用于高能微焦点工业CT的旋转式辐射转换靶研究

刘 宇，肖德鑫，李 鹏，周 征，周 奎，单李军，张 鹏，沈旭明，胡栋材，王建新，吴 岱，杨兴繁，黎 明，金 晓

(中国工程物理研究院 应用电子学研究所，四川 绵阳 621900)

高能X射线工业CT采用射线能量高、剂量大的电子直线加速器为射线源，具有穿透能力高、检测工件尺寸大等优点，作为一种无损检测和无损质量评价的重要手段[1-3]，对保障航空航天、国防工业科技、高端装备制造等大型构件和大型装备的质量检测和制造工艺控制有重大价值[4-7]。目前，采用的电子直线加速器的高能工业CT系统X射线源焦点尺寸约1.5～2.0 mm，空间分辨率1.5～2.0 lp/mm，极大限制了CT图像的空间分辨率和尺寸测量精度，阻碍了其在高端装备上的应用。要解决高能工业CT大尺寸工件与高分辨率检测的矛盾，并推动高能工业CT由缺陷检测向精确测量应用的转变，必须大幅提高高能工业CT的空间分辨率。高能微焦点工业CT系统射线源焦点尺寸≤100 μm，系统分辨率≥5 lp/mm，射线能量高、穿透能力强、图像质量好，能满足高密度材料微小结构检测需求。

高能微焦点X射线源采用微焦斑电子打靶产生X射线，转换效率低、转换靶产热率高，对X射线转换靶的材料、厚度选择以及冷却方法提出了更高的要求。X射线产额与靶原子序数呈正比，一般采用高原子序数的材料作为轫致辐射靶材[8-10]。电子束与靶材相互作用过程中，电子束在轫致辐射靶上的光子产生与能量沉积同时发生。因此，对于一定入射能量的电子束存在具有最大转换效率的靶材厚度[11-13]。对于常规电子直线加速器的辐射转换靶(焦点尺寸1.5～2.0 mm)，可将靶材附加在高热导率的基体上，对基体进行冷却，通过流体媒质快速带走多余的热量，保持靶材处于合适温度。高能、大剂量、微焦点X射线源中，电子束流强高、焦斑小，单位面积的靶材能量密度极高，流体媒质冷却方法难以满足靶材散热要求，亟需发展出新的散热结构。

本文设计用于6 MeV高能、大剂量、微焦点工业CT的X射线辐射转换靶。转换靶选取钨为靶材，采用蒙特卡罗模拟方法优化及经验公式优化靶材厚度，给出转换靶产生X射线的剂量分布及能谱分布。对转换靶采用高速旋转冷却方式，并进行冷却结构设计及冷却效果的有限元模拟。最后，在中国工程物理研究院应用电子学研究所高能微焦点工业CT验证装置上开展旋转式辐射转换靶的实验，以证明旋转式辐射转换靶的有效性。

1 理论与热力学分析

1.1 辐射转化靶转化效率分析

根据传统的X射线辐射转化靶的设计经验，电子束打靶产生X射线的材料一般选择高纯度钨，根据电子束能量不同，钨靶厚度也不同。利用MCNP模拟程序，分析了6 MeV电子束打在不同厚度的钨靶上产生的X射线能谱分布和光子数，如图1所示。在0.511 MeV处，由于电子湮没现象，谱线存在明显能峰。

图1 6 MeV电子束打在钨靶上产生的光子数和能谱Fig.1 Photon number and energy spectrum produced by 6 MeV electron beam on tungsten target

从图1可看出，从转换效率的角度看，在模拟所用靶厚范围内光子产额随靶的厚度呈先上升后下降的趋势。靶材厚度在0.5 mm时，光子产额较小，1.0～1.5 mm之间产额变化不大，转换效率相对较高，随着靶厚进一步增加，靶材对韧致辐射光子的吸收增加，导致最终光子产额降低。从能谱分布看，靶厚的增加会使出射X射线的最可几能谱往高能端移动，但均集中在0.3～0.4 MeV能量区间。若只考虑辐射转化效率，最佳靶厚在1 mm左右，但X射线源需避免出射的电子打坏探测器，因此选择用3 mm厚的靶可有效降低出射电子能量，同时能保护靶后的钛窗不被击穿。

