脉冲X射线参考辐射场研究与建立

高 飞，王菲菲，刘蕴韬，丁雨阳，陈义珍，倪 宁，王子琳，刘佳瑞，王子业，赵 旭

(中国原子能科学研究院 核技术综合研究所，计量与校准技术重点实验室，中核核工业计量与测试技术重点实验室，北京 102413)

主动式电子剂量计广泛用于电离辐射的剂量监测，其直读式显示方式和报警功能给放射性从业人员提供了重要的监测手段[1-2]。主动式电子剂量计又包括G-M计数器、闪烁体探测器、半导体探测器和电离室等多种类型，具有实时显示和剂量报警功能。脉冲X射线具有持续时间短、瞬时剂量率高等特点，其辐射剂量测量难度极大。以ns级的辐射脉冲为例，其单次脉冲剂量往往会达到1 μSv以上，瞬时剂量率可达105Sv/h以上。而G-M计数器、半导体探测器等由于存在测量堆积和探测死时间等问题[3]，使得探测器难以达到上述如此高的剂量率响应，即仪表存在过响应问题，这必然影响到监测结果的准确性[4]。主动式电子剂量计存在测量周期，为了降低剂量计能耗，两次测量周期间隔可达几秒，如果脉冲辐射发生在仪表两次测量周期间隔时间内，很可能发生事件漏记从而极大地影响测量结果的准确性，造成测量结果严重偏低。人员误闯辐射场事故对于主动式个人剂量计也是一次大剂量的脉冲事件。此外，核临界事故也是典型的脉冲辐射，核临界事故是指含易裂变材料的系统由于某种意外原因引起的非预计的临界或超临界事件。在一个独立区域内，凡涉及总量超过700 g235U、520 g233U、450 g钚的易裂变同位素或450 g这些同位素的任意组合物的操作活动，必须评价设置临界事故报警系统的必要性。以某典型的核临界事故为例，总共发生约1019次裂变，在最初的0.5 s内发生了约1018次裂变，接连在数小时内，每间隔约10 min产生1个裂变脉冲，每次裂变持续时间不超过0.5 s。因此，核临界事故产生的中子及X、γ射线属典型的脉冲辐射。为解决主动式辐射剂量仪的脉冲响应测试技术难题，有必要研究建立脉冲X射线参考辐射场以解决主动式电子剂量计的校准难题。

IEC60846-1：2009[2]中指出主动式辐射剂量仪的响应时间不应大于10 s，因此本文对持续时间小于10 s的电离辐射归为脉冲辐射。本文对涉及医学诊断、材料测试、射线探伤和科学研究等领域中的脉冲X射线进行分类。人员及物品检测用X射线通常由X射线管产生，脉冲时间约为1 ms，能量范围通常为0.01～0.1 MeV，单脉冲剂量约为0.1 μSv，瞬时剂量率约为1 Sv/h；
材料测试用X射线通常由闪光X射线管产生，脉冲时间约为10-10s，能量范围通常为0.1～10 MeV，单脉冲剂量约为1～100 μSv，瞬时剂量率约为105～107Sv/h；
放射诊断用X射线通常由旋转阳极靶X射线管产生，脉冲时间约为10-3～10 s，能量范围通常为0.01～0.1 MeV，单脉冲剂量约为100 μSv，瞬时剂量率约为100 Sv/h；
放射治疗用X射线通常由电子加速器产生，脉冲时间约为10-6s，能量范围通常为6～20 MeV，单脉冲剂量约为103μSv，瞬时剂量率约为105Sv/h；
核临界事故脉冲辐射通常由易裂变材料产生，脉冲时间通常为1 ms～3 s，能量范围通常为0.1～3 MeV，距离最小临界事故反应物体2 m处的自由空气中γ射线空气吸收剂量通常为15 mGy；
科学研究用X射线通常由等离子体设施产生，脉冲时间小于10-12s，能量范围通常为0.01～10 MeV，单脉冲剂量约为10-4μSv，瞬时剂量率约为106Sv/h。

毫秒级脉冲X射线主要用于放射诊断、射线探伤、人员及物品检测等领域[5]，应用范围广泛；
微秒级脉冲X射线主要由电子加速器产生，主要用于放射治疗和辐照加工等领域；
纳秒级脉冲X射线主要用于闪光X射线技术、瞬态成像和物品检测等领域。西北核技术研究所基于γ辐射源建立了脉冲γ辐射场，考虑到γ射线能量高、不便于屏蔽、机械设计难度大、旋转动态快门对轴承强度和同轴度要求较高、不便于加工且后续维护成本高，因此本文基于多种X光机研究建立脉冲X射线参考辐射场，并对脉冲时间、脉冲剂量和瞬时剂量率等辐射特性进行研究。

