新型高剂量X射线管研究

申晓康，俞成山，张子民，肖荣庆，景 漪，曹树春，李中平，刘 铭

（1.中国科学院 近代物理研究所，甘肃 兰州 730000；2.甘肃省粒子束辐射工程技术研究中心，甘肃 兰州 730000）

新型高剂量X射线管研究

申晓康1，2，俞成山1，2，张子民1，2，肖荣庆1，2，景 漪1，2，曹树春1，2，李中平1，2，刘 铭1，2

（1.中国科学院 近代物理研究所，甘肃 兰州 730000；2.甘肃省粒子束辐射工程技术研究中心，甘肃 兰州 730000）

本文介绍了一种可广泛应用于血液辐照、疫苗生产、食品加工、生物学实验辐照等领域的X射线辐照设备，其利用电子束轰击金属靶韧致辐射产生的X射线进行辐照，与同位素射线辐照装置相比，该设备更安全，辐照均匀性更好，剂量可控。同时对新研制的X射线管的性能进行了测试。结果表明，X射线管辐照均匀性较好，可满足工业应用要求。

辐照加工；加速器；X射线管

辐照加工是利用电离辐射与物质相互作用的物理效应、化学效应和生物效应，对物质进行加工处理以达到所需的目标的过程［1］。由于其工艺简单、易于控制、环保节约、加工效率高而发展迅速。北美、欧洲等地的辐照加工产品应用已十分广泛。如美国20世纪90年代中期其辐照加工产业产值已超过核电行业产值，成为新的GDP增长点。

用于辐照加工的辐照源主要有两大类：放射性核素衰变产生的γ射线和利用加速器产生的高能电子束打靶产生的X射线。与一般的利用放射性核素衰变产生的γ射线辐照加工相比，加速器辐照装置具有其独特的优势：射线能量、空间分布状况、辐照功率等可控性高，被辐照物吸收剂量更均匀，无环境污染，关机后无射线危害，安全可靠。因而加速器辐照得到了越来越广泛的应用。此类X射线辐照装置可广泛应用于血液辐照［2］、疫苗生产、食品加工［3］、病毒灭活、医疗设备终端灭菌、昆虫绝育、聚合物研究、基因重组、交联反应等。本文将介绍一基于电子束打靶的新型高剂量X射线管。

1 新型X射线辐照仪设计

X射线辐照仪的结构主要包括X射线管、高压电源、辐照室、自屏蔽结构、控制系统、水冷系统等。其结构简单、紧凑、自屏蔽，无需特殊的防护措施，工作人员可在现场操作、检修，运行方便。

X射线辐照仪的核心部件是X射线管。传统的X射线管为点发射型，效率低，仅适用于医疗、工业检测、实验室分析等，不适用于工业辐照加工。而图1所示的线形X射线管采用4π发射、360°辐照，辐照均匀度好，约为10%；射线转换效率高，是点发射型的20倍；辐照剂量高，在满功率（160kV／50mA）情况下，剂量率约20Gy／min，适合工业辐照加工。线形X射线管整个管壁均可透射出X射线，为充分利用射线，专门设计了用于放置被辐照物的储存罐，储存罐在自转的同时绕X射线管公转，这样可保证被辐照物的吸收剂量均匀。

图1 线性X射线管辐照示意图Fig.1 Sketch map of linear X-ray tube irradiation

1.1 X射线转换靶的物理设计

电子束打靶韧致辐射产生X射线的效率极低，约有99%的能量损失在阳极靶中，使阳极靶温度升高；仅有约1%的电子束能产生X射线光子。而用于工业辐照的X射线管要求阳极靶的X射线转换效率尽量高，因此需选择合适的靶材及靶厚以获得最大的X射线产额。文中采用基于蒙特卡罗方法的MCNP程序［45］，对靶材料、靶厚等因素对X射线产额的影响进行分析，以最终确定X射线管阳极靶的物理设计。在MCNP程序中建立发射电子束的面源，在电子束发射方向上创建薄靶物理模型，在薄靶的光子透射方向设置探测器，记录光子在给定探测器区域内的沉积能量，然后转换为吸收剂量。

电子打靶韧致辐射产生X射线的发射率大致正比于靶材原子序数Z的平方，因此制备X射线转换靶多采用高Z材料作为阳极靶材。模拟时选用X射线管常见的靶材金、钨、钽作为阳极靶材。在程序输入文件中给定电子能量为单一能量150keV，靶厚范围为3～17μm，仿真结果如图2所示。

