鄭海東，史運(yùn)峰，霍梅春，李 昊

（公安部第一研究所，北京 100048）

0 引言

日益嚴(yán)峻的國際安全形勢、各個(gè)國家的政策推動(dòng)和基礎(chǔ)設(shè)施的新建需求等因素，推動(dòng)了安檢市場的發(fā)展。X 射線透射成像設(shè)備是傳統(tǒng)的安全檢查設(shè)備，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。但是，隨著企業(yè)技術(shù)的改良，系統(tǒng)研究的深入，安檢設(shè)備影像質(zhì)量普遍提高，對(duì)探測器的技術(shù)指標(biāo)也提出了更高的要求。

1 閃爍晶體探測器簡介

閃爍晶體探測器是一種由閃爍晶體和光探測器 （一般是光電倍增管） 組成的用于探測α 、β 、γ 、X 射線及中子的裝置，如圖1 所示。它最基本的思想是依靠輻射粒子在某些物質(zhì)中引起的閃光效應(yīng)來探測電離輻射。閃爍探測器的一大優(yōu)點(diǎn)在于它的粒子適用范圍很廣，同時(shí)，由于具備探測效率高、分辨時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，閃爍探測器已成為當(dāng)今應(yīng)用最多的探測器之一。同時(shí)，大量的科研人員通過實(shí)驗(yàn)證明，在低能X 射線領(lǐng)域，CsI（Tl）晶體在光電轉(zhuǎn)換效率、全能峰效率、價(jià)格優(yōu)勢[1,2]等諸多方面具有明顯優(yōu)勢。

我所針對(duì)CsI（Tl）探測器特性指標(biāo)的檢測儀器的研究一直在進(jìn)行。隨著研究的深入，我們認(rèn)為： ①目前的CsI（Tl）晶體篩選、探測板的篩檢程式固定，檢測指標(biāo)單一，只有好與壞的鑒別，探測器固有的特性不全面、不明確；②檢測停留在部件級(jí)階段，無法提供可資整機(jī)利用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，不能有效支持整機(jī)系統(tǒng)深層次的研究；③不能充分利用現(xiàn)有探測器資源，不能有效提高圖像質(zhì)量；④設(shè)備沒有等級(jí)區(qū)分，不利于銷售價(jià)格的調(diào)整；⑤CsI（Tl）晶體的余輝效應(yīng)是制約其使用的首要指標(biāo)。

圖1 閃爍探測器模塊示意圖Fig.1 Diagram of scintillation detector module

余輝效應(yīng)是指，如果熒光材料中包含一些微量雜質(zhì)，且這些雜質(zhì)的能級(jí)位于禁帶內(nèi)，相當(dāng)于陷阱能級(jí)，從價(jià)帶被激發(fā)的電子進(jìn)入導(dǎo)帶后，又會(huì)掉入這些陷阱能級(jí)。因?yàn)檫@些被陷阱能級(jí)所捕獲的激發(fā)電子必須首先脫離陷阱能級(jí)進(jìn)入導(dǎo)帶后才能躍遷回到價(jià)帶，所以它們被射入光子激發(fā)后，需要延遲一段時(shí)間才會(huì)發(fā)光。CsI（Tl）探測器屬于短余輝，其延遲時(shí)間為0.01～0.1s，而高壓放電的時(shí)間遠(yuǎn)大于余輝時(shí)間，故測試余輝時(shí)不能采用直接切斷電源的方法，測試難度較大。

因此，設(shè)計(jì)一臺(tái)能夠檢測主要CsI （Tl）探測器的余輝性能，并根據(jù)余輝性能對(duì)探測器進(jìn)行分類分檔的檢測設(shè)備意義重大，其研究結(jié)果將為整機(jī)提供具有數(shù)據(jù)信息的經(jīng)過標(biāo)識(shí)的系列探測板。

2 設(shè)計(jì)要求的確定

CsI 探測器余輝性能測試儀負(fù)責(zé)檢測主要CsI 探測器的余輝性能，同時(shí)能通過計(jì)算機(jī)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，得到探測器晶體各像素的余輝和平均余輝,以及在要求時(shí)間內(nèi)余輝的變化曲線和變化趨勢。根據(jù)余輝效應(yīng)的檢測方法[3]，對(duì)測試儀提出的主要指標(biāo)包括：①快門關(guān)斷時(shí)間： ≦3ms；②可測余輝值的時(shí)間范圍： 5ms～500ms；③射線源高壓調(diào)節(jié)范圍： 140～160kV；④射線源束流調(diào)節(jié)范圍： 0.2～0.6mA。