1.1 基于稳态X光机的脉冲辐射场

稳态X光机的管电压调节范围为10～225 kV，管电流调节范围为0～15 mA，最大功率为2.25 kW，双焦点尺寸分别为0.4 mm和1.0 mm。X光管置于屏蔽箱内，X光管焦点置于准直光阑轴线上，通过脉冲快门实现稳态X射线的脉冲化输出(图1)。

图1 基于稳态X光机的脉冲X射线辐射场Fig.1 Pulsed X-ray radiation field based on steady state X-ray machine

本文使用脉冲快门实现稳态X射线的脉冲化输出，脉冲快门由高速气缸、滑轨、气缸支架和钨合金快门等组成，如图2所示。快门行进时间约为1 m/s，可实现脉冲时间为15 ms的单脉冲X射线输出，辐射场直径为7～70 cm。

图2 脉冲快门组成图Fig.2 Composition diagram of pulse shutter

参考ISO4037-1[6]的要求研究建立了窄谱系列脉冲X射线参考辐射(N系列，包括：N60、N80、N100、N120、N150和N200)，参考IEC61267：2005[7]的要求研究建立了医用诊断系列脉冲式X射线参考辐射(RQR系列，包括：RQR5、RQR6、RQR7、RQR8和RQR9)。

1.2 基于脉冲X光机的脉冲辐射场

放射诊断X光机是能产生毫秒级脉冲X射线的典型设备，具有功率高、脉冲时间可调等优点，因此本文基于放射诊断用X光机建立毫秒级脉冲X射线参考辐射场。脉冲X射线照射装置主要包括：诊断X光机(包括高压发生器、旋转阳极X射线管、阳极靶材和Be窗等)、附加过滤、定位装置、准直器、垫板、实验平台、屏蔽室、监视和监测系统及控制软件等，如图3所示。结合MCNP蒙特卡罗程序对脉冲X射线参考辐射场进行建模[8-14]，计算模型主要包括阳极靶材、准直光阑、附加过滤、垫板和实验平台等，模拟计算了空气比释动能-剂量当量转换因子[15]。脉冲X光机的高压发生器由加拿大生产，该产品采用电子杠杆技术精确控制脉冲时间tpulse，脉冲电压信号无机械惯性延时，控制灵敏，输出的脉冲波形满足实验要求。旋转阳极靶X射线管由美国生产，该射线管的靶材料为钨-铼合金。脉冲X射线系统的主要技术指标为：管电压范围，40～150 kV，1 kV连续可调；
管电流调节范围，1～800 mA；
脉冲时间tpulse，1 ms～10 s。基于脉冲X光机并参考IEC61267[7]和ISO4037-1[6]标准建立了RQR5、RQR10、N60、N80和N150等辐射质[15-16]。

图3 基于脉冲X光机的参考辐射示意图Fig.3 Schematic diagram of reference radiation based on pulsed X-ray machine

脉冲X射线经Be窗、准直光阑、附加过滤、准直器和定位装置后垂直向下照射(图3)。实验平台尺寸为30 cm×30 cm，位于脉冲X射线参考辐射的轴线上，可在导轨上进行x、y、z三维移动与定位，定位精度为1 mm。垫板位于脉冲X射线参考辐射的最底端，由5 mm厚的铝材料制成，能有效降低地面的散射辐射。

纳秒级脉冲X射线主要用于加速器辐照应用、辐射加工、放射治疗、瞬态成像和等离子体研究等领域，应用广泛。本文基于便携式脉冲X光机产生纳秒级脉冲X射线参考辐射场，如图4所示。

图4 纳秒级脉冲X射线辐射场示意图Fig.4 Schematic diagram of nanosecond pulsed X-ray radiation field

便携式脉冲X光机的管电压为270 kV，脉冲时间为25 ns(不可调)，频率为15 Hz。附加0.5 mm Al过滤以降低低能X射线，距离便携式脉冲X光机焦点15 cm处设置有监督电离室(德国PTW公司生产，型号为TW34014)和钨合金准直光阑，张角为15°。

脉冲X射线次级标准电离室由自研的SSPR型平板电离室[17]和德国PTW公司生产的34035型平板电离室组成，两者均溯源至德国联邦物理技术研究院(以下简称德国PTB)。SSPR型平板电离室用于确定毫秒级脉冲X射线的单脉冲剂量Dpulse[17]，电离室结构如图5所示。

