礦用透射式檢測用X 射線源的輻射性能與安全性能研究

李者，王文清

（1. 中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113112；2. 北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院 科研處，北京 100042；3. 北京市煤炭礦用機電設(shè)備技術(shù)開發(fā)有限公司，北京 100042）

0 引言

X 射線透射式檢測廣泛應(yīng)用于煤礦安全生產(chǎn)中。X 射線探傷儀用于立井提升鋼絲繩無損檢測及帶式輸送機的強力膠帶內(nèi)部鋼絲繩芯、接頭狀態(tài)檢測，有效消除了鋼絲繩斷繩[1-2]、膠帶斷裂[3-5]等隱患。X 射線膠帶秤用于對移動帶式輸送機運輸?shù)奈锪线M行非接觸在線動態(tài)稱重，減少了計量誤差[6-8]。X 射線灰分儀用于對帶式輸送機運輸?shù)脑好嘿|(zhì)進行在線分析，有效控制了原煤中的含矸量[9-10]。X 射線選矸機用于對膠帶運輸?shù)拿喉肥M行在線分揀，降低了工人勞動強度[11-12]。

X 射線源作為X 射線透射式檢測的核心組成設(shè)備，其穩(wěn)定性與可靠性決定了X 射線透射式檢測性能。不同用途的X 射線透射式檢測對X 射線源的輻射輸出功率需求也不同。隨著被檢測物質(zhì)量厚度的增大，X 射線源的輻射輸出功率和工作溫度也增大，增加了安全風險。

本文針對礦用X 射線源在煤礦應(yīng)用環(huán)境的特殊性，提出了在礦用X 射線源的隔爆外殼上設(shè)置X 射線透窗來增加礦用X 射線源的輻射輸出，以保證礦用X 射線源的輻射性能滿足X 射線透射式檢測的性能要求；針對礦用X 射線源工作溫度和屏蔽防護的要求，提出了X 射線管宜選用陶瓷殼體、X 射線管陽極與金屬外殼直接固定的方案，以保證礦用X 射線源的安全性能滿足GB/T 3836.1-2021《爆炸性環(huán)境第1 部分:設(shè)備 通用要求》和GBZ 125-2009《含密封源儀表的放射衛(wèi)生防護要求》的要求，使礦用X 射線源能在煤礦井下可靠工作。

1 X 射線的特性和產(chǎn)生

X 射線是高能電磁輻射的一種形式。大多數(shù)X 射線的波長范圍為0.03～3 nm，對應(yīng)的頻率范圍為3×1016～3×1019Hz，能量范圍為100 eV～200 keV，具有較強的穿透性。

X 射線由X 射線管產(chǎn)生。X 射線管的陰極燈絲通電加熱后產(chǎn)生電子，電子在陰陽兩極高壓電場的作用下加速飛向陽極，形成高速電子流，高速電子流撞擊到陽極靶面后產(chǎn)生X 射線。X 射線管的管電壓決定了X 射線的最高能量譜；X 射線管的管電流決定了單位時間內(nèi)打靶電子數(shù)量；X 射線管的管電壓與管電流共同決定了X 射線輻射強度。

2 普通X 射線源的輻射輸出性能

為保證X 射線透視式檢測的精度和輻射安全，X 射線源設(shè)計的核心任務(wù)：在X 射線源的輻射輸出窗口區(qū)域內(nèi)，X 射線應(yīng)滿足X 射線透射式檢測的輻射強度、最小分辨率要求；在X 射線源的輻射輸出窗口區(qū)域外，X 射線的泄漏應(yīng)盡可能小，避免X 射線源對周圍環(huán)境產(chǎn)生輻射影響。

2.1 普通X 射線源的選擇

X射線透過物質(zhì)時會衰減。假設(shè)單一能量X射線穿過均勻物體，其初始強度為N0，出射時的強度衰減為N，兩者的關(guān)系符合指數(shù)衰減規(guī)律：