1.2 辐射转换靶热沉积分析

电子束轰击钨靶会在靶上沉积大量的热量，微焦斑电子束在靶材单位面积上的热量沉积极高，引起瞬时温升过高，会使钨靶熔化或汽化。高能高通量电子束穿透熔化后的钨靶，则有可能将封真空的钛窗击穿，破坏加速器内的真空，导致加速器中毒，损坏整个装置。因此，在转换靶的设计中，需对辐射转化靶的热量沉积进行详尽分析。

前期采用固定靶的实验中，钨靶厚度为3 mm，6 MeV的电子束轰击在钨靶上，其能量沉积采用蒙特卡罗计算软件得到，如图2所示。6 MeV电子束在钨靶中传输1.5 mm后能量几乎全部损失，前1 mm沉积了4 MeV的电子动能，后续0.5 mm沉积了0.5 MeV，总沉积能量约4.5 MeV，另有1 MeV的动能转化为光子，0.5 MeV的能量则被钨靶从入射面反射。电子束在钨靶中传输的前1 mm，热量沉积基本为线性，后续的0.5 mm在计算温升时也假设为线性沉积。

图2 6 MeV电子束沿传输方向在钨靶中的总能量沉积Fig.2 Total energy deposition of 6 MeV electron beam in tungsten target along transmission direction

首先模拟转换靶无旋转(固定靶)的温升情况，考虑中国工程物理研究院应用电子学研究所高能微焦点工业CT装置的电子束参数(电子束能量6 MeV，宏脉冲长度5 ms，宏脉冲流强1.5 mA)，电子束打靶的热量沉积计算结果列于表1。

表1 固定靶热量沉积结果Table 1 Heat deposition result of fixed target

在1个宏脉冲时间(5 ms)内，通过热传导传递的热量仅能达到半径为0.1 mm的范围，电子束轰击范围内局部靶体的温度迅速上升，1.7×10-5s会上升至3 376 ℃，如图3所示，接近钨的熔化温度，当脉冲时间更长时(加速器宏脉冲为5 ms)，钨靶将被熔化。

图3 固定钨靶的瞬时温升Fig.3 Instantaneous temperature rise of fixed tungsten target

再考虑转换靶旋转的情形。利用同样的电子束参数，旋转式辐射转换靶的热量沉积计算结果列于表2。

表2 旋转靶热量沉积结果Table 2 Heat deposition result of rotating target

转换靶的高速旋转使得1个宏脉冲内电子束轰击靶材区域增加，热量沉积密度减小。从图4示出的模拟结果看，1个宏脉冲内靶材中心温度上升到137 ℃(5 ms)，远低于钨(熔点3 422 ℃)的承受范围，可保证钨靶不融化。

图4 旋转钨靶的瞬时温升Fig.4 Instantaneous temperature rise of rotating tungsten target

最后考虑旋转靶的稳态温升。当旋转靶正常时，电子束将均匀沉积在半径75 mm、宽0.1 mm的环内，其面积为47.1 mm2，靶厚3 mm(热量沉积为1.5 mm)，电子束重复频率5 Hz，则钨靶盘上沉积电子束功率为337.5 W，生热率为3.58×109W/m3。若旋转靶上沉积的热量由中轴带走，钨靶片与中轴接触位置温度为22 ℃，模拟得到钨靶片温度平衡时，最高温度为196 ℃。远低于钨靶的融化温度，钨靶可正常工作，如图5所示。

图5 稳态时钨靶温升Fig.5 Temperature rise of tungsten target at steady state

综合以上分析可知，由于电子束焦点很小，会在钨靶上产生很高的瞬时热量。因此，采用旋转靶的方式能缓解靶上微焦点带来的局部发热问题，也能使钨靶的工作状态远离工程设计的极限。在相近的旋转角速度和半径下，束流每隔1个旋转靶的旋转周期，就可能轰击在上次束流已轰击的位置。因此，选择旋转靶的旋转速度应避开电子束流宏脉冲的整倍数，才能使电子束在钨靶盘的角向上涂抹均匀，达到保护旋转钨靶的目的。

