工业CT用X射线机射线强度分布研究

张 催 李公平 潘小东 魏绪波 商宏杰 饶 松 郑赛春 张益海

（兰州大学 核科学与技术学院 兰州 730000）

工业CT用X射线机射线强度分布研究

张 催 李公平 潘小东 魏绪波 商宏杰 饶 松 郑赛春 张益海

（兰州大学 核科学与技术学院 兰州 730000）

X射线机是工业CT中使用最广泛的X射线源，但因阳极效应以及自身结构的限制，其射线强度空间分布不均匀，系统的研究和测量其射线强度分布对于实际应用十分必要。利用CsI(Tl)光电二极管探测器测量了射线强度在不同轴线上随角度的分布，给出了理论分析，并与蒙特卡罗法计算结果做了对比，提出了“展宽效应”，解释了边界射线强度分布展宽的现象。比较了大、小焦点射线强度分布的情况，给出了其在阴极末端出现差异的原因。结合其在竖直方向的射线强度分布以及对称性，给出了X射线强度的二维分布。结果表明，在张角20° (-10°-+10°)的范围内，射线强度分布均匀（最大相对偏差4.59%），张角越大均匀性越差，在阴极端边界射线分布出现外延。

强度分布，X射线机，工业CT，阳极效应

X射线机作为X射线源，由于其相对小巧、射线强度大，且射线能量和强度可以通过调节管电压和管电流在较大范围内连续可调，因此得到了广泛应用[1-2]。尤其在工业CT系统中，由于对射线强度以及实用性的要求很高，普遍采用X射线机作为射线源。X射线机主要包括透射式和反射式两种，对于通常采用的反射式X射线机，存在阳极效应，这会导致辐射场射线强度分布不均。同时靶材料、靶角、焦点尺寸以及开口的结构也会影响射线强度分布。辐射场射线强度分布不均将给图像重建带来很大影响，需要进行处理[3-4]。经过校正能够极大地减小其影响，因此系统的研究和测量射线强度分布是十分必要的。此外，对于不同的被测物体，可以根据辐射场射线强度分布来布置合适的空间位置，使得被测物体尽量落在射线强度均匀的辐射区域内，这样将极大地减少校正工作，并且有效提高图像重建质量。

射线机应用广泛，而对其射线强度分布研究报道还很少见。本文旨在研究射线机的射线强度分布，并找到影响其分布的主要原因。通过实验测量结合计算机模拟得到光场分布，并给出理论分析。结果为工业CT系统应用中射线强度的校正、被测物体几何设置提供了依据，为射线机的精准应用打下基础。

1 实验条件与设置

实验条件及分析模型如图1所示。图1(a)为阳极效应示意图，(b)为分析模型及几何布置，(c)为探测平面几何示意图。其工作原理为：反射式X射线机，由阴极发射电子经过电场加速，以一定的能量、束流强度以及焦点大小打到阳极靶上，常用的靶材是钨和钼。电子与靶物质的原子核和电子相互作用损失能量，通过轫致辐射以及特征辐射发射X射线[5-6]。与此同时，靶物质对产生的X射线存在自吸收，对于同一位置产生的X射线，由于射线出射角的不同，穿过靶到达靶表面的距离也就不一样。如图1(a)所示，近阴极端X射线出射靶表面前所要经过的距离与近阳极端相比要小，靶对射线吸收相对较少，这会导致射线强度呈现出近阴极端高、近阳极端低的现象，即阳极效应[7]。另外，靶材料、靶角、焦点尺寸以及开口的结构也会对射线强度分布产生一定影响。

利用瑞士COMET公司MXR225/22 X射线机进行射线强度空间分布的模拟和实验测量。射线机主要参数为：额定管电压225 kV；持续功率600/3000 W；焦点d=1.0 mm、d=5.5 mm；2 mm厚钨(W)靶；靶角为20°；辐射范围为40°；固有滤波为0.8 mm铍(Be)窗。

