脈沖X射線參考輻射場研究與建立

高 飛，王菲菲，劉蘊韜，丁雨陽，陳義珍，倪 寧，王子琳，劉佳瑞，王子業，趙 旭

(中國原子能科學研究院 核技術綜合研究所，計量與校準技術重點實驗室，中核核工業計量與測試技術重點實驗室，北京 102413)

主動式電子劑量計廣泛用于電離輻射的劑量監測，其直讀式顯示方式和報警功能給放射性從業人員提供了重要的監測手段[1-2]。主動式電子劑量計又包括G-M計數器、閃爍體探測器、半導體探測器和電離室等多種類型，具有實時顯示和劑量報警功能。脈沖X射線具有持續時間短、瞬時劑量率高等特點，其輻射劑量測量難度極大。以ns級的輻射脈沖為例，其單次脈沖劑量往往會達到1 μSv以上，瞬時劑量率可達105Sv/h以上。而G-M計數器、半導體探測器等由于存在測量堆積和探測死時間等問題[3]，使得探測器難以達到上述如此高的劑量率響應，即儀表存在過響應問題，這必然影響到監測結果的準確性[4]。主動式電子劑量計存在測量周期，為了降低劑量計能耗，兩次測量周期間隔可達幾秒，如果脈沖輻射發生在儀表兩次測量周期間隔時間內，很可能發生事件漏記從而極大地影響測量結果的準確性，造成測量結果嚴重偏低。人員誤闖輻射場事故對于主動式個人劑量計也是一次大劑量的脈沖事件。此外，核臨界事故也是典型的脈沖輻射，核臨界事故是指含易裂變材料的系統由于某種意外原因引起的非預計的臨界或超臨界事件。在一個獨立區域內，凡涉及總量超過700 g235U、520 g233U、450 g钚的易裂變同位素或450 g這些同位素的任意組合物的操作活動，必須評價設置臨界事故報警系統的必要性。以某典型的核臨界事故為例，總共發生約1019次裂變，在最初的0.5 s內發生了約1018次裂變，接連在數小時內，每間隔約10 min產生1個裂變脈沖，每次裂變持續時間不超過0.5 s。因此，核臨界事故產生的中子及X、γ射線屬典型的脈沖輻射。為解決主動式輻射劑量儀的脈沖響應測試技術難題，有必要研究建立脈沖X射線參考輻射場以解決主動式電子劑量計的校準難題。

IEC60846-1：2009[2]中指出主動式輻射劑量儀的響應時間不應大于10 s，因此本文對持續時間小于10 s的電離輻射歸為脈沖輻射。本文對涉及醫學診斷、材料測試、射線探傷和科學研究等領域中的脈沖X射線進行分類。人員及物品檢測用X射線通常由X射線管產生，脈沖時間約為1 ms，能量范圍通常為0.01～0.1 MeV，單脈沖劑量約為0.1 μSv，瞬時劑量率約為1 Sv/h；材料測試用X射線通常由閃光X射線管產生，脈沖時間約為10-10s，能量范圍通常為0.1～10 MeV，單脈沖劑量約為1～100 μSv，瞬時劑量率約為105～107Sv/h；放射診斷用X射線通常由旋轉陽極靶X射線管產生，脈沖時間約為10-3～10 s，能量范圍通常為0.01～0.1 MeV，單脈沖劑量約為100 μSv，瞬時劑量率約為100 Sv/h；放射治療用X射線通常由電子加速器產生，脈沖時間約為10-6s，能量范圍通常為6～20 MeV，單脈沖劑量約為103μSv，瞬時劑量率約為105Sv/h；核臨界事故脈沖輻射通常由易裂變材料產生，脈沖時間通常為1 ms～3 s，能量范圍通常為0.1～3 MeV，距離最小臨界事故反應物體2 m處的自由空氣中γ射線空氣吸收劑量通常為15 mGy；科學研究用X射線通常由等離子體設施產生，脈沖時間小于10-12s，能量范圍通常為0.01～10 MeV，單脈沖劑量約為10-4μSv，瞬時劑量率約為106Sv/h。

毫秒級脈沖X射線主要用于放射診斷、射線探傷、人員及物品檢測等領域[5]，應用范圍廣泛；微秒級脈沖X射線主要由電子加速器產生，主要用于放射治療和輻照加工等領域；納秒級脈沖X射線主要用于閃光X射線技術、瞬態成像和物品檢測等領域。西北核技術研究所基于γ輻射源建立了脈沖γ輻射場，考慮到γ射線能量高、不便于屏蔽、機械設計難度大、旋轉動態快門對軸承強度和同軸度要求較高、不便于加工且后續維護成本高，因此本文基于多種X光機研究建立脈沖X射線參考輻射場，并對脈沖時間、脈沖劑量和瞬時劑量率等輻射特性進行研究。

