x射線均整器的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

x射線均整器的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

由于中能源電子束發(fā)射器產(chǎn)生的x波具有很強(qiáng)的前向性，x波束劑的比例具有一定的角度分布，即從角度小的地方劑量率高，從角度大的地方劑量率低。在以電子直線加速器為X射線源的工業(yè)CT和輻射治療中,往往要求X射線劑量率分布比較均勻,這就需要設(shè)計(jì)X射線均整器。X射線均整器設(shè)計(jì)一般是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行的。但由于很多因素都可能影響X射線劑量率角分布,比如靶的材料和厚度、靶和均整器中的次級(jí)電子及次級(jí)光子的作用、準(zhǔn)直錐孔內(nèi)壁對(duì)光子的多重反射、均整器與靶之間的距離等等,經(jīng)驗(yàn)和理論公式難以全面考慮各種因素對(duì)X射線的影響。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和理論公式設(shè)計(jì)出的均整器均整結(jié)果往往和設(shè)計(jì)值有較大偏差,一般需要反復(fù)調(diào)試、多次打磨才能得到較好的均整結(jié)果。因此,傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法不易實(shí)現(xiàn)均整器的優(yōu)化設(shè)計(jì)。MonteCarlo方法非常適于解決物質(zhì)中粒子輸運(yùn)問(wèn)題,可以用來(lái)模擬粒子與物質(zhì)的相互作用,被稱作“理論上的實(shí)驗(yàn)”。自MonteCarlo方法發(fā)明以來(lái),由于其擁有很多解析方法所不能比擬的優(yōu)點(diǎn)因而在粒子物理、數(shù)學(xué)、電子和輻射治療等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。MCNP4B是一種通用MonteCarlo模擬程序。MCNP4B可模擬中子、光子、電子或者中子-光子-電子的耦合輸運(yùn),能處理任意三維結(jié)構(gòu)材料中的粒子輸運(yùn)問(wèn)題。MCNP4B全面考慮了電子、光子和中子在物質(zhì)中的各種主要的相互作用,能模擬能量為10μeV~20MeV范圍內(nèi)的中子和1keV~1GeV范圍內(nèi)的光子和電子。本文利用MCNP4B對(duì)電子和光子在靶和均整器等中的耦合輸運(yùn)進(jìn)行模擬,實(shí)現(xiàn)X射線均整器的設(shè)計(jì)。1u3000設(shè)計(jì)了x射線劑量率為利用理論公式設(shè)計(jì)的均整器一般具有平滑的輪廓線,形狀類似“饅頭”,不便加工。事實(shí)上,一個(gè)平滑的“饅頭式”均整器,可由若干錐臺(tái)疊加來(lái)近似。因此,在利用MCNP4B設(shè)計(jì)均整器時(shí),將均整器簡(jiǎn)化為由若干錐臺(tái)加上一個(gè)圓盤底座構(gòu)成(見(jiàn)圖1),這將給均整器的設(shè)計(jì)和加工帶來(lái)很大的方便。通過(guò)改變錐臺(tái)的數(shù)目和調(diào)整每個(gè)錐臺(tái)的斜率及高度,就可以改變均整后的X射線劑量率分布,從而得到滿足不同平坦度和劑量利用率要求的均整器。假設(shè)要求0到±θ0角度范圍內(nèi)的X射線經(jīng)過(guò)均整器后滿足某平坦度要求,則均整器的MonteCarlo方法設(shè)計(jì)步驟如下:1)選擇一種合適的均整材料(如不銹鋼、銅等)。2)根據(jù)靶的材料和尺寸、束流參數(shù)等,利用MCNP4B模擬計(jì)算出均整前的X射線劑量率角分布情況。3)選取適當(dāng)?shù)牡鬃穸群统叽?模擬計(jì)算出底座對(duì)X射線劑量率角分布的影響。4)根據(jù)均整要求以及步驟1)和2)中計(jì)算出的X射線劑量率,估算出均整后的不同角度處的X射線劑量率的期望值。5)設(shè)計(jì)第一個(gè)錐臺(tái)。在底座上放置一個(gè)圓錐,調(diào)整其斜率,使得±θ0到±θ1(θ0>θ1)角度范圍內(nèi)的X射線劑量率滿足均整要求且θ1盡量小。根據(jù)θ1求出第一個(gè)錐臺(tái)的高度(切除圓錐的頂部)。6)設(shè)計(jì)第二個(gè)錐臺(tái)。在第一個(gè)錐臺(tái)上放置第二個(gè)圓錐,調(diào)整圓錐的斜率,使得±θ1到±θ2(θ1>θ2)角度范圍內(nèi)的X射線劑量率滿足均整要求且θ2盡量小。