图5 SSPR型平板电离室结构示意图Fig.5 Structure diagram of SSPR flat plate ionization chamber

SSPR型平板电离室在连续稳态X、γ射线参考辐射场完成辐射剂量学性能测试后[17]，在德国PTB脉冲X射线参考辐射场中进行校准。德国PTB脉冲X射线参考辐射场的管电压范围为40～125 kV，管电流范围为0.5～800 mA，脉冲时间为1 ms～连续辐射，辐射场直径为5.5～52.5 cm。德国PTB参考国际标准ISO4037-1的要求研究建立了基于过滤束X射线的窄谱系列脉冲式X射线参考辐射(N系列)和医用诊断系列脉冲式X射线参考辐射(RQR系列)。在对SSPR型平板电离室进行校准时，分别使用德国PTB建立的RQR系列和N系列脉冲X射线参考辐射场，脉冲时间分别为1、10、100和500 ms，SSPR型平板电离室到X光机焦点的距离为70～200 cm。

校准过程中将SSPR型平板电离室置于参考位置处，配合使用PTW公司生产的UNIDOSwebline剂量计，置于辐射剂量档(又称累积档)，开启脉冲X光机，并根据式(1)确定校准因子，实验结果列于表1。

(1)

式中：Kpulse为脉冲X射线参考辐射场中参考点处的单脉冲剂量约定真值，μGy；
NSSPR为SSPR型平板电离室的校准因子；
MSSPR为SSPR型平板电离室的指示值，μGy。

表1 SSPR型平板电离室校准结果Table 1 Calibration result of SSPR flat plate ionization chamber

SSPR型平板电离室经校准后可用于毫秒级脉冲X射线辐射场的剂量定值工作。德国PTW公司生产的34035型平板电离室用于纳秒级脉冲X射线参考辐射场的剂量测量。

脉冲时间测量系统由闪烁体探测元件、光收集器、光电转换器件(Si-PIN光电二极管)、前置放大器、示波器和直流电源等组成。闪烁体探头受到脉冲X射线照射时产生荧光，荧光通过光收集器传送到光电转换器件(Si-PIN光电二极管)产生电信号，经电子学系统显示脉冲X射线持续时间。根据时间测量的一般要求，测试系统响应需比待测脉冲信号快3倍以上。本工作采用CsI(Tl)晶体作为获取毫秒级脉冲X射线时间的探测器，使用日本Hamamatsu公司的S3590-19型Si-PIN光电二极管作为CsI晶体输出的光电转换器。该型号Si-PIN光电二极管的光谱响应范围为340～1 100 nm，适用于CsI晶体，其光灵敏度约为0.58 A/W，暗电流最大值约为10 nA，脉冲X射线辐照条件下Si-PIN光电二极管电流约为1 μA，截止频率为40 MHz。经测试，该系统可用于毫秒级脉冲时间测量。

4.1 脉冲时间测量

脉冲时间测量系统会在示波器上显示脉冲X射线输出波形，脉冲时间为：

tpulse=ta-tb

(2)

式中：tpulse为脉冲时间；
ta为脉冲起始时间；
tb为脉冲结束时间。根据示波器显示的脉冲输出波形确定脉冲时间。

脉冲时间tpulse测量结果列于表2。可看出，基于稳态X光机的脉冲X射线参考辐射场的脉冲时间为12 ms，可通过调节快门气体流量调节脉冲时间。分别设置诊断X光机的脉冲时间为5、10、50、100 ms，通过脉冲时间测量系统进行测试，测量结果与设置脉冲时间符合较好。便携式X光机的脉冲时间为25 ns，来源于产品配套技术资料，且便携式X光机不具备脉冲时间的调节功能。

表2 脉冲时间测量结果Table 2 Pulse time measurement result

4.2 参考值定值

基于脉冲X射线次级标准电离室对参考辐射场的剂量进行测量。稳态X光机的管电压调节范围为10～225 kV，管电流调节范围为0～15 mA，最大功率为2.25 kW。相同管电压条件下，通过调节稳态X光机的管电流可实现脉冲X射线的瞬时剂量率改变。脉冲时间由钨合金快门的运行速度决定，本文所采用的高速气缸行进速度约为1 m/s，可实现脉冲时间为12 ms的单脉冲X射线输出。诊断X光机的管电压范围为40～150 kV，管电流调节范围为1～800 mA，脉冲持续时间tpulse为1 ms～10 s，通过调节管电流可实现脉冲X射线的瞬时剂量率的改变，瞬时剂量率的范围约为0.186～777 Sv/h。便携式脉冲X光机的管电压为270 kV，脉冲时间为25 ns，频率为15 Hz，该设备无法调节管电压、管电流和脉冲时间，瞬时剂量率可高达6.68×105Sv/h。

