崔愛軍，朱志斌，劉保杰，楊 譽(yù)，韓廣文

(中國原子能科學(xué)研究院 核技術(shù)應(yīng)用研究所，北京 102413)

隨著無損檢測技術(shù)的發(fā)展，以加速器作為射線源進(jìn)行無損檢測領(lǐng)域備受關(guān)注，包括工業(yè)探傷、工業(yè)CT、大型集裝箱/貨物檢查系統(tǒng)等。在進(jìn)行X射線攝像時，需附加準(zhǔn)直器以改善X射線的劑量分布，實(shí)現(xiàn)高能X射線源輻射場二維界定。雜散的X射線不僅破壞影像對比度和清晰度，同時對人體將產(chǎn)生潛在輻射損傷。準(zhǔn)直器對無用射線的屏蔽效果，直接關(guān)系到射線對目標(biāo)靶區(qū)的照射效果和周邊環(huán)境的影響[1]，因此，人們對X射線照射野適形度的要求越來越高。

對于不同的無損檢測系統(tǒng)，準(zhǔn)直器將X射線束準(zhǔn)直成不同形狀，現(xiàn)有技術(shù)中采用較多的方式是固定式準(zhǔn)直[2]，以錐準(zhǔn)直和縫準(zhǔn)直為代表，探傷準(zhǔn)直器前端開口一般采用圓錐形，而工業(yè)CT準(zhǔn)直器準(zhǔn)直口一般采用梯形狹縫。這兩種固定式準(zhǔn)直器根據(jù)實(shí)際需要定制加工，并固定安裝在X射線源正前方，通過調(diào)節(jié)加速器與工件之間距離來調(diào)節(jié)X射線照射野，以滿足目標(biāo)照射野的需求，其適應(yīng)性弱。為提高X射線成像質(zhì)量，適應(yīng)更多照射野的需求，可調(diào)準(zhǔn)直器是X射線準(zhǔn)直的主要發(fā)展方向，開展可調(diào)準(zhǔn)直器的研制有著重要價值。本文基于6 MeV探傷加速器照射野可調(diào)準(zhǔn)直器的設(shè)計(jì)指標(biāo)，對可調(diào)準(zhǔn)直器開展相關(guān)設(shè)計(jì)和理論計(jì)算，并對不同照射野的X射線劑量分布進(jìn)行仿真計(jì)算和統(tǒng)計(jì)分析，完成交錯式照射野可調(diào)準(zhǔn)直器的設(shè)計(jì)。

1 照射野可調(diào)準(zhǔn)直器設(shè)計(jì)指標(biāo)

照射野可調(diào)準(zhǔn)直器采用自動控制系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)照射野的自動調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)換和修正，滿足透射及點(diǎn)片的各種需要，使實(shí)際照射野趨于有效照射野，實(shí)現(xiàn)照射野的合理定量控制[3-5]?；? MeV探傷加速器而設(shè)計(jì)的照射野可調(diào)準(zhǔn)直器的主要功能要求為：1) 根據(jù)目標(biāo)照射野需求可自動調(diào)節(jié)照射野大小及位置，實(shí)現(xiàn)照射野與目標(biāo)靶區(qū)的匹配；2) 照射野可調(diào)準(zhǔn)直器的遠(yuǎn)程終端控制，實(shí)現(xiàn)照射野的在線調(diào)節(jié)?？烧{(diào)準(zhǔn)直器安裝在6 MeV探傷加速器機(jī)箱內(nèi)部，其總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

照射野可調(diào)準(zhǔn)直器的設(shè)計(jì)參數(shù)為：在距鎢靶1 m遠(yuǎn)處的最大照射野不小于200 mm×200 mm；距射線源中心1 m的球面上最大漏射率小于0.1%；準(zhǔn)直塊的位移速度為0～5 mm/s可調(diào)；可調(diào)準(zhǔn)直器設(shè)計(jì)的最大厚度不大于160 mm。

2 可調(diào)準(zhǔn)直器設(shè)計(jì)計(jì)算

為減小可調(diào)準(zhǔn)直器設(shè)計(jì)厚度，準(zhǔn)直器采用交錯排布的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)直塊在同一平面運(yùn)動，從而使可調(diào)準(zhǔn)直器的總體厚度減小。

圖1 可調(diào)準(zhǔn)直器總體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic of overall structure for adjustable collimator

2.1 可調(diào)準(zhǔn)直器設(shè)計(jì)

圖2 準(zhǔn)直單元結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic of collimation unit structure

