新型高劑量X射線管研究

申曉康，俞成山，張子民，肖榮慶，景 漪，曹樹春，李中平，劉 銘

（1.中國(guó)科學(xué)院 近代物理研究所，甘肅 蘭州 730000；2.甘肅省粒子束輻射工程技術(shù)研究中心，甘肅 蘭州 730000）

新型高劑量X射線管研究

申曉康1，2，俞成山1，2，張子民1，2，肖榮慶1，2，景 漪1，2，曹樹春1，2，李中平1，2，劉 銘1，2

（1.中國(guó)科學(xué)院 近代物理研究所，甘肅 蘭州 730000；2.甘肅省粒子束輻射工程技術(shù)研究中心，甘肅 蘭州 730000）

本文介紹了一種可廣泛應(yīng)用于血液輻照、疫苗生產(chǎn)、食品加工、生物學(xué)實(shí)驗(yàn)輻照等領(lǐng)域的X射線輻照設(shè)備，其利用電子束轟擊金屬靶韌致輻射產(chǎn)生的X射線進(jìn)行輻照，與同位素射線輻照裝置相比，該設(shè)備更安全，輻照均勻性更好，劑量可控。同時(shí)對(duì)新研制的X射線管的性能進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明，X射線管輻照均勻性較好，可滿足工業(yè)應(yīng)用要求。

輻照加工；加速器；X射線管

輻照加工是利用電離輻射與物質(zhì)相互作用的物理效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)和生物效應(yīng)，對(duì)物質(zhì)進(jìn)行加工處理以達(dá)到所需的目標(biāo)的過程［1］。由于其工藝簡(jiǎn)單、易于控制、環(huán)保節(jié)約、加工效率高而發(fā)展迅速。北美、歐洲等地的輻照加工產(chǎn)品應(yīng)用已十分廣泛。如美國(guó)20世紀(jì)90年代中期其輻照加工產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值已超過核電行業(yè)產(chǎn)值，成為新的GDP增長(zhǎng)點(diǎn)。

用于輻照加工的輻照源主要有兩大類：放射性核素衰變產(chǎn)生的γ射線和利用加速器產(chǎn)生的高能電子束打靶產(chǎn)生的X射線。與一般的利用放射性核素衰變產(chǎn)生的γ射線輻照加工相比，加速器輻照裝置具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：射線能量、空間分布狀況、輻照功率等可控性高，被輻照物吸收劑量更均勻，無環(huán)境污染，關(guān)機(jī)后無射線危害，安全可靠。因而加速器輻照得到了越來越廣泛的應(yīng)用。此類X射線輻照裝置可廣泛應(yīng)用于血液輻照［2］、疫苗生產(chǎn)、食品加工［3］、病毒滅活、醫(yī)療設(shè)備終端滅菌、昆蟲絕育、聚合物研究、基因重組、交聯(lián)反應(yīng)等。本文將介紹一基于電子束打靶的新型高劑量X射線管。

1 新型X射線輻照儀設(shè)計(jì)

X射線輻照儀的結(jié)構(gòu)主要包括X射線管、高壓電源、輻照室、自屏蔽結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)等。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、自屏蔽，無需特殊的防護(hù)措施，工作人員可在現(xiàn)場(chǎng)操作、檢修，運(yùn)行方便。

X射線輻照儀的核心部件是X射線管。傳統(tǒng)的X射線管為點(diǎn)發(fā)射型，效率低，僅適用于醫(yī)療、工業(yè)檢測(cè)、實(shí)驗(yàn)室分析等，不適用于工業(yè)輻照加工。而圖1所示的線形X射線管采用4π發(fā)射、360°輻照，輻照均勻度好，約為10%；射線轉(zhuǎn)換效率高，是點(diǎn)發(fā)射型的20倍；輻照劑量高，在滿功率（160kV／50mA）情況下，劑量率約20Gy／min，適合工業(yè)輻照加工。線形X射線管整個(gè)管壁均可透射出X射線，為充分利用射線，專門設(shè)計(jì)了用于放置被輻照物的儲(chǔ)存罐，儲(chǔ)存罐在自轉(zhuǎn)的同時(shí)繞X射線管公轉(zhuǎn)，這樣可保證被輻照物的吸收劑量均勻。

圖1 線性X射線管輻照示意圖Fig.1 Sketch map of linear X-ray tube irradiation

1.1 X射線轉(zhuǎn)換靶的物理設(shè)計(jì)

電子束打靶韌致輻射產(chǎn)生X射線的效率極低，約有99%的能量損失在陽極靶中，使陽極靶溫度升高；僅有約1%的電子束能產(chǎn)生X射線光子。而用于工業(yè)輻照的X射線管要求陽極靶的X射線轉(zhuǎn)換效率盡量高，因此需選擇合適的靶材及靶厚以獲得最大的X射線產(chǎn)額。文中采用基于蒙特卡羅方法的MCNP程序［45］，對(duì)靶材料、靶厚等因素對(duì)X射線產(chǎn)額的影響進(jìn)行分析，以最終確定X射線管陽極靶的物理設(shè)計(jì)。在MCNP程序中建立發(fā)射電子束的面源，在電子束發(fā)射方向上創(chuàng)建薄靶物理模型，在薄靶的光子透射方向設(shè)置探測(cè)器，記錄光子在給定探測(cè)器區(qū)域內(nèi)的沉積能量，然后轉(zhuǎn)換為吸收劑量。

