫秒級脈沖X射線應用最廣,主要用于放療診斷、射線探傷、人員及物品檢測等領域[1]。

脈沖X射線的特性,導致劑量監測常用儀表出現響應時間不足等問題,從而無法直接且準確地監測脈沖劑量率[2-5]。為確保研究、應用過程中的量值準確和人員安全,X射線的計量學也同步發展,以對相關工作場所的輻射劑量和相關人員的個人劑量進行監測。在2012年,德國聯邦物理技術研究院(PTB)率先建立了脈沖X射線參考輻射場[6],并利用該參考場實現了對劑量儀的校準[7]。國內還沒有相應測量與校準能力的參考輻射場,亟待建立以解決在醫療診斷、安檢、科研等領域脈沖X射線劑量(率)值的準確監測及儀表的量值溯源問題[4]。因此,本研究建立脈沖X射線參考輻射場,脈沖X射線參考波形,同時確定輻射場的參考劑量率范圍,以滿足國內醫療、安檢等脈沖輻射場所對劑量監測儀表準確溯源的需求。

1 脈沖X射線參考輻射場裝置

本研究建立的脈沖X射線參考輻射場主要由脈沖X射線發生裝置、調節裝置、冷卻裝置組成,輻射場示意圖示于圖1。其中,脈沖X射線發生裝置包括脈沖X光機和高壓發生器,通過調節高壓發生器相關參數,實現對X射線管柵極的控制,以產生不同模式、脈沖寬度、頻率的電子束,與鎢錸合金旋轉陽極靶材料作用,放出X射線。該光機有兩種工作模式,“柵控”和“普通”模式,“柵控”包括脈沖式輸出(PULSE)和連續式輸出(CONTINUOUS)兩種,“普通”包括多脈沖輸出(N-SINGLE)和單脈沖輸出(SINGLE),相關參數列于表1。

表1 脈沖X光機工作模式及相關參數Table 1 Working modes and relevant parameters of pulsed X-ray tube

圖1 脈沖X射線參考輻射場示意圖Fig.1 Diagram of pulsed X-ray reference radiation field

調節裝置包括濾波盤、光闌、校準平臺及激光定位系統。濾波盤與附加過濾片為輻射場提供不同條件下的附加過濾。光闌分為兩級,第一級材料為鎢合金,孔直徑2.3 cm,厚度2 mm,第二級材料為鉛,入口直徑2.5 cm,出口直徑為4.5 cm,共同限制射線束流寬度。校準平臺與激光定位系統用于調整被照射物位置,使其位于射線束流中心軸上。

冷卻裝置分為油冷和水冷兩部分,組成雙循環冷卻系統,加強光機散熱。

2 實驗方法

2.1 脈沖X射線參考輻射場參數測量

2.1.1管電壓、管電流穩定性 管電壓和管電流的穩定性關系到脈沖持續時間內輸出劑量的穩定性,故需對該參量進行測量、對比,確保該輻射場穩定性滿足相關標準要求。預設管電壓60 kV,采用非介入式方法測量管電壓穩定性:Unfors Raysafe半導體探測器可直接得到光機管電壓。再利用介入式方法分別測量管電壓、管電流,即將高壓發生器測試點與示波器直接相連,得到光機實際管電壓及管電流,并由公式(1)、公式(2)分別計算得出管電壓、管電流的相對偏差ηU、ηI。

(1)

(2)

式中,U0、I0分別為預設管電壓、管電流;Umean、Imean分別為實際管電壓、管電流10次測量的平均值。

2.1.2劑量線性與重復性 輻射場的劑量線性指輻射場某一位置處一定時間內的累積劑量與脈沖寬度、管電流大小之間的線性關系。在管電壓60 kV、無附加過濾條件下,距光機焦點1 m處,使用熱釋光(TLD)、光釋光(OSLD)進行輻射場劑量線性實驗,TLD和OSLD均在中國計量院測試和校準,分散性分別在4.3%和5%,滿足實驗條件。