2 旋转靶设计

要产生微焦点电子束，电子束在打靶前聚焦，且瑞利长度很短(约1 cm)，任何非原位的电子束横向尺寸测量将无法表征实际打靶尺寸，因此需对实际打靶位置的电子束尺寸进行测量，即原位测量。结合热分析结果，开展了用于高能微焦点工业CT的旋转式辐射转换靶的设计工作。该旋转靶系统主要由真空腔室、钨靶盘、焦斑测量靶及其升降系统、平移机构、钨靶盘旋转系统等组成(图6)。

图6 旋转靶结构示意图Fig.6 Structure diagram of rotating target

升降系统连接焦斑测量YAG靶，在升降电机的驱动下，做垂直升降运动，分别在上、下两个极限位置工作。钨靶盘、磁流体密封轴与旋转电机组成旋转系统，在旋转电机的驱动下，钨靶盘以2 000 r/min的转速匀速转动。磁流体密封用于密封真空，漏率<1×10-11Pa·m3/s，是连接真空中靶盘和大气中电机的旋转轴。整个旋转系统安装在水平机构上可水平移动。测量电子束尺寸时旋转靶移出，闪烁晶体(YAG材料)移入；当开展工业CT实验时，YAG晶体移出，旋转靶移入，正常工作时，旋转靶分别在水平两个极限位置。

3 靶点电子束尺寸原位测量

微焦点工业CT中电子束的目标尺寸小于100 μm，且电子束在经过强聚焦系统后，由于空间电荷效应会迅速发散，因此需在靶点位置进行束斑测量，同时对电子束尺寸原位测量系统的光学分辨率提出了高要求。横向焦斑原位测量系统主要由超薄YAG靶、反射镜和高分辨率电荷耦合器件(charge coupled device, CCD)相机组成，其中YAG靶厚度<30 μm，避免电子束在YAG靶中传输距离过长引起的焦斑测量误差，与电子束轴线正交安装，反射镜在水平方向与电子束线呈45°角，CCD相机则与束线垂直。焦斑测量用的YAG靶在升降机构的驱动下，下降至下极限位置，经过强聚焦系统聚焦后的电子束垂直轰击在YAG靶上，会产生荧光光斑，光斑经反射镜反射至CCD上成像。通过测量YAG靶边缘贴的坐标纸标准长度对应的像素，对CCD相机在YAG位置的成像分辨率进行标定，测量YAG靶上光斑在CCD相机上的成像大小，就可测量出电子束斑大小，如图7所示。精细调整磁透镜的聚焦强度，使电子束束斑大小满足要求，然后缓慢提升焦斑测量YAG靶至上极限位置，平移靶盘至YAG靶位置。此时轰击在钨靶盘上的电子束焦斑大小与YAG靶上测量的荧光光斑的大小相同。靶盘可采用钨、钽、金等高原子序数材料，本文采用高纯钨作为靶盘，结构为圆盘形。

图7 电子束束斑原位测量示意图Fig.7 Schematic diagram of in-situ measurement of electron beam spot

高能微焦的电子束作用在钨靶盘上会产生韧致辐射，从而获得高能微焦点的X射线，此过程会有大量的热沉积在钨靶盘上的同一点，电子束长时间轰击会灼穿钨靶盘，因此采用电机驱动钨靶盘高速旋转，使电子束均匀地轰击在钨靶盘盘面上，达到散热与保护钨靶盘的目的。

真空腔室里的真空度约为1×10-6Pa，因此在钨靶盘的后方设计1个50 μm厚的钛窗，目的是隔离真空，更重要是尽可能减少对X射线的衰减，确保穿透钨靶盘的电子束能透过钛窗引入到空气中，避免电子束再与其他金属作用，产生二次韧致辐射，形成杂散X射线，影响后期CT成像的品质。

