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射線機射線強度分布研究

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射線機是工業(yè)CT中使用最廣泛的X射線源，但因陽極效應(yīng)以及自身結(jié)構(gòu)的限制，其射線強度空間分布不均勻，系統(tǒng)的研究和測量其射線強度分布對于實際應(yīng)用十分必要。利用CsI(Tl)光電二極管探測器測量了射線強度在不同軸線上隨角度的分布，給出了理論分析，并與蒙特卡羅法計算結(jié)果做了對比，提出了“展寬效應(yīng)”，解釋了邊界射線強度分布展寬的現(xiàn)象。比較了大、小焦點射線強度分布的情況，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度分布以及對稱性，給出了X射線強度的二維分布。結(jié)果表明，在張角20° (-10°-+10°)的范圍內(nèi)，射線強度分布均勻（最大相對偏差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。

強度分布，X射線機，工業(yè)CT，陽極效應(yīng)

X射線機作為X射線源，由于其相對小巧、射線強度大，且射線能量和強度可以通過調(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，由于對射線強度以及實用性的要求很高，普遍采用X射線機作為射線源。X射線機主要包括透射式和反射式兩種，對于通常采用的反射式X射線機，存在陽極效應(yīng)，這會導(dǎo)致輻射場射線強度分布不均。同時靶材料、靶角、焦點尺寸以及開口的結(jié)構(gòu)也會影響射線強度分布。輻射場射線強度分布不均將給圖像重建帶來很大影響，需要進行處理[3-4]。經(jīng)過校正能夠極大地減小其影響，因此系統(tǒng)的研究和測量射線強度分布是十分必要的。此外，對于不同的被測物體，可以根據(jù)輻射場射線強度分布來布置合適的空間位置，使得被測物體盡量落在射線強度均勻的輻射區(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。

射線機應(yīng)用廣泛，而對其射線強度分布研究報道還很少見。本文旨在研究射線機的射線強度分布，并找到影響其分布的主要原因。通過實驗測量結(jié)合計算機模擬得到光場分布，并給出理論分析。結(jié)果為工業(yè)CT系統(tǒng)應(yīng)用中射線強度的校正、被測物體幾何設(shè)置提供了依據(jù)，為射線機的精準(zhǔn)應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

1 實驗條件與設(shè)置

實驗條件及分析模型如圖1所示。圖1(a)為陽極效應(yīng)示意圖，(b)為分析模型及幾何布置，(c)為探測平面幾何示意圖。其工作原理為：反射式X射線機，由陰極發(fā)射電子經(jīng)過電場加速，以一定的能量、束流強度以及焦點大小打到陽極靶上，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，通過軔致輻射以及特征輻射發(fā)射X射線[5-6]。與此同時，靶物質(zhì)對產(chǎn)生的X射線存在自吸收，對于同一位置產(chǎn)生的X射線，由于射線出射角的不同，穿過靶到達(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)過的距離與近陽極端相比要小，靶對射線吸收相對較少，這會導(dǎo)致射線強度呈現(xiàn)出近陰極端高、近陽極端低的現(xiàn)象，即陽極效應(yīng)[7]。另外，靶材料、靶角、焦點尺寸以及開口的結(jié)構(gòu)也會對射線強度分布產(chǎn)生一定影響。

利用瑞士COMET公司MXR225/22 X射線機進行射線強度空間分布的模擬和實驗測量。射線機主要參數(shù)為：額定管電壓225 kV；持續(xù)功率600/3000 W；焦點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射線機模型如圖1(b)所示。電子從陰極端入射，其能量以及焦點大小可調(diào)，電子入射到傾角為20°的鎢靶上，從張角為40°的錐形開口出射X射線，由于陽極末端射線強度太低，因此在緊貼開口前端（與焦點垂直距離35 mm，中心與焦點在一條軸線上）安置一個鉛制錐形開口用來阻止陽極末端射線出射，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鋁片用來阻擋低能X射線，降低射線硬化帶來的影響。靶點中心距射線輻射平面580 mm，對于開口張角為31°的錐束，輻射平面為直徑322 mm的圓。圖1(c)定義了探測平面幾何位置，輻射平面中心為探測平面坐標(biāo)原點，水平方向為x軸，豎直方向為y軸。由于輻射平面中心距離靶中心的距離為580 mm，利用探測器在水平方向中心軸上從-210-+210 mm內(nèi)均勻移動，能夠保證完全探測并覆蓋-15.5°-+15.5°的輻射角。

圖1 實驗條件及分析模型Fig.1 Experiment conditions and analysis model.

實驗中，采用CsI(Tl)光電二極管探測器測量射線強度，其主要參數(shù)為：晶體尺寸10 mm×10 mm× 10 mm；光電二極管型號為日本HUMAMASTU公司S3590-08；數(shù)據(jù)采集卡為美國TI公司DDC264EVM；暗電流1 nA（偏壓12 V，溫度25 °C），對應(yīng)下文相對強度大小為0.22；穩(wěn)定性好（采集次數(shù)100，采集時間8 min，信號相對變化小于0.3%）。探測器固定在精度為0.01 mm的四軸運動平臺上，保證探測器能夠在水平和豎直方向上精確運動。

2 結(jié)果與分析

2.1射線機焦點能譜

利用美國ORTEC公司GLP-10180/07P4型號高純鍺探測器測量射線機小焦點和大焦點的X射線能譜（管電壓225 kV，管電流0.1 mA），如圖2所示。小、大焦點的能譜幾乎一致，只在特征峰強度上存在一些差別。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 實驗測量X射線機小(a)、大(b)焦點能譜(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射線強度分布

在圖2(b)大焦點能譜的基礎(chǔ)上，分別測量了水平中心軸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個軸上X射線強度分布，探測器在每條軸上沿x軸方向每次移動10 mm。如圖3所示，給出了4條軸線上射線強度隨角度的變化，主要有以下幾個特征：(1) 存在陽極效應(yīng)，陰極端的射線強度整體要高于陽極端，并且射線強度在陽極端逐漸減?。ㄖ行妮S+12.5°角的射線相對強度只為-12.5°角的91.9%）；(2)射線強度在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，射線強度會快速下降；(3) 陰極端邊界射線強度出現(xiàn)一個近似對稱下降的走勢，而陽極端邊界會出現(xiàn)射線強度突降；(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.

