x射线均整器的设计与实验

x射线均整器的设计与实验

由于中能源电子束发射器产生的x波具有很强的前向性，x波束剂的比例具有一定的角度分布，即从角度小的地方剂量率高，从角度大的地方剂量率低。在以电子直线加速器为X射线源的工业CT和辐射治疗中,往往要求X射线剂量率分布比较均匀,这就需要设计X射线均整器。X射线均整器设计一般是根据经验公式进行的。但由于很多因素都可能影响X射线剂量率角分布,比如靶的材料和厚度、靶和均整器中的次级电子及次级光子的作用、准直锥孔内壁对光子的多重反射、均整器与靶之间的距离等等,经验和理论公式难以全面考虑各种因素对X射线的影响。根据经验和理论公式设计出的均整器均整结果往往和设计值有较大偏差,一般需要反复调试、多次打磨才能得到较好的均整结果。因此,传统设计方法不易实现均整器的优化设计。MonteCarlo方法非常适于解决物质中粒子输运问题,可以用来模拟粒子与物质的相互作用,被称作“理论上的实验”。自MonteCarlo方法发明以来,由于其拥有很多解析方法所不能比拟的优点因而在粒子物理、数学、电子和辐射治疗等领域得到了广泛的应用。MCNP4B是一种通用MonteCarlo模拟程序。MCNP4B可模拟中子、光子、电子或者中子-光子-电子的耦合输运,能处理任意三维结构材料中的粒子输运问题。MCNP4B全面考虑了电子、光子和中子在物质中的各种主要的相互作用,能模拟能量为10μeV~20MeV范围内的中子和1keV~1GeV范围内的光子和电子。本文利用MCNP4B对电子和光子在靶和均整器等中的耦合输运进行模拟,实现X射线均整器的设计。1u3000设计了x射线剂量率为利用理论公式设计的均整器一般具有平滑的轮廓线,形状类似“馒头”,不便加工。事实上,一个平滑的“馒头式”均整器,可由若干锥台叠加来近似。因此,在利用MCNP4B设计均整器时,将均整器简化为由若干锥台加上一个圆盘底座构成(见图1),这将给均整器的设计和加工带来很大的方便。通过改变锥台的数目和调整每个锥台的斜率及高度,就可以改变均整后的X射线剂量率分布,从而得到满足不同平坦度和剂量利用率要求的均整器。假设要求0到±θ0角度范围内的X射线经过均整器后满足某平坦度要求,则均整器的MonteCarlo方法设计步骤如下:1)选择一种合适的均整材料(如不锈钢、铜等)。2)根据靶的材料和尺寸、束流参数等,利用MCNP4B模拟计算出均整前的X射线剂量率角分布情况。3)选取适当的底座厚度和尺寸,模拟计算出底座对X射线剂量率角分布的影响。4)根据均整要求以及步骤1)和2)中计算出的X射线剂量率,估算出均整后的不同角度处的X射线剂量率的期望值。5)设计第一个锥台。在底座上放置一个圆锥,调整其斜率,使得±θ0到±θ1(θ0>θ1)角度范围内的X射线剂量率满足均整要求且θ1尽量小。根据θ1求出第一个锥台的高度(切除圆锥的顶部)。6)设计第二个锥台。在第一个锥台上放置第二个圆锥,调整圆锥的斜率,使得±θ1到±θ2(θ1>θ2)角度范围内的X射线剂量率满足均整要求且θ2尽量小。根据θ2求出第一个锥台的高度。7)重复步骤6),设计第n个锥,直到0至±θ0角度范围X射线剂量率都满足均整要求。模拟计算表明,一般情况下锥台数目取不超过5个就足够了。若对均整后X射线剂量率平坦度要求较高,则相应的锥台数目也应较多,当然这还与均整材料有关。采用上述MonteCarlo方法所设计的医用6MeV电子直线加速器用X射线均整器,其加速器钨靶厚度为2.5mm,直径为10mm,均整材料为铜,均整器由一个圆盘底座和4个不同斜率的锥台叠加而成(结构示意图见图1)。当均整器底座平面距离靶点112mm(均整器顶部与靶点正对)时,均整前后的X射线相对剂量率角分布如图2a所示。根据医用电子加速器国家标准,6MeVX射线均整器的均整平坦度要求为:6MeVX射线经过均整器后,距靶1m处14°方向上的X射线剂量率不小于0°方向上的94%。从图2a上可看出:均整后,14°处的X射线剂量率约为0°处的97%,0°处的剂量率约为均整前的46%,满足国家标准,均整后的X射线剂量率分布很均匀且X射线剂量利用率较高。同样,对9MeV工业CT电子直线加速器用X射线均整器进行了设计,加速器钨靶厚度为3.5mm,直径为10mm,均整材料为不锈钢,均整器由2个锥台和一个底座构成。均整器底座平面距离靶点165mm,均整前后的X射线相对剂量率分布(η—θ)见图2b。图2参考Varian标准,工业CT用9MeVX射线均整器设计要求为:均整后距靶1m处7.5°方向上的X射线剂量率不小于0°处的65%。从图2(b)可以看出,均整后7.5°处的剂量率约为0°处的69%,0°处的剂量率约为均整前的72%,满足设计要求。MonteCarlo方法设计均整器时,不求解任何粒子输运方程,而是直接对每个粒子的行为进行模拟,因此,MonteCarlo方法设计均整器的过程,同时也是验证均整器是否满足要求的过程,故MonteCarlo方法能方便地实现均整器的优化设计,即能在满足均整平坦度要求的同时提高X射线的利用率。由于MonteCarlo方法是基于统计抽样的原理,因此在利用MonteCarlo程序系统设计均整器时应当采用合适的入射电子抽样数,才能保证计算结果比较准确而又不会花费太多的计算机时间。2测量结果与模拟计算结果比较利用上面设计的9MeV工业CT用电子直线加速器X射线均整器在未经任何打磨的情况直接进行了实验。均整器距离靶点165mm,测量均整前后的X射线相对剂量率角分布并与上面的模拟计算结果进行比较,见图3。从图3可以看出,测量结果与模拟计算结果符合得很好。在距靶1m处测得均整后0°处的剂量率约为均整前的74%,7.5°处的剂量率约为0°处的69%,满足Varian标准。3u3000x-ctp的均整器设计利用MonteCarlo方法能较方便的、准确的设计均整器。均整器可由若干锥台和一个圆盘底座构成,设计和加工都很简单。由于MonteCarlo模