建立X射线机模型如图1(b)所示。电子从阴极端入射，其能量以及焦点大小可调，电子入射到倾角为20°的钨靶上，从张角为40°的锥形开口出射X射线，由于阳极末端射线强度太低，因此在紧贴开口前端（与焦点垂直距离35 mm，中心与焦点在一条轴线上）安置一个铅制锥形开口用来阻止阳极末端射线出射，其尺寸为：厚度15.0 mm；内侧直径19.4 mm；外侧直径27.7 mm。最外端2 mm铝片用来阻挡低能X射线，降低射线硬化带来的影响。靶点中心距射线辐射平面580 mm，对于开口张角为31°的锥束，辐射平面为直径322 mm的圆。图1(c)定义了探测平面几何位置，辐射平面中心为探测平面坐标原点，水平方向为x轴，竖直方向为y轴。由于辐射平面中心距离靶中心的距离为580 mm，利用探测器在水平方向中心轴上从-210-+210 mm内均匀移动，能够保证完全探测并覆盖-15.5°-+15.5°的辐射角。

图1 实验条件及分析模型Fig.1 Experiment conditions and analysis model.

实验中，采用CsI(Tl)光电二极管探测器测量射线强度，其主要参数为：晶体尺寸10 mm×10 mm× 10 mm；光电二极管型号为日本HUMAMASTU公司S3590-08；数据采集卡为美国TI公司DDC264EVM；暗电流1 nA（偏压12 V，温度25 °C），对应下文相对强度大小为0.22；稳定性好（采集次数100，采集时间8 min，信号相对变化小于0.3%）。探测器固定在精度为0.01 mm的四轴运动平台上，保证探测器能够在水平和竖直方向上精确运动。

2 结果与分析

2.1射线机焦点能谱

利用美国ORTEC公司GLP-10180/07P4型号高纯锗探测器测量射线机小焦点和大焦点的X射线能谱（管电压225 kV，管电流0.1 mA），如图2所示。小、大焦点的能谱几乎一致，只在特征峰强度上存在一些差别。特征峰主要包括钨、银、铅等元素产生的特征峰，这是由于靶材为钨，银由于其极佳的导热性作为钨靶与铜衬底的钎焊材料，开口和准直材料为铅，因此出现了该三种元素的特征峰。而衬底铜元素的特征峰由于能量太低被铝片几乎完全吸收。轫致辐射谱的峰值大致在最高能量的1/3处[5]。

图2 实验测量X射线机小(a)、大(b)焦点能谱(225 keV)Fig.2 Energy spectra of the X-ray machine at small (a) and big (b) focus measured by experiment (225 keV).

2.2轴向X射线强度分布

在图2(b)大焦点能谱的基础上，分别测量了水平中心轴y=0 (X Axis)、以及中心轴以上y=5 cm (1-Axis)、y=10 cm (2-Axis)、y=15 cm (3-Axis) 4个轴上X射线强度分布，探测器在每条轴上沿x轴方向每次移动10 mm。如图3所示，给出了4条轴线上射线强度随角度的变化，主要有以下几个特征：(1) 存在阳极效应，阴极端的射线强度整体要高于阳极端，并且射线强度在阳极端逐渐减小（中心轴+12.5°角的射线相对强度只为-12.5°角的91.9%）；(2)射线强度在0°角两侧有一段较大范围的辐射均匀区域，且随着y轴坐标的增加，区域变窄，当y轴增大到一定值时，射线强度会快速下降；(3) 阴极端边界射线强度出现一个近似对称下降的走势，而阳极端边界会出现射线强度突降；(4) 射线水平中心轴(X Axis)辐射角范围略大于31°，约为34.8° (-18.3°-+16.5°)。

图3 射线强度在不同轴上随角度的分布Fig.3 Distribution of X-ray intensity on different axis.