图2 X射线管吸收剂量率随靶厚的变化Fig.2 Absorbed dose rate of X-ray tube vs target thickness

从仿真结果可看出，金靶、钨靶和钽靶的性质非常相似，均有一X射线转换效率最高的点，其对应的最佳靶厚分别为10、8和8μm，但金靶的X射线产额明显高于钨靶和钽靶。因此本实验选择10μm的金靶作为阳极靶材。

1.2 开放式线型X射线管设计

图3为开放式线型X射线管设计图，它的阴极是一根长钨丝，长度为200～300mm，位于管体的中轴线上。射线管的外筒作为阳极筒，内壁镀10μm厚金靶，用于提高X射线的发射效率，采用电刷镀工艺制备，经长时间的阴极电子束轰击测试，镀层未见起皮剥离现象。阳极筒中间有水冷通路，用于带走电子打靶产生的热量及阴极钨丝热辐射的热量。经软件模拟，在阴极灯丝和阳极筒之间增加栅极可有效提高X射线管内部电场的均匀性并降低钨丝顶端的峰值电场，避免发生打火现象。

图3 开放式线型X射线管Fig.3 Open linear X-ray tube

当阴极钨丝通以适当的电流时，钨丝热发射电子，电子束360°均匀轰击内表面阳极金靶，产生X射线，X射线均匀穿过阳极筒壁，并沿径向360°辐射，同时处在射线管外的装料筒也不停旋转，达到均匀辐照的目的。这种结构的设计使阳极靶上的面电流密度较小，从而保证X射线管在较大的管流下长时间工作，且较大的阳极靶面积和水冷设计可保证X射线管的散热效率，避免阳极金靶温升过快导致的热损害。与传统的点发射型X射线管相比，这种线型X射线管可4π发射、360°辐照，射线利用效率高，辐照均匀性好。

2 新型X射线管性能测量

2.1 X射线管的发射能力与管电流、管电压的关系测量

了解X射线管的发射能力与管电流、管电压的关系，将有利于选择合适的辐照工作点以有效延长X射线管的使用寿命，因此，利用电离室测量仪对此进行详细测量。图4为空气中的吸收剂量率与X射线管管电流关系的测量结果，从图可看出，随着管电流的增大，由阴极发射至阳极的电子数增大，从而导致X射线产额近似呈线性增大。

X射线管的发射能力与管电压有着复杂的关系（图5），管电压决定了电子的入射能量，X射线管管电压越大，电子在电场中获得的能量越大，产生的X射线光子的能量越大，穿透力越强。通常X射线辐照仪发射的X射线光子强度I与管电压U和管电流i有如下近似关系：I＝kiUm。指数m由U和X射线束的滤过条件所共同决定。通过曲线拟合，其特性近似为I＝3×10－8U5.4535。

图4 吸收剂量率与X射线管管电流的关系Fig.4 Relationship of absorbed dose rate and X-ray tube current

图5 吸收剂量率与X射线管管电压的关系Fig.5 Relationship of absorbed dose rate and X-ray tube voltage

2.2 辐照剂量均匀性测量

辐照设备要求其辐照剂量分布均匀，故本实验必须对X射线管的辐照均匀性进行测量［6］。其辐照均匀性的测量采用胶片剂量测量法完成，胶片剂量测量法的原理是：胶片受可见光或电离辐射照射时，胶片感光材料发生化学变化，从而使胶片黑度发生变化。实验前首先用电离室和胶片在相同条件下照射，由电离室剂量仪获得绝对剂量值，通过计算机图像处理软件获得胶片灰度值，从而绘制胶片剂量仪的响应曲线。实验中只需获得胶片照射后的黑度信号并结合胶片的剂量响应曲线便可得到实际辐照剂量。

实验所选用的胶片为美国ISP公司研发的新型辐射自显色胶片Gafchromic HD-V2，与传统胶片相比，它使用更方便，不需在暗室中进行后期的显影、定影处理。它可用于keV～MeV能量范围的光子和电子照射测量，剂量测量范围为10～1 000Gy。

实验时，在X射线管母线方向放置宽35mm、长150mm的胶片，通过其灰度变化确定其辐照均匀性。测量结果示于图6。从结果可看出，X射线管辐照均匀性较好，可满足工业应用要求。