1 脈沖X射線輻射場的產生原理

1.1 基于穩態X光機的脈沖輻射場

穩態X光機的管電壓調節范圍為10～225 kV，管電流調節范圍為0～15 mA，最大功率為2.25 kW，雙焦點尺寸分別為0.4 mm和1.0 mm。X光管置于屏蔽箱內，X光管焦點置于準直光闌軸線上，通過脈沖快門實現穩態X射線的脈沖化輸出(圖1)。

圖1 基于穩態X光機的脈沖X射線輻射場Fig.1 Pulsed X-ray radiation field based on steady state X-ray machine

本文使用脈沖快門實現穩態X射線的脈沖化輸出，脈沖快門由高速氣缸、滑軌、氣缸支架和鎢合金快門等組成，如圖2所示。快門行進時間約為1 m/s，可實現脈沖時間為15 ms的單脈沖X射線輸出，輻射場直徑為7～70 cm。

圖2 脈沖快門組成圖Fig.2 Composition diagram of pulse shutter

參考ISO4037-1[6]的要求研究建立了窄譜系列脈沖X射線參考輻射(N系列，包括：N60、N80、N100、N120、N150和N200)，參考IEC61267：2005[7]的要求研究建立了醫用診斷系列脈沖式X射線參考輻射(RQR系列，包括：RQR5、RQR6、RQR7、RQR8和RQR9)。

1.2 基于脈沖X光機的脈沖輻射場

放射診斷X光機是能產生毫秒級脈沖X射線的典型設備，具有功率高、脈沖時間可調等優點，因此本文基于放射診斷用X光機建立毫秒級脈沖X射線參考輻射場。脈沖X射線照射裝置主要包括：診斷X光機(包括高壓發生器、旋轉陽極X射線管、陽極靶材和Be窗等)、附加過濾、定位裝置、準直器、墊板、實驗平臺、屏蔽室、監視和監測系統及控制軟件等，如圖3所示。結合MCNP蒙特卡羅程序對脈沖X射線參考輻射場進行建模[8-14]，計算模型主要包括陽極靶材、準直光闌、附加過濾、墊板和實驗平臺等，模擬計算了空氣比釋動能-劑量當量轉換因子[15]。脈沖X光機的高壓發生器由加拿大生產，該產品采用電子杠桿技術精確控制脈沖時間tpulse，脈沖電壓信號無機械慣性延時，控制靈敏，輸出的脈沖波形滿足實驗要求。旋轉陽極靶X射線管由美國生產，該射線管的靶材料為鎢-錸合金。脈沖X射線系統的主要技術指標為：管電壓范圍，40～150 kV，1 kV連續可調；管電流調節范圍，1～800 mA；脈沖時間tpulse，1 ms～10 s。基于脈沖X光機并參考IEC61267[7]和ISO4037-1[6]標準建立了RQR5、RQR10、N60、N80和N150等輻射質[15-16]。

圖3 基于脈沖X光機的參考輻射示意圖Fig.3 Schematic diagram of reference radiation based on pulsed X-ray machine

脈沖X射線經Be窗、準直光闌、附加過濾、準直器和定位裝置后垂直向下照射(圖3)。實驗平臺尺寸為30 cm×30 cm，位于脈沖X射線參考輻射的軸線上，可在導軌上進行x、y、z三維移動與定位，定位精度為1 mm。墊板位于脈沖X射線參考輻射的最底端，由5 mm厚的鋁材料制成，能有效降低地面的散射輻射。

納秒級脈沖X射線主要用于加速器輻照應用、輻射加工、放射治療、瞬態成像和等離子體研究等領域，應用廣泛。本文基于便攜式脈沖X光機產生納秒級脈沖X射線參考輻射場，如圖4所示。

圖4 納秒級脈沖X射線輻射場示意圖Fig.4 Schematic diagram of nanosecond pulsed X-ray radiation field

便攜式脈沖X光機的管電壓為270 kV，脈沖時間為25 ns(不可調)，頻率為15 Hz。附加0.5 mm Al過濾以降低低能X射線，距離便攜式脈沖X光機焦點15 cm處設置有監督電離室(德國PTW公司生產，型號為TW34014)和鎢合金準直光闌，張角為15°。

2 脈沖X射線次級標準電離室

脈沖X射線次級標準電離室由自研的SSPR型平板電離室[17]和德國PTW公司生產的34035型平板電離室組成，兩者均溯源至德國聯邦物理技術研究院(以下簡稱德國PTB)。SSPR型平板電離室用于確定毫秒級脈沖X射線的單脈沖劑量Dpulse[17]，電離室結構如圖5所示。

