■ 文/公安部第一研究所 王雪華 廖建新 汪鳳華

1 引言

X射線安全檢查設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)中穿透力與分辨率和探測(cè)器板接收的X射線信號(hào)強(qiáng)度密切相關(guān)。提高探測(cè)器板接收的信號(hào)強(qiáng)度的主要方法是提高射線源的管電壓或束流，減小X射線管焦斑尺寸等。

X射線管的焦斑尺寸是決定X射線管光學(xué)性能的主要指標(biāo)。X射線管作為X射線檢查設(shè)備的發(fā)射源，其焦斑尺寸越小，對(duì)被檢物的影像清晰度就越高。焦斑為理想點(diǎn)光源時(shí)，圖像的邊界分明，幾何模糊程度小，影像分辨率高；焦斑越大，圖像邊界上的半影也越大，幾何模糊程度達(dá)，影像分辨率降低。X射線檢查設(shè)備最常用的是常規(guī)焦斑X射線管，其陰極一般為螺旋燈絲結(jié)構(gòu)。螺旋燈絲作為發(fā)射源要做的很小存在一定難度，而典型兩級(jí)結(jié)構(gòu)X射線管又存在電子束會(huì)聚能力有限問題。采用常規(guī)螺旋燈絲陰極結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)小焦斑存在相當(dāng)大的難度。

通常用于X射線安全檢查設(shè)備的X射線管要求連續(xù)工作，焦斑尺寸太小，容易引起靶面燒傷。在實(shí)際工作中，一方面要求提高圖像分辨率；另一方面又不能因?yàn)榻拱咛≡斐砂忻鏌齻?，降低X射線產(chǎn)生效率。因此在X射線管焦斑尺寸一定的情況下，利用光學(xué)成像原理優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高X射線安全檢查設(shè)備的分辨率具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

射線的準(zhǔn)直器指是指位于射線源中心與探測(cè)器之間的對(duì)輻射起到限束和準(zhǔn)直作用的裝置。輻射源中心、輻射準(zhǔn)直器、探測(cè)系統(tǒng)三點(diǎn)一面，共同構(gòu)成一個(gè)完備的測(cè)試系統(tǒng)。

輻射準(zhǔn)直器的功能是對(duì)輻射限束，準(zhǔn)直器到達(dá)探測(cè)器處的輻射只來自輻射源被限束的扇面，減少測(cè)試本底的干擾，提高信噪比。同時(shí)通過加大準(zhǔn)直器與射線源之間的距離，減少前準(zhǔn)直器與探測(cè)器之間的距離，同樣可以提高射線源在探測(cè)器上的射線強(qiáng)度。

2 模型的理論分析

在輻射源和探測(cè)器參數(shù)一定的情況下，為了提高X射線安全檢查設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)指標(biāo)，進(jìn)行了下面的理論分析。

圖1 X光的傳播特性

a-射線源光斑尺寸；b-準(zhǔn)直縫寬度；c-照射到探測(cè)器晶體面上的光斑尺寸；L1-光點(diǎn)距準(zhǔn)直器的距離；L2-光點(diǎn)距探測(cè)器晶體感光面的距離；

根據(jù)光幾何關(guān)系可以得到：

由（1）式可知，如果在保持L2不變的情況下，增大L1，c值會(huì)變小，射線的能量在探測(cè)器晶體表面更集中，因此強(qiáng)度也將增大。

圖2 新舊準(zhǔn)直位置和光路布置

根據(jù)理論分析，將準(zhǔn)直器盡量遠(yuǎn)離射線源放置（具體到該設(shè)備將其放在通道側(cè)墻上），探測(cè)器上接受的射線強(qiáng)度有不同程度的提高。兩種情況下的準(zhǔn)直位置和光路布置如圖（2）。

源光斑大小a=2mm；準(zhǔn)直縫寬b=0.7mm。

根據(jù)探測(cè)器板中心位置的具體尺寸，通過公式分別計(jì)算出探測(cè)器板中心平面的單位面積上接收的能量變化情況如表1，表2。

表1 部分舊準(zhǔn)直時(shí)光路中各塊探測(cè)器板中點(diǎn)處的各種尺寸和與射線相關(guān)的參數(shù)大小

表2 部分新準(zhǔn)直時(shí)光路中各塊探測(cè)器板中點(diǎn)處的各種尺寸和與射線相關(guān)的參數(shù)大小

將同一塊探測(cè)器板中心平面的單位面積上接收的能量變化進(jìn)行對(duì)比得出理論計(jì)算的能量增加倍數(shù)表3。

從計(jì)算結(jié)果可以看出探測(cè)器板中心平面處接收到的能量有了比較大的提高。

表3 新舊準(zhǔn)直器時(shí)探測(cè)器板單位面積接收能量的比值

3 新結(jié)構(gòu)準(zhǔn)直器的設(shè)計(jì)

根據(jù)準(zhǔn)直器的功能要求，設(shè)計(jì)了如圖3所示的新準(zhǔn)直器。準(zhǔn)直器具有縫寬可調(diào)和縫位置可調(diào)。縫寬可調(diào)可以滿足設(shè)備技術(shù)指標(biāo)和單次檢測(cè)劑量的要求；縫位置可調(diào)可以使光路系統(tǒng)對(duì)中性更好。