電子打靶韌致輻射產(chǎn)生X射線的發(fā)射率大致正比于靶材原子序數(shù)Z的平方，因此制備X射線轉(zhuǎn)換靶多采用高Z材料作為陽極靶材。模擬時(shí)選用X射線管常見的靶材金、鎢、鉭作為陽極靶材。在程序輸入文件中給定電子能量為單一能量150keV，靶厚范圍為3～17μm，仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 X射線管吸收劑量率隨靶厚的變化Fig.2 Absorbed dose rate of X-ray tube vs target thickness

從仿真結(jié)果可看出，金靶、鎢靶和鉭靶的性質(zhì)非常相似，均有一X射線轉(zhuǎn)換效率最高的點(diǎn)，其對(duì)應(yīng)的最佳靶厚分別為10、8和8μm，但金靶的X射線產(chǎn)額明顯高于鎢靶和鉭靶。因此本實(shí)驗(yàn)選擇10μm的金靶作為陽極靶材。

1.2 開放式線型X射線管設(shè)計(jì)

圖3為開放式線型X射線管設(shè)計(jì)圖，它的陰極是一根長(zhǎng)鎢絲，長(zhǎng)度為200～300mm，位于管體的中軸線上。射線管的外筒作為陽極筒，內(nèi)壁鍍10μm厚金靶，用于提高X射線的發(fā)射效率，采用電刷鍍工藝制備，經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間的陰極電子束轟擊測(cè)試，鍍層未見起皮剝離現(xiàn)象。陽極筒中間有水冷通路，用于帶走電子打靶產(chǎn)生的熱量及陰極鎢絲熱輻射的熱量。經(jīng)軟件模擬，在陰極燈絲和陽極筒之間增加?xùn)艠O可有效提高X射線管內(nèi)部電場(chǎng)的均勻性并降低鎢絲頂端的峰值電場(chǎng)，避免發(fā)生打火現(xiàn)象。

圖3 開放式線型X射線管Fig.3 Open linear X-ray tube

當(dāng)陰極鎢絲通以適當(dāng)?shù)碾娏鲿r(shí)，鎢絲熱發(fā)射電子，電子束360°均勻轟擊內(nèi)表面陽極金靶，產(chǎn)生X射線，X射線均勻穿過陽極筒壁，并沿徑向360°輻射，同時(shí)處在射線管外的裝料筒也不停旋轉(zhuǎn)，達(dá)到均勻輻照的目的。這種結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使陽極靶上的面電流密度較小，從而保證X射線管在較大的管流下長(zhǎng)時(shí)間工作，且較大的陽極靶面積和水冷設(shè)計(jì)可保證X射線管的散熱效率，避免陽極金靶溫升過快導(dǎo)致的熱損害。與傳統(tǒng)的點(diǎn)發(fā)射型X射線管相比，這種線型X射線管可4π發(fā)射、360°輻照，射線利用效率高，輻照均勻性好。

2 新型X射線管性能測(cè)量

2.1 X射線管的發(fā)射能力與管電流、管電壓的關(guān)系測(cè)量

了解X射線管的發(fā)射能力與管電流、管電壓的關(guān)系，將有利于選擇合適的輻照工作點(diǎn)以有效延長(zhǎng)X射線管的使用壽命，因此，利用電離室測(cè)量?jī)x對(duì)此進(jìn)行詳細(xì)測(cè)量。圖4為空氣中的吸收劑量率與X射線管管電流關(guān)系的測(cè)量結(jié)果，從圖可看出，隨著管電流的增大，由陰極發(fā)射至陽極的電子數(shù)增大，從而導(dǎo)致X射線產(chǎn)額近似呈線性增大。

X射線管的發(fā)射能力與管電壓有著復(fù)雜的關(guān)系（圖5），管電壓決定了電子的入射能量，X射線管管電壓越大，電子在電場(chǎng)中獲得的能量越大，產(chǎn)生的X射線光子的能量越大，穿透力越強(qiáng)。通常X射線輻照儀發(fā)射的X射線光子強(qiáng)度I與管電壓U和管電流i有如下近似關(guān)系：I＝kiUm。指數(shù)m由U和X射線束的濾過條件所共同決定。通過曲線擬合，其特性近似為I＝3×10－8U5.4535。

圖4 吸收劑量率與X射線管管電流的關(guān)系Fig.4 Relationship of absorbed dose rate and X-ray tube current

圖5 吸收劑量率與X射線管管電壓的關(guān)系Fig.5 Relationship of absorbed dose rate and X-ray tube voltage

