9MeV电子直线加速器X射线测量

高能工业CT 采用9MeV 电子加速器产生轫致辐射,利用高能X 射线能够有效地穿透物质以及不同物质对射线吸收和散射不同这一原理来检查物体内部缺陷或内部结构。加速器电子束的焦点、X 射线的最高能量、X 射线剂量及均匀性与工业CT 成像的质量和速度密切相关;对探测器的电子线路部分进行的X 射线屏蔽关系到探测器的使用寿命。X 射线测量结果表明,所用9MeV 电子直线加速器满足高能工业CT 检测的要求。

　第16卷　第6期

　2004年6月强激光与粒子束HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSVol.16,No.6　Jun.,2004　文章编号:100124322(2004)0620805204

9MeV电子直线加速器X射线测量

(中国工程物理研究院应用电子学研究所,四川绵阳621900)Ξ潘　清,　胡和平,　陈　浩,　刘锡三,　黎　明,　金　晓,　许　州

摘　要:　高能工业CT采用9MeV电子加速器产生轫致辐射,利用高能X射线能够有效地穿透物质以及

不同物质对射线吸收和散射不同这一原理来检查物体内部缺陷或内部结构。加速器电子束的焦点、X射线的

最高能量、X射线剂量及均匀性与工业CT成像的质量和速度密切相关;对探测器的电子线路部分进行的X射

线屏蔽关系到探测器的使用寿命。X射线测量结果表明,所用9MeV电子直线加速器满足高能工业CT检测

的要求。

关键词:　Farmer电离室;　LiF热释光剂量计;　电子直线加速器;　X射线剂量

中图分类号:O571.436;TL53　　　　文献标识码:A

射线源为9MeV电子直线加速器的高能CT检测系统,是用9MeV电子直线加速器产生的强脉冲轫致辐射而产生的X射线能够有效地穿透物质,不同物质对射线吸收和散射不同这一原理,来检测物体内部缺陷[1]

μs;宏脉冲频率fm为50～250Hz。或内部结构。加速器的参数:宏脉冲电流Im约0.2A;宏脉冲宽度τm约4

μC/kg。要要求输出的X射线光子的最高能量为9MeV,每个宏脉冲在靶正前方1m处的最大照射量大于77.4

求在成像区内的X射线剂量均匀度为80%以上;而且探测器电子线路部分所在位置的X射线剂量,经屏蔽后需小到主射线剂量的0.1%。

1　剂量测量仪器

1.1　电离室剂量仪

为了能实时在线测量X射线剂量,根据加速器的特点,我们选用0.6cm3Farmer型电离室为探头,Unidos剂量计为测读仪,探头和测读仪之间的信号传输采用20m双屏蔽低噪声电缆传输,并配有分别对应4～6MV,6～8MV,8～10MV的有机玻璃电离室平衡帽。该剂量仪的电离室能量响应范围是30keV～50MeV,电离室的离子收集时间为0.14ms,最大连续脉冲响应为5.0Gy/s(对应99.5%电荷收集率)或10Gy/s(对应99%电荷收集率),单脉冲最大剂量为0.46mGy(对应99.5%电荷收集率)或0.91mGy(对应99%电荷收集率)。该仪器可测量空气比释动能和比释动能率、水的吸收剂量和剂量率、照射量和照射量率。为了方便,我们测量的是照射量和照射量率。当加速器的速调管工作电压在130kV以上时,经测试对应8～10MV的有机玻璃电离室平衡帽的厚度(17.8mm)更接近电子平衡厚度(比较6～8MV平衡帽而言)。而该加速器的速调管工作电压一般为138～145kV。

剂量仪的零点漂移在-1.548～3.096nC/(kg s)之间。当加速器的电子枪灯丝电压未加,而微波速调管工作在138～145kV连续脉冲状态时,微波对剂量仪的干扰为24.768nC/(kg s),远低于测量要求的精度

