張 催 李公平 潘小東 魏緒波 商宏杰 饒 松 鄭賽春 張益海

（蘭州大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 蘭州 730000）

工業(yè)CT用X射線機(jī)射線強(qiáng)度分布研究

張 催 李公平 潘小東 魏緒波 商宏杰 饒 松 鄭賽春 張益海

（蘭州大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 蘭州 730000）

X射線機(jī)是工業(yè)CT中使用最廣泛的X射線源，但因陽(yáng)極效應(yīng)以及自身結(jié)構(gòu)的限制，其射線強(qiáng)度空間分布不均勻，系統(tǒng)的研究和測(cè)量其射線強(qiáng)度分布對(duì)于實(shí)際應(yīng)用十分必要。利用CsI(Tl)光電二極管探測(cè)器測(cè)量了射線強(qiáng)度在不同軸線上隨角度的分布，給出了理論分析，并與蒙特卡羅法計(jì)算結(jié)果做了對(duì)比，提出了“展寬效應(yīng)”，解釋了邊界射線強(qiáng)度分布展寬的現(xiàn)象。比較了大、小焦點(diǎn)射線強(qiáng)度分布的情況，給出了其在陰極末端出現(xiàn)差異的原因。結(jié)合其在豎直方向的射線強(qiáng)度分布以及對(duì)稱性，給出了X射線強(qiáng)度的二維分布。結(jié)果表明，在張角20° (-10°-+10°)的范圍內(nèi)，射線強(qiáng)度分布均勻（最大相對(duì)偏差4.59%），張角越大均勻性越差，在陰極端邊界射線分布出現(xiàn)外延。

強(qiáng)度分布，X射線機(jī)，工業(yè)CT，陽(yáng)極效應(yīng)

X射線機(jī)作為X射線源，由于其相對(duì)小巧、射線強(qiáng)度大，且射線能量和強(qiáng)度可以通過(guò)調(diào)節(jié)管電壓和管電流在較大范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，因此得到了廣泛應(yīng)用[1-2]。尤其在工業(yè)CT系統(tǒng)中，由于對(duì)射線強(qiáng)度以及實(shí)用性的要求很高，普遍采用X射線機(jī)作為射線源。X射線機(jī)主要包括透射式和反射式兩種，對(duì)于通常采用的反射式X射線機(jī)，存在陽(yáng)極效應(yīng)，這會(huì)導(dǎo)致輻射場(chǎng)射線強(qiáng)度分布不均。同時(shí)靶材料、靶角、焦點(diǎn)尺寸以及開(kāi)口的結(jié)構(gòu)也會(huì)影響射線強(qiáng)度分布。輻射場(chǎng)射線強(qiáng)度分布不均將給圖像重建帶來(lái)很大影響，需要進(jìn)行處理[3-4]。經(jīng)過(guò)校正能夠極大地減小其影響，因此系統(tǒng)的研究和測(cè)量射線強(qiáng)度分布是十分必要的。此外，對(duì)于不同的被測(cè)物體，可以根據(jù)輻射場(chǎng)射線強(qiáng)度分布來(lái)布置合適的空間位置，使得被測(cè)物體盡量落在射線強(qiáng)度均勻的輻射區(qū)域內(nèi)，這樣將極大地減少校正工作，并且有效提高圖像重建質(zhì)量。

射線機(jī)應(yīng)用廣泛，而對(duì)其射線強(qiáng)度分布研究報(bào)道還很少見(jiàn)。本文旨在研究射線機(jī)的射線強(qiáng)度分布，并找到影響其分布的主要原因。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)合計(jì)算機(jī)模擬得到光場(chǎng)分布，并給出理論分析。結(jié)果為工業(yè)CT系統(tǒng)應(yīng)用中射線強(qiáng)度的校正、被測(cè)物體幾何設(shè)置提供了依據(jù)，為射線機(jī)的精準(zhǔn)應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)條件與設(shè)置