式中：μ為物質(zhì)的吸收系數(shù)，m-1；t為X射線在物質(zhì)中的輻射距離，m。

X射線的能量越低，穿透物質(zhì)的能力越弱，對低面密度的物質(zhì)變化越敏感。從X 射線透射式檢測的靈敏度（對低面密度量的物質(zhì)的鑒別力）來看，X射線的能量不宜過高，過高能量的X 射線在檢測低面密度量的物質(zhì)時的衰減量小，檢測分辨率差；從X 射線透射式檢測的范圍來看，X射線的能量不宜過低，過低能量的X 射線在檢測高面密度量的物質(zhì)時的衰減量太大，檢測范圍小。

綜合考慮X 射線透射式檢測的性能要求，X 射線源體積、質(zhì)量及便攜性等因素，管電壓在100～160 kV 之間選取，管電流控制在0.1～4 mA。

2.2 普通X 射線源的輻射功率

X 射線管產(chǎn)生的X 射線是連續(xù)光譜，單位時間內(nèi)X 射線源的輻射功率近似為[13]

式中：a0為常數(shù)，約為1.0×10-9V-1；Z為陽極靶材料的原子序數(shù)，陽極靶材料選用鎢，原子序數(shù)為74；I為管電流，mA；U為管電壓，kV。

輸入X 射線管的電能在陽極靶上一小部分轉(zhuǎn)換成X 射線的輻射能量，另一大部分轉(zhuǎn)換成熱能。X 射線源的輻射能量轉(zhuǎn)換效率為

由式（3）可得不同管電壓下鎢靶的X 射線源輻射能量轉(zhuǎn)換效率η，熱能轉(zhuǎn)換效率約為1 -η，結(jié)果見表1。

表 1 不同管電壓下鎢靶的X 射線轉(zhuǎn)換效率Table 1 X-ray conversion efficiency of tungsten target under different tube voltages

X 射線源在煤礦選矸識別透射式檢測領(lǐng)域應(yīng)用的最大管電壓為160 kV、最大管電流為4 mA。該應(yīng)用環(huán)境下，在煤礦地面應(yīng)用的普通X 射線源的最大輻射功率為

2.3 普通X 射線源的輻射輸出功率

對于400 kV 以下管電壓產(chǎn)生的X 射線，通常認為是以陽極靶中心為球心向空間四周均勻輻射。為減少X 射線輻射對環(huán)境造成的影響，需要在X 射線管周圍制作一個屏蔽體，把X 射線限制在屏蔽體內(nèi)，通過輻射輸出窗口輸出X 射線。

在屏蔽體上，以X 射線管陽極靶中心為球心，在半徑R=6.928 cm 的球體上開設(shè)一個圓心角為60°、寬為1 cm 的扇形窗口作為X 射線源的輻射輸出窗口，如圖1 所示。

圖 1 X 射線源的輻射輸出窗口Fig. 1 Radiation output window of X-ray source

根據(jù)圖1，X 射線源的輻射輸出功率為

式中：S1為輻射輸出窗口面積，cm2；S2為半徑R=6.928 cm 的球體表面積，cm2。

計算可得在煤礦地面應(yīng)用的普通X 射線源的最大輻射輸出功率為

3 礦用X 射線源的輻射輸出性能

3.1 隔爆外殼對X 射線輻射輸出的影響

由于礦用X 射線源所需的供電功率遠大于GB/T 3836.4-2021《爆炸性環(huán)境 第4 部分:由本質(zhì)安全型“i”保護的設(shè)備》表A.1 給出的本安設(shè)計功率限值（DC18 V、2 110 mA），礦用X 射線源只能設(shè)計成隔爆型，即把普通X 射線源內(nèi)置在一個由金屬制成的隔爆外殼里。

