替代241Am低能光子源的準(zhǔn)單色X射線機(jī)的研制

林 輝，肖雪夫，趙 靖，簡(jiǎn)利民

（1.原子高科股份有限公司，北京 102413；2.中國(guó)原子能科學(xué)研究院 放射性計(jì)量測(cè)試部，北京 102413）

241Am低能光子源是同位素工業(yè)儀表中使用極為廣泛的放射源[1]，目前由于原料短缺、放射源使用限制多、辦理手續(xù)復(fù)雜、管理費(fèi)用高等問題[2]，對(duì)使用241Am低能光子源的同位素工業(yè)儀表的發(fā)展造成了限制，因此，研制一種能譜與241Am低能光子源的相近、使用方便、不影響原有儀表設(shè)計(jì)、能替代241Am低能光子源的X射線機(jī)有著非常重要的意義[3]。與放射性同位素源相比，X射線機(jī)最大的優(yōu)點(diǎn)是X射線的強(qiáng)度和分布具有可調(diào)節(jié)性。另外，X射線機(jī)光路的幾何布置受限制小，可使用準(zhǔn)直器、濾光片、狹縫等提高性能。X射線機(jī)與241Am低能光子源相比，其缺點(diǎn)是X射線譜是連續(xù)譜，用來替代 Am低能光子源，必須對(duì)連續(xù)譜進(jìn)行單色化處理。本文利用濾光片法研制一種能替代241Am低能光子源的準(zhǔn)單色X射線輸出裝置并對(duì)其應(yīng)用進(jìn)行測(cè)試。

1 實(shí)驗(yàn)方法

參照241Am光子源的光子能量（59.5keV）、譜形和發(fā)射率（3.7×108Bq241Am光子源對(duì)應(yīng)的光子發(fā)射率約為108s－1）[4]，根據(jù)蒙特卡羅模擬計(jì)算結(jié)果來設(shè)計(jì)加工X射線管，在X射線的出射方向安裝合適的準(zhǔn)直器和濾光片，利用濾光片的吸收限進(jìn)行濾波，除去不需要的譜線。參照241Am放射源的能譜半高寬，將濾波后的能譜半高寬小于20keV時(shí)獲得的準(zhǔn)單色X射線用來替代241Am放射源。

2 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果討論

2.1 X射線機(jī)參數(shù)

應(yīng)用SPELLMAN公司生產(chǎn)的可調(diào)高壓電源與自行設(shè)計(jì)委托加工的X射線管[5]、準(zhǔn)直器、冷卻系統(tǒng)組裝成X射線輸出分體機(jī)，X射線管的參數(shù)列于表1。

表1 X射線管的參數(shù)Table 1 Parameters of X-ray tube

2.2 X射線連續(xù)譜實(shí)驗(yàn)

X射線機(jī)在70kV高壓、0.1mA管電流、1.5m探測(cè)距離、60s測(cè)量時(shí)間條件下的連續(xù)譜示于圖1?？芍?，X射線機(jī)發(fā)射的X射線能譜是連續(xù)的，無明顯的峰位，欲得到明顯的峰位需對(duì)X射線機(jī)輸出的X射線進(jìn)行單色化處理。

圖1 70kV高壓的連續(xù)譜Fig.1 Continuous spectrum of 70kV

2.3 準(zhǔn)直器對(duì)X射線連續(xù)譜譜形和X射線強(qiáng)度的影響

由于241Am低能光子源是經(jīng)屏蔽準(zhǔn)直后到達(dá)探測(cè)器，而X射線管發(fā)射的X射線沿一定角度呈扇形發(fā)射，因此欲不改變?cè)瓉淼臏y(cè)量系統(tǒng)直接替代241Am低能光子源，就必須沿發(fā)射角度對(duì)X射線進(jìn)行準(zhǔn)直以減少本底信號(hào)，使用鉛制的不同規(guī)格準(zhǔn)直器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果示于圖2?？煽闯?，經(jīng)準(zhǔn)直器后的X射線連續(xù)譜可得到明顯的峰位，X射線的強(qiáng)度隨準(zhǔn)直器的加長(zhǎng)而減弱，峰區(qū)邊界能量主要集中在30～65keV之間。欲得到50～60keV之間的峰位能量，需對(duì)高能峰區(qū)（≥60keV）和低能峰區(qū)（≤50keV）部分的X射線進(jìn)行過濾。

