吳金杰， 郭 彬， 李 兵，2， 蔣 偉，2， 陳法君，2， 段盛麟，3

（1.中國計量科學研究院，北京 100029； 2.成都理工大學，四川 成都 610059；3.北京航空航天大學，北京 100191）

介入法測量工業(yè)X射線光機管電壓的研究

吳金杰1， 郭 彬1， 李 兵1，2， 蔣 偉1，2， 陳法君1，2， 段盛麟1，3

（1.中國計量科學研究院，北京 100029； 2.成都理工大學，四川 成都 610059；3.北京航空航天大學，北京 100191）

建立了基于分壓箱介入法測量工業(yè)X射線光機管電壓的方法，測量了工業(yè)X射線光機MG165的管電壓。結果顯示管電壓紋波小于4%，其中35 kV以上，紋波小于1%；7.5～150 kV范圍內(nèi)平均管電壓與標稱值偏差小于1.8%，多次測量管電壓重復性好于0.01%，測試重新出束和開機條件下的管電壓重復性，結果好于0.02%，達到了低能X射線空氣比釋動能國家基準量值復現(xiàn)、量值傳遞和國際比對的要求。

計量學；工業(yè)X射線光機；介入法；管電壓

1　引 言

X射線廣泛應用于醫(yī)學診斷、放射治療、工業(yè)無損檢測、公共安全和科學研究等領域。空氣比釋動能和管電壓之間近似平方正比關系，管電壓微小的升高可能會使醫(yī)學診斷受檢者所受吸收劑量顯著增加，研究表明X射線光機管電壓產(chǎn)生變化引起的散射射線是診斷受檢者吸收劑量的一個重要貢獻部分［1］，因此，管電壓是醫(yī)用診斷X射線光機質(zhì)量控制的重要參數(shù)，JJG 744—2004《醫(yī)用診斷X射線輻射源》［2］計量檢定規(guī)程要求X射線光機管電壓的誤差不超過±10%。

管電壓也是衡量X射線國家基、標準裝置參考輻射質(zhì)的重要參數(shù)。國家標準GB/T 12162.1—2000用于校準劑量計和劑量率儀及確定其能量響應的X和γ參考輻射第1部分：輻射特性及產(chǎn)生方法［3］，要求參考輻射裝置中X射線光機管電壓的紋波小于10%；能在±1%以內(nèi)顯示管電壓值；在照射期間，X射線管電壓平均值要求穩(wěn)定在1%以內(nèi)；管電壓的約定真值應準確到±2%以內(nèi)。因此，在低能國家基準裝置參考輻射場中［4，5］，開展管電壓測量方法研究，實現(xiàn)管電壓精確測量是評估是否符合國際標準、達到基準量值復現(xiàn)、國際比對和量值傳遞要求的重要指標［6，7］。管電壓的精確測量也將為下一步建立診斷X射線管電壓國家標準，開展管電壓測量儀表校準奠定基礎條件［8，9］。

X射線光機管電壓的測量方法有介入法、非介入法。介入法是指在光機初級電路中通過適當刻度過的電阻串分壓的方式，將高電壓轉換為較小的電壓，再通過常規(guī)的電壓表進行測量的方法。非介入法有兩種，一種是指利用多個半導體探測器檢測穿過不同厚度材料的X射線輻射量，通過吸收輻射量的比值來計算管電壓［10］；另一種是通過高分辨率能譜儀測量X射線光機的注量譜，管電壓通過譜的高能線性部分外推與能量軸的交點得到［11］。

介入法測量管電壓較為準確，能夠溯源至國家電壓基準，為計量基準實驗室所采用。國際計量局BIPM、德國物理技術研究院PTB等計量實驗室已建立了介入式測量管電壓的方法［12，13］，為評價X射線基準參考輻射質(zhì)和基準穩(wěn)定性提供參考，也實現(xiàn)了診斷X射線光機管電壓測量儀器的量值溯源。

非介入法由于其便捷，適用于醫(yī)院等現(xiàn)場條件下X射線光機管電壓的測量。國內(nèi)管電壓的測量研究集中于采用半導體探測器測量材料減弱的方法實現(xiàn)管電壓的非介入測量［14］。

低能X射線空氣比釋動能國家基準作為醫(yī)學診斷、放射治療、輻射防護和環(huán)境監(jiān)測儀表在低能X射線能量段量值溯源的源頭，建立介入法測量X射線光機管電壓測量裝置，研究X射線光機管電壓的精確度、穩(wěn)定性，對輻射質(zhì)的評價和非介入式管電壓儀表的量值溯源有重要意義。