4 實(shí)際測(cè)試對(duì)比

新的準(zhǔn)直器裝配完成后，將其安裝在設(shè)備通道側(cè)墻上如圖4；另用一臺(tái)舊準(zhǔn)直器的設(shè)備進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。為盡量保證試驗(yàn)的一致性，兩臺(tái)機(jī)器的源使用同一批次的，源的控制器加載相同版本的程序，工作于相同的參數(shù)下。并且試驗(yàn)中兩臺(tái)機(jī)器采集的數(shù)據(jù)來自同一塊CPB板，同時(shí)探測(cè)器的數(shù)據(jù)來自垂直探測(cè)器箱倒數(shù)第3塊位置的同一塊探測(cè)器板。

圖3 新結(jié)構(gòu)準(zhǔn)直器

圖4 新結(jié)構(gòu)準(zhǔn)直安裝位置圖

4.1 試驗(yàn)方法

在新結(jié)構(gòu)上，在射線源束流1.2mA時(shí)，調(diào)整刀口縫寬至近通道輸送帶中心部位單次劑量為3.1uGy調(diào)整垂直倒數(shù)第3塊板的水平位移至信號(hào)幅值最大，記錄信號(hào)值。而后，通過調(diào)整源控制盒的跳線，將束流升至1.5mA，減少刀口板縫寬至單次劑量仍為3.1uGy，重復(fù)上述探測(cè)器板調(diào)整和信號(hào)值記錄過程。再將數(shù)字平板放置在垂直探測(cè)器箱內(nèi)壁，拍攝射線束0分鐘、10分鐘波形，記錄其漂移程度。

把CPB板和垂直倒數(shù)第3塊探測(cè)器板拆下后，安裝于舊結(jié)構(gòu)安檢設(shè)備上，重復(fù)上述過程。

4.2 數(shù)據(jù)對(duì)比

1）單次劑量均為3.1uGy時(shí)的信號(hào)值情況如表4

表4 單次劑量均為3.1uGy時(shí)的信號(hào)值

通過數(shù)據(jù)可以看出，新結(jié)構(gòu)在單次劑量相同、束流相同情況的探測(cè)器板的信號(hào)值提高比例分別是23.4%，35.8%，提高效果明顯。

2）新舊結(jié)構(gòu)射線束強(qiáng)度的波形如圖5

圖5 新、舊結(jié)構(gòu)射線束強(qiáng)度波形示意圖

在射線束寬度大于探測(cè)器晶體寬度的前提下，隨著射線束寬度的減小，舊結(jié)構(gòu)的射線強(qiáng)度波形頂部變尖變低，底部寬度縮減緩慢，而新結(jié)構(gòu)的波形頂部仍保持平坦，底部寬度縮減較快，從而使新結(jié)構(gòu)在射線利用率方面取得優(yōu)勢(shì)。反之，隨著射線束寬度的加大，新結(jié)構(gòu)在射線利用率上的優(yōu)勢(shì)將逐漸喪失。

3）新、舊結(jié)構(gòu)射線束10分鐘漂移情況對(duì)比

圖6為舊結(jié)構(gòu)射線束10分鐘的漂移示意圖。從圖中可以看出，在探測(cè)器板調(diào)試過程中，無法保證探測(cè)器晶體一直位于射線強(qiáng)度的峰值位置。

圖6 舊結(jié)構(gòu)射線束10分鐘漂移示意圖

圖7 新結(jié)構(gòu)射線束10分鐘漂移示意圖

圖7為新結(jié)構(gòu)射線束10分鐘漂移示意圖。從圖中可以看出射線束波形頂部較平整，且寬度較大，可以將晶體位置調(diào)整到波形相互重疊的區(qū)域，由此由焦斑漂移導(dǎo)致的信號(hào)強(qiáng)度下降顯著小于舊結(jié)構(gòu)。

4.3 測(cè)試結(jié)論

通過對(duì)比可以看出，在單次劑量相同的前提下，束流相同時(shí)，盡管因射線源后撤，源、探距離稍有增大，但新結(jié)構(gòu)帶來的射線集中、頂部充分的優(yōu)勢(shì)（從而轉(zhuǎn)化為射線利用率優(yōu)勢(shì)）將彌補(bǔ)距離增大造成的損失。并且，隨著束流的增大，為維持相同的單次劑量，射線束寬度需減小，新結(jié)構(gòu)的射線利用率優(yōu)勢(shì)將進(jìn)一步增大。本次試驗(yàn)的數(shù)據(jù)顯示（見表4），當(dāng)束流為1.2mA時(shí)，從信號(hào)值上看，新結(jié)構(gòu)已經(jīng)有23.4%的優(yōu)勢(shì)，當(dāng)束流增至1.5mA時(shí)，新結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)擴(kuò)大至139.3%∕103.5%-100%＝34.6%。

5 推廣應(yīng)用

通過理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)兩個(gè)方面的對(duì)比，同時(shí)說明新結(jié)構(gòu)在準(zhǔn)直縫寬度比較小時(shí)，對(duì)提高探測(cè)器板射線利用率有比較明顯的優(yōu)勢(shì)，使我們的產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)有了一定程度的提高。這種新結(jié)構(gòu)準(zhǔn)直器在單雙通道六種機(jī)型中已經(jīng)推廣使用，并普及到其他機(jī)型中使用，批量生產(chǎn)和質(zhì)量測(cè)試均反映良好。

[1]Pro/ENGINEER Wildfire 3.0 簡(jiǎn) 介 T1803-350-01-CN.

[2]成大全主編《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》第四版第二卷北京：化工大學(xué)出版社.

[3]王奇志《小焦斑X射線管的研究》真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào)2013-07-1.