圖5 SSPR型平板電離室結構示意圖Fig.5 Structure diagram of SSPR flat plate ionization chamber

SSPR型平板電離室在連續穩態X、γ射線參考輻射場完成輻射劑量學性能測試后[17]，在德國PTB脈沖X射線參考輻射場中進行校準。德國PTB脈沖X射線參考輻射場的管電壓范圍為40～125 kV，管電流范圍為0.5～800 mA，脈沖時間為1 ms～連續輻射，輻射場直徑為5.5～52.5 cm。德國PTB參考國際標準ISO4037-1的要求研究建立了基于過濾束X射線的窄譜系列脈沖式X射線參考輻射(N系列)和醫用診斷系列脈沖式X射線參考輻射(RQR系列)。在對SSPR型平板電離室進行校準時，分別使用德國PTB建立的RQR系列和N系列脈沖X射線參考輻射場，脈沖時間分別為1、10、100和500 ms，SSPR型平板電離室到X光機焦點的距離為70～200 cm。

校準過程中將SSPR型平板電離室置于參考位置處，配合使用PTW公司生產的UNIDOSwebline劑量計，置于輻射劑量檔(又稱累積檔)，開啟脈沖X光機，并根據式(1)確定校準因子，實驗結果列于表1。

(1)

式中：Kpulse為脈沖X射線參考輻射場中參考點處的單脈沖劑量約定真值，μGy；NSSPR為SSPR型平板電離室的校準因子；MSSPR為SSPR型平板電離室的指示值，μGy。

表1 SSPR型平板電離室校準結果Table 1 Calibration result of SSPR flat plate ionization chamber

SSPR型平板電離室經校準后可用于毫秒級脈沖X射線輻射場的劑量定值工作。德國PTW公司生產的34035型平板電離室用于納秒級脈沖X射線參考輻射場的劑量測量。

3 脈沖時間測量系統

脈沖時間測量系統由閃爍體探測元件、光收集器、光電轉換器件(Si-PIN光電二極管)、前置放大器、示波器和直流電源等組成。閃爍體探頭受到脈沖X射線照射時產生熒光，熒光通過光收集器傳送到光電轉換器件(Si-PIN光電二極管)產生電信號，經電子學系統顯示脈沖X射線持續時間。根據時間測量的一般要求，測試系統響應需比待測脈沖信號快3倍以上。本工作采用CsI(Tl)晶體作為獲取毫秒級脈沖X射線時間的探測器，使用日本Hamamatsu公司的S3590-19型Si-PIN光電二極管作為CsI晶體輸出的光電轉換器。該型號Si-PIN光電二極管的光譜響應范圍為340～1 100 nm，適用于CsI晶體，其光靈敏度約為0.58 A/W，暗電流最大值約為10 nA，脈沖X射線輻照條件下Si-PIN光電二極管電流約為1 μA，截止頻率為40 MHz。經測試，該系統可用于毫秒級脈沖時間測量。

4 脈沖輻射場特性研究

4.1 脈沖時間測量

脈沖時間測量系統會在示波器上顯示脈沖X射線輸出波形，脈沖時間為：

tpulse=ta-tb

(2)

式中：tpulse為脈沖時間；ta為脈沖起始時間；tb為脈沖結束時間。根據示波器顯示的脈沖輸出波形確定脈沖時間。

脈沖時間tpulse測量結果列于表2。可看出，基于穩態X光機的脈沖X射線參考輻射場的脈沖時間為12 ms，可通過調節快門氣體流量調節脈沖時間。分別設置診斷X光機的脈沖時間為5、10、50、100 ms，通過脈沖時間測量系統進行測試，測量結果與設置脈沖時間符合較好。便攜式X光機的脈沖時間為25 ns，來源于產品配套技術資料，且便攜式X光機不具備脈沖時間的調節功能。

表2 脈沖時間測量結果Table 2 Pulse time measurement result

4.2 參考值定值

基于脈沖X射線次級標準電離室對參考輻射場的劑量進行測量。穩態X光機的管電壓調節范圍為10～225 kV，管電流調節范圍為0～15 mA，最大功率為2.25 kW。相同管電壓條件下，通過調節穩態X光機的管電流可實現脈沖X射線的瞬時劑量率改變。脈沖時間由鎢合金快門的運行速度決定，本文所采用的高速氣缸行進速度約為1 m/s，可實現脈沖時間為12 ms的單脈沖X射線輸出。診斷X光機的管電壓范圍為40～150 kV，管電流調節范圍為1～800 mA，脈沖持續時間tpulse為1 ms～10 s，通過調節管電流可實現脈沖X射線的瞬時劑量率的改變，瞬時劑量率的范圍約為0.186～777 Sv/h。便攜式脈沖X光機的管電壓為270 kV，脈沖時間為25 ns，頻率為15 Hz，該設備無法調節管電壓、管電流和脈沖時間，瞬時劑量率可高達6.68×105Sv/h。

