常用輻射防護(hù)儀器電路時(shí)間常數(shù)的研究

歐向明

為了貫徹落實(shí)《放射診療管理規(guī)定》的有關(guān)規(guī)定，加強(qiáng)放射診療工作的管理保證醫(yī)療質(zhì)量和醫(yī)療安全，保障放射診療工作人員、患者和公眾的健康權(quán)益，多年來在對醫(yī)用診斷X射線機(jī)等放射工作場所及周圍環(huán)境輻射水平進(jìn)行監(jiān)測時(shí)，輻射防護(hù)劑量/劑量率儀和巡測儀已被廣泛應(yīng)用在輻射防護(hù)的監(jiān)測工作中，成為評價(jià)電離輻射場所是否安全的定量基礎(chǔ)[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)我國各省市監(jiān)測機(jī)構(gòu)目前使用的防護(hù)儀約有數(shù)千臺，其中絕大多數(shù)屬于電離室型防護(hù)儀（以下統(tǒng)稱防護(hù)儀）。我們發(fā)現(xiàn)在輻射防護(hù)監(jiān)測實(shí)際工作中，由于有的監(jiān)測機(jī)構(gòu)的工作人員對電離室型防護(hù)儀的性能和測量電路原理不熟悉，不了解儀器的電路時(shí)間常數(shù)，而錯誤地使用上述防護(hù)儀檢測醫(yī)用診斷X射線攝影（拍片）時(shí)的防護(hù)、甚至直接測量拍片時(shí)X射線管的輸出劑量。這樣，防護(hù)儀的電路響應(yīng)時(shí)間跟隨不上致使測量值很低，造成評價(jià)結(jié)果產(chǎn)生了較大的不確定度，這種現(xiàn)象應(yīng)引起相關(guān)工作人員的足夠重視。

目前輻射防護(hù)監(jiān)測機(jī)構(gòu)常用的防護(hù)儀主要包括以下幾種∶（1）我國早期研制的以測量照射量率為代表的XS及WF系列；（2）以測量空氣吸收劑量率為代表的FJ-347A；（3）以測量劑量當(dāng)量為代表的450P-SI；（4）以近期美國進(jìn)口的測量周圍劑量當(dāng)量為代表的451P-DE-SI。這些防護(hù)儀都具有電離室型探測器及高輸入阻抗的核電子學(xué)前置放大電路，下面分別分析它們的響應(yīng)時(shí)間。

1 電離室型探測器的響應(yīng)時(shí)間

電離室是輻射防護(hù)領(lǐng)域中問世最早、應(yīng)用最廣的一種探測器，常壓由高壓電極、收集電極及包含一定氣體體積的電離室壁等三部分構(gòu)成，按照電離室內(nèi)是否充有高壓氣體，通常被分為常壓和加壓兩類探測器。它們的工作原理是一樣的，當(dāng)射線入射到電離室的靈敏體積中，在電極或室壁上打出次級電子（光電子和康普頓電子），次級電子使氣體產(chǎn)生電離，生成正負(fù)離子對[2]。在加上極化電壓的兩個(gè)電極電場的作用下，正離子和電子所呈現(xiàn)的正電荷向陰極的漂移和負(fù)電荷向陽極方向漂移，在外電路中收集成微弱的本征電離電流。

在漂移過程中的電子和正離子在兩極電場作用下被加速，使飛行時(shí)間較短，其結(jié)果在宏觀上表現(xiàn)為防護(hù)儀的電離室響應(yīng)時(shí)間僅在微秒的量級。

2 防護(hù)儀的電路的響應(yīng)時(shí)間

2.1 前置放大電路原理

按照電離室探測器的靈敏體積、及輻射防護(hù)水平的入射粒子流強(qiáng)度計(jì)算，由防護(hù)儀探測器所產(chǎn)生的電離電流強(qiáng)度在10-11至10-13安培之間。一般的電流—電壓轉(zhuǎn)換電路無法測量這種很微弱的電流信號，因此防護(hù)儀必須使用高輸入阻抗的前置放大電路（1013Ω），配合高阻值的負(fù)反饋電阻（109～1012Ω），才能保證信號不丟失并被有效放大，實(shí)現(xiàn)累積劑量或劑量率的測量[3]。常見防護(hù)儀的前置放大電路原理圖如圖一所示∶電離室輸出的us微弱信號經(jīng)保護(hù)電阻Ra接入高輸入阻抗的前置放大器PA進(jìn)行放大，累積劑量的測量Cf為反饋電容、或劑量率的測量Rf 為高阻值反饋電阻，Rp為前置放大器的平衡電阻；電離室等效電容為Cd，電離室阻抗為Rd，放大線路的雜散電容為Cz，經(jīng)電流—電壓轉(zhuǎn)換后的信號以uc(t)表示。

