韋凱迪 高 飛 徐 陽 王菲菲 林 敏 倪 寧

(中國(guó)原子能科學(xué)研究院，計(jì)量與校準(zhǔn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102413)

1 引 言

X射線本質(zhì)上是一種波長(zhǎng)極短、能量很強(qiáng)的電磁波，具有很強(qiáng)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(dòng)式X光機(jī)管電流的方式來調(diào)節(jié)劑量率大小，以實(shí)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(guó)內(nèi)外研發(fā)的用于儀表檢定的可移動(dòng)式照射裝置僅局限于γ射線，且可移動(dòng)式γ射線照射裝置存在幾個(gè)缺點(diǎn)：一是存在放射源的運(yùn)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(chǎng)校準(zhǔn)。因此，需要研究建立可移動(dòng)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(chǎng)景中，可移動(dòng)式X射線照射裝置對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)，大大提升了工作效率[4]。

2 實(shí)驗(yàn)裝置

可移動(dòng)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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 4037-1[7]要求，研究建立可移動(dòng)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(cè)量的誤差，其表面具有較好的加工平整度[8]?？梢苿?dòng)式X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(jī)輻射劑量的大小。實(shí)驗(yàn)采用PTW的32005球型電離室，以及UNIDOS E靜電計(jì)，對(duì)產(chǎn)生X射線的電離電流、固有過濾以及附加過濾進(jìn)行測(cè)量。

圖1 可移動(dòng)式X射線照射裝置示意圖

3 管電流線性測(cè)量

X射線光機(jī)的管電流會(huì)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(jī)優(yōu)劣的一個(gè)重要參數(shù)，需要對(duì)其進(jìn)行測(cè)量，以保證后續(xù)實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

管電流線性測(cè)量實(shí)驗(yàn)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(diǎn)固定在距X射線機(jī)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(jī)管電壓依次設(shè)置為50kV，100kV，120kV，150kV，200kV(X射線機(jī)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(gè)電流測(cè)量點(diǎn)(由于X射線機(jī)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(shí)共有10個(gè)測(cè)量點(diǎn))，將測(cè)量到的電離電流進(jìn)行歸一化擬合后，得到相對(duì)電離電流，線性實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(jī)的管電流呈線性關(guān)系(注：管電壓為50kV、200kV時(shí)，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(dòng)式X射線照射裝置固有過濾測(cè)量

ISO 4037(以下稱為“標(biāo)準(zhǔn)”)中對(duì)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(shí)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(yuǎn)，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(chǎng)校準(zhǔn)過程中需要不時(shí)移動(dòng)或搬運(yùn)光機(jī)，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(jī)械強(qiáng)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(shí)距離焦斑最近，同時(shí)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(duì)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(jì)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(xiàng)，由注量譜計(jì)算其對(duì)應(yīng)的平均能量并與標(biāo)準(zhǔn)推薦值進(jìn)行對(duì)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(duì)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(jì)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(jì)算結(jié)果對(duì)比情況可以看出，Al片放置在前與在后條件下相比標(biāo)準(zhǔn)推薦值的相對(duì)偏差最大為2.43%。

表2 平均能量計(jì)算結(jié)果對(duì)比與匯總

從綜合注量譜及平均能量的計(jì)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(biāo)準(zhǔn)要求的，可以用于儀器儀表的校準(zhǔn)工作。

4.2 固有過濾測(cè)量

對(duì)于X射線機(jī)固有過濾的測(cè)量方法主要有：半值層法[9]、外推法、雙探測(cè)器測(cè)試等幾種方法。這里主要采用標(biāo)準(zhǔn)中所推薦的半值層法對(duì)便攜式X射線照射裝置的固有過濾進(jìn)行測(cè)量。

在X射線管固有過濾測(cè)量實(shí)驗(yàn)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(cè)量X射線管電壓為60kV時(shí)的第一半值層。為了降低半值層測(cè)量過程中散射輻射的影響，首先應(yīng)限制輻射場(chǎng)的大小達(dá)到照射量?jī)x的散射輻射的量，同時(shí)輻射場(chǎng)半徑需足夠大，可以將電離室完全處于輻射場(chǎng)中；其次，在實(shí)驗(yàn)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(jí)X射線束。

根據(jù)上述幾何布局要求，實(shí)驗(yàn)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(diǎn)固定在距X射線機(jī)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(zhǎng)×寬×厚)的長(zhǎng)方體鉛擋塊，其中央開有半徑為1.5cm的準(zhǔn)直圓孔。

經(jīng)過準(zhǔn)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(duì)電離室的影響，鉛擋塊需要全部蓋住準(zhǔn)直前射束范圍。為驗(yàn)證不同限束光闌半張角條件下的輻射束是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)場(chǎng)范圍進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量與計(jì)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(chǎng)范圍見表3。

圖5 經(jīng)過鉛擋塊準(zhǔn)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(zhǔn)直前的輻射場(chǎng)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(zhǔn)直后，電離室?guī)缀沃行奶庉椛鋱?chǎng)半徑為2.7cm，略大于電離室靈敏體積半徑。同時(shí)，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(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)直前后的輻射場(chǎng)范圍

隨后，選取常用的中間角度8°進(jìn)行固有過濾實(shí)驗(yàn)，通過擬合窄束條件下準(zhǔn)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(shí)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(dòng)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(shí)驗(yàn)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(cè)量方法，對(duì)窄譜系列中N-60，N-80，N-100，N-120，N-150及N-200輻射質(zhì)進(jìn)行半值層與同質(zhì)系數(shù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量。每組數(shù)據(jù)重復(fù)測(cè)量10次后取平均值，并按最大值進(jìn)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(jì)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(duì)應(yīng)第一半值層實(shí)測(cè)值與標(biāo)準(zhǔn)推薦值相對(duì)偏差的變化在5%以內(nèi)，同質(zhì)系數(shù)在標(biāo)準(zhǔn)推薦值范圍以內(nèi)。

表4 第一半值層與同質(zhì)系數(shù)計(jì)算結(jié)果

6 結(jié)束語

利用蒙特卡洛法建立可移動(dòng)式X射線照射裝置的X射線管模型，模擬計(jì)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(biāo)準(zhǔn)推薦值進(jìn)行對(duì)比滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，通過PTW32005球形電離室測(cè)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(cè)量得到有監(jiān)督電離室條件下可移動(dòng)式X射線照射裝置的固有過濾為4.01mm Al。各輻射質(zhì)所對(duì)應(yīng)第一半值層實(shí)測(cè)值與標(biāo)準(zhǔn)推薦值相對(duì)偏差的變化在5%以內(nèi)，同質(zhì)系數(shù)在標(biāo)準(zhǔn)推薦值范圍內(nèi)，可以用于儀器儀表的校準(zhǔn)工作。