替代241Am低能光子源的准单色X射线机的研制

林 辉，肖雪夫，赵 靖，简利民

（1.原子高科股份有限公司，北京 102413；2.中国原子能科学研究院 放射性计量测试部，北京 102413）

241Am低能光子源是同位素工业仪表中使用极为广泛的放射源[1]，目前由于原料短缺、放射源使用限制多、办理手续复杂、管理费用高等问题[2]，对使用241Am低能光子源的同位素工业仪表的发展造成了限制，因此，研制一种能谱与241Am低能光子源的相近、使用方便、不影响原有仪表设计、能替代241Am低能光子源的X射线机有着非常重要的意义[3]。与放射性同位素源相比，X射线机最大的优点是X射线的强度和分布具有可调节性。另外，X射线机光路的几何布置受限制小，可使用准直器、滤光片、狭缝等提高性能。X射线机与241Am低能光子源相比，其缺点是X射线谱是连续谱，用来替代 Am低能光子源，必须对连续谱进行单色化处理。本文利用滤光片法研制一种能替代241Am低能光子源的准单色X射线输出装置并对其应用进行测试。

1 实验方法

参照241Am光子源的光子能量（59.5keV）、谱形和发射率（3.7×108Bq241Am光子源对应的光子发射率约为108s－1）[4]，根据蒙特卡罗模拟计算结果来设计加工X射线管，在X射线的出射方向安装合适的准直器和滤光片，利用滤光片的吸收限进行滤波，除去不需要的谱线。参照241Am放射源的能谱半高宽，将滤波后的能谱半高宽小于20keV时获得的准单色X射线用来替代241Am放射源。

2 实验与结果讨论

2.1 X射线机参数

应用SPELLMAN公司生产的可调高压电源与自行设计委托加工的X射线管[5]、准直器、冷却系统组装成X射线输出分体机，X射线管的参数列于表1。

表1 X射线管的参数Table 1 Parameters of X-ray tube

2.2 X射线连续谱实验

X射线机在70kV高压、0.1mA管电流、1.5m探测距离、60s测量时间条件下的连续谱示于图1。可知，X射线机发射的X射线能谱是连续的，无明显的峰位，欲得到明显的峰位需对X射线机输出的X射线进行单色化处理。

图1 70kV高压的连续谱Fig.1 Continuous spectrum of 70kV

2.3 准直器对X射线连续谱谱形和X射线强度的影响

由于241Am低能光子源是经屏蔽准直后到达探测器，而X射线管发射的X射线沿一定角度呈扇形发射，因此欲不改变原来的测量系统直接替代241Am低能光子源，就必须沿发射角度对X射线进行准直以减少本底信号，使用铅制的不同规格准直器进行实验，实验结果示于图2。可看出，经准直器后的X射线连续谱可得到明显的峰位，X射线的强度随准直器的加长而减弱，峰区边界能量主要集中在30～65keV之间。欲得到50～60keV之间的峰位能量，需对高能峰区（≥60keV）和低能峰区（≤50keV）部分的X射线进行过滤。

图2 准直系统对X射线连续谱谱形和强度的影响Fig.2 Influence of collimator on spectrum and intensity of X-ray

2.4 滤光片的选择

参照元素的K吸收限[1]，选择铝、镍、铜和银作为吸收低能（≤50keV）的滤光片，钆、钽和铂作为吸收高能（≥60keV）的滤光片进行实验。实验结果表明，滤光片按表2组合（高压，70kV；管电流，0.1mA；探头距离，1.5m；准直器，φ10mm×50mm；测量时间，60s）时，可得到与241Am低能光子源非常相近的准单色X射线（图3）。

表2 混合滤光片对X射线谱形和强度的影响Table 2 Influence of combined filter on spectrum and intensity of X-ray

图3 Ta-Ag、Pt-Ag混合滤光片及241 Am标准源谱Fig.3 Spectra of Ta-Ag，Pt-Ag and 241 Am standard source

2.5 管电流对X射线谱形和强度的影响

在高压、滤光片、探头距离和测量时间等参数固定的条件下，调节管电流，结果示于图4（高压，70kV；滤光片，Ta-Ag；探头距离，1.5m；准直器，φ10mm×50mm；测量时间，60s）。可看出，随管电流的增大，X射线谱的峰位能量逐渐变小、峰半高宽逐渐增大，X射线强度剧增，因此在适用能量范围内可通过调节管电流来获得不同强度的射线以代替不同活度的241Am低能光子源。

图4 管电流对X射线谱形和强度的影响Fig.4 Influence of tube current on spectrum and intensity of X-ray

2.6 料位检测应用实验

用准单色X射线机替代1.11×109Bq的241Am放射源（φ10mm×5mm），通过PVC桶（内径120mm、高50mm、壁厚5mm）进行静态无损料位检测实验，实验结果表明，准单色X射线机能进行料位测量并得到与241Am放射源相同的实验结果（图5）。

图5 X射线料位测量实验结果Fig.5 Experimental result of X-ray level indicator

3 结论

本文研究结果表明，自行研制的准单色X射线机能产生与241Am低能光子源的谱峰和谱形相近的准单色X射线，且在料位计上能替代241Am低能光子源。

[1]孙树正.放射源的制备与应用[M].北京：原子能出版社，1982.

[2]国家环保总局核安全司.辐射安全与防护的法律法规选编[M].北京：原子能出版社，2006.

[3]杨福.应用核物理[M].长沙：湖南教育出版社，1994.

[4]中国核工业总公司.EJ／T 1067—1998 X射线荧光分析用镅-241源[S].北京：原子能出版社，1998.

[5]中华人民共和国国家发展和改革委员会.JB／T 6215—2004 工业用X射线管系列型谱[S].北京：机械工业出版社，2004.