探伤加速器可调准直器的设计

崔爱军，朱志斌，刘保杰，杨 誉，韩广文

(中国原子能科学研究院 核技术应用研究所，北京 102413)

随着无损检测技术的发展，以加速器作为射线源进行无损检测领域备受关注，包括工业探伤、工业CT、大型集装箱/货物检查系统等。在进行X射线摄像时，需附加准直器以改善X射线的剂量分布，实现高能X射线源辐射场二维界定。杂散的X射线不仅破坏影像对比度和清晰度，同时对人体将产生潜在辐射损伤。准直器对无用射线的屏蔽效果，直接关系到射线对目标靶区的照射效果和周边环境的影响[1]，因此，人们对X射线照射野适形度的要求越来越高。

对于不同的无损检测系统，准直器将X射线束准直成不同形状，现有技术中采用较多的方式是固定式准直[2]，以锥准直和缝准直为代表，探伤准直器前端开口一般采用圆锥形，而工业CT准直器准直口一般采用梯形狭缝。这两种固定式准直器根据实际需要定制加工，并固定安装在X射线源正前方，通过调节加速器与工件之间距离来调节X射线照射野，以满足目标照射野的需求，其适应性弱。为提高X射线成像质量，适应更多照射野的需求，可调准直器是X射线准直的主要发展方向，开展可调准直器的研制有着重要价值。本文基于6 MeV探伤加速器照射野可调准直器的设计指标，对可调准直器开展相关设计和理论计算，并对不同照射野的X射线剂量分布进行仿真计算和统计分析，完成交错式照射野可调准直器的设计。

1 照射野可调准直器设计指标

照射野可调准直器采用自动控制系统和机械系统实现照射野的自动调节、转换和修正，满足透射及点片的各种需要，使实际照射野趋于有效照射野，实现照射野的合理定量控制[3-5]。基于6 MeV探伤加速器而设计的照射野可调准直器的主要功能要求为：1) 根据目标照射野需求可自动调节照射野大小及位置，实现照射野与目标靶区的匹配；2) 照射野可调准直器的远程终端控制，实现照射野的在线调节。可调准直器安装在6 MeV探伤加速器机箱内部，其总体结构示意图如图1所示。

照射野可调准直器的设计参数为：在距钨靶1 m远处的最大照射野不小于200 mm×200 mm；距射线源中心1 m的球面上最大漏射率小于0.1%；准直块的位移速度为0～5 mm/s可调；可调准直器设计的最大厚度不大于160 mm。

2 可调准直器设计计算

为减小可调准直器设计厚度，准直器采用交错排布的设计结构，实现准直块在同一平面运动，从而使可调准直器的总体厚度减小。

图1 可调准直器总体结构示意图Fig.1 Schematic of overall structure for adjustable collimator

2.1 可调准直器设计

图2 准直单元结构示意图Fig.2 Schematic of collimation unit structure

交错的排布结构必然会使相邻两准直块的运动发生干涉，为解决这种耦合运动关系，可调准直器的每个准直单元均设计有2个运动自由度，通过控制系统的协同驱动，实现准直器开口的在线调节。可调准直器的准直单元结构示意图如图2所示，准直单元前端准直块在伺服电机的驱动下，通过滚珠丝杠传动实现准直块纵向移动，导向座安装在转接板上，转接板与直线导轨滑块固定连接，通过直线导轨上的伺服电机驱动滑块横向移动，从而带动准直块横向移动。单个准直块的侧边设计有凹槽，端面设计有凸台，在交错排布时，接口处形成错位台阶，从而减小准直器的漏射剂量，防止X射线沿缝漏射杂散。准直块交错布置组合形状示意图如图3所示，通过驱动各准直块的运动，可实现对准直器中心开口形状和大小的调节。

图3 准直块交错布置组合形状示意图Fig.3 Combined shape schematic of collimation block staggered layout

控制系统分为自动控制和手动控制，其控制系统流程图如图4所示。系统启动时为初始状态，准直器开口为最大状态，当目标照射野尺寸设置完成后，由下位机驱动各伺服电机完成照射野的调节，并在主控界面上实时显示当前位置，当调节完成后，需对准直块位置锁死，防止其滑动而影响目标照射野，在系统启动后，可任意设定目标照射野，实时对其进行调节。

图4 控制系统流程图Fig.4 Flow schematic of control system

2.2 准直块设计计算

准直块采用高密度材料加工制造，常用的准直材料为钨合金材料[6]。X射线通过钨合金时以近似指数的形式衰减，随着钨合金厚度的增加，当量剂量指数H1逐渐下降。钨合金屏蔽厚度计算的实质，就是计算X射线的透射系数BX，即通过一定厚度的钨合金，使钨合金外某参考面的当量剂量率下降到剂量限值HM以下[7]，BX计算公式为：

