一體化高能X射線參數測量裝置設計及應用

李成剛 鄧建軍 李 勤 陳 楠

(中國工程物理研究院流體物理研究所 綿陽 621900)

高能X射線對材料的穿透力強，在工業探傷及閃光照相等領域得到廣泛應用。材料密度、厚度不同，X射線的透射情況就不同，底片上的光學密度也有所差別。根據光學密度的差別，可對物體的幾何邊界及材料的面密度進行診斷。X射線源參數的準確測量不僅保證X射線診斷結果的可靠性，對于X光機的調試、特性評價等都有重要意義。

近十年來，高能X射線源診斷技術取得很大進展，尤其是焦斑尺寸的診斷。美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室(LANL)、圣地亞國家實驗室(SNL)、英國原子武器研究中心(AWE)，以及中國工程物理研究院流體物理研究所和應用電子學研究所等，均開展了相應研究[1?5]。焦斑尺寸的診斷利用半陰影成像原理有狹縫法、刃邊法、方孔法。采用方孔法進行編碼成像，在獲得X射線源焦斑尺寸的同時，還能獲得二維的強度分布[6]。對于高能X射線軔致輻射能譜的實驗測量，國內外研究的能量多集中在1 MeV以下[7,8]，為測量10 MeV以上的高能X射線譜，我們發展了螺旋楔形法。

本文用一體化設計思想設計出集X射線焦斑、能譜、角分布測量于一體的高能X射線參數測量裝置，一次實驗可測量多個X射線參數。

1 實驗裝置

該高能X射線參數測量裝置(圖1)，純鐵制成，按功能可分為如下三部分。

(1) 方孔結構。在圓柱體中心形成邊長為1 cm、深度為20 cm的直穿方孔。實驗時，X射線通過方孔結構在探測器上獲得投影圖像，通過對投影圖像解碼得到光源的焦斑尺寸及強度分布[6]。根據大孔編碼成像原理，孔大小由光源尺寸決定。我們測量的光源尺寸半高寬為 1–4 mm，因此選用邊長為 1 cm的方孔。孔的深度由高能X射線在鐵介質中的線衰減系數決定。對于單能光子、窄準直源和窄探測器情況，透射強度 I=I0e–μl, 其中，I0為入射到介質上的強度，l為介質厚度(cm)，μ為線衰減系數(cm–1)，依賴于光子能量和介質的原子序數。對于鐵介質，光子能量為10 MeV時對應的最小衰減系數為0.233 cm–1，因此考慮光源強度衰減為初始值的1%，對應的吸收體厚度～20 cm，這里忽略了散射的影響。

圖1 高能X射線測量裝置實物圖Fig.1 Picture of the device for measuring high energy X-rays.

(2) 螺旋楔形結構。是以圓柱體軸線為中心沿圓周厚度漸變的環形槽，用于X射線的能譜測量。環形槽的設計，使鐵介質在同一圓周的不同角度上對應的厚度不同。由軔致輻射理論，當電子束垂直入射靶面時，在同一出射角度上，距離焦斑相等處的X光照射量和軔致輻射譜相同。因此，可認為入射到實驗裝置表面同一圓周上的照射量相同。當采用底片作為探測器時，底片的密度D包括片基明膠密度、灰霧密度、以及曝光顯影引起的密度。我們將衰減材料最厚處對應的密度值(片基明膠密度、灰霧密度以及X射線散射引起的密度之和)D0作為背景密度，考慮散射均勻，則信號密度為 D?D0。在本文的測量范圍內，X光曝光的D-E曲線為一條直線，因此認為D?D0值與照射量E呈正比關系。根據X射線透過介質時的強度衰減與介質厚度分布以及X射線的能譜相關，由介質衰減系數與光子能量的對應關系，通過測量吸收體后底片上的密度分布，在假設初始能譜情況下，采用迭代方法可得X射線軔致輻射能譜[9]。

(3) 在圓柱軸心線上的一排圓孔后放置劑量計，測量X射線照射量的角分布。

圖2是進行高能X射線參數測量的實驗裝置示意圖，測量裝置放置在靶后1 m處，在通孔后放置LiF熱釋光劑量片，距測量裝置后表面～2 cm處放置底片盒(內含多張圓形 X光感光底片及金屬增感屏)。在底片盒下游距測量裝置后表面約4 m處放置X光轉換屏，轉換屏上的圖像采用CCD相機進行接收。測量裝置放置時須保證加速器軸線與方孔中心線重合，且測量裝置上各圓孔中心線相交于靶面X射線源中心。

圖2 高能X射線參數測量實驗布局Fig.2 Layout of experiment for high energy X-ray diagnosis.

2 結果與分析

用測量裝置在流體物理研究所12 MeV直線感應加速器(12 MeV LIA)上進行實驗，得到圖3所示的X光透射底片圖像。用透射密度計沿圓形底片不同半徑掃描后得到圖4所示的密度分布曲線。

圖3 實驗中得到的底片圖像Fig.3 Photo of the film.

圖4中，該峰的形成是因為測量點位置選在圓孔對應處附近，由于X射線從圓孔的透射導致相鄰點的密度值偏大。實際計算時，采用鄰域差值法消除小孔影響。曲線的尾端對應位置為鐵材料最薄和最厚的交界處，由于邊緣效應及散射影響導致底片上對應點處密度值漸變。

圖4 光學密度沿圓周分布曲線Fig.4 Optical density distribution along circles of different radii.

根據螺旋楔形法原理，采用最小二乘法迭代得到X射線能譜。圖5為迭代計算結果與EGS4蒙卡程序模擬計算結果的比較。蒙卡模擬譜對入射電子束及靶的初始參數進行了假設[9,10]。

圖5 蒙卡模擬譜與實驗譜的比較Fig.5 Contrast of experiment spectra and simulated spectra.

圖5的兩譜形在高能段符合較好，但在低能段實驗譜峰較模擬譜明顯右移。這是由于光子在到達測量裝置前，首先穿過靶前厚度為18 mm的有機玻璃，導致其低能段很大一部分被濾去。在測量能譜的同時，進行了12 MeV LIA的X射線角分布測量(表1)，測試結果對分析光場的均勻性、電子束的入射情況等具有重要意義。對流體物理研究所神龍一號直線感應加速器，采用方孔法進行了X射線源焦斑尺寸及強度分布測量[4]，圖 6為采用轉換屏與CCD相機作為接收裝置獲得的原始圖像。

表1 X射線角分布測量結果 / RTable 1 Angle-distribution of X-ray dose.

圖6 焦斑測量原始圖像Fig.6 Raw image of X-ray spot.

對原始圖像進行解碼處理后得到X射線源的強度分布(圖7)，光源強度近似滿足高斯分布。根據成像幾何關系，光源的焦斑尺寸約為2.6 mm(FWHM)。

圖7 方孔法得到X射線源重建圖像Fig.7 Reconstructed X-ray source with square-aperture method.

采用圖1所示測量裝置可獲得的多個高能X射線源的參數中，焦斑尺寸及強度分布是決定X光照相成像分辨率的關鍵要素，對判斷由光源引入的X光圖像模糊有重要作用；照射量的角分布可用于判斷光場的均勻性，是選擇放置被照物體位置的重要依據；能譜分布可用于對材料密度的反演，用于實現精確診斷。在一次實驗中同時獲得多個參數，在X光診斷中具有重要意義。

3 結語

設計的一體化高能X射線源參數測量裝置，一次實驗可同時獲得多個參數，加強了X射線源各參數間的相關性，可用于X光機性能的診斷。

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