用于高能微焦點工業CT的旋轉式輻射轉換靶研究

劉 宇，肖德鑫，李 鵬，周 征，周 奎，單李軍，張 鵬，沈旭明，胡棟材，王建新，吳 岱，楊興繁，黎 明，金 曉

(中國工程物理研究院 應用電子學研究所，四川 綿陽 621900)

高能X射線工業CT采用射線能量高、劑量大的電子直線加速器為射線源，具有穿透能力高、檢測工件尺寸大等優點，作為一種無損檢測和無損質量評價的重要手段[1-3]，對保障航空航天、國防工業科技、高端裝備制造等大型構件和大型裝備的質量檢測和制造工藝控制有重大價值[4-7]。目前，采用的電子直線加速器的高能工業CT系統X射線源焦點尺寸約1.5～2.0 mm，空間分辨率1.5～2.0 lp/mm，極大限制了CT圖像的空間分辨率和尺寸測量精度，阻礙了其在高端裝備上的應用。要解決高能工業CT大尺寸工件與高分辨率檢測的矛盾，并推動高能工業CT由缺陷檢測向精確測量應用的轉變，必須大幅提高高能工業CT的空間分辨率。高能微焦點工業CT系統射線源焦點尺寸≤100 μm，系統分辨率≥5 lp/mm，射線能量高、穿透能力強、圖像質量好，能滿足高密度材料微小結構檢測需求。

高能微焦點X射線源采用微焦斑電子打靶產生X射線，轉換效率低、轉換靶產熱率高，對X射線轉換靶的材料、厚度選擇以及冷卻方法提出了更高的要求。X射線產額與靶原子序數呈正比，一般采用高原子序數的材料作為軔致輻射靶材[8-10]。電子束與靶材相互作用過程中，電子束在軔致輻射靶上的光子產生與能量沉積同時發生。因此，對于一定入射能量的電子束存在具有最大轉換效率的靶材厚度[11-13]。對于常規電子直線加速器的輻射轉換靶(焦點尺寸1.5～2.0 mm)，可將靶材附加在高熱導率的基體上，對基體進行冷卻，通過流體媒質快速帶走多余的熱量，保持靶材處于合適溫度。高能、大劑量、微焦點X射線源中，電子束流強高、焦斑小，單位面積的靶材能量密度極高，流體媒質冷卻方法難以滿足靶材散熱要求，亟需發展出新的散熱結構。

本文設計用于6 MeV高能、大劑量、微焦點工業CT的X射線輻射轉換靶。轉換靶選取鎢為靶材，采用蒙特卡羅模擬方法優化及經驗公式優化靶材厚度，給出轉換靶產生X射線的劑量分布及能譜分布。對轉換靶采用高速旋轉冷卻方式，并進行冷卻結構設計及冷卻效果的有限元模擬。最后，在中國工程物理研究院應用電子學研究所高能微焦點工業CT驗證裝置上開展旋轉式輻射轉換靶的實驗，以證明旋轉式輻射轉換靶的有效性。

1 理論與熱力學分析

1.1 輻射轉化靶轉化效率分析

根據傳統的X射線輻射轉化靶的設計經驗，電子束打靶產生X射線的材料一般選擇高純度鎢，根據電子束能量不同，鎢靶厚度也不同。利用MCNP模擬程序，分析了6 MeV電子束打在不同厚度的鎢靶上產生的X射線能譜分布和光子數，如圖1所示。在0.511 MeV處，由于電子湮沒現象，譜線存在明顯能峰。

圖1 6 MeV電子束打在鎢靶上產生的光子數和能譜Fig.1 Photon number and energy spectrum produced by 6 MeV electron beam on tungsten target

從圖1可看出，從轉換效率的角度看，在模擬所用靶厚范圍內光子產額隨靶的厚度呈先上升后下降的趨勢。靶材厚度在0.5 mm時，光子產額較小，1.0～1.5 mm之間產額變化不大，轉換效率相對較高，隨著靶厚進一步增加，靶材對韌致輻射光子的吸收增加，導致最終光子產額降低。從能譜分布看，靶厚的增加會使出射X射線的最可幾能譜往高能端移動，但均集中在0.3～0.4 MeV能量區間。若只考慮輻射轉化效率，最佳靶厚在1 mm左右，但X射線源需避免出射的電子打壞探測器，因此選擇用3 mm厚的靶可有效降低出射電子能量，同時能保護靶后的鈦窗不被擊穿。