μC/(kg 01258s)。

1.2　LiF热释光剂量计

LiF热释光剂量计是一种无源剂量计,不受电磁波的干扰。它的体积小,可以采用一批LiF热释光剂量片同时进行多点测量,然后用654TLD热释光读出仪及相配的打印机读出LiF热释光剂量片所受的剂量。经过对该批LiF热释光剂量片进行剂量分散性的挑选,LiF热释光剂量片的精密度s1为5%。刻度标准室给出的百分标准偏差s2为3%,654TLD热释光读出仪的灵敏度漂移为0.3%可忽略。所以,总的测量误差s为

s=±s1+s2=±5.9%22(1)

该批剂量片在核物理与化学研究所的国家二级辐射计量站的标准Cs137源上进行刻度,图1为该批LiF热Ξ收稿日期:2003210216;　修订日期:2004202210基金项目:国防科技基础研究基金资助课题

),女,重庆市人,学士,工程师,主要从事加速器光阴极电子源的研究;绵阳91921014信箱。作者简介:潘　清(1968—

高能工业CT 采用9MeV 电子加速器产生轫致辐射,利用高能X 射线能够有效地穿透物质以及不同物质对射线吸收和散射不同这一原理来检查物体内部缺陷或内部结构。加速器电子束的焦点、X 射线的最高能量、X 射线剂量及均匀性与工业CT 成像的质量和速度密切相关;对探测器的电子线路部分进行的X 射线屏蔽关系到探测器的使用寿命。X 射线测量结果表明,所用9MeV 电子直线加速器满足高能工业CT 检测的要求。

μC/kg～释光剂量片的照射量响应曲线,表明在10312

26132mC/kg之间,剂量片的响应呈线性。剂量片读数X2与照

射量X1的关系为

(2)X2=0.989X1

LiF热释光剂量计由4mm×4mm×0.8mmLiF剂量片放

在17mm厚的有机玻璃盒(称作剂量盒)中组成。将9组LiF剂

量片放在一个有台阶的有机玻璃盒中,其中每组剂量片对应一

个有机玻璃台阶厚度。分别在加速器速调管电压为138和

145kV时,对在阳极靶正前方3m处放置一个装有LiF剂量片

Fig.1　ExposureresponseofLiF的台阶有机玻璃盒(对于台阶有机玻璃盒来说,此处辐射场可近

图1　LiF的照射量响应似认为是均匀的)进行照射,获得了如图2所示的两条曲线。当

有机玻璃厚度等于或大于达到带电粒子平衡条件[2]所要求的厚度时,吸收剂量D近似等于比释动能K,即

D≈K(3)

比释动能K是非带电辐射所释放的带电粒子的起始动能总和的期望值。对于一个均匀的辐射场来说,相同位置处的比释动能K是一样的。所以当有机玻璃厚度等于或大于平衡厚度时,LiF的读数理论上不再变化;但随着有机玻璃厚度的增加,有机玻璃材料对X射线的吸收也缓慢增大,造成LiF的读数缓慢减小。由图2可见,在加速器速调管电压为138kV时,有机玻璃厚度为15～17mm,LiF的读数最大;在加速器速调管电压为145kV时,有机玻璃厚度为16～18mm,LiF的读数最大。因此,17mm厚的有机玻璃剂量盒已能提供近似的电子平衡厚度而对射线的吸收可忽略。

在达到带电粒子平衡时,吸收剂量D与照射量X的关系是

D≈33.97X

式中:吸收剂量D的单位是Gy,照射量X的单位是C/kg

。(4)