實(shí)驗(yàn)條件及分析模型如圖1所示。圖1(a)為陽(yáng)極效應(yīng)示意圖，(b)為分析模型及幾何布置，(c)為探測(cè)平面幾何示意圖。其工作原理為：反射式X射線機(jī)，由陰極發(fā)射電子經(jīng)過(guò)電場(chǎng)加速，以一定的能量、束流強(qiáng)度以及焦點(diǎn)大小打到陽(yáng)極靶上，常用的靶材是鎢和鉬。電子與靶物質(zhì)的原子核和電子相互作用損失能量，通過(guò)軔致輻射以及特征輻射發(fā)射X射線[5-6]。與此同時(shí)，靶物質(zhì)對(duì)產(chǎn)生的X射線存在自吸收，對(duì)于同一位置產(chǎn)生的X射線，由于射線出射角的不同，穿過(guò)靶到達(dá)靶表面的距離也就不一樣。如圖1(a)所示，近陰極端X射線出射靶表面前所要經(jīng)過(guò)的距離與近陽(yáng)極端相比要小，靶對(duì)射線吸收相對(duì)較少，這會(huì)導(dǎo)致射線強(qiáng)度呈現(xiàn)出近陰極端高、近陽(yáng)極端低的現(xiàn)象，即陽(yáng)極效應(yīng)[7]。另外，靶材料、靶角、焦點(diǎn)尺寸以及開(kāi)口的結(jié)構(gòu)也會(huì)對(duì)射線強(qiáng)度分布產(chǎn)生一定影響。

利用瑞士COMET公司MXR225/22 X射線機(jī)進(jìn)行射線強(qiáng)度空間分布的模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)量。射線機(jī)主要參數(shù)為：額定管電壓225 kV；持續(xù)功率600/3000 W；焦點(diǎn)d=1.0 mm、d=5.5 mm；2 mm厚鎢(W)靶；靶角為20°；輻射范圍為40°；固有濾波為0.8 mm鈹(Be)窗。

建立X射線機(jī)模型如圖1(b)所示。電子從陰極端入射，其能量以及焦點(diǎn)大小可調(diào)，電子入射到傾角為20°的鎢靶上，從張角為40°的錐形開(kāi)口出射X射線，由于陽(yáng)極末端射線強(qiáng)度太低，因此在緊貼開(kāi)口前端（與焦點(diǎn)垂直距離35 mm，中心與焦點(diǎn)在一條軸線上）安置一個(gè)鉛制錐形開(kāi)口用來(lái)阻止陽(yáng)極末端射線出射，其尺寸為：厚度15.0 mm；內(nèi)側(cè)直徑19.4 mm；外側(cè)直徑27.7 mm。最外端2 mm鋁片用來(lái)阻擋低能X射線，降低射線硬化帶來(lái)的影響。靶點(diǎn)中心距射線輻射平面580 mm，對(duì)于開(kāi)口張角為31°的錐束，輻射平面為直徑322 mm的圓。圖1(c)定義了探測(cè)平面幾何位置，輻射平面中心為探測(cè)平面坐標(biāo)原點(diǎn)，水平方向?yàn)閤軸，豎直方向?yàn)閥軸。由于輻射平面中心距離靶中心的距離為580 mm，利用探測(cè)器在水平方向中心軸上從-210-+210 mm內(nèi)均勻移動(dòng)，能夠保證完全探測(cè)并覆蓋-15.5°-+15.5°的輻射角。

圖1 實(shí)驗(yàn)條件及分析模型Fig.1 Experiment conditions and analysis model.

實(shí)驗(yàn)中，采用CsI(Tl)光電二極管探測(cè)器測(cè)量射線強(qiáng)度，其主要參數(shù)為：晶體尺寸10 mm×10 mm× 10 mm；光電二極管型號(hào)為日本HUMAMASTU公司S3590-08；數(shù)據(jù)采集卡為美國(guó)TI公司DDC264EVM；暗電流1 nA（偏壓12 V，溫度25 °C），對(duì)應(yīng)下文相對(duì)強(qiáng)度大小為0.22；穩(wěn)定性好（采集次數(shù)100，采集時(shí)間8 min，信號(hào)相對(duì)變化小于0.3%）。探測(cè)器固定在精度為0.01 mm的四軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上，保證探測(cè)器能夠在水平和豎直方向上精確運(yùn)動(dòng)。

2 結(jié)果與分析

2.1射線機(jī)焦點(diǎn)能譜

利用美國(guó)ORTEC公司GLP-10180/07P4型號(hào)高純鍺探測(cè)器測(cè)量射線機(jī)小焦點(diǎn)和大焦點(diǎn)的X射線能譜（管電壓225 kV，管電流0.1 mA），如圖2所示。小、大焦點(diǎn)的能譜幾乎一致，只在特征峰強(qiáng)度上存在一些差別。特征峰主要包括鎢、銀、鉛等元素產(chǎn)生的特征峰，這是由于靶材為鎢，銀由于其極佳的導(dǎo)熱性作為鎢靶與銅襯底的釬焊材料，開(kāi)口和準(zhǔn)直材料為鉛，因此出現(xiàn)了該三種元素的特征峰。而襯底銅元素的特征峰由于能量太低被鋁片幾乎完全吸收。軔致輻射譜的峰值大致在最高能量的1/3處[5]。

圖2 實(shí)驗(yàn)測(cè)量X射線機(jī)小(a)、大(b)焦點(diǎn)能譜(225 keV)Fig.2 Energy spectra of the X-ray machine at small (a) and big (b) focus measured by experiment (225 keV).