圖2 準(zhǔn)直系統(tǒng)對(duì)X射線連續(xù)譜譜形和強(qiáng)度的影響Fig.2 Influence of collimator on spectrum and intensity of X-ray

2.4 濾光片的選擇

參照元素的K吸收限[1]，選擇鋁、鎳、銅和銀作為吸收低能（≤50keV）的濾光片，釓、鉭和鉑作為吸收高能（≥60keV）的濾光片進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，濾光片按表2組合（高壓，70kV；管電流，0.1mA；探頭距離，1.5m；準(zhǔn)直器，φ10mm×50mm；測(cè)量時(shí)間，60s）時(shí)，可得到與241Am低能光子源非常相近的準(zhǔn)單色X射線（圖3）。

表2 混合濾光片對(duì)X射線譜形和強(qiáng)度的影響Table 2 Influence of combined filter on spectrum and intensity of X-ray

圖3 Ta-Ag、Pt-Ag混合濾光片及241 Am標(biāo)準(zhǔn)源譜Fig.3 Spectra of Ta-Ag，Pt-Ag and 241 Am standard source

2.5 管電流對(duì)X射線譜形和強(qiáng)度的影響

在高壓、濾光片、探頭距離和測(cè)量時(shí)間等參數(shù)固定的條件下，調(diào)節(jié)管電流，結(jié)果示于圖4（高壓，70kV；濾光片，Ta-Ag；探頭距離，1.5m；準(zhǔn)直器，φ10mm×50mm；測(cè)量時(shí)間，60s）?？煽闯?，隨管電流的增大，X射線譜的峰位能量逐漸變小、峰半高寬逐漸增大，X射線強(qiáng)度劇增，因此在適用能量范圍內(nèi)可通過調(diào)節(jié)管電流來獲得不同強(qiáng)度的射線以代替不同活度的241Am低能光子源。

圖4 管電流對(duì)X射線譜形和強(qiáng)度的影響Fig.4 Influence of tube current on spectrum and intensity of X-ray

2.6 料位檢測(cè)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)

用準(zhǔn)單色X射線機(jī)替代1.11×109Bq的241Am放射源（φ10mm×5mm），通過PVC桶（內(nèi)徑120mm、高50mm、壁厚5mm）進(jìn)行靜態(tài)無損料位檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，準(zhǔn)單色X射線機(jī)能進(jìn)行料位測(cè)量并得到與241Am放射源相同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果（圖5）。

圖5 X射線料位測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Experimental result of X-ray level indicator

3 結(jié)論

本文研究結(jié)果表明，自行研制的準(zhǔn)單色X射線機(jī)能產(chǎn)生與241Am低能光子源的譜峰和譜形相近的準(zhǔn)單色X射線，且在料位計(jì)上能替代241Am低能光子源。

[1]孫樹正.放射源的制備與應(yīng)用[M].北京：原子能出版社，1982.

[2]國(guó)家環(huán)?？偩趾税踩?輻射安全與防護(hù)的法律法規(guī)選編[M].北京：原子能出版社，2006.

[3]楊福.應(yīng)用核物理[M].長(zhǎng)沙：湖南教育出版社，1994.

[4]中國(guó)核工業(yè)總公司.EJ／T 1067—1998 X射線熒光分析用镅-241源[S].北京：原子能出版社，1998.

[5]中華人民共和國(guó)國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì).JB／T 6215—2004 工業(yè)用X射線管系列型譜[S].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.