交錯的排布結(jié)構(gòu)必然會使相鄰兩準(zhǔn)直塊的運(yùn)動發(fā)生干涉，為解決這種耦合運(yùn)動關(guān)系，可調(diào)準(zhǔn)直器的每個準(zhǔn)直單元均設(shè)計(jì)有2個運(yùn)動自由度，通過控制系統(tǒng)的協(xié)同驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)直器開口的在線調(diào)節(jié)?？烧{(diào)準(zhǔn)直器的準(zhǔn)直單元結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，準(zhǔn)直單元前端準(zhǔn)直塊在伺服電機(jī)的驅(qū)動下，通過滾珠絲杠傳動實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)直塊縱向移動，導(dǎo)向座安裝在轉(zhuǎn)接板上，轉(zhuǎn)接板與直線導(dǎo)軌滑塊固定連接，通過直線導(dǎo)軌上的伺服電機(jī)驅(qū)動滑塊橫向移動，從而帶動準(zhǔn)直塊橫向移動。單個準(zhǔn)直塊的側(cè)邊設(shè)計(jì)有凹槽，端面設(shè)計(jì)有凸臺，在交錯排布時，接口處形成錯位臺階，從而減小準(zhǔn)直器的漏射劑量，防止X射線沿縫漏射雜散。準(zhǔn)直塊交錯布置組合形狀示意圖如圖3所示，通過驅(qū)動各準(zhǔn)直塊的運(yùn)動，可實(shí)現(xiàn)對準(zhǔn)直器中心開口形狀和大小的調(diào)節(jié)。

圖3 準(zhǔn)直塊交錯布置組合形狀示意圖Fig.3 Combined shape schematic of collimation block staggered layout

控制系統(tǒng)分為自動控制和手動控制，其控制系統(tǒng)流程圖如圖4所示。系統(tǒng)啟動時為初始狀態(tài)，準(zhǔn)直器開口為最大狀態(tài)，當(dāng)目標(biāo)照射野尺寸設(shè)置完成后，由下位機(jī)驅(qū)動各伺服電機(jī)完成照射野的調(diào)節(jié)，并在主控界面上實(shí)時顯示當(dāng)前位置，當(dāng)調(diào)節(jié)完成后，需對準(zhǔn)直塊位置鎖死，防止其滑動而影響目標(biāo)照射野，在系統(tǒng)啟動后，可任意設(shè)定目標(biāo)照射野，實(shí)時對其進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖4 控制系統(tǒng)流程圖Fig.4 Flow schematic of control system

2.2 準(zhǔn)直塊設(shè)計(jì)計(jì)算

準(zhǔn)直塊采用高密度材料加工制造，常用的準(zhǔn)直材料為鎢合金材料[6]。X射線通過鎢合金時以近似指數(shù)的形式衰減，隨著鎢合金厚度的增加，當(dāng)量劑量指數(shù)H1逐漸下降。鎢合金屏蔽厚度計(jì)算的實(shí)質(zhì)，就是計(jì)算X射線的透射系數(shù)BX，即通過一定厚度的鎢合金，使鎢合金外某參考面的當(dāng)量劑量率下降到劑量限值HM以下[7]，BX計(jì)算公式為：

(1)

式中：HM為最大可允許的當(dāng)量劑量率，μSv/h[8-10]；DI0為在輻射源距標(biāo)準(zhǔn)參考點(diǎn)1 m處的吸收劑量率指數(shù)，Gy·m2/h；d為X源與標(biāo)準(zhǔn)參考點(diǎn)間的距離，m；T為區(qū)域的居留因子，其具體取值參考表1[11]。

表1 區(qū)域居留因子取值Table 1 Value of regional residence factor

依據(jù)發(fā)射率曲線(圖5)查得6 MeV電子直線加速器[11]的平均束流為1 mA的X射線發(fā)射率常數(shù)約為100 Gy·m2/(mA·min)，由劑量率轉(zhuǎn)換公式可得單位kW電子束發(fā)射率為1 000 Gy·m2/(kW·h)。

圖5 發(fā)射率曲線Fig.5 Curve about radiation emission

對6 MeV電子直線加速器，可計(jì)算得到X射線0°方向DI0=1 000×6=6 000 Gy·m2/h。當(dāng)輻射強(qiáng)度削弱到5%時，HM=300 Gy·m2/h。

將以上計(jì)算得到的參數(shù)代入式(1)可得透射系數(shù)為：

BX=(HMd2)/(DI0T)=0.05

(2)