根據(jù)θ2求出第一個(gè)錐臺(tái)的高度。7)重復(fù)步驟6),設(shè)計(jì)第n個(gè)錐,直到0至±θ0角度范圍X射線劑量率都滿足均整要求。模擬計(jì)算表明,一般情況下錐臺(tái)數(shù)目取不超過(guò)5個(gè)就足夠了。若對(duì)均整后X射線劑量率平坦度要求較高,則相應(yīng)的錐臺(tái)數(shù)目也應(yīng)較多,當(dāng)然這還與均整材料有關(guān)。采用上述MonteCarlo方法所設(shè)計(jì)的醫(yī)用6MeV電子直線加速器用X射線均整器,其加速器鎢靶厚度為2.5mm,直徑為10mm,均整材料為銅,均整器由一個(gè)圓盤底座和4個(gè)不同斜率的錐臺(tái)疊加而成(結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1)。當(dāng)均整器底座平面距離靶點(diǎn)112mm(均整器頂部與靶點(diǎn)正對(duì))時(shí),均整前后的X射線相對(duì)劑量率角分布如圖2a所示。根據(jù)醫(yī)用電子加速器國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),6MeVX射線均整器的均整平坦度要求為:6MeVX射線經(jīng)過(guò)均整器后,距靶1m處14°方向上的X射線劑量率不小于0°方向上的94%。從圖2a上可看出:均整后,14°處的X射線劑量率約為0°處的97%,0°處的劑量率約為均整前的46%,滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),均整后的X射線劑量率分布很均勻且X射線劑量利用率較高。同樣,對(duì)9MeV工業(yè)CT電子直線加速器用X射線均整器進(jìn)行了設(shè)計(jì),加速器鎢靶厚度為3.5mm,直徑為10mm,均整材料為不銹鋼,均整器由2個(gè)錐臺(tái)和一個(gè)底座構(gòu)成。均整器底座平面距離靶點(diǎn)165mm,均整前后的X射線相對(duì)劑量率分布(η—θ)見(jiàn)圖2b。圖2參考Varian標(biāo)準(zhǔn),工業(yè)CT用9MeVX射線均整器設(shè)計(jì)要求為:均整后距靶1m處7.5°方向上的X射線劑量率不小于0°處的65%。從圖2(b)可以看出,均整后7.5°處的劑量率約為0°處的69%,0°處的劑量率約為均整前的72%,滿足設(shè)計(jì)要求。MonteCarlo方法設(shè)計(jì)均整器時(shí),不求解任何粒子輸運(yùn)方程,而是直接對(duì)每個(gè)粒子的行為進(jìn)行模擬,因此,MonteCarlo方法設(shè)計(jì)均整器的過(guò)程,同時(shí)也是驗(yàn)證均整器是否滿足要求的過(guò)程,故MonteCarlo方法能方便地實(shí)現(xiàn)均整器的優(yōu)化設(shè)計(jì),即能在滿足均整平坦度要求的同時(shí)提高X射線的利用率。由于MonteCarlo方法是基于統(tǒng)計(jì)抽樣的原理,因此在利用MonteCarlo程序系統(tǒng)設(shè)計(jì)均整器時(shí)應(yīng)當(dāng)采用合適的入射電子抽樣數(shù),才能保證計(jì)算結(jié)果比較準(zhǔn)確而又不會(huì)花費(fèi)太多的計(jì)算機(jī)時(shí)間。2測(cè)量結(jié)果與模擬計(jì)算結(jié)果比較利用上面設(shè)計(jì)的9MeV工業(yè)CT用電子直線加速器X射線均整器在未經(jīng)任何打磨的情況直接進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。均整器距離靶點(diǎn)165mm,測(cè)量均整前后的X射線相對(duì)劑量率角分布并與上面的模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較,見(jiàn)圖3。從圖3可以看出,測(cè)量結(jié)果與模擬計(jì)算結(jié)果符合得很好。在距靶1m處測(cè)得均整后0°處的劑量率約為均整前的74%,7.5°處的劑量率約為0°處的69%,滿足Varian標(biāo)準(zhǔn)。3u3000x-ctp的均整器設(shè)計(jì)利用MonteCarlo方法能較方便的、準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)均整器。均整器可由若干錐臺(tái)和一個(gè)圓盤底座構(gòu)成,設(shè)計(jì)和加工都很簡(jiǎn)單。由于MonteCarlo模