2.1.3脈沖波形參數 脈沖波形參數是脈沖輻射場區別于連續場特殊的關鍵參數。ISO/TS 18090中明確定義了脈沖參考波形,即等效梯形脈沖,如圖2所示,圖中脈沖基寬Tbase指等效梯形脈沖瞬時空氣比釋動能值偏離零的第一和最后時刻之間的時間間隔,脈沖平臺時間Tplateau指等效梯形脈沖幅度穩定在最大值的持續時間,脈沖寬度Tpulse指等效梯形脈沖強度達到其最大值50%的第一個時刻t1與最后一個時刻t2之間的時間間隔,上升沿時間Trise指脈沖幅度從最大值的20%上升至80%所需的時間,下降沿時間Tfall指脈沖幅度從最大值的80%下降至20%所需的時間[8]。理想情況下Trise、Tfall與Tpulse相比均可忽略,此時脈沖波形可近似為方波,認為在整個脈沖基寬內劑量率穩定。

圖2 等效梯形脈沖Fig.2 Equivalent trapezoidal pulse

波形實驗所用脈沖時間測量系統主要由高靈敏度的硅光電二極管、放大器、示波器組成,電源獨立供電,使用三同軸電纜連接放大模塊和示波器,其結構示意圖示于圖3。輻射場中的光子經過硅光電二極管,與其內介質相互作用放出電子-空穴對,受電場作用向極板漂移,在極板上產生感應電荷并由電容收集而形成電壓脈沖信號,經放大后由示波器接收并顯示波形。該時間測量系統具有μs量級的響應時間,能夠滿足該ms級輻射場脈沖的測量需求,同時硅光電二極管的靈敏面積遠小于該位置處99%均勻野,避免了大量散射帶來的影響。

圖3 脈沖時間測量系統結構圖Fig.3 Structure diagram of pulse time measurement system

調節光機處于SINGLE模式,在避光條件下,利用該脈沖時間測量系統開展不同管電壓、管電流等條件下的脈沖寬度、脈沖幅度、脈沖波形有效性研究。

(1) 脈沖寬度。分別預設不同的管電壓、管電流和脈沖寬度,利用上述測量系統對輻射場1 m處的X射線實際脈沖波形寬度Tpulse進行測量。

(2) 脈沖幅度。對于小寬度脈沖,其Trise和Tfall在整個脈沖周期內會占有明顯比重,導致脈沖波形產生畸變,影響脈沖幅度大小,故在輻射場1 m處進行不同脈沖寬度下的脈沖幅度測量實驗,研究輻射場可輸出穩定幅度的脈沖寬度范圍。

(3) 脈沖波形的有效性。ISO/TS 18090中規定,參考輻射脈沖波形的表征需要脈沖的高壓時變、空氣比釋動能率時變等特性均滿足一定要求。

① 脈沖的時變高壓特性

根據公式(3),脈沖的高壓時變指在脈沖平臺時間Tplateau內管電壓的標準偏差,即高壓紋波Uripple,可表征脈沖峰值的穩定性,ISO 18090要求該高壓紋波Uripple不應超過0.07。在管電壓60 kV,管電流20 mA條件下,利用脈沖時間測量系統獲得1～1 000 ms不同脈沖寬度的脈沖波形,在各脈沖的Tplateau內分別按時間均勻選取50個幅值作為管電壓峰值序列,根據公式(3)計算得到高壓紋波。

(3)

式中,npeak為測量次數,Ui為按時間均勻獲取的管電壓序列,Upeak,mean為管電壓序列平均值。

② 脈沖的時變空氣比釋動能率特性

根據公式(4)將上升沿、下降沿時間與脈沖寬度的比值之和定義為上升沿與下降沿時間占比ηslope,根據ISO/TS 18090的相關要求,該占比不得超過60%,據此進一步分析Trise和Tfall在不同實驗條件下對脈沖波形的影響以及該輻射場輸出脈沖波形的參考能力。在不同管電壓、管電流條件下,利用脈沖時間測量系統測量不同寬度脈沖的ηslope。

(4)

2.1.4輻射野均勻性 ISO/TS 18090指出:輻射野均勻性能直觀反映出輻射場內的劑量空間分布情況,也是輻射場的重要參數之一。為研究該輻射場中距焦點1 m處的均勻性,獲得該位置的輻射野尺寸,使用靈敏體積1 cm3的標準電離室PTW 30015,在1 m位置處分別沿水平、豎直激光線以5 mm為間隔進行步進掃描,以輻射野中心軸處為坐標原點,經歸一處理后獲得輻射場1 m處的劑量分布曲線。根據公式(5)及圖中曲線可得到相對劑量變化在一定范圍內的輻射野尺寸。式中,Nmax和Nmin為在一定相對變化范圍內,歸一化數值(即a點電荷測量值與中心點電荷測量值之比,Na=Qa/Q0)的最大值和最小值。