图6 X射线管的辐照均匀性Fig.6 Irradiation uniformity of X-ray tube

3 结论

本文通过实验掌握了X射线管管电流的发射特性，对选择合适的管电压、管电流来产生射线具有重要意义：了解了X射线管的发射能力与管电流、管电压的关系，利于通过选择合适的辐照工作点有效延长X射线管使用寿命；掌握了X射线管的剂量分布规律，可为进一步提高其剂量分布均匀性提供参考。

但实验中发现X射线管的辐照剂量率低于最初的设计值和工业应用的要求，原因主要有两点：原有高压系统老化及X射线管内真空度较低，导致最高的工作管电压和管电流仅为85kV和18mA，因此限制了X射线的产额和穿透能力；由于加工工艺的限制和水冷系统的要求，不锈钢圆筒和水冷通路的厚度太大，导致阳极金靶产生的X光子在透射过程中损失严重。

后续实验中将改善高压系统和真空系统，并仔细设计与之匹配的高压接头，同时对X射线管内部电场分布进行优化设计，包括钨丝的结构与固定方式以及栅极结构等，以提高其阳极电压和灯丝电流。阳极筒将利用先进的加工工艺使其厚度降到最低，并通过软件模拟计算确定合适的水流量，优化水路结构，以减少X光子在透射过程中的损失，提高辐照剂量率。同时积极研制自密封式的线形X射线管，这不仅可提高X射线管的真空度，还可简化结构，使整机变得更小巧、更便捷、更方便维护，为今后的工业化应用提供便利。

［1］ 张玉照，郭峰.辐照加工的研发现状及思考［J］.湖南农业科学，2005（4）：99-100.

ZHANG Yuzhao，GUO Feng.Research status and thinking of radiation processing［J］.Hunan Agricultural Sciences，2005（4）：99-100（in Chinese）.

［2］ 李文红，陆杨乔.血液辐照仪应用的研究进展［J］.国外医学-放射医学核医学分册，2004，28（3）：142-144.

LI Wenhong，LU Yangqiao.Study of blood radiator application［J］.Foreign Med Sci-Sec Radiat Med Nuel Med，2004，28（3）：142-144（in Chinese）.

［3］ 高美须，陈浩，刘春泉，等.食品辐照技术在中国的研究和商业化应用［J］.核农学报，2007，21（6）：606-611.

GAO Meixu，CHEN Hao，LIU Chunquan，et al.Researches and commercializationof food irradiation technology in China［J］.Journal of Nuclear Agricultural Sciences，2007，21（6）：606-611（in Chinese）.

［4］ 雷桂媛.关于蒙特卡罗及拟蒙特卡罗方法的若干研究［D］.杭州：浙江大学，2003.

［5］ 张建生，蔡勇，陈念年.MCNP程序研究进展［J］.原子核物理评论，2008，25（1）：48-51.

ZHANG Jiansheng，CAI Yong，CHEN Niannian.Developments of research on code MCNP［J］.Nuclear Physics Review，2008，25（1）：48-51（in Chinese）.

［6］ 李士骏.电离辐射剂量学［M］.北京：原子能出版社，1986.

Research on New High-dose X-ray Tube

SHEN Xiao-kang1，2，YU Cheng-shan1，2，ZHANG Zi-min1，2，XIAO Rong－qing1，2，JING Yi1，2，CAO Shu-chun1，2，LI Zhong－ping1，2，LIU Ming1，2
（1.Institute of Modern Physics，Chinese Academy of Sciences，Lanzhou730000，China；2.Research Center of Particle Beams Radiation Engineering Technology，Lanzhou730000，China）

An X-ray irradiator，which can be applied in the fields of blood irradiation，vaccine production，food processing，biological experiment，etc.，was described.It generates X-ray for applications by bremsstrahlung from electron beam bombardment at metal target.Compared with isotope-ray irradiation facility，the X-ray irradiator has the advantages of higher safety，better irradiance uniformity and controlled dose.The paper also described the measurement results of the newly developed X-ray tube.The results show that the new X-ray tube can meet the requirement of industrial application.

irradiation processing；accelerator；X-ray tube

TL503.1

：A

：1000-6931（2015）04-0755-04

10.7538／yzk.2015.49.04.0755

2013-12-24；

2014-03-24

中国科学院西部之光联合学者项目资助（Y215290XBO）；国家自然科学基金资助项目（11105195）

申晓康（1986—），男，河南南阳人，工程师，博士，核技术及应用专业