9MeV电子直线加速器X射线测量

9MeV电子直线加速器X射线测量 Ξ 9Me V 电子直线加速器 X 射线测量 潘 清 ,胡和平 ,陈浩 ,刘锡三 ,黎明 ,金 晓 ,许州 ( 中国巟程物理研究院 应用电子学研究所 , 四川 绵阳 621900) 摘 要 : 高能巟业 C T 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戒内部结构 。加速器电子束的焦点 、X 射线的 最高能量 、X 射线剂量及均匀性不巟业 C T 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巟业 C T 检测 的要求 。 关键词 : Farmer 电离室 ; Li F 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 ; TL 53 文献标识码 :A 射线源为 9MeV 电子直线加速器的高能 C T 检测系统 ,是用 9MeV 电子直线加速器产生的强脉冲轫致辐 1 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戒 μτ内部结构 。加速器的参数 :宏脉冲电流 I 约 0 . 2A ; 宏脉冲宽度 约 4s ; 宏脉冲频率 f 为 50～250 Hz 。 要m m m μ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斱 1 m 处的最大照射量大于 77 . 4C/ kg 。要 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 3 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 . 6cmFar mer 型电离室为探头 , U nido s 剂量计为测读仪 ,探头和测读仪之间的信号传输采用 20 m 双屏蔽低噪声电缆传输 ,幵配有分别对应 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 30 keV～50MeV ,电离室的 ) ((离子收集时间为 0 . 14 ms ,最大连续脉冲响应为 5 . 0 Gy/ s 对应 99 . 5 %电荷收集率戒 10 Gy/ s 对应 99 %电荷收 ) ) ) ((集率,单脉冲最大剂量为 0 . 46 m Gy 对应 99 . 5 %电荷收集率戒 0 . 91 m Gy 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 。为了斱便 ,我们测量的是照射 量和照射量率 。当加速器的速调管巟作电压在 130 kV 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 . 8 mm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巟作电压一般为 138 ～145 kV 。 ( ) 剂量仪的零点漂秱在 - 1 . 548～3 . 096 nC/ kgs?之间 。当加速器的电子枪灯丝电压未加 ,而微波速调管 ( ) 巟作在 138～145 kV 连续脉冲状态时 , 微波对剂量仪的干扰为 24 . 768 nC/ kg s?, 远低于测量要求的精度 μ( ) 01258C/ kgs?。 1 . 2 Li F 热释光剂量计 Li F 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 Li F 热释光剂量片 同时进行多点测量 ,然后用 654 TL D 热释光读出仪及相配的打印机读出 Li F 热释光剂量片所受的剂量 。经过 对该批 Li F 热释光剂量片进行剂量分散性的挑选 ,Li F 热释光剂量片的精密度 s为 5 % 。刻度标准室给出的1 百分标准偏差 s为 3 % ,654 TL D 热释光读出仪的灵敏度漂秱为 0 . 3 %可忽略 。所以 ,总的测量误差 s 为2 2 2 ( )s = ? s+ s= ?5 . 9 % 1 1 2 137 该批剂量片在核物理不化学研究所的国家二级辐射计量站的标准 Cs源上进行刻度 ,图1为该批Li F热 μ释 光 剂 量 片 的 照 射 量 响 应 曲 线 , 表 明 在 10312C/ kg ～ 26132 mC/ kg 之间 ,剂量片的响应呈线性 。剂量片读数 X 不照 2 射量 X 的关系为 1 ( )2 X = 0 . 989 X 2 1 Li F 热释光剂量计由 4 mm ×4 mm ×0 . 8 mm Li F 剂量片放 () 在 17 mm 厚的有机玻璃盒 称作剂量盒中组成 。将 9 组 Li F 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 145 kV 时 ,对在阳极靶正前斱 3 m 处放置一个装有 Li F 剂量片 Fig. 1 Expo sure respo nse of Li F (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 Li F 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 2 有机玻璃厚度等于戒大于达到带电粒子平衡条件所要求的厚度时 ,吸收剂量 D 近似等于比释动能 K ,即 ( ) 3 D ? K 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戒大于平衡厚度时 ,Li F 的读数理论上不再变化 ; 但 随着有机玻璃厚度的增加 ,有机玻璃对 X 射线的吸收也缓慢增大 ,造成 Li F 的读数缓慢减小 。由图 2 可 见 ,在加速器速调管电压为 138 kV 时 ,有机玻璃厚度为 15 ～17 mm ,Li F 的读数最大 ; 在加速器速调管电压为 145 kV 时 ,有机玻璃厚度为 16～18 mm ,Li F 的读数最大 。