1.2 輻射轉換靶熱沉積分析

電子束轟擊鎢靶會在靶上沉積大量的熱量，微焦斑電子束在靶材單位面積上的熱量沉積極高，引起瞬時溫升過高，會使鎢靶熔化或汽化。高能高通量電子束穿透熔化后的鎢靶，則有可能將封真空的鈦窗擊穿，破壞加速器內的真空，導致加速器中毒，損壞整個裝置。因此，在轉換靶的設計中，需對輻射轉化靶的熱量沉積進行詳盡分析。

前期采用固定靶的實驗中，鎢靶厚度為3 mm，6 MeV的電子束轟擊在鎢靶上，其能量沉積采用蒙特卡羅計算軟件得到，如圖2所示。6 MeV電子束在鎢靶中傳輸1.5 mm后能量幾乎全部損失，前1 mm沉積了4 MeV的電子動能，后續0.5 mm沉積了0.5 MeV，總沉積能量約4.5 MeV，另有1 MeV的動能轉化為光子，0.5 MeV的能量則被鎢靶從入射面反射。電子束在鎢靶中傳輸的前1 mm，熱量沉積基本為線性，后續的0.5 mm在計算溫升時也假設為線性沉積。

圖2 6 MeV電子束沿傳輸方向在鎢靶中的總能量沉積Fig.2 Total energy deposition of 6 MeV electron beam in tungsten target along transmission direction

首先模擬轉換靶無旋轉(固定靶)的溫升情況，考慮中國工程物理研究院應用電子學研究所高能微焦點工業CT裝置的電子束參數(電子束能量6 MeV，宏脈沖長度5 ms，宏脈沖流強1.5 mA)，電子束打靶的熱量沉積計算結果列于表1。

表1 固定靶熱量沉積結果Table 1 Heat deposition result of fixed target

在1個宏脈沖時間(5 ms)內，通過熱傳導傳遞的熱量僅能達到半徑為0.1 mm的范圍，電子束轟擊范圍內局部靶體的溫度迅速上升，1.7×10-5s會上升至3 376 ℃，如圖3所示，接近鎢的熔化溫度，當脈沖時間更長時(加速器宏脈沖為5 ms)，鎢靶將被熔化。

圖3 固定鎢靶的瞬時溫升Fig.3 Instantaneous temperature rise of fixed tungsten target

再考慮轉換靶旋轉的情形。利用同樣的電子束參數，旋轉式輻射轉換靶的熱量沉積計算結果列于表2。

表2 旋轉靶熱量沉積結果Table 2 Heat deposition result of rotating target

轉換靶的高速旋轉使得1個宏脈沖內電子束轟擊靶材區域增加，熱量沉積密度減小。從圖4示出的模擬結果看，1個宏脈沖內靶材中心溫度上升到137 ℃(5 ms)，遠低于鎢(熔點3 422 ℃)的承受范圍，可保證鎢靶不融化。

圖4 旋轉鎢靶的瞬時溫升Fig.4 Instantaneous temperature rise of rotating tungsten target

最后考慮旋轉靶的穩態溫升。當旋轉靶正常時，電子束將均勻沉積在半徑75 mm、寬0.1 mm的環內，其面積為47.1 mm2，靶厚3 mm(熱量沉積為1.5 mm)，電子束重復頻率5 Hz，則鎢靶盤上沉積電子束功率為337.5 W，生熱率為3.58×109W/m3。若旋轉靶上沉積的熱量由中軸帶走，鎢靶片與中軸接觸位置溫度為22 ℃，模擬得到鎢靶片溫度平衡時，最高溫度為196 ℃。遠低于鎢靶的融化溫度，鎢靶可正常工作，如圖5所示。

圖5 穩態時鎢靶溫升Fig.5 Temperature rise of tungsten target at steady state

綜合以上分析可知，由于電子束焦點很小，會在鎢靶上產生很高的瞬時熱量。因此，采用旋轉靶的方式能緩解靶上微焦點帶來的局部發熱問題，也能使鎢靶的工作狀態遠離工程設計的極限。在相近的旋轉角速度和半徑下，束流每隔1個旋轉靶的旋轉周期，就可能轟擊在上次束流已轟擊的位置。因此，選擇旋轉靶的旋轉速度應避開電子束流宏脈沖的整倍數，才能使電子束在鎢靶盤的角向上涂抹均勻，達到保護旋轉鎢靶的目的。