2.2軸向X射線強(qiáng)度分布

在圖2(b)大焦點(diǎn)能譜的基礎(chǔ)上，分別測(cè)量了水平中心軸y=0 (X Axis)、以及中心軸以上y=5 cm (1-Axis)、y=10 cm (2-Axis)、y=15 cm (3-Axis) 4個(gè)軸上X射線強(qiáng)度分布，探測(cè)器在每條軸上沿x軸方向每次移動(dòng)10 mm。如圖3所示，給出了4條軸線上射線強(qiáng)度隨角度的變化，主要有以下幾個(gè)特征：(1) 存在陽(yáng)極效應(yīng)，陰極端的射線強(qiáng)度整體要高于陽(yáng)極端，并且射線強(qiáng)度在陽(yáng)極端逐漸減?。ㄖ行妮S+12.5°角的射線相對(duì)強(qiáng)度只為-12.5°角的91.9%）；(2)射線強(qiáng)度在0°角兩側(cè)有一段較大范圍的輻射均勻區(qū)域，且隨著y軸坐標(biāo)的增加，區(qū)域變窄，當(dāng)y軸增大到一定值時(shí)，射線強(qiáng)度會(huì)快速下降；(3) 陰極端邊界射線強(qiáng)度出現(xiàn)一個(gè)近似對(duì)稱下降的走勢(shì)，而陽(yáng)極端邊界會(huì)出現(xiàn)射線強(qiáng)度突降；(4) 射線水平中心軸(X Axis)輻射角范圍略大于31°，約為34.8° (-18.3°-+16.5°)。

圖3 射線強(qiáng)度在不同軸上隨角度的分布Fig.3 Distribution of X-ray intensity on different axis.

由于陽(yáng)極效應(yīng)，因此在圖3中表現(xiàn)為陰極端射線強(qiáng)度整體高于陽(yáng)極端；陽(yáng)極效應(yīng)在0°角附近不明顯，因?yàn)?°角附近射線出射靶表面經(jīng)過(guò)的距離相差很小，只有在陽(yáng)極端且距離中心較遠(yuǎn)時(shí)才會(huì)出現(xiàn)比較明顯的差別。由于射線輻射平面近似為一個(gè)圓，因此隨著y軸坐標(biāo)的增加，射線的水平方向輻射角度范圍變窄，并最終射線強(qiáng)度均勻區(qū)域消失，且射線整體強(qiáng)度變低。如y=15 cm (3-Axis)軸，射線強(qiáng)度明顯小于其他軸，且沒(méi)有輻射均勻區(qū)。

文化翻譯觀認(rèn)為，語(yǔ)言不是翻譯的操作形式，文化信息才是翻譯操作的對(duì)象；翻譯的目的是突破語(yǔ)言障礙，實(shí)現(xiàn)并促進(jìn)文化交流（楊仕章，2000：4）。中國(guó)文化外譯更是如此。僅僅做到將中國(guó)文化文本翻譯成外文，中國(guó)文化不會(huì)自然而然地“走出去”，還要考慮譯成外文后的而作品如何才能在國(guó)外傳播、被國(guó)外的讀者接受的問(wèn)題（謝天振，2013：312）。因此，中國(guó)文化外譯除了要關(guān)注語(yǔ)言層面的轉(zhuǎn)換以外，更要考慮其他影響翻譯的因素，如傳播手段、目的語(yǔ)讀者的閱讀習(xí)慣、審美趣味等。

2.3展寬效應(yīng)