利用1/10值層厚度及值層層數(shù)[11-12]，計(jì)算屏蔽厚度S(cm)為：

S=D1+(n-1)De

n=lg(1/BX)

(3)

式中：D1為面向輻射源的第1個10倍削弱厚度，純鎢1/10值層厚度為3.4 cm[11]；De為第1個10倍削弱后的10倍削弱厚度，純鎢De=3 cm；n為1/10屏蔽厚度的值層層數(shù)。計(jì)算得到，6 MeV電子直線加速器輻射強(qiáng)度削弱到5%所需純鎢厚度S=43 mm。

3 可調(diào)照射野的仿真分析

利用蒙特卡羅法[12-13]仿真計(jì)算6 MeV電子束轟擊鎢靶產(chǎn)生的X射線經(jīng)鎢鎳鐵準(zhǔn)直塊后射線削弱的情況，表2列出產(chǎn)生X射線的仿真計(jì)算參數(shù)。

表2 仿真計(jì)算參數(shù)Table 2 Parameter of simulation calculation

圖6 準(zhǔn)直塊厚度計(jì)算仿真模型Fig. 6 Simulation model for collimation block thickness calculation

準(zhǔn)直塊厚度計(jì)算仿真模型如圖6所示。圖6a為X射線經(jīng)過前級準(zhǔn)直器后無屏蔽塊對射線進(jìn)行屏蔽的仿真模型，并在距X射線源1 m處檢測到劑量率[14-15]為719 cGy/min；圖6b為X射線經(jīng)過前級準(zhǔn)直器后采用厚度為43 mm的鎢鎳鐵對射線進(jìn)行屏蔽的仿真模型，檢測到距X射線源1 m處劑量率為1.01 cGy/min。經(jīng)前級準(zhǔn)直器后的X射線在加屏蔽塊和不加屏蔽塊時在1 m處檢測的劑量率比值為0.001 4，小于0.05，因此，屏蔽塊厚度選擇43 mm滿足設(shè)計(jì)要求。

利用FLUCK仿真軟件對準(zhǔn)直器不同開口下的照射野進(jìn)行仿真計(jì)算，檢測了距鎢靶1 m處照射野大小，得到照射野仿真計(jì)算結(jié)果如圖7所示?？煽闯觯丈湟按笮『托螤铍S可調(diào)準(zhǔn)直器開口的調(diào)節(jié)可實(shí)現(xiàn)照射野的調(diào)節(jié)，并對無用X射線進(jìn)行屏蔽。單個準(zhǔn)直塊行程為30 mm時，可實(shí)現(xiàn)最大照射野為600 mm×600 mm的調(diào)節(jié)，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。

為進(jìn)一步分析X射線照射野隨準(zhǔn)直器開口調(diào)節(jié)的變化情況，對照射野內(nèi)沉積能量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，其沉積能量分布如圖8所示。分別統(tǒng)計(jì)了準(zhǔn)直器開口為60 mm×60 mm、60 mm×5 mm、20 mm×20 mm、40 mm×10 mm時，照射野在x=0時沿y軸方向的沉積能量分布和y=0時沿x軸方向的沉積能量分布，一維統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖9所示?？煽闯?，照射野能量分布隨準(zhǔn)直器開口的調(diào)節(jié)而改變，通過調(diào)節(jié)準(zhǔn)直器開口可明顯調(diào)節(jié)照射野形狀和大小。

圖7 照射野仿真計(jì)算結(jié)果Fig.7 Simulation result of irradiation field

圖8 沉積能量分布Fig.8 Deposition energy distribution

圖9 一維沉積能量分布Fig.9 Distribution of one-dimensional deposition energy

4 結(jié)論

基于探傷加速器設(shè)計(jì)了照射野可調(diào)準(zhǔn)直器，準(zhǔn)直器由4個具有2自由度的準(zhǔn)直塊首尾交錯排布而成，為保證準(zhǔn)直塊的運(yùn)動均在一個平面上，改善了與探傷加速器前級準(zhǔn)直器的接口形式，減小射線的漏劑量，降低設(shè)備射線防護(hù)成本，同時可實(shí)現(xiàn)照射野尺寸和位置的調(diào)節(jié)，適用范圍更靈活。交錯式照射野可調(diào)準(zhǔn)直器可實(shí)現(xiàn)自動化控制，實(shí)現(xiàn)加速器X高能射線照射野在線調(diào)節(jié)，且可依據(jù)需求改變照射野的形狀，安裝有照射野可調(diào)準(zhǔn)直器的加速器可實(shí)現(xiàn)探傷和CT兩種工業(yè)應(yīng)用。