准直器安装位置对接收信号强度的影响

2018-05-11公安部第一研究所王雪华廖建新汪凤华

中国安全防范技术与应用 2018年2期

■ 文/公安部第一研究所王雪华廖建新汪凤华

1 引言

X射线安全检查设备的技术指标中穿透力与分辨率和探测器板接收的X射线信号强度密切相关。提高探测器板接收的信号强度的主要方法是提高射线源的管电压或束流，减小X射线管焦斑尺寸等。

X射线管的焦斑尺寸是决定X射线管光学性能的主要指标。X射线管作为X射线检查设备的发射源，其焦斑尺寸越小，对被检物的影像清晰度就越高。焦斑为理想点光源时，图像的边界分明，几何模糊程度小，影像分辨率高；焦斑越大，图像边界上的半影也越大，几何模糊程度达，影像分辨率降低。X射线检查设备最常用的是常规焦斑X射线管，其阴极一般为螺旋灯丝结构。螺旋灯丝作为发射源要做的很小存在一定难度，而典型两级结构X射线管又存在电子束会聚能力有限问题。采用常规螺旋灯丝阴极结构，实现小焦斑存在相当大的难度。

通常用于X射线安全检查设备的X射线管要求连续工作，焦斑尺寸太小，容易引起靶面烧伤。在实际工作中，一方面要求提高图像分辨率；另一方面又不能因为焦斑太小造成靶面烧伤，降低X射线产生效率。因此在X射线管焦斑尺寸一定的情况下，利用光学成像原理优化结构设计，提高X射线安全检查设备的分辨率具有一定的现实意义。

射线的准直器指是指位于射线源中心与探测器之间的对辐射起到限束和准直作用的装置。辐射源中心、辐射准直器、探测系统三点一面，共同构成一个完备的测试系统。

辐射准直器的功能是对辐射限束，准直器到达探测器处的辐射只来自辐射源被限束的扇面，减少测试本底的干扰，提高信噪比。同时通过加大准直器与射线源之间的距离，减少前准直器与探测器之间的距离，同样可以提高射线源在探测器上的射线强度。

2 模型的理论分析

在辐射源和探测器参数一定的情况下，为了提高X射线安全检查设备的技术指标指标，进行了下面的理论分析。

图1 X光的传播特性

a-射线源光斑尺寸；b-准直缝宽度；c-照射到探测器晶体面上的光斑尺寸；L1-光点距准直器的距离；L2-光点距探测器晶体感光面的距离；

根据光几何关系可以得到：

由（1）式可知，如果在保持L2不变的情况下，增大L1，c值会变小，射线的能量在探测器晶体表面更集中，因此强度也将增大。

图2 新旧准直位置和光路布置

根据理论分析，将准直器尽量远离射线源放置（具体到该设备将其放在通道侧墙上），探测器上接受的射线强度有不同程度的提高。两种情况下的准直位置和光路布置如图（2）。

源光斑大小a=2mm；准直缝宽b=0.7mm。

根据探测器板中心位置的具体尺寸，通过公式分别计算出探测器板中心平面的单位面积上接收的能量变化情况如表1，表2。

表1 部分旧准直时光路中各块探测器板中点处的各种尺寸和与射线相关的参数大小

表2 部分新准直时光路中各块探测器板中点处的各种尺寸和与射线相关的参数大小

将同一块探测器板中心平面的单位面积上接收的能量变化进行对比得出理论计算的能量增加倍数表3。

从计算结果可以看出探测器板中心平面处接收到的能量有了比较大的提高。

表3 新旧准直器时探测器板单位面积接收能量的比值

3 新结构准直器的设计

根据准直器的功能要求，设计了如图3所示的新准直器。准直器具有缝宽可调和缝位置可调。缝宽可调可以满足设备技术指标和单次检测剂量的要求；缝位置可调可以使光路系统对中性更好。

4 实际测试对比

新的准直器装配完成后，将其安装在设备通道侧墙上如图4；另用一台旧准直器的设备进行对比试验。为尽量保证试验的一致性，两台机器的源使用同一批次的，源的控制器加载相同版本的程序，工作于相同的参数下。并且试验中两台机器采集的数据来自同一块CPB板，同时探测器的数据来自垂直探测器箱倒数第3块位置的同一块探测器板。

图3 新结构准直器

图4 新结构准直安装位置图

4.1 试验方法

在新结构上，在射线源束流1.2mA时，调整刀口缝宽至近通道输送带中心部位单次剂量为3.1uGy调整垂直倒数第3块板的水平位移至信号幅值最大，记录信号值。而后，通过调整源控制盒的跳线，将束流升至1.5mA，减少刀口板缝宽至单次剂量仍为3.1uGy，重复上述探测器板调整和信号值记录过程。再将数字平板放置在垂直探测器箱内壁，拍摄射线束0分钟、10分钟波形，记录其漂移程度。

把CPB板和垂直倒数第3块探测器板拆下后，安装于旧结构安检设备上，重复上述过程。

4.2 数据对比

1）单次剂量均为3.1uGy时的信号值情况如表4

表4 单次剂量均为3.1uGy时的信号值

通过数据可以看出，新结构在单次剂量相同、束流相同情况的探测器板的信号值提高比例分别是23.4%，35.8%，提高效果明显。

2）新旧结构射线束强度的波形如图5

图5 新、旧结构射线束强度波形示意图

在射线束宽度大于探测器晶体宽度的前提下，随着射线束宽度的减小，旧结构的射线强度波形顶部变尖变低，底部宽度缩减缓慢，而新结构的波形顶部仍保持平坦，底部宽度缩减较快，从而使新结构在射线利用率方面取得优势。反之，随着射线束宽度的加大，新结构在射线利用率上的优势将逐渐丧失。

3）新、旧结构射线束10分钟漂移情况对比

图6为旧结构射线束10分钟的漂移示意图。从图中可以看出，在探测器板调试过程中，无法保证探测器晶体一直位于射线强度的峰值位置。

图6 旧结构射线束10分钟漂移示意图

图7 新结构射线束10分钟漂移示意图

图7为新结构射线束10分钟漂移示意图。从图中可以看出射线束波形顶部较平整，且宽度较大，可以将晶体位置调整到波形相互重叠的区域，由此由焦斑漂移导致的信号强度下降显著小于旧结构。

4.3 测试结论

通过对比可以看出，在单次剂量相同的前提下，束流相同时，尽管因射线源后撤，源、探距离稍有增大，但新结构带来的射线集中、顶部充分的优势（从而转化为射线利用率优势）将弥补距离增大造成的损失。并且，随着束流的增大，为维持相同的单次剂量，射线束宽度需减小，新结构的射线利用率优势将进一步增大。本次试验的数据显示（见表4），当束流为1.2mA时，从信号值上看，新结构已经有23.4%的优势，当束流增至1.5mA时，新结构的优势已经扩大至139.3%∕103.5%-100%＝34.6%。