3 關(guān)鍵性技術(shù)問題研究

以下關(guān)鍵性技術(shù)問題都是整機(jī)設(shè)計(jì)中必須考慮的重點(diǎn)，其中快門的設(shè)計(jì)是該項(xiàng)目的重難點(diǎn)。

3.1 電動(dòng)缸選型計(jì)算

由于射線源的控制電路無法將射線源的關(guān)斷響應(yīng)時(shí)間控制在3ms 以內(nèi)，所以設(shè)備采用機(jī)械快門的方式實(shí)現(xiàn)射線的關(guān)斷。具體實(shí)現(xiàn)方案為： 由電動(dòng)缸負(fù)載鎢鎳鐵合金板在射線源與探測器直接進(jìn)行直線往返運(yùn)動(dòng)，利用鎢鎳鐵合金對(duì)X 射線的遮擋作用實(shí)現(xiàn)關(guān)斷功能。

余輝測試儀的工作流程如圖2 所示。電動(dòng)缸速度變化曲線如圖3 所示。

根據(jù)測試儀的主要指標(biāo)、工作流程和射線源的參數(shù)，我們可以確定的參數(shù)是：

光縫距離： h=3.3mm。

快門關(guān)斷時(shí)間： t＜3ms。

最高速度： Vmax＞3.3/3=1.1 m/s。

圖2 余輝測試儀工作流程表Fig.2 Flow chart of afterglow tester

由此選定的符合技術(shù)參數(shù)的電動(dòng)缸直線單元的型號(hào)為WM60。該直線單元的參數(shù)為：

最大速度Vmax=2.5m/s＞1.1m/s；最大加速度amax=20m/s2，工作加速度a=15m/s2；導(dǎo) 程p=50mm；最大行程5000mm。

由Vmax=1.5m/s，螺距P=50mm，得到所需最大電機(jī)轉(zhuǎn)速R=1500/50*60=1800rpm。

直線單元可搭配最高電機(jī)轉(zhuǎn)速3000rpm，對(duì)應(yīng)的空載轉(zhuǎn)矩Midle=2.6N·m。故最終電動(dòng)缸直線單元的具體型號(hào)為： WM60-000-MM-50-400-860-6KAO-2EN。

由此決定的電機(jī)選型計(jì)算過程如下： 擋板重量m=5kg，根據(jù)直線單元確定的參數(shù)是：

圖3 電動(dòng)缸速度變化曲線Fig.3 Speed curve of electric cylinder

由此選定的電機(jī)型號(hào)為： AKM43E-ACCNR-00。

3.2 測試儀的射線屏蔽

輻射損傷是一定量的電離輻射作用于機(jī)體后，受照機(jī)體所引起的病理反應(yīng)。由于X 射線職業(yè)人員平日長期接觸X 射線，如果較長時(shí)間接受超允許劑量的射線照射，不僅會(huì)引起全身性急慢性放射損傷，而且也會(huì)引起局部的皮膚損害。所以在設(shè)計(jì)過程中，射線屏蔽設(shè)計(jì)是必不可少的。測試儀屏蔽問題的難點(diǎn)在于暗盒組件的屏蔽設(shè)計(jì)，主要有以下幾方面的設(shè)計(jì)要求：

（1）暗盒受到X 射線的直接照射，需要嚴(yán)格防護(hù)。

（2）粘貼過厚的鉛板會(huì)增加暗盒重量，增加操作人員的負(fù)擔(dān)。

（3）暗盒與射線嘴之間有20mm 的間隙。

根據(jù)以上要求，首先暗盒整體粘接4mm 厚鉛板，而正對(duì)X 射線照射方向再粘接3mm 厚鉛板，寬度超過射線峰寬度的10 倍。

由于暗盒與射線嘴之間有20mm 的間隙，考慮到射線散射的問題，須設(shè)計(jì)專用的射線防護(hù)圈（如圖4 所示），并包裹3mm 厚的鉛板，同時(shí)借鑒以往射線防護(hù)工作的經(jīng)驗(yàn)，采用迷宮式結(jié)構(gòu)，暗盒和射線防護(hù)圈相互搭接，形成如圖4 所示的迷宮結(jié)構(gòu)。

此方案不但可以滿足射線防護(hù)的要求，還減輕了暗盒的重量。此方案經(jīng)MCNP 軟件使用蒙特卡羅算法仿真計(jì)算證明[4-5]，測試儀的最大射線泄漏率小于0.2μGy/h，完 全滿足GB15208.1-2005 標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)要求。

圖4 暗盒屏蔽設(shè)計(jì)方案Fig.4 Shielding solution of the cassette

3.3 余輝測試儀的電磁兼容

電磁兼容是指設(shè)備或系統(tǒng)在其磁場環(huán)境中正常工作且不對(duì)該環(huán)境中任何事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力。對(duì)測試儀而言，電磁兼容主要包括電磁輻射屏蔽和接地屏蔽兩方面的問題[6]。