2　原理、方法和實驗裝置

X射線管電壓定義為加在X射線管陽極和陰極之間的電位差。實際上這個定義并不嚴謹，它可以指絕對電壓峰值Up、平均峰值電壓、有效峰值電壓Ueff、平均管電壓或其它。20世紀90年代末期，德國科學家Kramer及合作者提出了一個新的物理量——實際峰值電壓Upp［12］。實際峰值電壓是基于不同管電壓波形成，相同的實際峰值電壓下，可以獲得相同對比度水平的圖像質(zhì)量。2002年，國際電工委員會（InternationalElectroTechnical Commission，IEC）采納了該方法，并以IEC 61267標準的形式發(fā)布［15］，因此對于診斷X射線千伏表，應用于評價影像質(zhì)量，需要校準的物理量為實際峰值電壓Upp。而對于X射線輻射質(zhì)的描述，由于直接相關的是X射線空氣比釋動能，所以應該采用的物理量為平均管電壓

介入式分壓測量系統(tǒng)包括介入式分壓箱、數(shù)字電壓表和數(shù)據(jù)采集軟件。其原理就是測量電阻串上每個電阻所分電壓乘以分壓系數(shù)，電阻串的阻值經(jīng)過刻度，溫度和電壓影響較小。系統(tǒng)連接示意圖見圖1。X射線光機的光管和高壓發(fā)生器之間聯(lián)入分壓箱，數(shù)字電壓表采用五位半數(shù)字萬用表，測量輸出分壓，基于VC的測量軟件實現(xiàn)數(shù)字萬用表的數(shù)字化采集。示波器可以監(jiān)視管電壓的波形。

圖1　介入式管電壓測量連接示意圖

低能X射線光機為德國YXLON公司生產(chǎn)，型號為MG165，X射線光機總功率4 500 W，具體性能參數(shù)見表1。分壓箱采用美國GE公司生產(chǎn)的Titan E，電壓表為美國安捷倫五位半數(shù)字萬用表，型號Agilent 34411A。

表1　X射線機的性能指標

分壓箱電壓測量范圍：10～225 kV，輸入/輸出電阻：2500MΩ/100kΩ，分壓比為25000∶1，電壓測量精確度：0.1%，溫度熱穩(wěn)定性：阻抗小于25× 10-6/℃，電壓穩(wěn)定性小于0.5×10-6/V。

分壓箱經(jīng)德國物理技術研究院（PTB）實驗室校準，給出了不同管電壓值下的分壓系數(shù)，見表2

表2　分壓箱不同管電壓下的分壓系數(shù)

采用四次多項式進行擬合，結果見圖2，通過擬合公式可以給出不同管電壓下的分壓系數(shù)。

圖2　四次多項式擬合分壓箱分壓比例系數(shù)

3　結 果

3.1光機管電壓曲線

在10 kV標稱管電壓下，測量X射線光機啟動與關閉時管電壓變化曲線。可以看到X射線光機管電壓在上升沿有一個抖動，之后進入平臺，初期管電壓紋波較大，自開機0.3 s后，達到10 kV，到開機1.0 s后，管電壓趨于穩(wěn)定，見圖3；關機時，光機在0.1 s之內(nèi)下降為0，見圖4。該結果對于低能X射線國家基準裝置量值復現(xiàn)、量值傳遞實驗具有參考價值。

3.2管電壓紋波

建立參考輻射場要求X射線發(fā)生器管電壓紋波不超過10%，紋波定義為最大管電壓與最小管電壓的差值與最大管電壓的比值

圖3　X射線光機管電壓上升曲線

圖4　X射線光機管電壓下降曲線

圖5　不同采樣時間間隔MG165光機的紋波值隨管電壓的變化

MG165型光機由Y.TU 160-D02光管和40 kHz高頻高壓發(fā)生器等組成，因此，管電壓隨時間變化的周期約為25 μs，而測量系統(tǒng)使用的數(shù)字萬用表最小的采樣時間間隔為20 μs，能夠完全測量出管電壓的波動情況，故選用不同的采樣時間間隔進行比較，其結果見圖5。

可以看出，在采樣間隔≤1 ms時，不同采樣間隔，管電壓紋波大小基本一致，隨管電壓大小從4.0%至0.3%，逐漸減少，在管電壓大于35 kV時，紋波小于1%。

3.3平均管電壓值

非介入系統(tǒng)空載時測量，可以獲得管電壓測量的臺階，其結果見圖6，其中DVB表示臺階平均分壓值，為0.000 4 V，按最大分壓比為25 043∶1計算，可得臺階為0.01 kV，低能X射線基準最低管電壓為10 kV，臺階對管電壓的影響小于0.1%，可以忽略。