Fig.2　AbsorptioncurvesofPMMAforXraysfrom9MeVlinearelectronaccelerator

图2　有机玻璃对9MeV电子直线加速器X射线的吸收曲线

2　9MeV电子直线加速器X射线的测量结果及其讨论

2.1　阳极靶正前方1m处照射量和照射量率

在速调管高压为145kV,宏脉冲频率为100Hz时,在阳极靶正前方1m处用电离室剂量仪测得的X射线照

μC/kg。改变宏脉冲频率(在50～250Hz之间),每个射量率为8.77mC/(kg s),每个宏脉冲的照射量为87.72

宏脉冲的照射量基本不变。在速调管高压为145kV时,LiF热释光剂量计在阳极靶正前方1m处照射了108

μC/kg。个宏脉冲,测得的X射线总照射量为9.75mC/kg,平均每个宏脉冲的照射量为90.3

2.2　阳极靶正前方照射量与距离的关系

图3为阳极靶正前方照射量率X 与到靶的距离L的关系曲线。由图示中的曲线拟合公式可见,在离靶距

(L)=34.021L离1m以后,与1m处照射量率的1/L2的关系基本成立,即近似有X -2X 1m。

2.3　X射线平均等效能量的测定

9MeV加速器的X射线等效能量是用吸收法测定的。根据X射线分别穿过厚度d为0,5.0,7.5,12.5cm的铝吸收体测得的照射量值,得到X射线的吸收曲线,如图4所示。根据曲线的拟合公式

X/X0=0.994e-0.104d(5)

高能工业CT 采用9MeV 电子加速器产生轫致辐射,利用高能X 射线能够有效地穿透物质以及不同物质对射线吸收和散射不同这一原理来检查物体内部缺陷或内部结构。加速器电子束的焦点、X 射线的最高能量、X 射线剂量及均匀性与工业CT 成像的质量和速度密切相关;对探测器的电子线路部分进行的X 射线屏蔽关系到探测器的使用寿命。X 射线测量结果表明,所用9MeV 电子直线加速器满足高能工业CT 检测的要求。

)为0.039g 求出铝对X射线的平均等效减弱系数μeff为0.104cm-1,其平均等效质量减弱系数(μcm-2,eff/ρ

在铝的质量减弱系数与光子能量关系表[3]和曲线[4]上查出对应的X射线平均等效能量在2.6～218MeV之间。按照X射线平均等效能量为X射线最高能量的1/3反推估算,X射线最高能量在7.8～814MeV之间。

2.4　离阳极靶1m处照射量角分布曲线

在加速器的阳极靶处无任何屏蔽和准直锥时,进行了阳极靶1m处X射线照射量角分布的测量。图5是离阳极靶1m处照射量角分布曲线。测量时速调管的工作电压为144kV。其中(a)是用LiF测得的离阳极靶1m处偏离电子束轴线-7°～+7°之间照射量的角分布曲线,由图可见在-3.5°～+3.5°之间照射量的均匀度在80%以上。曲线顶部较平缓是受焦点尺寸的影响;由于焦点尺寸较小,当偏角大于5°时,焦点尺寸影响不再明显。(b)中的实线是用电离室测得的离阳极靶1m处偏离电子束轴线0°～15°之间照射量角分布曲线;虚线是根据经验公式[5](6)得到的电子束能量为8.02MeV时的照射量角分布曲线,由图可见两者较为符合。

(6)X=X0exp[-(E+0.5)α/120]

)

。式中:E是加速器电子束的能量,单位是MeV;α是偏离轴线的角度,单位是(°

Fig.3　Inrightfrontoftheanodetarget,the

relationbetweenexposureanddistanceFig.4　AbsorptionofAlforXraysfrom9MeVlinearelectronaccelerator

图3　阳极靶正前方照射量与距离的关系图4　铝对9MeV电子直线加速器X

射线的吸收

Fig.5　Angledistributionsofexposureat1minfrontoftheanodetarget

图5　阳极靶前1m处照射量的角分布

2.5　阳极靶前屏蔽和准直后,靶前1m处照射量的横向分布曲线

为了减小成像区以外的X射线对成像探测器的干扰,我们在加速器前端加了屏蔽铅套和准直铅锥。图6是加了屏蔽铅套和准直铅锥后,在靶前1m处测得照射量的横向分布曲线。由图6可看出在1m处加速器轴心线附近横向66mm的区间内,剂量均匀度在80%以上。两侧各经过18mm的过渡区后,照射量降为中心值的3%以下。18mm的过渡区主要是准直铅锥的边缘效应。