(1)

式中：HM为最大可允许的当量剂量率，μSv/h[8-10]；DI0为在辐射源距标准参考点1 m处的吸收剂量率指数，Gy·m2/h；d为X源与标准参考点间的距离，m；T为区域的居留因子，其具体取值参考表1[11]。

表1 区域居留因子取值Table 1 Value of regional residence factor

依据发射率曲线(图5)查得6 MeV电子直线加速器[11]的平均束流为1 mA的X射线发射率常数约为100 Gy·m2/(mA·min)，由剂量率转换公式可得单位kW电子束发射率为1 000 Gy·m2/(kW·h)。

图5 发射率曲线Fig.5 Curve about radiation emission

对6 MeV电子直线加速器，可计算得到X射线0°方向DI0=1 000×6=6 000 Gy·m2/h。当辐射强度削弱到5%时，HM=300 Gy·m2/h。

将以上计算得到的参数代入式(1)可得透射系数为：

BX=(HMd2)/(DI0T)=0.05

(2)

利用1/10值层厚度及值层层数[11-12]，计算屏蔽厚度S(cm)为：

S=D1+(n-1)De

n=lg(1/BX)

(3)

式中：D1为面向辐射源的第1个10倍削弱厚度，纯钨1/10值层厚度为3.4 cm[11]；De为第1个10倍削弱后的10倍削弱厚度，纯钨De=3 cm；n为1/10屏蔽厚度的值层层数。计算得到，6 MeV电子直线加速器辐射强度削弱到5%所需纯钨厚度S=43 mm。

3 可调照射野的仿真分析

利用蒙特卡罗法[12-13]仿真计算6 MeV电子束轰击钨靶产生的X射线经钨镍铁准直块后射线削弱的情况，表2列出产生X射线的仿真计算参数。

表2 仿真计算参数Table 2 Parameter of simulation calculation

图6 准直块厚度计算仿真模型Fig. 6 Simulation model for collimation block thickness calculation

准直块厚度计算仿真模型如图6所示。图6a为X射线经过前级准直器后无屏蔽块对射线进行屏蔽的仿真模型，并在距X射线源1 m处检测到剂量率[14-15]为719 cGy/min；图6b为X射线经过前级准直器后采用厚度为43 mm的钨镍铁对射线进行屏蔽的仿真模型，检测到距X射线源1 m处剂量率为1.01 cGy/min。经前级准直器后的X射线在加屏蔽块和不加屏蔽块时在1 m处检测的剂量率比值为0.001 4，小于0.05，因此，屏蔽块厚度选择43 mm满足设计要求。

利用FLUCK仿真软件对准直器不同开口下的照射野进行仿真计算，检测了距钨靶1 m处照射野大小，得到照射野仿真计算结果如图7所示。可看出，照射野大小和形状随可调准直器开口的调节可实现照射野的调节，并对无用X射线进行屏蔽。单个准直块行程为30 mm时，可实现最大照射野为600 mm×600 mm的调节，满足设计指标的要求。

为进一步分析X射线照射野随准直器开口调节的变化情况，对照射野内沉积能量进行统计分析，其沉积能量分布如图8所示。分别统计了准直器开口为60 mm×60 mm、60 mm×5 mm、20 mm×20 mm、40 mm×10 mm时，照射野在x=0时沿y轴方向的沉积能量分布和y=0时沿x轴方向的沉积能量分布，一维统计结果如图9所示。可看出，照射野能量分布随准直器开口的调节而改变，通过调节准直器开口可明显调节照射野形状和大小。

图7 照射野仿真计算结果Fig.7 Simulation result of irradiation field

图8 沉积能量分布Fig.8 Deposition energy distribution

图9 一维沉积能量分布Fig.9 Distribution of one-dimensional deposition energy

4 结论

基于探伤加速器设计了照射野可调准直器，准直器由4个具有2自由度的准直块首尾交错排布而成，为保证准直块的运动均在一个平面上，改善了与探伤加速器前级准直器的接口形式，减小射线的漏剂量，降低设备射线防护成本，同时可实现照射野尺寸和位置的调节，适用范围更灵活。交错式照射野可调准直器可实现自动化控制，实现加速器X高能射线照射野在线调节，且可依据需求改变照射野的形状，安装有照射野可调准直器的加速器可实现探伤和CT两种工业应用。