中华放射医学与防护杂志  2017, Vol. 37 Issue (8): 609-613   PDF    
引用本文
张震, 侯长松, 梁婧, 张庆召, 练德幸, 张奇, 朱卫国. 辐射检测仪器时间常数的测量与探讨[J]. 中华放射医学与防护杂志, 2017, 37(8): 609-613, DOI: 10.3760/cma.j.issn.0254-5098.2017.08.010.
辐射检测仪器时间常数的测量与探讨
张震, 侯长松, 梁婧, 张庆召, 练德幸, 张奇, 朱卫国     
100088 北京, 中国疾病预防控制中心辐射防护与核安全医学所 辐射防护与核应急中国疾病预防控制中心重点实验室
收稿日期: 2017-02-04
基金项目: 国家重大科学仪器设备开发专项（2012YQ18011806）
通信作者: 朱卫国, Email:zwg@borui.bj.cn
[摘要] 目的 测定4种常用辐射检测仪器（6150AD6+6150AD-b型剂量仪、FH40G+FHZ672E-10型剂量仪、451P型电离室剂量仪和AT1123型剂量仪）的时间常数，探讨时间响应修正公式及应用。方法 在X射线机连续出束条件下，记录仪器显示的周围剂量当量率；根据电阻R电容C串联电路（RC电路）的时间响应修正公式对数据进行最小二乘法拟合，求出仪器的时间常数τ。结果 6150AD6+6150AD-b型剂量仪2次拟合的时间常数τ相对不确定度为8%，其他类型设备2次拟合时间常数τ相对不确定度均>20%。结论 6150AD6+6150AD-b型剂量仪、451P型电离室剂量仪、FH40G+FHZ672E-10型剂量仪和AT1123型剂量仪读数稳定所需时间分别为8、5、3和2 s，其上升趋势不完全符合RC电路时间响应修正公式。
[关键词] 时间常数     周围剂量当量率     最小二乘法     不确定度    
Measurement and discussion of circuit time constants for radiation detectors
Zhang Zhen, Hou Changsong, Liang Jing, Zhang Qingzhao, Lian Dexing, Zhang Qi, Zhu Weiguo     
Key Laboratory of Radiological Protection and Nuclear Emergency, China CDC, National Institute for Radiological Protection, Chinese Center for Disease Control and Prevention, Beijing 100088, China
Fund programs: National Major Scientific Instruments and Equipment Development Project(2012YQ18011806)
Corresponding author: Zhu Weiguo, Email:zwg@borui.bj.cn
[Abstract] Objective To measure the circuit time constants of 4 kinds of radiation survey meters (451P ionization chamber dosimeter, 6150AD6+6150AD-b dose meter, FH40G+FHZ672E-10 dose meter and AT1123 dose meter) and, to discuss the formula of time response correction and its application. Methods In the condition of continuous exposure of X-ray machine, the ambient dose equivalent rates shown by survey meters were recorded. In order to get the circuits time constant, the least squares fittingmethod was used to fit the data using the time response formula of circuit having a capacitance C and a resistance R in series. Results The relative uncertainty of fitted circuit time constants was higher than 20% except for 6150AD6+6150AD-b dose meter. The relative uncertainty of fitted τ was 8% for 6150AD6+6150AD-b dose meter. Conclusions The time required to stabilize the dosimeter readings was 8, 5, 3 and 2 s, respectively, for the 451P ionization chamber dosimeter, 6150AD6+6150AD-b dose meter, FH40G+FHZ672E-10 dose meter and AT1123 dose meter. The rising trend of their measured values was not fully accordance with the RC circuit time response correction formula.
[Key words] Circuit time constant     Ambient dose equivalent rate     Least square method     Uncertainty    

目前，大量射线出束时间短(ms~s的量级，甚至ns~ms量级)的X射线装置被普遍应用于医疗、工业等领域，比如医疗中X射线摄影设施[计算机X射线摄影(computed radiography)和数字X射线摄影(digital radiography)]和介入使用的射线装置等出束时间在ms~s的量级。在射线出束时间短的情形下进行检测，为了得到准确的检测结果应优先选择使用响应时间小于射线出束时间的仪器，否则需对仪器显示值进行时间响应修正[1-2]。对于电离室型仪表，按照经典的电子学理论，对于电阻R和电容C组成的串联电路(RC电路)有时间响应的修正公式[3]，修正后的结果才能用于判断被检测工作场所的辐射水平是否满足国家标准要求[4-6]，因此对辐射检测仪器时间响应的研究非常必要。本研究测量了常用的4种类型检测设备的时间常数，并探讨了时间响应修正公式及其应用。