2.6　探测器电子线路的屏蔽

为了确保探测器的使用寿命,必须使探测器电子线路所处位置的X射线剂量小于探测器成像区中心剂量值的0.1%。X射线经屏蔽铅套和准直铅锥后,成像区以外的剂量若达不到上述要求,则需要将探测器电子线路所处位置前用足够厚度的铅砖加以屏蔽。由于X射线的最高能量较高,如果铅砖厚度不够,不仅达不到屏蔽要求,反而会带来更多的二次散射剂量,当屏蔽铅砖厚度为2.5cm时,就会出现这种情况。用厚度为5cm的铅砖对探测器电子线路区进行屏蔽能达到小于中心剂量值0.1%的要求。

高能工业CT 采用9MeV 电子加速器产生轫致辐射,利用高能X 射线能够有效地穿透物质以及不同物质对射线吸收和散射不同这一原理来检查物体内部缺陷或内部结构。加速器电子束的焦点、X 射线的最高能量、X 射线剂量及均匀性与工业CT 成像的质量和速度密切相关;对探测器的电子线路部分进行的X 射线屏蔽关系到探测器的使用寿命。X 射线测量结果表明,所用9MeV 电子直线加速器满足高能工业CT 检测的要求。

根据穿过狭缝的X射线剂量,微调节狭缝的上下或左右

(相对于射线轴)位置,在剂量最大的狭缝位置进行狭缝的胶

片成像,得到的像斑经微密度计读数,能够得到一条近似的高

斯曲线,经过傅里叶变换,得到传递函数。根据传递函数,计

算出较真实的焦点像。由此测得的焦点直径为1.40mm[6]。

3　结　论

X射线测量结果表明,该9MeV电子直线加速器满足高

能工业CT检测的要求。美国Vanian公司的用于高能CT成

像检测的Linatron23000A加速器的X射线最高能量为

9MeV,靶正前方1m处的照射量率为774mC/kg min。而我

们研制的9MeV电子直线加速器的X射线最高能量为8.

02MeV,靶正前方1m处的照射量率为877.2mC/kg min

(200Hz)。由于加速管的耦合度比设计值大,造成微波耦合Fig.6　Transversedistributionsofexposureat1minfrontoftheanodetargetaftercollimation图6　准直后,靶前1m处照射量的横向分布效率下降。通过调整微波耦合孔的大小,可以使加速器工作在最佳耦合状态,能够使X射线最高能量能达到9MeV。另外,由于加速管运行的时间较短,当微波频率在200Hz以上时,加速管内放气现象较明显,致使加速管内的真空度降低,导致微波耦合效率降低,电子束能量有所降低,从而使得靶前1m处的照射量率比理论计算值低。但是,随着加速管运行时间的不断增加,加速管的放气会逐渐减少,在频率为200Hz以上时的照射量率会逐渐接近理论计算值。

参考文献:

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MeasurementofnewtypeX2raysource.HighPowerLaserandParticleBeams,2004,16(3):390—394)

X2raydosimetryof9MeVLINAC

PANQing,　HUHe2ping,　CHENHao,　LIUXi2san,　LIMing,　JINXiao,　XUZhou

(InstituteofAppliedElectronics,CAEP,P.O.Box91921014,Mianyang621900,China)

Abstract:　IndustrialCTadoptselectronacceleratortoproducethehighenergyX2raybremsstrahlung,andmakesuseoftheprin2cipleofdifferentabsorptioncoefficientandscatteringcoefficientwhentheX2raycutsthroughdifferentmaterialstochecktheinternalblemishorinternalstructureofthematerial.ThequantityandthespeedofcreatingimageoftheindustrialCTcloselyrelatetotheaccel2erator’sfocus,thehighestX2rayenergy,Xraysdoseanddoseuniformity.ProtectingtheelectronicscircuitofthedetectoragainstX2rayrelatetothedetector’sservicelife.TheXraysmeasuringresultsgiveninthisarticleshowthatthe9MeVLINACcansatisfiethere2quirementsforcheckingthematerialstructureandblemishbythehighenergyindustrialCT.

Keyword:　Farmerchamber;　LiFthermoluminescentdosemeter;　LINAC;　DoseofX2ray

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