車載式集裝箱檢測系統(tǒng)艙內(nèi)標(biāo)定設(shè)計(jì)

摘 要：集裝箱檢測系統(tǒng)采用直線電子加速器產(chǎn)生的X射線作為檢測介質(zhì)，通過收集透過被檢測物的射線信息進(jìn)行成像。這種X射線包含多種能量光子成份，必須對X射線進(jìn)行標(biāo)定來校正其衰減規(guī)律，以提高成像的效果。單一電機(jī)驅(qū)動的多級、多物質(zhì)標(biāo)定結(jié)構(gòu)應(yīng)用在車載集裝箱檢測系統(tǒng)中。該結(jié)構(gòu)可安裝在電子直線加速器艙內(nèi)，適合車載環(huán)境，控制簡便。這種標(biāo)定機(jī)構(gòu)在該設(shè)備中已成為必不可少的部件。

關(guān)鍵詞：集裝箱檢測；標(biāo)定；X射線

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.19.004

0 引言

使用直線加速器作為射線源的集裝箱檢測系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于海關(guān)集裝箱貨物的檢測。它的工作原理是，利用X射線掃描集裝箱貨物，通過探測器收集的X射線信息經(jīng)過數(shù)據(jù)處理形成圖像，海關(guān)人員通過圖像判別集裝箱內(nèi)貨物是否合法。這種集裝箱檢測系統(tǒng)已經(jīng)被各國海關(guān)視為不可或缺的海關(guān)貨物檢測手段。

由于直線加速器產(chǎn)生的X射線不是單一能量，其衰減規(guī)律也是一個(gè)混合因數(shù)[1]。所以，需要通過對檢測模擬物進(jìn)行比對來校正射線衰減參數(shù)，以提高圖像的準(zhǔn)確程度，并提高圖像質(zhì)量。因此，需要做一套標(biāo)定機(jī)構(gòu)，自動進(jìn)行這一校正過程。

目前，集裝箱檢測系統(tǒng)主要產(chǎn)品是車載式系統(tǒng)，其工作狀態(tài)外觀如圖1a所示。被檢測集裝箱車輛停在檢測場地，車載檢測系統(tǒng)徐徐從被檢車頭沿直線行駛到車尾，系統(tǒng)就可以獲得被檢車輛整體內(nèi)部信息圖像，工作過程見圖1a所示。

由于車底盤載重量和公路行駛要求限制，車載集裝箱檢測系統(tǒng)空間小、重量小。標(biāo)定機(jī)構(gòu)既要保證標(biāo)定效果，更要的是要適合車載條件：小空間、小重量。它要布置在圖1a所示車尾部的狹小空間內(nèi)部，而在加速器內(nèi)所在位置如圖1b所示。

1 設(shè)計(jì)輸入

注：標(biāo)定材料，鐵。

X射線標(biāo)定裝置要布置在直線加速器射線源（靶點(diǎn)）的正前方，根據(jù)被探測物質(zhì)特性以及檢測成像需要達(dá)到的效果，確定標(biāo)定材料厚度參數(shù)。常用的標(biāo)定機(jī)構(gòu)確定使用十級不同厚度的標(biāo)定物質(zhì)，標(biāo)定材料為鐵。厚度參數(shù)見表1所示。

設(shè)計(jì)要求：在X射線下環(huán)境下，必須考慮輻射防護(hù)設(shè)計(jì)，確保使用環(huán)境安全，掃描區(qū)域不能有任何遮擋。

射線束呈薄片（2mm至3mm寬）扇形分布，束流軸線與水平面成15o仰角。為了盡量減小所占空間，如圖1b所示，安裝在直線加速器內(nèi)部，內(nèi)部空間不夠，機(jī)構(gòu)可以部分伸出加速器；標(biāo)定物質(zhì)延中軸線對稱布置，對中軸線上下（±）5o部分探測器進(jìn)行標(biāo)定。

2 設(shè)計(jì)方案確定

原有的標(biāo)定設(shè)計(jì)形式，如圖2所示，臺階狀排布標(biāo)定塊，將標(biāo)定塊連接成一體，在拖動機(jī)構(gòu)的牽引下，標(biāo)定塊直線運(yùn)動，按厚度順序依次通過X射線區(qū)掃描，從而對X射線進(jìn)行標(biāo)定。

這種結(jié)構(gòu)原理簡單，一般在實(shí)驗(yàn)場地不受限制的情況下應(yīng)用。但是標(biāo)定塊體積大，相應(yīng)的重量也很大。加之十級的標(biāo)定總行程很長，整個(gè)機(jī)構(gòu)在車載條件下顯得很笨重。