基于稳态X光机和诊断X光机建立的脉冲X射线参考点处的单脉冲空气比释动能参考值由自研的SSPR型脉冲X射线平板电离室配合德国PTW公司生产的UNIDOS-Webline剂量仪进行测量。测量过程中将SSPR型平板电离室的灵敏区中心置于距离X光机焦点1 m处，并利用激光定位系统进行定位，确保电离室灵敏区中心置于脉冲X射线辐射场的轴线上。调整X光机管电压和管电流并以单脉冲形式进行辐照，UNIDOS-Webline剂量仪使用累积测量模式进行测试，从而测得稳态X光机和诊断X光机脉冲辐射场单脉冲空气比释动能。脉冲X射线单脉冲空气比释动能测量值为：

K′pulse=MSSPRNSSPR

(3)

式中：K′pulse为脉冲X射线单脉冲空气比释动能测量值，μGy；
MSSPR为SSPR型脉冲X射线平板电离室指示值，μGy；
NSSPR为SSPR型脉冲X射线平板电离室校准因子。

由于辐射防护用主动式剂量仪的测量物理量为周围剂量当量H*(10)和个人剂量当量HP(10)，因此需将空气比释动能转换为剂量当量。ISO4037-3[6]提供了N系列参考辐射的ka-H*(10)和ka-HP(10)转换系数，通过该系数即可将平板电离室测得的空气比释动能参考值转换为周围剂量当量和个人剂量当量。相关国际标准尚未就RQR系列参考辐射的ka-H*(10)和ka-HP(10)转换系数提供推荐值，因此采用MCNP蒙特卡罗程序对脉冲X射线参考辐射进行建模，模拟计算RQR系列过滤脉冲X射线参考辐射的ka-H*(10)和ka-HP(10)转换系数[15,17]。利用SSPR型脉冲X射线平板电离室对基于稳态X光机和诊断X光机的脉冲X射线参考辐射场剂量进行测量，测量结果为单脉冲空气比释动能K′pulse，乘以相应的转换系数即可得到单脉冲周围剂量当量和单脉冲个人剂量当量[15,17]。

便携式脉冲X光机可产生脉冲时间为25 ns的脉冲X射线，管电压标称值为270 kV，频率标称值为15 Hz。利用德国PTW公司生产的34035型平板电离室对便携式脉冲X光机产生的脉冲X射线进行测量，测量结果为单脉冲个人剂量当量，测量位置到便携式脉冲X光机焦点的距离为1 m。34035型平板电离室为德国PTW公司生产的个人剂量当量次级标准电离室，15～1 400 keV范围内能量响应相对偏差在±5%以内，灵敏体积为10 cm3，主要用于测量X、γ射线的个人剂量当量。个人剂量当量次级标准电离室配合使用德国PTW公司生产的UNIDOS-Webline剂量仪，剂量仪设置为累积测量模式，通过式(4)可得到单脉冲个人剂量当量。

H′pulse=M34035N34035

(4)

式中：H′pulse为单脉冲X射线个人剂量当量测量值，μSv；
M34035为34035型平板电离室读数，μSv；
N34035为34035型平板电离校准因子。

单脉冲剂量除以脉冲时间，即可得到单脉冲X射线瞬时剂量率：

(5)

脉冲X射线参考辐射场部分辐射质的单脉冲剂量和瞬时剂量率列于表3。

表3 脉冲X射线参考辐射场剂量测量结果Table 3 Dose measurement result of pulsed X-ray reference radiation field

由表3可知，本文所建立的脉冲X射线参考辐射场剂量率范围涵盖了环境水平、防护水平、诊断与治疗水平、核应急水平等辐射剂量仪量程范围，可用于各类辐射防护仪器及个人剂量计的脉冲辐射响应特性研究，并可为核临界事故γ辐射报警仪提供测试条件。

本文基于稳态X光机、诊断X光机和便携式X光机研究建立了脉冲X射线参考辐射场。基于脉冲X射线次级标准电离室和脉冲时间测量系统完成了脉冲X射线参考辐射场辐射剂量特性研究。所建立的脉冲X射线参考辐射场的脉冲时间在50 ns～10 s之间可调，瞬时剂量率范围为2.5×10-3～6.7×105Sv/h，涵盖了环境水平、防护水平、诊断与治疗水平、应急水平、核临界事故水平等辐射剂量仪量程范围，可用于各类辐射防护仪器及个人剂量计的脉冲辐射响应特性研究，并可为核临界事故γ辐射报警仪提供测试条件。为了确保放射性工作人员的安全，后续将开展多种类探测器的脉冲响应特性研究。

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