可移動式X射線照射裝置窄譜系列輻射質(zhì)建立及相關(guān)特性研究

韋凱迪 高 飛 徐 陽 王菲菲 林 敏 倪 寧

(中國原子能科學(xué)研究院，計量與校準技術(shù)重點實驗室，北京 102413)

1 引 言

X射線本質(zhì)上是一種波長極短、能量很強的電磁波，具有很強的穿透性，在醫(yī)學(xué)診斷、工業(yè)探傷、材料分析、航空航天等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1,2]。X射線管是產(chǎn)生X射線的常規(guī)裝置，其能量隨著管電壓的增加而增加。通過改變可移動式X光機管電流的方式來調(diào)節(jié)劑量率大小，以實現(xiàn)在復(fù)雜環(huán)境下改變劑量率，避免受周圍條件影響而無法改變照射距離調(diào)節(jié)劑量率限制[3]。目前國內(nèi)外研發(fā)的用于儀表檢定的可移動式照射裝置僅局限于γ射線，且可移動式γ射線照射裝置存在幾個缺點：一是存在放射源的運輸、保存等安全問題，二是γ源的能量較大，無法覆蓋低能段的現(xiàn)場校準。因此，需要研究建立可移動式X射線參考輻射來解決以上問題，以滿足在核電站以及其他特殊應(yīng)用場景中，可移動式X射線照射裝置對現(xiàn)場儀表的現(xiàn)場校準，大大提升了工作效率[4]。

2 實驗裝置

可移動式X射線照射裝置主要組成部分包括X射線管(由陰極燈絲、陽極靶、高速電子等組成)、風(fēng)冷系統(tǒng)、高壓發(fā)生器、限束光闌、屏蔽箱、低壓線纜及控制單元組成[5]，如圖1所示。X射線照射裝置的輻射質(zhì)是決定X射線品質(zhì)的重要影響因素之一[6]。根據(jù)國際標準ISO 4037-1[7]要求，研究建立可移動式X射線照射裝置窄譜系列輻射質(zhì)，為了減少輻射質(zhì)中雜質(zhì)產(chǎn)生的特征X射線，要求輻射質(zhì)材料優(yōu)于99.99%。為保證射線穿透過濾片厚度的一致性，減少半值層測量的誤差，其表面具有較好的加工平整度[8]?？梢苿邮絏射線照射裝置的管電壓和管電流的穩(wěn)定性則影響著X光機輻射劑量的大小。實驗采用PTW的32005球型電離室，以及UNIDOS E靜電計，對產(chǎn)生X射線的電離電流、固有過濾以及附加過濾進行測量。

圖1 可移動式X射線照射裝置示意圖

3 管電流線性測量

X射線光機的管電流會直接影響出射光子的數(shù)量，管電流與劑量率的線性好壞是衡量X射線光機優(yōu)劣的一個重要參數(shù)，需要對其進行測量，以保證后續(xù)實驗的準確性。

管電流線性測量實驗中，限束光闌半張角8°，選取PTW 32005型電離室，靈敏體積27.9cm3，電離室工作電壓400V。將電離室靈敏體積中心點固定在距X射線機焦斑168cm處，電離室靈敏體積中心位于出射束中心軸線上。

X射線機管電壓依次設(shè)置為50kV，100kV，120kV，150kV，200kV(X射線機管電壓可調(diào)節(jié)范圍(25～225)kV)，在(0.5～10)mA管電流可調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，每間隔1mA選取一個電流測量點(由于X射線機的總功率限制，不同管電壓條件下能夠調(diào)節(jié)的管電流范圍均有所差異，最多時共有10個測量點)，將測量到的電離電流進行歸一化擬合后，得到相對電離電流，線性實驗結(jié)果如圖2所示，線性關(guān)系見表1。