隔爆外殼通常采用Q235 鋼板制造，所用鋼板的厚度與隔爆外殼的容積有關(guān)。按GB/T 3836.2-2021《爆炸性環(huán)境 第2 部分:由隔爆外殼“d”保護的設(shè)備》要求，防爆性能合格的隔爆外殼須通過下列試驗：① 靜壓試驗。隔爆外殼內(nèi)充滿水，保持外殼內(nèi)1 MPa 水壓1 min，隔爆外殼不滴水、不變形。② 動壓試驗。隔爆外殼放在試驗罐內(nèi)，先將外殼內(nèi)抽真空再充滿和試驗罐內(nèi)一樣的爆炸性混合物，點燃外殼內(nèi)的爆炸混合物，外殼不失爆、不變形。③ 抗沖擊試驗。用直徑為25 mm、質(zhì)量為1 kg 的半球形淬火鋼制沖頭，從距離隔爆外殼2 m 的高度垂直落到隔爆外殼最薄弱部位，外殼不變形。能滿足上述3 項防爆試驗要求的Q235 鋼板的最小厚度為3 mm。

通過理論公式計算物質(zhì)對X 射線的吸收要先確定X 射線的吸收系數(shù)，而X 射線包含了一系列不同波長的電磁波，同一種物質(zhì)對X 射線的吸收系數(shù)是一個變數(shù)[14]，導(dǎo)致計算復(fù)雜、誤差大。為減少計算誤差，本文采用實測法獲得X 射線穿過Q235 鋼板的透射率。

透射率測試時采用500 W 的X 射線源，其管電壓在0～160 kV、管電流在0～3.12 mA 范圍內(nèi)可調(diào)。檢測X 射線的探測器采用靈敏度高的薄壁電離室（20 μm 厚的不銹鋼鋼窗）。

保持管電流500 μA 不變，設(shè)置管電壓分別為100，120，160 kV。不加鋼板時，X 射線探測器輸出的空態(tài)信號電壓分別為1.589 1，2.340，3.980 V。每增加一塊1 mm 厚的鋼板，記錄X 射線探測器的輸出信號電壓，將信號電壓與空態(tài)信號電壓相比，得到不同厚度鋼板下X 射線的透射率，見表2-表4。

表 2 管電壓為100 kV 時X 射線穿過鋼板的透射率Table 2 Transmittance of X-ray through steel plate at 100 kV tube voltage

表 3 管電壓為120 kV 時X 射線穿過鋼板的透射率Table 3 Transmittance of X-ray through steel plate at 120 kV tube voltage

由表2-表4 可知，管電壓為100～160 kV 時的X 射線穿透3 mm 厚鋼板后，礦用X 射線源隔爆外殼外的X 射線強度僅為隔爆外殼內(nèi)的6.25%～13.13%，礦用X 射線源的輻射輸出強度已不能滿足X 射線透射式檢測的性能要求。

表 4 管電壓為160 kV 時X 射線穿過鋼板的透射率Table 4 Transmittance of X-ray through steel plate at 160 kV tube voltage

3.2 X 射線透窗

為保證礦用X 射線源的X 射線輻射輸出強度，在隔爆外殼上安裝X 射線透窗[15]來減少隔爆外殼對X 射線輻射輸出的衰減，增加透射率。

隔爆外殼上X 射線透窗的中心軸線與安裝在隔爆外殼內(nèi)的普通X 射線源的輻射輸出窗口的中心軸線相重合，如圖2 所示。X 射線透窗材料選用對X 射線衰減小的非金屬材料-鋼化玻璃。

圖 2 X 射線透窗布置Fig. 2 X-ray transmission window arrangement

根據(jù)隔爆外殼的容積和X 射線透窗的面積，能滿足隔爆性能要求的鋼化玻璃最小厚度為6 mm[16]。

保持管電流500 μA 不變，設(shè)置管電壓分別為100，120，160 kV。不加鋼化玻璃時，X 射線探測器輸出的空態(tài)信號電壓分別為1.589 1，2.340，3.980 V。每增加一塊1.93 mm 厚的鋼化玻璃，記錄X 射線探測器的輸出信號電壓，將信號電壓與空態(tài)信號電壓相比，得到不同厚度鋼化玻璃下X 射線的透射率，見表5-表7。