由于阳极效应，因此在图3中表现为阴极端射线强度整体高于阳极端；阳极效应在0°角附近不明显，因为0°角附近射线出射靶表面经过的距离相差很小，只有在阳极端且距离中心较远时才会出现比较明显的差别。由于射线辐射平面近似为一个圆，因此随着y轴坐标的增加，射线的水平方向辐射角度范围变窄，并最终射线强度均匀区域消失，且射线整体强度变低。如y=15 cm (3-Axis)轴，射线强度明显小于其他轴，且没有辐射均匀区。

文化翻译观认为，语言不是翻译的操作形式，文化信息才是翻译操作的对象；翻译的目的是突破语言障碍，实现并促进文化交流（杨仕章，2000：4）。中国文化外译更是如此。仅仅做到将中国文化文本翻译成外文，中国文化不会自然而然地“走出去”，还要考虑译成外文后的而作品如何才能在国外传播、被国外的读者接受的问题（谢天振，2013：312）。因此，中国文化外译除了要关注语言层面的转换以外，更要考虑其他影响翻译的因素，如传播手段、目的语读者的阅读习惯、审美趣味等。

2.3展宽效应

焦点不是一个理想的点，有一定尺寸，由于开口的限制，阴极端边界射线强度会出现一个对称下降的走势。如图4所示，a、b、c分别代表焦点上边界、中心和下边界的电子，由于开口限制，b点产生的X射线，恰好能够沿开口方向出射，到达b1点；a点受开口上沿的阻挡，最大只能到达a1点；而c点最大可以到达c1点。这使得a1到c1之间射线强度会逐渐下降，且由于a、c以b点对称，因此在阴极端边界射线强度在图3中呈一个对称下降的走势。定义这种由于焦点尺寸以及开口结构所造成的射线强度在边界的展宽现象为“展宽效应”。由于开口斜角为15.5°，对应的对称中心(b1)为-15.5°，在图3中可以看到，-15.5°角近似的对应于曲线边界对称中心。在阳极末端，由于射线沿着开口边沿出射，因此不会在边界出现一个明显的展宽，几乎是垂直下降。正由于阴极端边界的展宽，使得射线水平中心轴辐射范围大于31°。

图4 “展宽效应”示意图Fig.4 Diagram of “broadening effect”.

2.4实验值与模拟值对比

利用基于蒙特卡罗法的MCNP4C软件模拟了射线机射线强度分布情况[8-9]，模型结构及主要参数如图1(b)所示。图5给出了实验与模拟结果的对比，模拟值1与模拟值2分别表示在水平中心轴与等距弧(图1(b))的X射线强度分布，实验值表示水平中心轴实测射线强度分布。对比实验值与模拟值1，整体变化趋势相同，只在中心两侧实验值略高于模拟值1，实验结果与模拟结果得到了较好的符合。

图5 水平中心轴上射线强度分布的实验值与模拟值对比Fig.5 Comparison of experimental and simulation X-ray intensity distribution on the horizontal axis.

模拟值2与模拟值1变化趋势相同，但模拟值2整体射线强度略高，且偏离中心越远越明显。由于模拟值2是测量等距弧上X射线强度分布值，探测器与源中心的距离始终为580 mm。而模拟值1测量的是水平中心轴上射线强度分布，随着探测器向两侧移动时，探测器离X射线源中心的距离变大，且随着角度的增大，距离差越大。因此模拟值2比模拟值1大，且偏离中心越远，差别越明显。

图6给出了大、小焦点情况下，水平中心轴射线强度分布对比，其中图6(a)是实验值，图6(b)是模拟值。大、小焦点对应的射线强度分布几乎一致，唯一不同是在阴极端边界，由于“展宽效应”，射线强度分布有一定展宽，对于小焦点，展宽更窄，曲线更陡峭，实验值和模拟值都反映了这一点。

图6 水平中心轴上大、小焦点射线强度分布对比Fig.6 Comparison of X-ray intensity distribution at big and small focus on the horizontal axis.

在竖直方向上，由于靶、焦点以及开口具有对称性，因此水平中心轴上下两侧射线强度分布往往相同。如图7所示，对比了y=5 cm与y=-5 cm两个轴上的射线强度分布，其射线强度分布几乎一致。

图7 水平中心轴以上、下射线强度随角度的分布Fig.7 X-ray intensity distribution of the upper X Axis and thelower X Axis.