焦點(diǎn)不是一個(gè)理想的點(diǎn)，有一定尺寸，由于開(kāi)口的限制，陰極端邊界射線強(qiáng)度會(huì)出現(xiàn)一個(gè)對(duì)稱下降的走勢(shì)。如圖4所示，a、b、c分別代表焦點(diǎn)上邊界、中心和下邊界的電子，由于開(kāi)口限制，b點(diǎn)產(chǎn)生的X射線，恰好能夠沿開(kāi)口方向出射，到達(dá)b1點(diǎn)；a點(diǎn)受開(kāi)口上沿的阻擋，最大只能到達(dá)a1點(diǎn)；而c點(diǎn)最大可以到達(dá)c1點(diǎn)。這使得a1到c1之間射線強(qiáng)度會(huì)逐漸下降，且由于a、c以b點(diǎn)對(duì)稱，因此在陰極端邊界射線強(qiáng)度在圖3中呈一個(gè)對(duì)稱下降的走勢(shì)。定義這種由于焦點(diǎn)尺寸以及開(kāi)口結(jié)構(gòu)所造成的射線強(qiáng)度在邊界的展寬現(xiàn)象為“展寬效應(yīng)”。由于開(kāi)口斜角為15.5°，對(duì)應(yīng)的對(duì)稱中心(b1)為-15.5°，在圖3中可以看到，-15.5°角近似的對(duì)應(yīng)于曲線邊界對(duì)稱中心。在陽(yáng)極末端，由于射線沿著開(kāi)口邊沿出射，因此不會(huì)在邊界出現(xiàn)一個(gè)明顯的展寬，幾乎是垂直下降。正由于陰極端邊界的展寬，使得射線水平中心軸輻射范圍大于31°。

圖4 “展寬效應(yīng)”示意圖Fig.4 Diagram of “broadening effect”.

2.4實(shí)驗(yàn)值與模擬值對(duì)比

利用基于蒙特卡羅法的MCNP4C軟件模擬了射線機(jī)射線強(qiáng)度分布情況[8-9]，模型結(jié)構(gòu)及主要參數(shù)如圖1(b)所示。圖5給出了實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果的對(duì)比，模擬值1與模擬值2分別表示在水平中心軸與等距弧(圖1(b))的X射線強(qiáng)度分布，實(shí)驗(yàn)值表示水平中心軸實(shí)測(cè)射線強(qiáng)度分布。對(duì)比實(shí)驗(yàn)值與模擬值1，整體變化趨勢(shì)相同，只在中心兩側(cè)實(shí)驗(yàn)值略高于模擬值1，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果得到了較好的符合。

圖5 水平中心軸上射線強(qiáng)度分布的實(shí)驗(yàn)值與模擬值對(duì)比Fig.5 Comparison of experimental and simulation X-ray intensity distribution on the horizontal axis.

模擬值2與模擬值1變化趨勢(shì)相同，但模擬值2整體射線強(qiáng)度略高，且偏離中心越遠(yuǎn)越明顯。由于模擬值2是測(cè)量等距弧上X射線強(qiáng)度分布值，探測(cè)器與源中心的距離始終為580 mm。而模擬值1測(cè)量的是水平中心軸上射線強(qiáng)度分布，隨著探測(cè)器向兩側(cè)移動(dòng)時(shí)，探測(cè)器離X射線源中心的距離變大，且隨著角度的增大，距離差越大。因此模擬值2比模擬值1大，且偏離中心越遠(yuǎn)，差別越明顯。

圖6給出了大、小焦點(diǎn)情況下，水平中心軸射線強(qiáng)度分布對(duì)比，其中圖6(a)是實(shí)驗(yàn)值，圖6(b)是模擬值。大、小焦點(diǎn)對(duì)應(yīng)的射線強(qiáng)度分布幾乎一致，唯一不同是在陰極端邊界，由于“展寬效應(yīng)”，射線強(qiáng)度分布有一定展寬，對(duì)于小焦點(diǎn)，展寬更窄，曲線更陡峭，實(shí)驗(yàn)值和模擬值都反映了這一點(diǎn)。

圖6 水平中心軸上大、小焦點(diǎn)射線強(qiáng)度分布對(duì)比Fig.6 Comparison of X-ray intensity distribution at big and small focus on the horizontal axis.

在豎直方向上，由于靶、焦點(diǎn)以及開(kāi)口具有對(duì)稱性，因此水平中心軸上下兩側(cè)射線強(qiáng)度分布往往相同。如圖7所示，對(duì)比了y=5 cm與y=-5 cm兩個(gè)軸上的射線強(qiáng)度分布，其射線強(qiáng)度分布幾乎一致。

圖7 水平中心軸以上、下射線強(qiáng)度隨角度的分布Fig.7 X-ray intensity distribution of the upper X Axis and thelower X Axis.

在x=0的豎直方向上，水平中心軸以上的射線強(qiáng)度分布如圖8所示，射線強(qiáng)度在0°-13°內(nèi)較均勻。角度大于13°，由于“展寬效應(yīng)”，射線強(qiáng)度隨角度的增大會(huì)出現(xiàn)如陰極端邊界所呈現(xiàn)的射線強(qiáng)度對(duì)稱下降的走勢(shì)，對(duì)稱中心為+15.5°。

圖8 豎直中心軸上射線強(qiáng)度隨角度的分布Fig.8 Distribution of X-ray intensity along with angle invertical axis.