由表5-表7 可知，管電壓為100～160 kV 時的X 射線穿透7.72 mm 厚鋼化玻璃制成的X 射線透窗后，透射率高達43.41%～54.59%，顯著提高了礦用X 射線源的輻射輸出強度，可以滿足X 射線透射式檢測的性能要求。

3.3 礦用X 射線源的輻射輸出功率

由表7 可知，對于7.72 mm 厚鋼化玻璃制成的X 射線透窗，管電壓為160 kV 時X 射線透射率為54.59%。結(jié)合式（6），計算可得礦用X 射線源的輻射輸出功率為90.839 mW×54.59%≈50 mW，滿足GB/T 3836.22-2017《爆炸性環(huán)境 第22 部分：光輻射設(shè)備和傳輸系統(tǒng)的保護措施》中規(guī)定的輸出功率不超過150 mW 的要求，滿足X 射線輻射輸出窗口工作區(qū)域內(nèi)的輻射安全要求。

表 5 管電壓為100 kV 時X 射線穿過鋼化玻璃的透射率Table 5 Transmittance of X-ray through tempered glass at 100 kV tube voltage

表 7 管電壓為160 kV 時X 射線穿過鋼化玻璃的透射率Table 7 Transmittance of X-ray through tempered glass at 160 kV tube voltage

3.4 礦用X 射線源的輻射輸出功率限值探討

GB/T 3836.22-2017 規(guī)定了電磁波波長的適用范圍為380 nm～10 μm、輻射輸出功率限值為150 mW[17]。標準中涉及的光輻射設(shè)備是在適用的波長范圍內(nèi)用特定波長的激光，在煤礦井下應(yīng)用的場景是激光測距、激光指向、激光通信。由于激光的頻率、方向和相位的一致性，形成的光斑面積小；而380 nm～10 μm 波段范圍的電磁波僅能與物質(zhì)表面相互作用，在物質(zhì)表面聚集能量、升高溫度，電磁輻射輸出功率超過限值后會形成點燃源。

可見光的波長范圍為390～760 nm[18]，在GB/T 3836.22-2017 規(guī)定的適用范圍內(nèi)。煤礦井下照明用的防爆白熾燈將電能轉(zhuǎn)換為光能的平均效率為10%～15%[19]，60 W 的白熾燈最低能產(chǎn)生6 W 的光輻射功率；防爆日光燈將電能轉(zhuǎn)換為光能的平均效率為50%，30 W 的日光燈能產(chǎn)生15 W 的光輻射功率。由于照明光源在空間以點光源的形式向空間均勻輻射，不會在空間的某一點形成能量聚集，即使照明燈的光輻射功率遠超GB/T 3836.22-2017 規(guī)定的150 mW 限值，也不會形成點燃源。通過知網(wǎng)查詢，未有照明光點燃瓦斯的相關(guān)文獻報道。

X 射線的波長范圍為0.03～3 nm，不在GB/T 3836.22-2017 規(guī)定的適用范圍內(nèi)。醫(yī)用X 射線血液輻照儀[20]（管電壓為160 kV、輸入功率為2 000 W、X 射線的輻射輸出功率為24 W）對血液進行輻照，來減少輸血的不良反應(yīng)。當X 射線輻照血液時，由于X 射線具有較強穿透性，一部分X 射線與血液發(fā)生了電離作用，通過光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)移；一部分X 射線從血液中透射過去，未與血液發(fā)生作用；僅有一小部分X 射線被血液吸收轉(zhuǎn)變成熱量。24 W 的輻射輸出功率遠超150 mW 限值，但輻照后的血液對人體依然適用[21-22]，沒有產(chǎn)生任何生物性的損害。