在x=0的竖直方向上，水平中心轴以上的射线强度分布如图8所示，射线强度在0°-13°内较均匀。角度大于13°，由于“展宽效应”，射线强度随角度的增大会出现如阴极端边界所呈现的射线强度对称下降的走势，对称中心为+15.5°。

图8 竖直中心轴上射线强度随角度的分布Fig.8 Distribution of X-ray intensity along with angle invertical axis.

由图8可得，竖直方向中心轴辐射角为36° (-18°-+18°)，略大于水平中心轴辐射角34.8° (-18.3°-+16.5°)，这是由于水平方向上阳极端边射线强度分布展宽很小。测量了中心平面以上射线强度分布，通过对称性得到了其下半部分射线强度分布，由此得到了射线强度二维分布图，如图9所示。

整个X射线强度分布由于阳极效应以及“展宽效应”共同的影响，使得阴极端射线强度略高于阳极端并且在最大辐射角以外有一定的辐射外延。同时，经过张角31°的铅制锥形开口，在张角31°的辐射区域内，射线强度分布较为均匀，只在边界略有下降，辐射区域较大，整体达到了射线强度均匀的期望以及实际应用的要求。

图9 X射线强度二维分布图Fig.9 2D-distribution chart of X-ray intensity.

3 结语

阳极效应、焦点尺寸以及开口设置是影响射线强度分布的主要原因。射线机的射线强度竖直方向分布具有对称性，水平轴向分布不对称。大、小焦点射线强度分布只在阴极端边界存在一些差异。阴极端边界由于“展宽效应”影响，射线强度分布出现外延。整个辐射场，离中心越近，其射线强度分布越均匀。在张角20°的(-10°-+10°)的范围内，射线强度均匀性好（相对强度最大值56.756；最小值54.150；最大相对偏差4.59%），在射线管的实际使用中，应根据被测物体的大小，调整与射线管的距离，尽量包含在该辐照范围内。如果被测物体较大，覆盖的射线张角大于20°时，需要对射线强度进行适当校正。

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Study on the distribution of radiation intensity of X-ray machine for industrial CT

ZHANG Cui LI Gongping PAN Xiaodong WEI Xubo SHANG Hongjie RAO Song ZHENG Saichun ZHANG Yihai

(School of Nuclear Science and Technology,Lanzhou University,Lanzhou 730000,China)

Background:X-ray machine is the most-extensively-used X-ray source in industrial CT, due to its anode effect and the restrictions of its own structure, the radiation intensity distribution is not uniform.Purpose:The aim is to research and measure the radiation intensity distribution of X-ray machine as a vital part of imaging correction and the foundation for the precise application of X-ray machine.Methods:The CsI(Tl) scintillation and photodiode detector is used to measure the radiation intensity distribution of the MXR225/22 X-ray machine (made by Swiss COMET Inc.) along with various angles on different axis. At the same time, the radiation intensity distribution is simulated by Monte Carlo method.Results:The “broadening effect” is observed, and the boundary radiation intensity distribution broadening phenomena can be explained thereby. The radiation intensity distributions of the large and small focal are compared, and the reason for the difference in the cathode ends is analyzed. And the 2D radiation intensity distribution of X-ray machine is given.Conclusion:The results showed that in the 20° opening angle range (-10°-+10°), the radiation intensity distributes uniformly, the larger opening angle, the worse distribution uniformity. The radiation distribution extension occurs at the boundary of cathode side.

Intensity distribution, X-ray machine, Industrial CT, Anode effect

TL99

10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.090201

兰州大学“985”工程平台建设基金资助

张催，男，1990年出生，2013年毕业于兰州大学，现为硕士研究生，从事射线与物质相互作用及其应用研究

李公平，E-mail: ligp@lzu.edu.cn

2015-06-10，

2015-07-02

CLCTL99