電磁輻射屏蔽方面，由于電機(jī)驅(qū)動(dòng)器是一個(gè)主要的騷擾源，故設(shè)計(jì)了專門的屏蔽罩，通過完整的屏蔽導(dǎo)體進(jìn)行屏蔽，并保證了屏蔽體良好接地，屏蔽罩由薄鋼板SPCC-1.2 加工完成。在接地屏蔽方面，將探測箱、機(jī)架、臺(tái)面和門板等通過銅導(dǎo)線連接，統(tǒng)一進(jìn)行接地，即可保證良好的屏蔽效果。最后，采用屏蔽電纜以減少外部電源的傳導(dǎo)騷擾，并將測試儀內(nèi)部的強(qiáng)弱電分開布置。

4 CsI 探測器余輝性能測試儀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

綜合上述關(guān)鍵性技術(shù)問題的分析結(jié)果，CsI 探測器余輝性能測試儀的關(guān)鍵尺寸和布置方案已固定，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行完整的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。設(shè)計(jì)過程中使用Pro/E 3.0軟件完成建模、裝配、工程圖轉(zhuǎn)化等工作，有效地提高了工作效率。

設(shè)計(jì)完成的余輝測試儀的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和完整外形結(jié)構(gòu)分別如圖5～圖7 所示。測試儀的長度由電動(dòng)缸的尺寸決定，為1420mm，高度由源探距決定，為816mm。測試儀主體框架由方管焊接而成，門板由1.5mm 厚的薄鋼板加工完成。

圖5 余輝測試儀內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.5 Internal structure of afterglow tester

圖6 余輝測試儀外形結(jié)構(gòu)Fig.6 Outline structure of afterglow tester

圖7 余輝測試儀實(shí)物圖Fig.7 A pictures of afterglow tester

5 結(jié)論

事實(shí)上不同牌號(hào)、批次、廠家的CsI 晶體，在不同曝光條件下，其余輝值都是不一樣的。所以，余輝的測試作為放射技術(shù)質(zhì)控內(nèi)容之一，這對(duì)于提高圖像質(zhì)量，具有十分重要的意義。

CsI 探測器余輝性能測試儀的研制成功可以達(dá)到的目的有： ①掌握探測器更多的特性信息，并開創(chuàng)探測器利用的新局面，為圖像質(zhì)量更上一層樓打下一定的基礎(chǔ)，從而提高我所傳統(tǒng)安檢設(shè)備的市場競爭力；②根據(jù)使用的探測板，將設(shè)備進(jìn)行分類，做到有的放矢，成本控制；③使得探測器板生產(chǎn)過程可控，分類存儲(chǔ)，提高正規(guī)化生產(chǎn)水平；④一臺(tái)設(shè)備使用同類探測器板，方便調(diào)試和維修。

余輝測試儀有效地提高了CsI 探測器的生產(chǎn)效率和測試效率，但仍有一定的提升空間，例如將整機(jī)尺寸縮小達(dá)到設(shè)備小型化的目的；檢測其余閃爍探測器的余輝性能，增加測試儀的檢測能力；提高設(shè)備的自動(dòng)化水平，優(yōu)化測試流程等等。在下一步的工作中，需要利用現(xiàn)有的研究經(jīng)驗(yàn)，有效提高余輝測試儀的實(shí)用性。

[1] 高富強(qiáng)，張小嬌，周日峰. 低能X 射線工業(yè)CT 探測器光電轉(zhuǎn)換效率的研究[J].核電子學(xué)與探測技術(shù)，2010，10.

[2] 李玉蘭，李元景.高能x 射線成像系統(tǒng)固體探測器模塊的設(shè)計(jì)[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2003.

[3] I.SAINT-GOBAIN Ceramic Plastics. CSI （Tl），CSI （Na），CSI（pure）Cesium Iodide Scintillation Material[Z].Saint-Gobain Crystals,2004.

[4] J. Chavanelle, A. Pousse, ct al. Scintillator Crystal Optimization by Monte Carlo Simulation for Photodiode Matrix Detector[J].IEEE Transactions on Nuclear Science，2001.

[5] Hsiao-Hua, Huan Lee.Monte Carlo Calculations of the Vacuum Compton Detector Sensitivities[J].IEEE Transactions on Nuclear Science，36，6.

[6] 呂文紅，郭銀景，唐富華，等. 電磁兼容原理及應(yīng)用教程[M]. 清華大學(xué)出版社，2008.