X 射線在煤礦的應(yīng)用場景是對檢測物體大面積的區(qū)域性檢測，不會像激光應(yīng)用場景將X 射線全部聚集在某一點，造成熱量聚集，形成點燃隱患。即使將X 射線聚集在某一點，由于X 射線的透射作用，能量轉(zhuǎn)移也會在一個較大的體積內(nèi)進行，產(chǎn)生的熱量可以擴散出去，形成點燃源的風險極低。由于電磁波的波長不同，電磁波表現(xiàn)出的物理特性也不同。電磁波與檢測物體發(fā)生相互作用，能否形成點燃源，波長是關(guān)鍵因素，輻射輸出功率不是唯一指標，因此X 射線的輻射輸出功率限值還需要進一步研究。

4 礦用X 射線源的安全性能

礦用X 射線源的安全性能涉及2 項國家標準：一是礦用X 射線源隔爆外殼的工作溫度要小于GB/T 3836.1-2021 規(guī)定的150℃限值；二是礦用X 射線源的非工作區(qū)域X 射線泄漏的劑量當量率應(yīng)小于GBZ 125-2009 規(guī)定的2.5 μSv/h 限值。

4.1 礦用X 射線源的工作溫度

由表1 可知，管電壓小于200 kV 的X 射線源只有不到2%的電能轉(zhuǎn)換成X 射線，98%以上的電能消耗在X 射線管的陽極上并轉(zhuǎn)換為熱量，這些熱量是造成X 射線源溫度升高的主要原因。礦用X 射線源由于隔爆外殼的存在，造成密閉空間里的X 射線管鉛室的熱輻射、熱對流條件變差，增加了X 射線源溫度升高的風險。為保證礦用X 射線源的高穩(wěn)定性工作，對X 射線管的殼體材料、散熱設(shè)計和熱功率控制提出了新要求。

4.1.1 礦用X 射線管殼體材料選擇

X 射線管殼體材料常用的是玻璃和陶瓷[23-24]，主要性能指標見表8。

表 8 X 射線管常見殼體材料的主要性能指標Table 8 Main performance indexes of common shell materials of X-ray tube

由表8 可知，陶瓷殼體材料的機械性能、絕緣性能、導(dǎo)熱性能均優(yōu)于玻璃殼體材料，長期使用溫度表現(xiàn)更佳。GB/T 3836.1-2021 規(guī)定煤礦用Ⅰ類設(shè)備的表面溫度為150 ℃，因此礦用X 射線源使用的X 射線管優(yōu)先選用陶瓷殼體。

4.1.2 礦用X 射線源的散熱設(shè)計

X射線管由于射線屏蔽的要求被安裝在鉛室內(nèi)，鉛室安置在隔爆外殼內(nèi)。鉛室的散熱方式有傳導(dǎo)散熱、自然對流散熱、強迫風冷散熱、絕緣油對流循環(huán)散熱[25-26]。由于煤礦井下嚴禁使用油浸式電氣設(shè)備，可選擇的散熱方式有傳導(dǎo)散熱、自然對流散熱、強迫風冷散熱。

為增加X射線管陽極的散熱效果，X射線管的高壓供電采用負高壓。其優(yōu)點是可以將X射線管的陽極直接固定在鉛室的不銹鋼殼上，用鉛室的不銹鋼殼作為X射線管陽極的散熱器，陽極產(chǎn)生的熱量直接傳遞到不銹鋼殼上，加大了散熱面積。鉛室再直接固定在隔爆外殼上，通過隔爆外殼向周邊環(huán)境散熱，增加散熱效果。

4.1.3 礦用X 射線源的熱功率控制

X 射線在穿透3 mm 厚的隔爆外殼后，殼外的X 射線強度只有殼內(nèi)的6.25%～13.13%。殼外的X 射線強度若要達到殼內(nèi)的X 射線強度，管電流需要增加16～7.6 倍，X 射線管陽極產(chǎn)生的熱功率也相應(yīng)增加16～7.6 倍。