4 实验结果

旋转靶的验证实验在中国工程物理研究院的高能微焦点工业CT验证装置上进行，验证实验装置主要由直流高压电子枪、超导加速单元、强聚焦系统和旋转靶组成，如图8所示。电子束由直流高压电子枪产生，经超导加速单元加速，其动能增加至6 MeV，再经过3个四极磁铁组成的强聚焦系统，在旋转靶位置被压缩至直径约100 μm，最后轰击旋转辐射转换靶产生X射线。

图8 高能微焦点工业CT装置示意图Fig.8 Schematic diagram of high-energy microfocus CT

采用测量贴在YAG靶边缘的坐标纸标准长度的像素坐标对高清CCD在YAG靶位置的分辨率标定，CCD成像的分辨率为259.2像素/mm。分别调节强聚焦系统3个四极磁铁电流，使YAG靶上的电子束焦斑聚焦至最小。同时，调节电子束宏脉冲长度避免YAG靶发光饱和，调节镜头光圈和CCD增益避免CCD成像饱和，最终通过CCD相机得到YAG靶上电子束聚焦后的束斑图像。用软件读出图像的像素位置和灰度，并根据上面的标定结果，可拟合出电子束焦斑的半高宽，如图9所示，电子束焦斑尺寸为92 μm×123 μm。

图9 原位测量的束流焦斑尺寸图Fig.9 Beam spot size map in-situ measurement

在高能微焦点工业CT装置上，相同工况下(电子束能量 6 MeV，流强1.5 mA，宏脉冲长度5 ms，焦斑100 μm)先后做了固定靶和旋转靶打靶实验，实验结果如图10所示。其中，固定靶上电子束打靶10 min后被熔化，熔化点直径约0.02 mm。旋转靶上电子束打靶后，完全能承受电子束轰击，被电子束轰击面无任何损伤。

图10 固定靶和旋转靶打靶实验结果Fig.10 Experimental results of fixed target shooting and rotating target shooting

钨靶盘沿轴向水平移动的重复定位精度与旋转时钨靶盘上焦点圆周的跳动度均采用百分表进行标定，其精度均控制在±0.5 mm内。初始电子束斑约10 mm，强聚焦系统与钨靶盘上焦点距离为300 mm，经强聚焦后产生0.1 mm的电子束轰击在钨靶上，因此，钨靶盘在±0.5 mm内的轴向变化不会对钨靶盘上焦斑大小产生倍数上的影响，同时，钨靶盘在200 ℃内的温升的形变可忽略不计。

为进一步验证高能微焦点工业CT的旋转式辐射转换靶性能，开展了X射线CT分辨率测试卡成像实验，CT成像圆周连续扫描1 000幅投影图像，单帧图像1 s，单次CT扫描时间16.67 min，实验过程中未出现异常。实验效果如图11所示，CT重建图像可清晰分辨率5 lp/mm的丝径(丝径0.1 mm)，5 lp/mm调制度传递函数MFT高达30%。上述结果表明，采用了旋转式辐射转换靶的高能微焦点X射线CT系统的空间分辨能力优于100 μm。

a——辐射式旋转靶CT系统分辨率测试卡实验平台；b——CT重建图像；c——灰度分布曲线及MTF值

5 总结与展望

本文开展了一种用于高能微焦点工业CT的旋转式辐射转换靶的设计。热沉积模拟分析结果以及实际的微焦点X射线成像实验表明，旋转式辐射转换靶系统解决了当前实验状态下电子束熔化钨靶的问题，能承受宏脉冲平均功率9 kW，局部功率密度为795 kW/mm2的电子束轰击。设计的旋转靶对6 MeV电子束有最优的X射线转换效率，并能对电子束焦点进行原位测量。

针对未来采用更高能量、更大剂量的高能微焦点工业CT系统，还需对靶盘增加更大的冷却量，以保证钨靶盘的工作性能。目前，水冷旋转靶系统已在设计进行中。由于该系统长期工作在大剂量的环境中，在后续水冷旋转靶系统设计中，升降机构、旋转机构和水平移动机构均应实现远程控制，减少人员进入实验场地的次数，避免实验人员被辐照的危险。同时升降机构和水平移动机构之间应增设位置互锁功能，避免钨靶盘与YAG靶工作时发生碰撞，保证系统的安全性与可靠性。