2.2 輻照劑量均勻性測(cè)量

輻照設(shè)備要求其輻照劑量分布均勻，故本實(shí)驗(yàn)必須對(duì)X射線管的輻照均勻性進(jìn)行測(cè)量［6］。其輻照均勻性的測(cè)量采用膠片劑量測(cè)量法完成，膠片劑量測(cè)量法的原理是：膠片受可見光或電離輻射照射時(shí)，膠片感光材料發(fā)生化學(xué)變化，從而使膠片黑度發(fā)生變化。實(shí)驗(yàn)前首先用電離室和膠片在相同條件下照射，由電離室劑量?jī)x獲得絕對(duì)劑量值，通過計(jì)算機(jī)圖像處理軟件獲得膠片灰度值，從而繪制膠片劑量?jī)x的響應(yīng)曲線。實(shí)驗(yàn)中只需獲得膠片照射后的黑度信號(hào)并結(jié)合膠片的劑量響應(yīng)曲線便可得到實(shí)際輻照劑量。

實(shí)驗(yàn)所選用的膠片為美國(guó)ISP公司研發(fā)的新型輻射自顯色膠片Gafchromic HD-V2，與傳統(tǒng)膠片相比，它使用更方便，不需在暗室中進(jìn)行后期的顯影、定影處理。它可用于keV～MeV能量范圍的光子和電子照射測(cè)量，劑量測(cè)量范圍為10～1 000Gy。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，在X射線管母線方向放置寬35mm、長(zhǎng)150mm的膠片，通過其灰度變化確定其輻照均勻性。測(cè)量結(jié)果示于圖6。從結(jié)果可看出，X射線管輻照均勻性較好，可滿足工業(yè)應(yīng)用要求。

圖6 X射線管的輻照均勻性Fig.6 Irradiation uniformity of X-ray tube

3 結(jié)論

本文通過實(shí)驗(yàn)掌握了X射線管管電流的發(fā)射特性，對(duì)選擇合適的管電壓、管電流來產(chǎn)生射線具有重要意義：了解了X射線管的發(fā)射能力與管電流、管電壓的關(guān)系，利于通過選擇合適的輻照工作點(diǎn)有效延長(zhǎng)X射線管使用壽命；掌握了X射線管的劑量分布規(guī)律，可為進(jìn)一步提高其劑量分布均勻性提供參考。

但實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)X射線管的輻照劑量率低于最初的設(shè)計(jì)值和工業(yè)應(yīng)用的要求，原因主要有兩點(diǎn)：原有高壓系統(tǒng)老化及X射線管內(nèi)真空度較低，導(dǎo)致最高的工作管電壓和管電流僅為85kV和18mA，因此限制了X射線的產(chǎn)額和穿透能力；由于加工工藝的限制和水冷系統(tǒng)的要求，不銹鋼圓筒和水冷通路的厚度太大，導(dǎo)致陽極金靶產(chǎn)生的X光子在透射過程中損失嚴(yán)重。

后續(xù)實(shí)驗(yàn)中將改善高壓系統(tǒng)和真空系統(tǒng)，并仔細(xì)設(shè)計(jì)與之匹配的高壓接頭，同時(shí)對(duì)X射線管內(nèi)部電場(chǎng)分布進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，包括鎢絲的結(jié)構(gòu)與固定方式以及柵極結(jié)構(gòu)等，以提高其陽極電壓和燈絲電流。陽極筒將利用先進(jìn)的加工工藝使其厚度降到最低，并通過軟件模擬計(jì)算確定合適的水流量，優(yōu)化水路結(jié)構(gòu)，以減少X光子在透射過程中的損失，提高輻照劑量率。同時(shí)積極研制自密封式的線形X射線管，這不僅可提高X射線管的真空度，還可簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，使整機(jī)變得更小巧、更便捷、更方便維護(hù)，為今后的工業(yè)化應(yīng)用提供便利。

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Research on New High-dose X-ray Tube

SHEN Xiao-kang1，2，YU Cheng-shan1，2，ZHANG Zi-min1，2，XIAO Rong－qing1，2，JING Yi1，2，CAO Shu-chun1，2，LI Zhong－ping1，2，LIU Ming1，2
（1.Institute of Modern Physics，Chinese Academy of Sciences，Lanzhou730000，China；2.Research Center of Particle Beams Radiation Engineering Technology，Lanzhou730000，China）

An X-ray irradiator，which can be applied in the fields of blood irradiation，vaccine production，food processing，biological experiment，etc.，was described.It generates X-ray for applications by bremsstrahlung from electron beam bombardment at metal target.Compared with isotope-ray irradiation facility，the X-ray irradiator has the advantages of higher safety，better irradiance uniformity and controlled dose.The paper also described the measurement results of the newly developed X-ray tube.The results show that the new X-ray tube can meet the requirement of industrial application.

irradiation processing；accelerator；X-ray tube

TL503.1

：A

：1000-6931（2015）04-0755-04

10.7538／yzk.2015.49.04.0755

2013-12-24；

2014-03-24

中國(guó)科學(xué)院西部之光聯(lián)合學(xué)者項(xiàng)目資助（Y215290XBO）；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（11105195）

申曉康（1986—），男，河南南陽人，工程師，博士，核技術(shù)及應(yīng)用專業(yè)