(5)

2.2 脈沖X射線參考輻射場劑量率測量

2.2.1光機固有過濾測量 采用半值層法測量固有過濾,即通過收集電荷量隨吸收片厚度的變化曲線得到半值層,而后根據半值層與固有過濾的關系曲線求得X光機固有過濾。實驗時使用電離室PTW 23361以及配套UNIDOS靜電計測量電離電荷,電離室置于距光機焦點1 m處,所用吸收片材料為99.99%純度的鋁,置于距光機焦點50 cm處,光機管電壓設為60 kV,管電流設為100 mA,脈沖寬度設為2 s,工作模式為單脈沖輸出(SINGLE),滿足了穩定脈沖的要求。更換不同厚度的吸收片,測量X射線隨吸收片厚度的衰減。

(6)

式中,Ka為輻射場內該點處的空氣比釋動能,Nk為電離室刻度系數,Q為脈沖累積電荷量,k為溫度氣壓修正、散射修正等修正因子的乘積。

3 結果與討論

3.1 脈沖X射線參考輻射場參數

3.1.1管電壓、管電流穩定性 實驗得到管電壓、管電流穩定性測試結果分別列于表2、表3?？梢钥闯?4種不同工作模式下,管電壓的非介入式和介入式測量結果與預設值的相對偏差均在±1.5%以內,其中SINGLE模式的管電壓偏差不超過±0.9%,滿足ISO 4037對于管電壓偏差不超過±1%的規定;管電流測量結果與預設值的相對偏差在1.0%～3.0%范圍內,同樣滿足輻射場建立要求[10]。

表2 管電壓穩定性測試結果Table 2 Tube voltage stability test results

表3 管電流穩定性測試結果Table 3 Tube current stability test results

3.1.2劑量線性與重復性 劑量線性實驗結果示于圖4、圖5。由圖4、圖5結果可知,TLD、OSLD分別測得的個人劑量當量均隨脈沖寬度的增大而增大,隨管電流升高而增大,輻射場劑量與脈沖寬度、管電流均呈現出較好的線性關系,說明通過改變光機的管電流、脈沖寬度,可以實現對輻射場劑量的精確控制;而隨著脈沖寬度、管電流的增大,TLD、OSLD測得的個人劑量當量值出現明顯差異,這主要是由于短脈沖、高劑量率的輻照條件超過了OSLD劑量率響應范圍的限制[9,11],而TLD在28.5 keV～6 MeV能量范圍內能量響應偏差均在5%以內[11-12],因此更適用于該脈沖輻射場的劑量測量,量值更為準確。

圖4 管電流50 mA時TLD、OSLD的累積劑量與脈沖寬度的關系曲線Fig.4 Relation curve between accumulated doses of TLD and OSLD and pulse width at 50 mA tube current

圖5 脈沖寬度1 000 ms時TLD、OSLD的累積劑量與管電流的關系曲線Fig.5 Relation curve between accumulated doses of TLD and OSLD and tube current at 1 000 ms pulse width

輻射場的劑量重復性,指不同寬度單脈沖的劑量值一致性。在光機SINGLE模式、管電壓60 kV條件下,使用靈敏體積30 cm3的圓柱形標準電離室PTW 23361對1 m處不同脈沖寬度的劑量值進行多次測量,得到劑量值相對標準偏差與脈沖寬度的關系曲線示于圖6。由圖6可知,隨脈沖寬度增大,測得劑量值的相對標準偏差逐漸減小,脈沖寬度<100 ms時,劑量重復性在1%～4%范圍內,而在100～2 500 ms脈沖寬度范圍內,劑量重復性好于1%。

a——1～100 ms;b——100～2 500 ms圖6 不同脈沖寬度的劑量值相對標準偏差Fig.6 Relative standard deviations of dose values for different pulse width

3.1.3脈沖波形參數

(1) 脈沖寬度

不同條件下脈沖寬度測試結果示于表4。對比不同實驗條件下的結果,Tpulse的實測值與預設值均基本相當,相對偏差均≤±5%,而在寬度較大時,相對偏差可達到±1%以內,證明光機對輸出脈沖寬度的控制足夠精確;相對偏差隨管電壓增大而增大,隨管電流增大而減小,隨脈沖寬度增大而減小。