圖2 不同管電壓的管電流線性實驗結(jié)果圖

由圖2和表1的擬合結(jié)果可以看出，不同管電壓條件下，電離室收集到的電離電流與X射線機的管電流呈線性關(guān)系(注：管電壓為50kV、200kV時，管電流的線性略差，這主要是由于X射線管輸出不穩(wěn)定所造成的)。

表1 不同管電壓下的管電流線性關(guān)系

4 可移動式X射線照射裝置固有過濾測量

ISO 4037(以下稱為“標準”)中對固有過濾的定義為：固有過濾包括X射線管的固有過濾、監(jiān)督電離室的過濾及鋁過濾器。其中，鋁過濾器是使60kV時總固定過濾等效于4mm Al而加的，并應(yīng)放置在附加過濾的后面(即Al片距離焦斑最遠，這種排列方式的目的是為了依次屏蔽掉上一層附加過濾材料的特征射線)。然而，由于現(xiàn)場校準過程中需要不時移動或搬運光機，其內(nèi)置Be窗過薄易造成破裂而損壞，故X射線管內(nèi)保留了Be窗前內(nèi)置的4mmAl片，以增加其機械強度。這就使得原本應(yīng)放置在其他附加過濾之后的Al片此時距離焦斑最近，同時也由于內(nèi)置Al片的存在增加了裝置的固有過濾。

4.1 內(nèi)置4mm Al片對出射束能譜分布影響研究

利用MCNP軟件建立如圖3所示的X射線管模型。將Al片依次放置在位置1和位置2處(圖1中)。利用F4卡計算Al片依次放置位置1和位置2情況下X射線出射束的注量譜，如圖4所示。利用電子打靶產(chǎn)生的X射線作為源項，由注量譜計算其對應(yīng)的平均能量并與標準推薦值進行對比，見表2，平均能量E如式(1)所示

圖3 X射線管蒙卡模型圖

圖4 Al片放置在前與在后情況下X射線出射束注量譜對比圖

(1)

式中：E——平均能量，MeV；∑iΦiEi——注量譜中所有粒子的總能量，MeV；∑iΦi——注量譜中粒子總數(shù)，無量綱。

由圖2注量譜計算結(jié)果可以看出，在不同輻射質(zhì)條件下，Al片放置在前與在后的注量譜保持一致。由表2平均能量計算結(jié)果對比情況可以看出，Al片放置在前與在后條件下相比標準推薦值的相對偏差最大為2.43%。

表2 平均能量計算結(jié)果對比與匯總

從綜合注量譜及平均能量的計算結(jié)果可以看出，在所關(guān)注輻射質(zhì)范圍內(nèi)，Al片放置在距焦斑最近的位置處是滿足標準要求的，可以用于儀器儀表的校準工作。

4.2 固有過濾測量

對于X射線機固有過濾的測量方法主要有：半值層法[9]、外推法、雙探測器測試等幾種方法。這里主要采用標準中所推薦的半值層法對便攜式X射線照射裝置的固有過濾進行測量。

在X射線管固有過濾測量實驗中，使用純度大于99.9%的鋁吸收體(即衰減材料)，在沒有設(shè)置附加過濾的情況下測量X射線管電壓為60kV時的第一半值層。為了降低半值層測量過程中散射輻射的影響，首先應(yīng)限制輻射場的大小達到照射量儀的散射輻射的量，同時輻射場半徑需足夠大，可以將電離室完全處于輻射場中；其次，在實驗過程中，需要注意源、衰減體和電離室之間的定位，必須將三者處于同一直線；最后光闌的需足夠厚，足以吸收初級X射線束。

根據(jù)上述幾何布局要求，實驗中選取PTW 32005球型電離室，靈敏體積半徑為2.2cm。將電離室靈敏體積中心點固定在距X射線機焦斑100cm處，焦斑距地面1.5m，電離室靈敏體積中心在出射束中心軸線上。在焦斑與電離室中間位置設(shè)置有吸收體(即焦斑-吸收體、吸收體-電離室?guī)缀沃行木嚯x均為50cm)，為了減少散射輻射影響，吸收體兩側(cè)分別設(shè)置有尺寸為40cm×40cm×1.6cm(長×寬×厚)的長方體鉛擋塊，其中央開有半徑為1.5cm的準直圓孔。