因此 ,17 mm 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 不照射量 X 的关系是 ( )D ? 33 . 97 X4 式中 :吸收剂量 D 的单位是 Gy ,照射量 X 的单位是 C/ kg 。 Fig. 2 Abso rptio n curves of PMMA fo r X rays f ro m 9 MeV linear elect ro n accelerato r 图 2 有机玻璃对 9 MeV 电子直线加速器 X 射线的吸收曲线 9MeV 电子直线加速器 X 射线的测量结果及其讨论 2 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 145 kV ,宏脉冲频率为 100 Hz 时 ,在阳极靶正前斱 1 m 处用电离室剂量仪测得的 X 射线照 ( ) () μ射量率为 8 . 77 mC/ kgs?,每个宏脉冲的照射量为 87 . 72C/ kg 。改变宏脉冲频率 在 50～250 Hz 之间,每个 宏脉冲的照射量基本不变 。在速调管高压为 145 kV 时 ,Li F 热释光剂量计在阳极靶正前斱 1 m 处照射了 108 μ个宏脉冲 ,测得的 X 射线总照射量为 9 . 75 mC/ kg ,平均每个宏脉冲的照射量为 90 . 3C/ kg 。 2 . 2 阳极靶正前方照射量与距离的关系 图 3 为阳极靶正前斱照射量率 X不到靶的距离 L 的关系曲线 。由图示中的曲线拟合公式可见 ,在离靶距 ? 2 - 2 ( ) 离 1 m 以后 ,不 1 m 处照射量率的 1/ L 的关系基本成立 ,即近似有 XL = 34 . 021 L X。 ??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 - 0 . 104 d ( )X / X = 0 . 994e 5 - 1 - 2 (μρ) μ求出铝对 X 射线的平均等效减弱系数 为 0 . 104cm ,其平均等效质量减弱系数 / 为 0 . 039gc?m , eff eff 3 4 在铝的质量减弱系数不光子能量关系表和曲线上查出对应的 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 1 m 处 X 射线照射量角分布的测量 。图 5 是 ( ) 离阳极靶 1 m 处照射量角分布曲线 。测量时速调管的巟作电压为 144 kV 。其中 a是用 Li F 测得的离阳极靶 1 m 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 1 m 处偏离电子束轴线 0～?15之间照射量角分布曲?线 ; 虚线 5 () 是根据经验公式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 。 ) α( ( )X = X exp [ - E + 0 . 5/ 120 ]6 0 α() 式中 : E 是加速器电子束的能量 ,单位是 MeV ;是偏离轴线的角度 ,单位是 ?。 Fig. 3 In right f ro nt of t he ano de target , t he Fig. 4 Abso rptio n of Al fo r X rays f ro m 9 MeV relatio n bet ween expo sure and distance linear elect ro n accelerato r 图 4 铝对 9 MeV 电子直线加速器 X 射线的吸收 图 3 阳极靶正前斱照射量不距离的关系 Fig. 5 Angle dist ributio ns of expo sure at 1 m in f ro nt of t he ano de target 图 5 阳极靶前 1 m 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 1 m 处测得照射量的横向分布曲线 。由图 6 可看出在 1 m 处加速器轴心 线附近横向 66 mm 的区间内 ,剂量均匀度在 80 %以上 。两侧各经过 18 mm 的过渡区后 ,照射量降为中心值的 3 %以下 。18 mm 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 根据穿过狭缝的 X 射线剂量 ,微调节狭缝的上下戒巠右 () 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 ,得到传逑函数 。根据传逑函数 ,计 6 算出较真实的焦点像 。由此测得的焦点直径为 1 . 40 mm。 3 结论 X 射线测量结果表明 ,该 9MeV 电子直线加速器满足高 能巟业 C T 检测的要求 。美国 Vanian 公司的用于高能 C T 成 像检 测 的 Linat ro n23000A 加 速 器 的 X 射 线 最 高 能 量 为 9MeV ,靶正前斱 1 m 处的照射量率为 774 mC/ kgm?in 。而我 Fig. 6 Transverse dist ributio ns of expo sure at 1 m 们研制的 9MeV 电子 直 线 加 速 器 的 X 射 线 最 高 能 量 为 8 . in f ro nt of t he ano de target af ter collimatio n 02MeV , 靶 正 前 斱 1 m 处 的 照 射 量 率 为 877 . 2 mC/ kg ?min图 6 准直后 ,靶前 1 m 处照射量的横向分布 () 200 Hz。由于加速管的耦合度比设计值大 ,造成微波耦合 效率下降 。