2 旋轉靶設計

要產生微焦點電子束，電子束在打靶前聚焦，且瑞利長度很短(約1 cm)，任何非原位的電子束橫向尺寸測量將無法表征實際打靶尺寸，因此需對實際打靶位置的電子束尺寸進行測量，即原位測量。結合熱分析結果，開展了用于高能微焦點工業CT的旋轉式輻射轉換靶的設計工作。該旋轉靶系統主要由真空腔室、鎢靶盤、焦斑測量靶及其升降系統、平移機構、鎢靶盤旋轉系統等組成(圖6)。

圖6 旋轉靶結構示意圖Fig.6 Structure diagram of rotating target

升降系統連接焦斑測量YAG靶，在升降電機的驅動下，做垂直升降運動，分別在上、下兩個極限位置工作。鎢靶盤、磁流體密封軸與旋轉電機組成旋轉系統，在旋轉電機的驅動下，鎢靶盤以2 000 r/min的轉速勻速轉動。磁流體密封用于密封真空，漏率<1×10-11Pa·m3/s，是連接真空中靶盤和大氣中電機的旋轉軸。整個旋轉系統安裝在水平機構上可水平移動。測量電子束尺寸時旋轉靶移出，閃爍晶體(YAG材料)移入；當開展工業CT實驗時，YAG晶體移出，旋轉靶移入，正常工作時，旋轉靶分別在水平兩個極限位置。

3 靶點電子束尺寸原位測量

微焦點工業CT中電子束的目標尺寸小于100 μm，且電子束在經過強聚焦系統后，由于空間電荷效應會迅速發散，因此需在靶點位置進行束斑測量，同時對電子束尺寸原位測量系統的光學分辨率提出了高要求。橫向焦斑原位測量系統主要由超薄YAG靶、反射鏡和高分辨率電荷耦合器件(charge coupled device, CCD)相機組成，其中YAG靶厚度<30 μm，避免電子束在YAG靶中傳輸距離過長引起的焦斑測量誤差，與電子束軸線正交安裝，反射鏡在水平方向與電子束線呈45°角，CCD相機則與束線垂直。焦斑測量用的YAG靶在升降機構的驅動下，下降至下極限位置，經過強聚焦系統聚焦后的電子束垂直轟擊在YAG靶上，會產生熒光光斑，光斑經反射鏡反射至CCD上成像。通過測量YAG靶邊緣貼的坐標紙標準長度對應的像素，對CCD相機在YAG位置的成像分辨率進行標定，測量YAG靶上光斑在CCD相機上的成像大小，就可測量出電子束斑大小，如圖7所示。精細調整磁透鏡的聚焦強度，使電子束束斑大小滿足要求，然后緩慢提升焦斑測量YAG靶至上極限位置，平移靶盤至YAG靶位置。此時轟擊在鎢靶盤上的電子束焦斑大小與YAG靶上測量的熒光光斑的大小相同。靶盤可采用鎢、鉭、金等高原子序數材料，本文采用高純鎢作為靶盤，結構為圓盤形。

圖7 電子束束斑原位測量示意圖Fig.7 Schematic diagram of in-situ measurement of electron beam spot

高能微焦的電子束作用在鎢靶盤上會產生韌致輻射，從而獲得高能微焦點的X射線，此過程會有大量的熱沉積在鎢靶盤上的同一點，電子束長時間轟擊會灼穿鎢靶盤，因此采用電機驅動鎢靶盤高速旋轉，使電子束均勻地轟擊在鎢靶盤盤面上，達到散熱與保護鎢靶盤的目的。

真空腔室里的真空度約為1×10-6Pa，因此在鎢靶盤的后方設計1個50 μm厚的鈦窗，目的是隔離真空，更重要是盡可能減少對X射線的衰減，確保穿透鎢靶盤的電子束能透過鈦窗引入到空氣中，避免電子束再與其他金屬作用，產生二次韌致輻射，形成雜散X射線，影響后期CT成像的品質。