材料与方法

1.测量对象：4种类型的剂量仪分别为德国Automess公司生产的6150AD6+6150AD-b型剂量仪、美国Thermo公司生产的FH40G+FHZ672E-10型剂量仪、美国Fluka公司生产的451P型电离室剂量仪和白俄罗斯Atomtex生产的AT1123型剂量仪。

2.仪器与材料：德国飞利浦MG324型高稳定度X射线机和英国NE公司生产的NE2550型二级标准剂量仪。

3.测量方法：对4种类型的测量仪表分别进行时间响应的测量，每类设备测量2次。X射线机出束后每秒依次记录各剂量仪的显示值变化，直至剂量率显示结果稳定，因此每个时间测量点采集2次显示值。然后对数据进行整理，利用ROOT软件[7]进行最小二乘法拟合，对于电离室型剂量仪，其RC电路时间拟合公式为[3]：

$ \dot D\left( t \right) = a\left( {1-{{\text{e}}^{-t/\tau }}} \right) $ (1)

式中，$\dot D\left( t \right) $为t时刻仪器显示的周围剂量当量率，μSv/h；a为拟合参数，指辐射场所实际的周围剂量当量率，μSv/h；t为时间，s；τ为RC电路的时间常数，s。

拟合给出设备的时间常数τ，进而可计算响应时间(2.197τ)[1, 8]。

4.质量控制：飞利浦MG324型高稳定度X射线机和NE2550型二级标准剂量仪均为中国疾病预防控制中心辐射防护与核安全医学所国家二级标准剂量学实验室中的标准设备，经过中国计量科学研究院检定。4种类型的剂量仪均经过中国计量科学研究院的检定或校准。

结果

1. 451P型电离室剂量仪：451P型电离室剂量仪显示值随着时间的变化列于表 1。其中数据已扣除本底(未出束时实验室本底平均值为0.1 μSv/h)，可以看出射线装置出束后，两次测量的前3个显示值差异较大。第4个读数以后两次测量已比较吻合，第5个读数(5 s时)已能达到稳定值，与文献[9]报道一致。

表 1 451P型电离室剂量仪测量值随时间的变化(μSv/h) Table 1 Measured value variation with time for 451P ionization chamber dosimeter(μSv/h)

使用公式(1) 对数据进行拟合，拟合曲线示于图 1。由图 1可以看出，两次拟合的τ值分别为3.7和9.0 s，平均值为6.4 s，统计相对不确定度为59%；a值分别为14.1和16.4 μSv/h，其平均值大于仪器稳定时测量值(12 μSv/h)20%。

图 1 451P型电离室剂量仪测量值拟合曲线 Figure 1 Fitting curves of measured values for 451P ionization chamber

2. 6150AD6+6150AD-b型剂量仪：6150AD6+6150AD-b型剂量仪显示值随着时间的变化列于表 2。表 2中数据已扣除本底，可以看出射线装置出束后两次测量的所有读数都非常接近，出束后第8个读数(8 s时)已能达到稳定值。

表 2 6150AD6+6150AD-b型剂量仪测量值随时间的变化(μSv/h) Table 2 Measured value variation with time for 6150AD6+6150AD-b dose meter(μSv/h)

使用公式(1) 对数据进行拟合，拟合曲线示于图 2。2次拟合的τ值分别为7.2和6.5 s，平均值为6.8 s，相对不确定度为8%；a值分别为16.8和16.1 μSv/h，大于仪器稳定时测量值(12 μSv/h) 30%。

图 2 6150AD6+6150AD-b型剂量仪测量值拟合曲线 Figure 2 Fitting Curves of measured values for 6150AD6+6150AD-b dose meter