通过调整微波耦合孔的大小 ,可以使加速器巟作在最佳耦合状态 ,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 200 Hz 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 1 m 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 200 Hz 以上时的照射量 率会逐渐接近理论计算值 。 参考文献 : 1 ( 张汉朝. 低能加速器的应用M . 北京 :机械巟业出版社 ,1985 . 133 . Zhang H C. Applicatio n of low2energy accelerato r . Beijing : China Mechine )Press ,1985 . 133 () 2 李士骏. 电离辐射剂量学M . 北京 :原子能出版社 ,1981 . 40 . Li S J . Io nizatio n radiatio n do simet ry. Beijing : Ato mic Energy Press ,1981 . 40 ( ) ( 3 阿蒂克斯 F H ,罗奇 W C , 斲学勤 ,等. 辐射剂量学 第一卷基本原理M . 北京 :原子能出版社 ,1981 . 118 . At tix F H , Roesch W C , Shi X ( ) () )Q , et al . Radiatio n do simet ry vol . ?f rndamental in Chinese. Beijing : Ato mic Energy Press ,1981 . 118 () 蒋明. 原子核物理导论M . 北京 : 原子能出版社 ,1983 . 211 . J iang M . Int ro ductio n of nucleo nics. Beijing : Ato mic Energy Press ,1981 . 118陶4 ( 5 祖聪. CA EP 闪光 X 射线机的収展A . 刘锡三. 中国高功率粒子束十年文集 C . 四川绵阳 : 中国粒子加速器学会 ,1995 . 84 . Tao Z C. Develop ment of flash X2ray machines at CA EP. Liu X S. The decade selected wo r ks of high p ulsed power in China . Sichuan Mianyang : The A2 )cademy of Particle Accelerato r in China ,1995 . 84 ( ) ( 6 陈浩 ,许州 ,金晓 ,等. 高能巟业 C T 用新型 X 射线源焦斑测量J . 强激光不粒子束 ,2004 , 16 3: 390 —394 . Chen H , Xu Z , J in X , et al . ( ) )Measurement of new t ype X2ray so urce . Hi gh Pow er L aser a n d Pa rt icle Bea ms ,2004 ,16 3:390 —394 X2ra y dosimetry of 9Me V L I NAC XU Zhou PAN Qing , HU He2ping , CHEN Hao , L IU Xi2san , L I Ming , J IN Xiao , ( )I nst i t ute of A p pl ied Elect ronics , CA EP , P. O . B ox 919 21014 , M i any an g 621900 , Chi n a Abstract : Indust rial C T adop t s elect ro n accelerator to p roduce t he high energy X2ray bremsst rahlung , and makes use of t he p rin2 ciple of different absorp tio n coefficient and scat tering coefficient when t he X2ray cut s t hrough different materials to check t he internal blemish or internal st ruct ure of t he material . The quantit y and t he speed of creating image of t he indust rial C T closely relate to t he accel2 erator’s focus , t he highest X2ray energy , X rays dose and dose uniformity. Protecting t he elect ro nics circuit of t he detector against X2ray relate to t he detector’s service life. The X rays measuring result s given in t his article show t hat t he 9MeV L INAC can satisfie t he re2quirement s for checking t he material st ruct ure and blemish by t he high energy indust rial C T. Key word : Farmer chamber ; Li F t hermoluminescent dosemeter ; L INAC ; Dose of X2ray file:///D|/新建 Microsoft Word 文档.txt df机及ov及ojxlkvjlkxcmvkmxclkjlk;jsdfljklem,.xmv/.,mzxlkjvolfdjiojvkldf file:///D|/新建 Microsoft Word 文档.txt2012/8/2 16:09:56