圖6　介入式管電壓測量系統(tǒng)本底測量

在X射線光機標稱管電壓50 kV下，采用介入式分壓箱測量系統(tǒng)測量電壓結果見圖7，經(jīng)計算可得到采樣時間間隔為0.02 ms時平均管電壓為49.475 kV，與標稱值的差別為1.05%。

圖7　采樣時間間隔0.02 ms介入式管電壓測量50 kV所得管電壓值

在X射線光機從7.5 kV至150 kV管電壓范圍內(nèi)，對測得的平均管電壓與標稱值進行比較，X射線光機出廠的管電壓的精度為設定值的±1%±0.1 kV。表3的結果顯示測量值與設定值的差別小于±1%±0.1 kV，符合出廠指標。

表3　MG165光機上管電壓的介入式測試結果

3.4平均管電壓重復性

X射線光機運行中管電壓的重復性是X射線基準空氣比釋動能量值復現(xiàn)重復性的影響因素。采用介入式測量系統(tǒng)對X射線管電壓的重復性進行測試，結果見表4。在管電壓為50 kV，采樣時間間隔為0.02 ms條件下，測量5次，結果顯示平均管電壓標準偏差為0.005%。低能X射線基準量值復現(xiàn)時，空氣比釋動能測量的重復性從0.03%至0.08%，可以看出由管電壓變化引入的影響可以忽略。

3.5開關機對管電壓的影響

在X射線光機僅關閉射束和關閉整個電源兩種條件下，考察平均管電壓的變化。圖8顯示了光

圖8　管電壓60 kV的開關機穩(wěn)定性

機管電壓為60 kV兩種條件下開、關機對管電壓的影響，由圖可以看出開關機變化小于0.02%。

表4　管電壓50 kV，采樣間隔0.02 ms條件下重復性測試結果

4　結 論

本文介紹了介入式測量工業(yè)X射線光機管電壓的方法，對YXLON MG165工業(yè)X射線光機管電壓測量的結果表明，光機管電壓紋波小于4%；在35 kV以上，管電壓紋波小于1%；滿足建立標準輻射質(zhì)要求紋波小于10%的要求。

X射線光機平均管電壓與標稱值偏差小于1.8%，滿足管電壓的約定真值應準確到±2%以內(nèi)的要求。目前，實際測量的管電壓值均比示值小，通過適當調(diào)高示值，結合非介入式管電壓測量方法，可以使實際管電壓與約定真值更接近。

平均管電壓的重復性好于0.02%，達到照射期間管電壓穩(wěn)定在1%以下的要求。實驗測試了多次出束與開機時，平均管電壓的變化，穩(wěn)定性好于0.02%，完全達到低能X射線空氣比釋動能國家基準量值復現(xiàn)、量值傳遞和國際比對的要求。

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Research on Tube Potential of Industrial X-rays Generator by Invasive Measurement

WU Jin-jie1， GUO Bin1， LI Bing1，2， JIANG Wei1，2， CHEN Fa-jun1，2， DUAN Sheng-lin1，3
（1.National Institute of Metrology，Beijing 100029，China；2.Chengdu University of Technology，Chengdu，Sichuan 610059，China；3.Beihang University，Beijing 100191，China）

An invasive measurement method is established to get the tube potential of industrial X-rays generator base on high voltage divider.The tube potential of X-rays machine MG165 is obtained.The results show the ripple of tube potential is less than 4%，when tube potential is more than 35 kV，the ripple is less than 1%.The relative deviation between average tube potential and nominal value is less than 1.8%in the range from 7.5 kV to 150 kV.The repeatability of average tube potential is better than 0.01%.It is less than 0.02%on the condition of re-open beam and re-open generator.All the testing results shows this X-rays generator is satisfy the requirement for realization，dissemination and international comparison of primary standard of air kerma in the range of low-energy X-rays.

metrology；industrial X-rays generator；invasive measurement method；tube potential

TB98

A

1000-1158（2015）05-0550-05

10.3969/j.issn.1000-1158.2015.05.22

2014-10-14；

2015-06-04

國家科技支撐項目（2011BAI02B07）；質(zhì)檢公益行業(yè)專項（201210003）

吳金杰（1981-），男，浙江東陽人，中國計量科學研究院副研究員，博士，主要從事X射線計量學研究。wujj@nim.ac.cn