可移动式X射线照射装置窄谱系列辐射质建立及相关特性研究

韦凯迪 高 飞 徐 阳 王菲菲 林 敏 倪 宁

(中国原子能科学研究院，计量与校准技术重点实验室，北京 102413)

1 引 言

X射线本质上是一种波长极短、能量很强的电磁波，具有很强的穿透性，在医学诊断、工业探伤、材料分析、航空航天等领域应用广泛[1,2]。X射线管是产生X射线的常规装置，其能量随着管电压的增加而增加。通过改变可移动式X光机管电流的方式来调节剂量率大小，以实现在复杂环境下改变剂量率，避免受周围条件影响而无法改变照射距离调节剂量率限制[3]。目前国内外研发的用于仪表检定的可移动式照射装置仅局限于γ射线，且可移动式γ射线照射装置存在几个缺点：一是存在放射源的运输、保存等安全问题，二是γ源的能量较大，无法覆盖低能段的现场校准。因此，需要研究建立可移动式X射线参考辐射来解决以上问题，以满足在核电站以及其他特殊应用场景中，可移动式X射线照射装置对现场仪表的现场校准，大大提升了工作效率[4]。

2 实验装置

可移动式X射线照射装置主要组成部分包括X射线管(由阴极灯丝、阳极靶、高速电子等组成)、风冷系统、高压发生器、限束光阑、屏蔽箱、低压线缆及控制单元组成[5]，如图1所示。X射线照射装置的辐射质是决定X射线品质的重要影响因素之一[6]。根据国际标准ISO 4037-1[7]要求，研究建立可移动式X射线照射装置窄谱系列辐射质，为了减少辐射质中杂质产生的特征X射线，要求辐射质材料优于99.99%。为保证射线穿透过滤片厚度的一致性，减少半值层测量的误差，其表面具有较好的加工平整度[8]。可移动式X射线照射装置的管电压和管电流的稳定性则影响着X光机辐射剂量的大小。实验采用PTW的32005球型电离室，以及UNIDOS E静电计，对产生X射线的电离电流、固有过滤以及附加过滤进行测量。

图1 可移动式X射线照射装置示意图

3 管电流线性测量

X射线光机的管电流会直接影响出射光子的数量，管电流与剂量率的线性好坏是衡量X射线光机优劣的一个重要参数，需要对其进行测量，以保证后续实验的准确性。

管电流线性测量实验中，限束光阑半张角8°，选取PTW 32005型电离室，灵敏体积27.9cm3，电离室工作电压400V。将电离室灵敏体积中心点固定在距X射线机焦斑168cm处，电离室灵敏体积中心位于出射束中心轴线上。

X射线机管电压依次设置为50kV，100kV，120kV，150kV，200kV(X射线机管电压可调节范围(25～225)kV)，在(0.5～10)mA管电流可调节范围内，每间隔1mA选取一个电流测量点(由于X射线机的总功率限制，不同管电压条件下能够调节的管电流范围均有所差异，最多时共有10个测量点)，将测量到的电离电流进行归一化拟合后，得到相对电离电流，线性实验结果如图2所示，线性关系见表1。

图2 不同管电压的管电流线性实验结果图

由图2和表1的拟合结果可以看出，不同管电压条件下，电离室收集到的电离电流与X射线机的管电流呈线性关系(注：管电压为50kV、200kV时，管电流的线性略差，这主要是由于X射线管输出不稳定所造成的)。

表1 不同管电压下的管电流线性关系

4 可移动式X射线照射装置固有过滤测量

ISO 4037(以下称为“标准”)中对固有过滤的定义为：固有过滤包括X射线管的固有过滤、监督电离室的过滤及铝过滤器。其中，铝过滤器是使60kV时总固定过滤等效于4mm Al而加的，并应放置在附加过滤的后面(即Al片距离焦斑最远，这种排列方式的目的是为了依次屏蔽掉上一层附加过滤材料的特征射线)。然而，由于现场校准过程中需要不时移动或搬运光机，其内置Be窗过薄易造成破裂而损坏，故X射线管内保留了Be窗前内置的4mmAl片，以增加其机械强度。这就使得原本应放置在其他附加过滤之后的Al片此时距离焦斑最近，同时也由于内置Al片的存在增加了装置的固有过滤。

4.1 内置4mm Al片对出射束能谱分布影响研究

利用MCNP软件建立如图3所示的X射线管模型。将Al片依次放置在位置1和位置2处(图1中)。利用F4卡计算Al片依次放置位置1和位置2情况下X射线出射束的注量谱，如图4所示。利用电子打靶产生的X射线作为源项，由注量谱计算其对应的平均能量并与标准推荐值进行对比，见表2，平均能量E如式(1)所示

图3 X射线管蒙卡模型图

图4 Al片放置在前与在后情况下X射线出射束注量谱对比图

(1)