X 射線在穿透7.72 mm 厚的X 射線透窗后，窗外的X 射線強度達到窗內(nèi)的43.41%～54.59%。窗外的X 射線強度若要達到窗內(nèi)的X 射線強度，管電流需要增加2.3～1.8 倍，X 射線管陽極產(chǎn)生的熱功率也相應(yīng)增加2.3～1.8 倍。

由此可見，X 射線透窗能顯著減小礦用X 射線源的管電流，減少X 射線管陽極產(chǎn)生的熱功率，減少礦用X 射線源的溫升。

X 射線源里設(shè)有電源控制模塊，控制X 射線管的陰極燈絲電源、陽極高壓電源的接通和斷開，監(jiān)測X 射線管的溫升，實施過熱保護，保證礦用X 射線源的隔爆外殼表面溫度低于150 ℃，滿足GB/T3836.1-2021 的要求。

4.2 屏蔽防護

為避免X 射線源對周圍環(huán)境產(chǎn)生輻射影響，通常在X 射線管周圍用3 mm 厚不銹鋼+5 mm 厚金屬鉛制成鉛室，在滿足結(jié)構(gòu)固定和散熱的同時對非工作區(qū)域的X 射線進行屏蔽，防止X 射線泄漏。不同管電壓的X 射線在穿過不同厚度的鉛板時，X 射線的透射率見表9。

表 9 不同管電壓時X 射線穿過屏蔽鉛板的透射率Table 9 Transmittance of X-ray through shielded lead plate at different tube voltages

由表9 可知，管電壓為160 kV 的X 射線在穿過3 mm 厚鉛板時，僅有0.013 4%的X 射線穿出，99.986 6%的X 射線被鉛板屏蔽。由表4 可知，穿過鉛板的X 射線再穿過3 mm 厚不銹鋼板時，其中只有13.13%的X 射線穿出鋼板。因此，X 射線穿過3 mm 鉛板+3 mm 鋼板的透射率為0.013 4%×13.13%≈0.001 8%，表明鉛室對非工作區(qū)域的X 射線具有良好的屏蔽效果。

在距礦用X 射線源5 cm 處，X 射線泄漏的劑量當量率實測值為1.0 μSv/h，滿足GBZ 125-2009 中小于2.5 μSv/h 的限值要求。

5 結(jié)論

（1） 根據(jù)X 射線透射式檢測的性能要求，提出了X 射線源的管電壓宜在100～160 kV 之間選取，管電流控制在0.1～4 mA。X 射線源的輻射輸出功率由輻射輸出窗口面積和輻射功率共同決定。

（2） 礦用X 射線源的隔爆外殼會大大降低X 射線輻射輸出強度，因此在隔爆外殼上安裝鋼化玻璃制成的X 射線透窗來增加X 射線的透射率。在最大管電壓為160 kV、最大管電流為4 mA 的應(yīng)用環(huán)境下，礦用X 射線源的輻射輸出功率約為50 mW，滿足GB/T 3836.22-2017 中輸出功率不超過150 mW的要求。

（3） 從使用安全的礦用照明光源和醫(yī)用X 射線血液輻照儀產(chǎn)生的輻射功率遠大于150 mW 輸出功率限值的應(yīng)用實踐出發(fā)，認為GB/T 3836.22-2017中規(guī)定的150 mW 輸出功率限值不適用于礦用X 射線，有必要進一步研究礦用X 射線輻射輸出功率的限值。

（4） 為降低礦用X 射線源工作溫度升高的風險，提出了X 射線管宜選用導(dǎo)熱性能好的陶瓷殼體，X射線管的陽極直接固定在金屬外殼上以增加散熱效果，采用X 射線透窗來減少X 射線管陽極產(chǎn)生的熱功率。為避免礦用X 射線源對周圍環(huán)境產(chǎn)生輻射影響，提出了將X 射線管安裝在由3 mm 厚不銹鋼+5 mm 厚金屬鉛制成的鉛室中，對非工作區(qū)域的X 射線進行屏蔽，防止X 射線泄漏。