最新的標(biāo)定設(shè)計(jì)采用了疊加厚度的方法。每一級厚度由原來的各級厚度變?yōu)橄噜弮蓸O厚度之差。如圖3所示，每次將一個(gè)標(biāo)定厚度差的標(biāo)定塊推進(jìn)掃描區(qū)。這樣，標(biāo)定物質(zhì)總厚度即是最厚的標(biāo)定塊厚度，而延射線扇面垂直方向的位移只要大于X射線扇面分布區(qū)的厚度（2mm到3mm）就可以了。根據(jù)以上思路，機(jī)構(gòu)采用逐級壓下標(biāo)定塊，來達(dá)到對不同厚度待標(biāo)定物質(zhì)進(jìn)行標(biāo)定的效果。下面以其中一級標(biāo)定為例，說明傳動原理。掃描的扇形區(qū)域跨度比較大，如圖4所示，為使機(jī)構(gòu)避開X射線區(qū)，標(biāo)定塊連接在長桿上，長桿兩端安裝滾輪導(dǎo)向，標(biāo)定塊兩側(cè)裝有復(fù)位彈簧，長桿上（彈簧對側(cè)）裝有下壓滾輪（為了減小摩擦）。用于推進(jìn)標(biāo)定塊的壓板上下相對運(yùn)動，壓板端面是斜面結(jié)構(gòu)。通過斜面把滾輪壓下，標(biāo)定塊進(jìn)入標(biāo)定狀態(tài)。與標(biāo)定塊連接的長桿比較長，為使標(biāo)定塊平穩(wěn)壓下，壓板成對相向等速運(yùn)動，復(fù)位彈簧、導(dǎo)向等元件也成對使用。

壓板運(yùn)動使用旋向相反但螺距相同的成對絲桿分別驅(qū)動。標(biāo)定完成后，絲桿反轉(zhuǎn)，壓板退出。一對復(fù)位彈簧將標(biāo)定塊彈出，這樣，就完成了一次標(biāo)定所需的運(yùn)動。

同理，如果第一塊標(biāo)定壓下后繼續(xù)運(yùn)動，依次可以有更多的標(biāo)定快被壓下，標(biāo)定厚度也逐級改變，如圖5所示。 直至第十級壓下，被標(biāo)定厚度達(dá)到最高的140.7mm。電機(jī)反轉(zhuǎn)退出，彈簧會將所有標(biāo)定塊復(fù)位，退出射線區(qū)域。

拖動滑塊選擇左右旋絲桿對接，以確保長桿被壓下時(shí)不被卡住。

各標(biāo)定塊設(shè)有行程開關(guān)，檢測標(biāo)定塊位置狀態(tài)，并反饋給電機(jī)相應(yīng)的控制信號。

3 討論

3.1 多物質(zhì)標(biāo)定

隨著技術(shù)的發(fā)展，目前集裝箱檢測系統(tǒng)使用的加速器系統(tǒng)采用可以多物質(zhì)識別的雙能檢測系統(tǒng)，所以標(biāo)定的材料也由單一物質(zhì)鐵發(fā)展到鐵、鋁、碳（石墨）、鉛等多種物質(zhì)。為此，必須優(yōu)化標(biāo)定塊排布和壓板結(jié)構(gòu)，使機(jī)構(gòu)能夠有所需的功能又能滿足現(xiàn)有的空間安裝要求。

下面以鐵、鋁、碳（石墨）三種標(biāo)定物質(zhì)為例介紹標(biāo)定塊排布和壓板結(jié)構(gòu)。三種物質(zhì)標(biāo)定塊厚度如表2，石墨和鋁各兩級，鐵四級。為降低結(jié)構(gòu)總寬度，把厚度小的鐵穿插在其他標(biāo)定物質(zhì)之間，使得整體結(jié)構(gòu)緊湊。每一種被標(biāo)定物質(zhì)被壓下并進(jìn)行標(biāo)定后，壓板將其放開，彈簧再將其復(fù)位，然后進(jìn)行下一重物質(zhì)的標(biāo)定。所以標(biāo)定壓板后側(cè)也留有斜面結(jié)構(gòu)，用于隔開不同種物質(zhì)的標(biāo)定塊，見圖6。

3.2 支撐板受力分析

整個(gè)機(jī)構(gòu)（包括電離輻射屏蔽）約重150kg，重心在加速器架之外，見圖7a所示，且支撐板下方有其他車體結(jié)構(gòu)。所以，支撐板是懸臂結(jié)構(gòu)，受力情況如圖7b，通過有限元分析計(jì)算，其應(yīng)力分布如圖7c所示，最大應(yīng)力點(diǎn)1.7MPa，中碳結(jié)構(gòu)鋼可以滿足強(qiáng)度要求。

4 成果

這套系統(tǒng)安裝在加速器前方，已應(yīng)用于多套車載集裝箱檢測系統(tǒng)，用戶遍布世界各地。經(jīng)過使用證明，設(shè)計(jì)是合理和可靠的。目前僅為車載集裝箱檢測系統(tǒng)配套的標(biāo)定機(jī)構(gòu)年產(chǎn)已超過百萬元。圖8所示利用裝有艙內(nèi)標(biāo)定的集裝箱檢測系統(tǒng)掃描成像的一幅例圖。標(biāo)定材料由單一的鐵增加到石墨、鋁、鐵、鉛等各種密度的材料組合。對提升系統(tǒng)的圖像質(zhì)量起到了重要作用。此外，本結(jié)構(gòu)單獨(dú)申請專利兩項(xiàng)[2-3]。

參考文獻(xiàn)：

[1]Samy Hanna，RF linear Accelerators for Medical and Industrial Applications[M].Boston|London： Artech House，2012：137.

[2]劉耀紅等.用于輻射成像系統(tǒng)的緊湊型校正與準(zhǔn)直裝置[P].中國：授權(quán)公告號，101571496.

[3]陳玉梅等.組合射線能量標(biāo)定驅(qū)動裝置和射線能量標(biāo)定裝置[P].中國：公開號，104483333.

作者簡介：陳玉梅（1970-），北京人，工學(xué)碩士，高級工程師，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)與直線電子加速器研制。