3. FH40G+FHZ672E-10型剂量仪：FH40G+FHZ672E-10型剂量仪显示值随着时间的变化列于表 3。数据已扣除本底，从表 3可以看出射线装置出束后第1、2个读数有较大差异，出束后第3个读数(3 s时)已能达到稳定值。

表 3 FH40G+FHZ672E-10型剂量仪显示值随时间的变化(μSv/h) Table 3 Measured value variation with time for FH40G+FHZ672E-10 dose meter(μSv/h)

使用公式(1) 进行拟合，拟合曲线示于图 3。从图 3中可以看出两次拟合出来的a较接近，分别为14.41和13.38 μSv/h；τ值分别为2.19和0.75 s，平均值为1.5 s，相对不确定度为70%。拟合τ值差异大的原因是出束后第1个显示值差异大。

图 3 FH40G+FHZ672E-10型剂量仪拟合曲线 Figure 3 Fitting Curves of measured values for FH40G+FHZ672E-10 dose meter

4. AT1123型剂量仪：AT1123型剂量仪在连续测量模式下显示值随着时间的变化列于表 4。数据已扣除本底，从表 4中可以看出射线装置出束后第1个读数，有较大差异，出束后第2个读数(2 s时)已能达到稳定值。

表 4 AT1123型剂量仪显示值随着时间的变化(μSv/h) Table 4 Measured value variation with time for AT1123 dose meter(μSv/h)

使用公式(1) 对数据进行拟合，拟合曲线示于图 4。拟合出来的a分别为9.82和10.18 μSv/h，τ值分别为1.46和2.00 s，平均值为1.73 s，相对不确定度为22%。

图 4 AT1123型剂量仪拟合曲线 Figure 4 Fitting Curves of measured values for AT1123 dose meter

讨论

对于>10 μSv/h的辐射场，6150AD6+6150AD-b型剂量仪、451P型电离室剂量仪、FH40G+FHZ672E-10型剂量仪和AT1123型剂量仪(连续辐射测量模式下)，仪器读数达到稳定所需时间分别为8、5、3和2 s，在射线出束强度连续均匀且射线持续时间大于等于以上时间，检测结果不需要做时间响应修正。对AT1123型剂量仪，由于该设备能选择短时间测量模式，因此在低于2 s的情况下，应选择短时间辐射测量模式，根据仪器说明书，当出束时间大于0.03 s测量结果不需要时间响应修正。

对451P型电离室剂量仪，通过拟合显示两次测量的周围剂量当量率上升趋势不完全符合公式(1)；对于6150AD6+6150AD-b型剂量仪，由于其为塑料闪烁体型探测器，尝试使用公式(1) 进行了拟合，拟合曲线也不完全符合公式(1)。对于FH40G+FHZ672E-10型剂量仪，有一组数据的拟合曲线非常好，另外一组数据的拟合曲线不理想。对于AT1123型剂量仪，两次测量的周围剂量当量率上升趋势也不完全符合公式(1)。

4种仪器中除6150AD6+6150AD-b型剂量仪外，其他3种仪器的拟合时间常数τ相对不确定度均>20%，分析原因可能由以下几个方面引起：一是仪器显示值上升过程中其显示值本身的统计涨落很大，这一点可以从AT1123型剂量仪显示值及其不确定度看出；二是剂量仪本身探测器性能和电子学处理不同导致有差异；三是射线出束时刻可能在仪器两次显示值中间的任一时刻，而导致显示值有所差异。

由于拟合的4种测量仪各曲线都不能完全符合公式(1)，因此对这4种测量仪显示值进行时间响应修正还需要进一步研究。下一步将在不同的短时间(小于仪器的响应时间)出束模式下测量并记录仪器显示的最大值，然后测量相同出束条件但长时间(大于仪器的响应时间)出束情况下的测量值，通过实验数据分别给出这4种仪器的时间响应修正方法及其适用范围。

利益冲突 本研究未因进行该研究而接受任何不正当的职务或财务利益，在此对研究的独立性和科学性予以保证
作者贡献声明 张震设计研究方案及论文撰写；侯长松指导现场检测工作和论文修改；梁婧、张庆召和张奇参与现场测量及记录；练德幸参与论文的修改；朱卫国负责数据整理及分析
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