式中：E——平均能量，MeV；∑iΦiEi——注量谱中所有粒子的总能量，MeV；∑iΦi——注量谱中粒子总数，无量纲。

由图2注量谱计算结果可以看出，在不同辐射质条件下，Al片放置在前与在后的注量谱保持一致。由表2平均能量计算结果对比情况可以看出，Al片放置在前与在后条件下相比标准推荐值的相对偏差最大为2.43%。

表2 平均能量计算结果对比与汇总

从综合注量谱及平均能量的计算结果可以看出，在所关注辐射质范围内，Al片放置在距焦斑最近的位置处是满足标准要求的，可以用于仪器仪表的校准工作。

4.2 固有过滤测量

对于X射线机固有过滤的测量方法主要有：半值层法[9]、外推法、双探测器测试等几种方法。这里主要采用标准中所推荐的半值层法对便携式X射线照射装置的固有过滤进行测量。

在X射线管固有过滤测量实验中，使用纯度大于99.9%的铝吸收体(即衰减材料)，在没有设置附加过滤的情况下测量X射线管电压为60kV时的第一半值层。为了降低半值层测量过程中散射辐射的影响，首先应限制辐射场的大小达到照射量仪的散射辐射的量，同时辐射场半径需足够大，可以将电离室完全处于辐射场中；其次，在实验过程中，需要注意源、衰减体和电离室之间的定位，必须将三者处于同一直线；最后光阑的需足够厚，足以吸收初级X射线束。

根据上述几何布局要求，实验中选取PTW 32005球型电离室，灵敏体积半径为2.2cm。将电离室灵敏体积中心点固定在距X射线机焦斑100cm处，焦斑距地面1.5m，电离室灵敏体积中心在出射束中心轴线上。在焦斑与电离室中间位置设置有吸收体(即焦斑-吸收体、吸收体-电离室几何中心距离均为50cm)，为了减少散射辐射影响，吸收体两侧分别设置有尺寸为40cm×40cm×1.6cm(长×宽×厚)的长方体铅挡块，其中央开有半径为1.5cm的准直圆孔。

经过准直限束的X射线出射束光路如图5所示，为了避免出射束上游产生的散射辐射对电离室的影响，铅挡块需要全部盖住准直前射束范围。为验证不同限束光阑半张角条件下的辐射束是否满足标准要求，对场范围进行了实验测量与计算。为不同限束光阑半张角条件下，距焦斑不同位置处的辐射场范围见表3。

图5 经过铅挡块准直限束前后的X射线光路示意图

从表3中可以看出，在上述几何布局条件下，铅挡块准直前的辐射场范围在不同限束光阑半张角条件下均小于铅挡块尺寸；经铅挡块准直后，电离室几何中心处辐射场半径为2.7cm，略大于电离室灵敏体积半径。同时，吸收体到电离室几何中心的距离是电离室处辐射束直径的约9.3倍，满足标准中应至少5倍的要求(即“窄束”条件)。

表3 不同限束光阑半张角条件下经铅挡块准直前后的辐射场范围

随后，选取常用的中间角度8°进行固有过滤实验，通过拟合窄束条件下准直X射线束在Al吸收体中的衰减曲线，得到辐射束半值层，为有监督电离室时第一半值层衰减曲线拟合结果，如图6和图7所示。

由图6可知，有监督电离室条件下的第一半值层为2.77mm。得到半值层后，根据ISO 4037-1中表8提供的半值层与固有过滤的换算关系拟合得到如图7所示的两者关系曲线，并通过线性插值法得到有监督电离室条件下可移动式X射线照射装置的固有过滤为4.01mm Al。

图6 有监督电离室条件下固有过滤实验结果图

图7 半值层与固有过滤拟合关系曲线图

5 窄谱系列辐射质建立

利用上述固有过滤测量方法，对窄谱系列中N-60，N-80，N-100，N-120，N-150及N-200辐射质进行半值层与同质系数的实验测量。每组数据重复测量10次后取平均值，并按最大值进行归一化，选择指数拟合方式得到衰减曲线拟合结果，如图8所示，计算得到的第一半值层与同质系数见表4。

图8 半值层衰减拟合曲线图

由表4可知，各辐射质所对应第一半值层实测值与标准推荐值相对偏差的变化在5%以内，同质系数在标准推荐值范围以内。

表4 第一半值层与同质系数计算结果

6 结束语

利用蒙特卡洛法建立可移动式X射线照射装置的X射线管模型，模拟计算内置4mm Al片放置在不同位置情况下X射线出射束的注量谱，模拟结果的平均能量与标准推荐值进行对比满足相关标准的要求，通过PTW32005球形电离室测量得到在有监督电离室条件下的第一半值层为2.77mm，并采用半值层法测量得到有监督电离室条件下可移动式X射线照射装置的固有过滤为4.01mm Al。各辐射质所对应第一半值层实测值与标准推荐值相对偏差的变化在5%以内，同质系数在标准推荐值范围内，可以用于仪器仪表的校准工作。