表4 不同條件下脈沖寬度測試結果Table 4 Pulse width test results under different conditions

(2) 脈沖幅度

脈沖幅度隨脈沖寬度的變化示于圖7。從圖7結果可以看出,隨管電壓升高,脈沖寬度對幅度的影響逐漸降低;當脈沖寬度≥20 ms時,脈沖幅度基本穩定,不再隨脈沖寬度明顯變化,存在明顯Tplateau;而脈沖寬度<20 ms時,脈沖幅度明顯低于穩定值,波形先上升后下降,無明顯Tplateau(圖8)。因此,為輸出幅度穩定的脈沖,該參考輻射場的脈沖寬度需≥20 ms。

圖7 脈沖幅度隨脈沖寬度的變化曲線Fig.7 Curve of pulse amplitude versus pulse width

圖8 脈沖寬度2 ms的波形圖Fig.8 Waveform with pulse width of 2 ms

(3) 脈沖波形的有效性

不同脈沖寬度條件下的Uripple結果示于圖9。由圖9可以看出,在Tpulse≥1 ms范圍內,其脈沖波形的高壓紋波均可滿足ISO/TS 18090要求,其中因1 ms脈沖波形畸變嚴重,無穩定的峰值平臺,高壓紋波較大,達到約0.06,其他寬度脈沖波形的高壓紋波均穩定在0.04以內,說明該輻射場的輸出脈沖峰值具有良好的穩定性。

圖9 不同脈沖寬度條件下的UrippleFig.9 Uripple at different pulse widths

不同管電壓、電流條件下的ηslope實驗結果示于圖10、圖11。從圖10、圖11中可以看出,脈沖ηslope呈現如下變化趨勢:保持管電壓不變,管電流增大,同一寬度脈沖的ηslope會隨之減小,保持管電流不變,管電壓增大,同一寬度脈沖的ηslope會隨之增大;但隨著脈沖寬度增大,管電壓、管電流的變化所帶來的偏差會逐漸減小至0,脈沖ηslope本身也會逐漸減小并趨近于0。當脈沖寬度≥5 ms時,改變管電壓、管電流均可滿足ηslope≤60%的要求;當脈沖寬度≥20 ms時,在不同管電壓、管電流條件下,ηslope均低于10%,脈沖Trise和Tfall對波形的影響可近似忽略,結合脈沖幅度和時變高壓測試結果,此時脈沖峰值穩定且波形具有明顯的Tplateau,波形可近似為方波,證明脈沖寬度≥20 ms時該輻射場輸出脈沖能提供足夠的波形參考能力。

圖10 不同管電壓條件下的ηslopeFig.10 ηslope at different tube voltages

圖11 不同管電流條件下的ηslopeFig.11 ηslope at different tube currents

3.1.4輻射野均勻性 經歸一處理后獲得輻射場1 m處的劑量分布曲線示于圖12。圖12表明輻射場豎直方向的均勻性、對稱性較好,而在水平方向上,曲線存在明顯的斜率,即“足跟效應”,該效應與光機陽極靶的靶角有關,會對輻射場均勻性產生顯著影響[13]。

圖12 電離室掃場輻射野測量結果Fig.12 Measurement results of radiation field scanning with ionization chamber

ISO/TS 18090要求一定區域內單個脈沖產生的輻射場均勻性需不低于85%,該脈沖輻射場在距光機焦點1 m處,無任何附加過濾的情況下,水平方向85%均勻野直徑約為14 cm,95%均勻野的直徑約為5.5 cm,而豎直方向95%均勻野的直徑可達20.0 cm。

3.2 脈沖X射線參考輻射場劑量率測量

3.2.1光機固有過濾 X射線隨吸收片厚度的衰減曲線示于圖13。無吸收片時,電離室實測收集電荷為3.475 nC,從曲線中可得第一半值層為1.66 mm Al,根據ISO 4037推薦的固有過濾與半值層關系曲線(圖14),得到光機固有過濾為1.67 mm Al。

圖13 X射線隨吸收片厚度的衰減曲線Fig.13 Attenuation curve of X-ray with the thickness of absorber