圖1 常見防護(hù)儀的前置放大電路原理圖

2.2 等效電路分析

圖2 合成后的防護(hù)儀等效電路

以防護(hù)儀測量累積劑量時(shí)為例，經(jīng)對圖一中的電阻、電容進(jìn)行合成可知，合成后的等效電阻R的大小約等于高阻值負(fù)反饋電阻Rf，等效電容很?。s幾十微微法拉）用C表示，那么合成后的防護(hù)儀前置放大器的等效電路如圖二所示[4]。

從等效電路圖二可以看出防護(hù)儀的前置電路的實(shí)質(zhì)可以等效為積分電路，即電離室探測器接收輻射后產(chǎn)生的電離電流is(t)，經(jīng)高輸入阻抗（R）的前置放大器PA進(jìn)行放大并對電容C充電，電容C上的電壓值uc(t)近似地正比于輸入電壓us對時(shí)間的積分。電容C上的電壓值uc為電離電流is(t)隨時(shí)間的積分，其函數(shù)表達(dá)式為∶

或表示為e指數(shù)函數(shù)為∶

2.3 防護(hù)儀的時(shí)間常數(shù)

按照經(jīng)典的電子學(xué)理論，對于RC電路的時(shí)間常數(shù)為等效電阻R與等效電容C的乘積，用τ表示∶τ = R ×C。

時(shí)間常數(shù)在電子線路中是一個(gè)很重要的參數(shù)，用來表征過渡過程的長短。τ越大則過渡過程時(shí)間越長，反之就短。若R的單位為歐姆，C的單位為法拉，則τ的單位為秒。對于防護(hù)儀的等效電路圖二，電容C上的電壓值uc隨時(shí)間按指數(shù)規(guī)律上升。一個(gè)τ的時(shí)間截止時(shí)，電容C上的電壓值uc約等于輸入信號電壓us的63.2%， 時(shí)間常數(shù)越大，則防護(hù)儀的響應(yīng)就越慢，反之則越快。防護(hù)儀的響應(yīng)時(shí)間與τ的對應(yīng)關(guān)系曲線見圖3。

圖3 防護(hù)儀的響應(yīng)時(shí)間與τ的對應(yīng)關(guān)系曲線

τ可以從uc的變化曲線上求得。從曲線上任選一點(diǎn)起算，每經(jīng)過t =τ秒的時(shí)間，電流或電壓就變化了起算值與穩(wěn)態(tài)值之差的63.2%，即尚余36.8% 需要在以后過程中完成?；蛘呖稍谄鹚泓c(diǎn)“0”做指數(shù)曲線的切線，此切線與穩(wěn)態(tài)值坐標(biāo)線us的交點(diǎn)a與起算點(diǎn)之間的時(shí)間坐標(biāo)差即為時(shí)間常數(shù)。相對于常用 防護(hù)儀的時(shí)間常數(shù)τ來說∶取測量電路的等效電阻R為歐姆、等效電容C為法拉，則∶

核電子學(xué)理論一般認(rèn)為，儀器電路從電離室探測器接收到穩(wěn)定的信號us，需經(jīng)過5倍的時(shí)間常數(shù)（5τ）的時(shí)間，放大電路的過渡過程才能趨于結(jié)束。防護(hù)儀的讀數(shù)值從檢測到信號逐步開始上升，大約需要5s的才能接近100%的響應(yīng)讀數(shù)值。