經(jīng)過準直限束的X射線出射束光路如圖5所示，為了避免出射束上游產(chǎn)生的散射輻射對電離室的影響，鉛擋塊需要全部蓋住準直前射束范圍。為驗證不同限束光闌半張角條件下的輻射束是否滿足標準要求，對場范圍進行了實驗測量與計算。為不同限束光闌半張角條件下，距焦斑不同位置處的輻射場范圍見表3。

圖5 經(jīng)過鉛擋塊準直限束前后的X射線光路示意圖

從表3中可以看出，在上述幾何布局條件下，鉛擋塊準直前的輻射場范圍在不同限束光闌半張角條件下均小于鉛擋塊尺寸；經(jīng)鉛擋塊準直后，電離室?guī)缀沃行奶庉椛鋱霭霃綖?.7cm，略大于電離室靈敏體積半徑。同時，吸收體到電離室?guī)缀沃行牡木嚯x是電離室處輻射束直徑的約9.3倍，滿足標準中應(yīng)至少5倍的要求(即“窄束”條件)。

表3 不同限束光闌半張角條件下經(jīng)鉛擋塊準直前后的輻射場范圍

隨后，選取常用的中間角度8°進行固有過濾實驗，通過擬合窄束條件下準直X射線束在Al吸收體中的衰減曲線，得到輻射束半值層，為有監(jiān)督電離室時第一半值層衰減曲線擬合結(jié)果，如圖6和圖7所示。

由圖6可知，有監(jiān)督電離室條件下的第一半值層為2.77mm。得到半值層后，根據(jù)ISO 4037-1中表8提供的半值層與固有過濾的換算關(guān)系擬合得到如圖7所示的兩者關(guān)系曲線，并通過線性插值法得到有監(jiān)督電離室條件下可移動式X射線照射裝置的固有過濾為4.01mm Al。

圖6 有監(jiān)督電離室條件下固有過濾實驗結(jié)果圖

圖7 半值層與固有過濾擬合關(guān)系曲線圖

5 窄譜系列輻射質(zhì)建立

利用上述固有過濾測量方法，對窄譜系列中N-60，N-80，N-100，N-120，N-150及N-200輻射質(zhì)進行半值層與同質(zhì)系數(shù)的實驗測量。每組數(shù)據(jù)重復(fù)測量10次后取平均值，并按最大值進行歸一化，選擇指數(shù)擬合方式得到衰減曲線擬合結(jié)果，如圖8所示，計算得到的第一半值層與同質(zhì)系數(shù)見表4。

圖8 半值層衰減擬合曲線圖

由表4可知，各輻射質(zhì)所對應(yīng)第一半值層實測值與標準推薦值相對偏差的變化在5%以內(nèi)，同質(zhì)系數(shù)在標準推薦值范圍以內(nèi)。

表4 第一半值層與同質(zhì)系數(shù)計算結(jié)果

6 結(jié)束語

利用蒙特卡洛法建立可移動式X射線照射裝置的X射線管模型，模擬計算內(nèi)置4mm Al片放置在不同位置情況下X射線出射束的注量譜，模擬結(jié)果的平均能量與標準推薦值進行對比滿足相關(guān)標準的要求，通過PTW32005球形電離室測量得到在有監(jiān)督電離室條件下的第一半值層為2.77mm，并采用半值層法測量得到有監(jiān)督電離室條件下可移動式X射線照射裝置的固有過濾為4.01mm Al。各輻射質(zhì)所對應(yīng)第一半值層實測值與標準推薦值相對偏差的變化在5%以內(nèi)，同質(zhì)系數(shù)在標準推薦值范圍內(nèi)，可以用于儀器儀表的校準工作。