由于陽極效應(yīng)，因此在圖3中表現(xiàn)為陰極端射線強度整體高于陽極端；陽極效應(yīng)在0°角附近不明顯，因為0°角附近射線出射靶表面經(jīng)過的距離相差很小，只有在陽極端且距離中心較遠(yuǎn)時才會出現(xiàn)比較明顯的差別。由于射線輻射平面近似為一個圓，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，并最終射線強度均勻區(qū)域消失，且射線整體強度變低。如y=15 cm (3-Axis)軸，射線強度明顯小于其他軸，且沒有輻射均勻區(qū)。

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

2.3展寬效應(yīng)

焦點不是一個理想的點，有一定尺寸，由于開口的限制，陰極端邊界射線強度會出現(xiàn)一個對稱下降的走勢。如圖4所示，a、b、c分別代表焦點上邊界、中心和下邊界的電子，由于開口限制，b點產(chǎn)生的X射線，恰好能夠沿開口方向出射，到達(dá)b1點；a點受開口上沿的阻擋，最大只能到達(dá)a1點；而c點最大可以到達(dá)c1點。這使得a1到c1之間射線強度會逐漸下降，且由于a、c以b點對稱，因此在陰極端邊界射線強度在圖3中呈一個對稱下降的走勢。定義這種由于焦點尺寸以及開口結(jié)構(gòu)所造成的射線強度在邊界的展寬現(xiàn)象為“展寬效應(yīng)”。由于開口斜角為15.5°，對應(yīng)的對稱中心(b1)為-15.5°，在圖3中可以看到，-15.5°角近似的對應(yīng)于曲線邊界對稱中心。在陽極末端，由于射線沿著開口邊沿出射，因此不會在邊界出現(xiàn)一個明顯的展寬，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實驗值與模擬值對比

利用基于蒙特卡羅法的MCNP4C軟件模擬了射線機射線強度分布情況[8-9]，模型結(jié)構(gòu)及主要參數(shù)如圖1(b)所示。圖5給出了實驗與模擬結(jié)果的對比，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射線強度分布，實驗值表示水平中心軸實測射線強度分布。對比實驗值與模擬值1，整體變化趨勢相同，只在中心兩側(cè)實驗值略高于模擬值1，實驗結(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度分布的實驗值與模擬值對比Fig.5 Comparison of experimental and simulation X-ray intensity distribution on the horizontal axis.

模擬值2與模擬值1變化趨勢相同，但模擬值2整體射線強度略高，且偏離中心越遠(yuǎn)越明顯。由于模擬值2是測量等距弧上X射線強度分布值，探測器與源中心的距離始終為580 mm。而模擬值1測量的是水平中心軸上射線強度分布，隨著探測器向兩側(cè)移動時，探測器離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、小焦點情況下，水平中心軸射線強度分布對比，其中圖6(a)是實驗值，圖6(b)是模擬值。大、小焦點對應(yīng)的射線強度分布幾乎一致，唯一不同是在陰極端邊界，由于“展寬效應(yīng)”，射線強度分布有一定展寬，對于小焦點，展寬更窄，曲線更陡峭，實驗值和模擬值都反映了這一點。

圖6 水平中心軸上大、小焦點射線強度分布對比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、焦點以及開口具有對稱性，因此水平中心軸上下兩側(cè)射線強度分布往往相同。如圖7所示，對比了y=5 cm與y=-5 cm兩個軸上的射線強度分布，其射線強度分布幾乎一致。

圖7 水平中心軸以上、下射線強度隨角度的分布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度分布如圖8所示，射線強度在0°-13°內(nèi)較均勻。角度大于13°，由于“展寬效應(yīng)”，射線強度隨角度的增大會出現(xiàn)如陰極端邊界所呈現(xiàn)的射線強度對稱下降的走勢，對稱中心為+15.5°。

圖8 豎直中心軸上射線強度隨角度的分布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極端邊射線強度分布展寬很小。測量了中心平面以上射線強度分布，通過對稱性得到了其下半部分射線強度分布，由此得到了射線強度二維分布圖，如圖9所示。

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

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

3 結(jié)語

陽極效應(yīng)、焦點尺寸以及開口設(shè)置是影響射線強度分布的主要原因。射線機的射線強度豎直方向分布具有對稱性，水平軸向分布不對稱。大、小焦點射線強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，射線強度分布出現(xiàn)外延。整個輻射場，離中心越近，其射線強度分布越均勻。在張角20°的(-10°-+10°)的范圍內(nèi)，射線強度均勻性好（相對強度最大值56.756；最小值54.150；最大相對偏差4.59%），在射線管的實際使用中，應(yīng)根據(jù)被測物體的大小，調(diào)整與射線管的距離，盡量包含在該輻照范圍內(nèi)。如果被測物體較大，覆蓋的射線張角大于20°時，需要對射線強度進行適當(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