2.4 防護(hù)儀響應(yīng)時(shí)間的綜合分析

對于一臺經(jīng)過充分預(yù)熱后的防護(hù)儀響應(yīng)時(shí)間來說，一方面影響主要來自高輸入阻抗的前置放大電路，而電離室探測器的響應(yīng)時(shí)間僅在微秒的量級可忽略不計(jì)。另一方面防護(hù)儀的量程一般探測下限10-2μSv/h至最大量程102m Sv/h，所對應(yīng)的電路等效高阻值也從高到低、時(shí)間常數(shù)由大到小，表現(xiàn)為實(shí)際監(jiān)測中，被測量的輻射劑量水平越低、防護(hù)儀的量程約低、響應(yīng)時(shí)間越長。以目前輻射防護(hù)監(jiān)測機(jī)構(gòu)常用的451P型防護(hù)儀為例，筆者查閱了美國FLUKE公司生產(chǎn)的451P-DE-SI巡測儀相關(guān)指標(biāo)參數(shù)。在說明書中的“響應(yīng)時(shí)間”一項(xiàng)，有如下使用注意事項(xiàng)“對于滿刻度階躍上升，從讀數(shù)10%到90%的模擬響應(yīng)時(shí)間取決于操作量程”，在不同本底輻射照射量率下的階躍上升響應(yīng)時(shí)間為表1∶

表1 不同本底的階躍上升響應(yīng)時(shí)間

表2顯示在量程不變時(shí)，測量照射量率階躍上升（或下降）從終值的10%到90%各量程所用的響應(yīng)時(shí)間∶

4 結(jié)論

對于醫(yī)用診斷X射線機(jī)透視時(shí)的漏射線防護(hù)檢查，只要能保證加載的X射線束持續(xù)時(shí)間超過5 s，防護(hù)儀的響應(yīng)時(shí)間是足夠的。

表2 同一量程時(shí)的階躍上升響應(yīng)時(shí)間

由于醫(yī)用診斷X射線機(jī)拍片時(shí)的曝光時(shí)間較短，在分析了電離室型防護(hù)儀的時(shí)間常數(shù)等性能后我們知道，若使用它檢測拍片時(shí)的防護(hù)、或者測量X射線管的輸出劑量，防護(hù)儀的時(shí)間響應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟隨不上拍片的曝光時(shí)間致使測量值很低。這造成評價(jià)結(jié)果低于實(shí)際輻射危害，這是違背輻射防護(hù)應(yīng)盡可能“偏安全”原則的。另一方面由于防護(hù)儀探測下限靈敏度的限制，實(shí)際檢測中很難測量出防護(hù)條件較好的、環(huán)境輻射水平的X射線機(jī)房漏射線劑量。

筆者建議使用能量響應(yīng)較好的固態(tài)傳感器型劑量儀，來檢測醫(yī)用診斷X射線機(jī)的漏射線，一方面探測下限可滿足環(huán)境輻射水平的測量，同時(shí)劑量儀的時(shí)間常數(shù)較小，儀器的響應(yīng)時(shí)間可滿足毫秒量級的檢測。對于開展質(zhì)量控制（QC）和質(zhì)量保證(QA)時(shí)醫(yī)用診斷X射線機(jī)輸出量的測量，則應(yīng)該使用專門的診斷X射線劑量儀[5]，此類儀器一般選擇專用的半導(dǎo)體材料做為探測器，儀器的能量響應(yīng)及電路時(shí)間常數(shù)等指標(biāo)，完全可以滿足質(zhì)控檢測工作的需求。

[1]中華人民共和國衛(wèi)生部令第46號.放射診療管理規(guī)定[M].北京∶人民衛(wèi)生出版社，2006∶6-9.

[2]李星洪.輻射防護(hù)基礎(chǔ)[M].北京∶原子能出版社[M]. 1982∶17-19.

[3]F.H.阿蒂克斯等著，施學(xué)勤等譯.輻射劑量學(xué)（第二卷）[M]. 北京∶原子能出版社，1981∶45-66.

[4]秦世才，賈香鸞.模擬集成電子學(xué)[M].天津∶天津科學(xué)技術(shù)出版社，1996∶122-130.

[5]趙士庵，歐向明.RD-98智能型診斷X射線劑量儀的研制[J].中華放射醫(yī)學(xué)與防護(hù)雜志，2001，21(1)∶50-52.