由圖8可得，豎直方向中心軸輻射角為36° (-18°-+18°)，略大于水平中心軸輻射角34.8° (-18.3°-+16.5°)，這是由于水平方向上陽(yáng)極端邊射線強(qiáng)度分布展寬很小。測(cè)量了中心平面以上射線強(qiáng)度分布，通過(guò)對(duì)稱性得到了其下半部分射線強(qiáng)度分布，由此得到了射線強(qiáng)度二維分布圖，如圖9所示。

整個(gè)X射線強(qiáng)度分布由于陽(yáng)極效應(yīng)以及“展寬效應(yīng)”共同的影響，使得陰極端射線強(qiáng)度略高于陽(yáng)極端并且在最大輻射角以外有一定的輻射外延。同時(shí)，經(jīng)過(guò)張角31°的鉛制錐形開(kāi)口，在張角31°的輻射區(qū)域內(nèi)，射線強(qiáng)度分布較為均勻，只在邊界略有下降，輻射區(qū)域較大，整體達(dá)到了射線強(qiáng)度均勻的期望以及實(shí)際應(yīng)用的要求。

圖9 X射線強(qiáng)度二維分布圖Fig.9 2D-distribution chart of X-ray intensity.

3 結(jié)語(yǔ)

陽(yáng)極效應(yīng)、焦點(diǎn)尺寸以及開(kāi)口設(shè)置是影響射線強(qiáng)度分布的主要原因。射線機(jī)的射線強(qiáng)度豎直方向分布具有對(duì)稱性，水平軸向分布不對(duì)稱。大、小焦點(diǎn)射線強(qiáng)度分布只在陰極端邊界存在一些差異。陰極端邊界由于“展寬效應(yīng)”影響，射線強(qiáng)度分布出現(xiàn)外延。整個(gè)輻射場(chǎng)，離中心越近，其射線強(qiáng)度分布越均勻。在張角20°的(-10°-+10°)的范圍內(nèi)，射線強(qiáng)度均勻性好（相對(duì)強(qiáng)度最大值56.756；最小值54.150；最大相對(duì)偏差4.59%），在射線管的實(shí)際使用中，應(yīng)根據(jù)被測(cè)物體的大小，調(diào)整與射線管的距離，盡量包含在該輻照范圍內(nèi)。如果被測(cè)物體較大，覆蓋的射線張角大于20°時(shí)，需要對(duì)射線強(qiáng)度進(jìn)行適當(dāng)校正。

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Study on the distribution of radiation intensity of X-ray machine for industrial CT

ZHANG Cui LI Gongping PAN Xiaodong WEI Xubo SHANG Hongjie RAO Song ZHENG Saichun ZHANG Yihai

(School of Nuclear Science and Technology,Lanzhou University,Lanzhou 730000,China)

Background:X-ray machine is the most-extensively-used X-ray source in industrial CT, due to its anode effect and the restrictions of its own structure, the radiation intensity distribution is not uniform.Purpose:The aim is to research and measure the radiation intensity distribution of X-ray machine as a vital part of imaging correction and the foundation for the precise application of X-ray machine.Methods:The CsI(Tl) scintillation and photodiode detector is used to measure the radiation intensity distribution of the MXR225/22 X-ray machine (made by Swiss COMET Inc.) along with various angles on different axis. At the same time, the radiation intensity distribution is simulated by Monte Carlo method.Results:The “broadening effect” is observed, and the boundary radiation intensity distribution broadening phenomena can be explained thereby. The radiation intensity distributions of the large and small focal are compared, and the reason for the difference in the cathode ends is analyzed. And the 2D radiation intensity distribution of X-ray machine is given.Conclusion:The results showed that in the 20° opening angle range (-10°-+10°), the radiation intensity distributes uniformly, the larger opening angle, the worse distribution uniformity. The radiation distribution extension occurs at the boundary of cathode side.

Intensity distribution, X-ray machine, Industrial CT, Anode effect

TL99

10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.090201

蘭州大學(xué)“985”工程平臺(tái)建設(shè)基金資助

張催，男，1990年出生，2013年畢業(yè)于蘭州大學(xué)，現(xiàn)為碩士研究生，從事射線與物質(zhì)相互作用及其應(yīng)用研究

李公平，E-mail: ligp@lzu.edu.cn

2015-06-10，

2015-07-02

CLCTL99