圖14 固有過濾與半值層關系曲線Fig.14 Relation curve between inherent filtration and HVL

3.2.2輻射場不同輻射質條件下的劑量率 X射線的顯著特點之一是其能譜連續且低能部分占比大,而輻射劑量儀表自身對不同能量X射線的響應存在一定差異,大量低能射線會影響儀表的整體響應,故輻射場若要具備量值傳遞能力,需要建立準確的輻射質,過濾部分低能射線并使其能譜滿足標準要求。ISO 4037規定了窄譜系列(簡稱N系列)輻射質建立所需達到的半值層、同質系數等參數要求,并推薦了對應的附加過濾,且IEC 61267中也闡述了診斷X射線RQR系列輻射質的建立要求[14],根據光機固有過濾和該脈沖輻射場進行N系列和RQR系列的輻射質搭建。該輻射場搭建的輻射質參數與推薦值對比結果列于表5～表6。ISO 4037要求相同條件下N系列輻射質的第一、第二半值層均應在推薦值的±5%以內,IEC 61267規定RQR系列輻射質的第一半值層與推薦值的偏差需在±0.1 mm Al以內,同質系數與推薦值的偏差需在±0.03以內,該輻射場的對應輻射質搭建均滿足以上規范要求。

表5 N系列輻射質參數與推薦值對比Table 5 Comparison of N-series radiation quality parameters with recommended values

表6 RQR系列輻射質參數與推薦值對比Table 6 Comparison of RQR-series radiation quality parameters with recommended values

各輻射質脈沖劑量率實驗結果列于表7。經實驗,管電流50 mA條件下,脈沖輻射場1 m位置處N系列輻射質的空氣比釋動能率范圍為0.068～0.264 mGy/s,RQR系列輻射質的空氣比釋動能率范圍為1.52～5.66 mGy/s。劑量率的范圍可通過調節距離和電流大小進行拓寬,最終可實現N系列輻射質和RQR系列輻射質的空氣比釋動能率范圍分別約為0.002～10 mGy/s和0.03～250 mGy/s。

表7 各輻射質脈沖劑量率Table 7 Dose rates of pulses with different radiation qualities

4 結論

本項研究建立了50～120 kV脈沖X射線參考輻射場,利用基于自制信號放大模塊組建的脈沖時間測量系統建立了該輻射場的參考脈沖輻射波形,并搭建了N系列、RQR系列輻射質,主要得到以下結論。

(1) 該脈沖X射線參考輻射場管電壓范圍為50～120 kV,脈沖寬度在1～6 300 ms范圍內可調,60 kV的管電壓實際值相對偏差不超過±1.5%,管電流實際值相對偏差在1.0%～3.0%范圍內,且該輻射場脈沖劑量與管電流、脈沖寬度間線性較好,不同寬度脈沖的劑量重復性均不超過3%,滿足參考輻射場建立要求。

(2) 無附加過濾條件下,在1 m處,該輻射場的85%均勻野直徑約14 cm,95%均勻野直徑約5.5 cm,輸出脈沖的寬度實際值與預設值間相對偏差均在±5%以內,且不同寬度脈沖的高壓紋波均在0.07以內,脈沖ηslope與管電壓成正相關,與管電流、脈沖寬度成負相關,且隨脈沖寬度增大,各管電壓、管電流條件下的ηslope均逐漸趨于0,當脈沖寬度≥5 ms時,可滿足ηslope≤60%,達到標準要求,而當脈沖寬度≥20 ms時,ηslope不超過10%,且可輸出穩定的脈沖幅度,此時可認為該輻射場瞬時劑量率足夠穩定,輸出的脈沖輻射具備足夠的參考能力。

(3) 利用標準電離室進行脈沖X射線不同輻射質條件下的劑量率測量,1 m處N系列輻射質的空氣比釋動能率范圍為0.068～0.264 mGy/s,RQR系列輻射質的空氣比釋動能率范圍為1.52～5.66 mGy/s,根據劑量率隨距離的平方反比變化以及隨管電流的線性變化,該輻射場N系列輻射質和RQR系列輻射質的空氣比釋動能率范圍可分別擴大至約0.002～10 mGy/s和0.03～250 mGy/s,因此該輻射場劑量率覆蓋范圍較大,上限較高。

本研究建立的50～120 kV脈沖X射線參考輻射場達到了參考輻射場建立標準,已具備量值傳遞、溯源的能力,且該參考場劑量率范圍大、上限高,可滿足市面上多數輻射防護儀表的校準需求,可基于該脈沖參考場進行儀表量傳研究,為脈沖輻射場所、個人劑量準確監測提供保障。