4 實驗結果

旋轉靶的驗證實驗在中國工程物理研究院的高能微焦點工業CT驗證裝置上進行，驗證實驗裝置主要由直流高壓電子槍、超導加速單元、強聚焦系統和旋轉靶組成，如圖8所示。電子束由直流高壓電子槍產生，經超導加速單元加速，其動能增加至6 MeV，再經過3個四極磁鐵組成的強聚焦系統，在旋轉靶位置被壓縮至直徑約100 μm，最后轟擊旋轉輻射轉換靶產生X射線。

圖8 高能微焦點工業CT裝置示意圖Fig.8 Schematic diagram of high-energy microfocus CT

采用測量貼在YAG靶邊緣的坐標紙標準長度的像素坐標對高清CCD在YAG靶位置的分辨率標定，CCD成像的分辨率為259.2像素/mm。分別調節強聚焦系統3個四極磁鐵電流，使YAG靶上的電子束焦斑聚焦至最小。同時，調節電子束宏脈沖長度避免YAG靶發光飽和，調節鏡頭光圈和CCD增益避免CCD成像飽和，最終通過CCD相機得到YAG靶上電子束聚焦后的束斑圖像。用軟件讀出圖像的像素位置和灰度，并根據上面的標定結果，可擬合出電子束焦斑的半高寬，如圖9所示，電子束焦斑尺寸為92 μm×123 μm。

圖9 原位測量的束流焦斑尺寸圖Fig.9 Beam spot size map in-situ measurement

在高能微焦點工業CT裝置上，相同工況下(電子束能量 6 MeV，流強1.5 mA，宏脈沖長度5 ms，焦斑100 μm)先后做了固定靶和旋轉靶打靶實驗，實驗結果如圖10所示。其中，固定靶上電子束打靶10 min后被熔化，熔化點直徑約0.02 mm。旋轉靶上電子束打靶后，完全能承受電子束轟擊，被電子束轟擊面無任何損傷。

圖10 固定靶和旋轉靶打靶實驗結果Fig.10 Experimental results of fixed target shooting and rotating target shooting

鎢靶盤沿軸向水平移動的重復定位精度與旋轉時鎢靶盤上焦點圓周的跳動度均采用百分表進行標定，其精度均控制在±0.5 mm內。初始電子束斑約10 mm，強聚焦系統與鎢靶盤上焦點距離為300 mm，經強聚焦后產生0.1 mm的電子束轟擊在鎢靶上，因此，鎢靶盤在±0.5 mm內的軸向變化不會對鎢靶盤上焦斑大小產生倍數上的影響，同時，鎢靶盤在200 ℃內的溫升的形變可忽略不計。

為進一步驗證高能微焦點工業CT的旋轉式輻射轉換靶性能，開展了X射線CT分辨率測試卡成像實驗，CT成像圓周連續掃描1 000幅投影圖像，單幀圖像1 s，單次CT掃描時間16.67 min，實驗過程中未出現異常。實驗效果如圖11所示，CT重建圖像可清晰分辨率5 lp/mm的絲徑(絲徑0.1 mm)，5 lp/mm調制度傳遞函數MFT高達30%。上述結果表明，采用了旋轉式輻射轉換靶的高能微焦點X射線CT系統的空間分辨能力優于100 μm。

a——輻射式旋轉靶CT系統分辨率測試卡實驗平臺；b——CT重建圖像；c——灰度分布曲線及MTF值

5 總結與展望

本文開展了一種用于高能微焦點工業CT的旋轉式輻射轉換靶的設計。熱沉積模擬分析結果以及實際的微焦點X射線成像實驗表明，旋轉式輻射轉換靶系統解決了當前實驗狀態下電子束熔化鎢靶的問題，能承受宏脈沖平均功率9 kW，局部功率密度為795 kW/mm2的電子束轟擊。設計的旋轉靶對6 MeV電子束有最優的X射線轉換效率，并能對電子束焦點進行原位測量。

針對未來采用更高能量、更大劑量的高能微焦點工業CT系統，還需對靶盤增加更大的冷卻量，以保證鎢靶盤的工作性能。目前，水冷旋轉靶系統已在設計進行中。由于該系統長期工作在大劑量的環境中，在后續水冷旋轉靶系統設計中，升降機構、旋轉機構和水平移動機構均應實現遠程控制，減少人員進入實驗場地的次數，避免實驗人員被輻照的危險。同時升降機構和水平移動機構之間應增設位置互鎖功能，避免鎢靶盤與YAG靶工作時發生碰撞，保證系統的安全性與可靠性。