基于穩態X光機和診斷X光機建立的脈沖X射線參考點處的單脈沖空氣比釋動能參考值由自研的SSPR型脈沖X射線平板電離室配合德國PTW公司生產的UNIDOS-Webline劑量儀進行測量。測量過程中將SSPR型平板電離室的靈敏區中心置于距離X光機焦點1 m處，并利用激光定位系統進行定位，確保電離室靈敏區中心置于脈沖X射線輻射場的軸線上。調整X光機管電壓和管電流并以單脈沖形式進行輻照，UNIDOS-Webline劑量儀使用累積測量模式進行測試，從而測得穩態X光機和診斷X光機脈沖輻射場單脈沖空氣比釋動能。脈沖X射線單脈沖空氣比釋動能測量值為：

K′pulse=MSSPRNSSPR

(3)

式中：K′pulse為脈沖X射線單脈沖空氣比釋動能測量值，μGy；MSSPR為SSPR型脈沖X射線平板電離室指示值，μGy；NSSPR為SSPR型脈沖X射線平板電離室校準因子。

由于輻射防護用主動式劑量儀的測量物理量為周圍劑量當量H*(10)和個人劑量當量HP(10)，因此需將空氣比釋動能轉換為劑量當量。ISO4037-3[6]提供了N系列參考輻射的ka-H*(10)和ka-HP(10)轉換系數，通過該系數即可將平板電離室測得的空氣比釋動能參考值轉換為周圍劑量當量和個人劑量當量。相關國際標準尚未就RQR系列參考輻射的ka-H*(10)和ka-HP(10)轉換系數提供推薦值，因此采用MCNP蒙特卡羅程序對脈沖X射線參考輻射進行建模，模擬計算RQR系列過濾脈沖X射線參考輻射的ka-H*(10)和ka-HP(10)轉換系數[15,17]。利用SSPR型脈沖X射線平板電離室對基于穩態X光機和診斷X光機的脈沖X射線參考輻射場劑量進行測量，測量結果為單脈沖空氣比釋動能K′pulse，乘以相應的轉換系數即可得到單脈沖周圍劑量當量和單脈沖個人劑量當量[15,17]。

便攜式脈沖X光機可產生脈沖時間為25 ns的脈沖X射線，管電壓標稱值為270 kV，頻率標稱值為15 Hz。利用德國PTW公司生產的34035型平板電離室對便攜式脈沖X光機產生的脈沖X射線進行測量，測量結果為單脈沖個人劑量當量，測量位置到便攜式脈沖X光機焦點的距離為1 m。34035型平板電離室為德國PTW公司生產的個人劑量當量次級標準電離室，15～1 400 keV范圍內能量響應相對偏差在±5%以內，靈敏體積為10 cm3，主要用于測量X、γ射線的個人劑量當量。個人劑量當量次級標準電離室配合使用德國PTW公司生產的UNIDOS-Webline劑量儀，劑量儀設置為累積測量模式，通過式(4)可得到單脈沖個人劑量當量。

H′pulse=M34035N34035

(4)

式中：H′pulse為單脈沖X射線個人劑量當量測量值，μSv；M34035為34035型平板電離室讀數，μSv；N34035為34035型平板電離校準因子。

單脈沖劑量除以脈沖時間，即可得到單脈沖X射線瞬時劑量率：

(5)

脈沖X射線參考輻射場部分輻射質的單脈沖劑量和瞬時劑量率列于表3。

表3 脈沖X射線參考輻射場劑量測量結果Table 3 Dose measurement result of pulsed X-ray reference radiation field

由表3可知，本文所建立的脈沖X射線參考輻射場劑量率范圍涵蓋了環境水平、防護水平、診斷與治療水平、核應急水平等輻射劑量儀量程范圍，可用于各類輻射防護儀器及個人劑量計的脈沖輻射響應特性研究，并可為核臨界事故γ輻射報警儀提供測試條件。

5 結論

本文基于穩態X光機、診斷X光機和便攜式X光機研究建立了脈沖X射線參考輻射場。基于脈沖X射線次級標準電離室和脈沖時間測量系統完成了脈沖X射線參考輻射場輻射劑量特性研究。所建立的脈沖X射線參考輻射場的脈沖時間在50 ns～10 s之間可調，瞬時劑量率范圍為2.5×10-3～6.7×105Sv/h，涵蓋了環境水平、防護水平、診斷與治療水平、應急水平、核臨界事故水平等輻射劑量儀量程范圍，可用于各類輻射防護儀器及個人劑量計的脈沖輻射響應特性研究，并可為核臨界事故γ輻射報警儀提供測試條件。為了確保放射性工作人員的安全，后續將開展多種類探測器的脈沖響應特性研究。