（计算机应用技术专业论文）超小型x光机的实用化研究.pdf

太原理工大学硕十研究生学位论文 超小型x 光机的实用化研究 摘要 超小型x 光机广泛应用于无损检测领域，它适用于邮局、车站、及大 型活动等场所的安全检测，也可以应用于城镇和社区的基层医院进行医疗 检测。笔者在文中结合小型x 光机的发展现状及趋势，对一种便携式小型 x 光机进行了研究和改进。 首先，阐述了研究的背景和研究的目的与意义。目前在世界范围安全 问题受到各国的广泛重视，采用x 射线进行安全检测成为必不可少的手段 之一。本课题致力于研究一种更加易于应用的便携式小型x 光机，为工程 应用、安全检测等领域提供有力的支持。 其次，从原理的角度简要介绍了x 射线的特性、防护；x 射线的产生； x 光机的组成；以及x 射线管和直流高压。并介绍了控制电路中用到的单 片机的特点。 然后，分别描述了直流高压发生器控制电路的设计和灯丝控制电路的 设计。控制电路采用以单片机为核心的嵌入式系统，不仅减小了系统的体 积，也为整个系统的进一步智能化奠定了基础。在实验中，重点对几种高 压发生器的驱动电路的实验数据及应用效果进行了细致比较。最终采用的 驱动电路已达到x 光机实际应用的要求。 最后，按照模块化的设计思想，对本课题研究的超小型x 光机进行模 块化的结构设计。依据控制电路的实验数据对该产品进行调试。针对系统 的调试结果，对控制电路以及超小型x 光机的机构进行了改进和完善。这 些结构和工艺上的改进简化了系统的布局，使系统组成更为紧凑，极大地 提高了它的便携性能。 在整个研究过程中，获得了一项实用新型专利。开发成功的产品样机 已经被一直支持此项研究的日立公司试用，取得了很好的效果。 太原理r ：大学硕十研究生学位论文 关键词：x 光机，高压，射线，微控制器 i i 太原理【：大学硕士研究生学位论文 t h ep r a c t i c a lr e s e a r c ho fu l t r a m i n i x r a ym a c h i n e a b s t r a c t t h em i n ix - r a ym a c h i n ei se m p l o y e dw i d e l yi nt h ef i e l do fn o n d e s t r u c t i v e t e s t i n g i tc a nb ea p p l i e dn o to n l yi nt h es a f e t yd e t e c t i o no f p o s to f f i c e ，b u ss t o p ， l a r g e s c a l em o v e m e n t , b u ta l s oi nt h et o w n a n dc o m m u n i t yf o rt h eb a s i cm e d i c a l t r e a t m e n to ft h eg r a s sr o o t s t h ew r i t e rm a d es t u d ya n di m p r o v e m e n to nm i n i p o r t a b l ex r a ym a c h i n ew i t ht h er e f e r e n c eo fi t sa c t u a l i t ya n d t r e n d t h et h e s i sf a l l si n t of o u r p a r t s c h a p t e ro n es e r v e sa sab r i e fi n t r o d u c t i o nt os t a t et h ec u r r e n ts i t u a t i o no f u l t r a - m i n ix r a ym a c h i n e sr e s e a r c hb o t ha th o m ea n da b r o a d i tt h e ni n v o l v e s t h ep u r p o s ea n ds i g n i f i c a n c eo ft h i sr e s e a r c h n o w a d a y s ，t h ep r o b l e mo fs a f e t y h a sb e e nd r a w i n ga t t e n t i o ni nd i f f e r e n tc o u n t r i e s i nt h i sc a s e ，x r a ym a c h i n e h a sb e c o m eo n eo ft h en e c e s s a r ym e a n si nt h es a f e t yd e t e c t i o n w i t ht h e s i t u a t i o na b o v e - m e n t i o n e d t h ea i mo ft h i sr e s e a r c hi st oe x c o g i t a t eak i n do f m i n i - x r a ym a c h i n e ，w h i c hi sp o r t a b l e ，a n dm a k ep o w e r f u lc o n t r i b u t i o ni nt h e f i e l do f e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o na n ds a f e t yd e t e c t i o n c h a p t e rt w og i v e sab r i e fi n t r o d u c t i o nt ot h ep r o p e r t ya n dp r o t e c t i o no f x - r a y t h ep r o d u c t i o no f x - r a y , t h ec o m p o n e n to f x - r a ym a c h i n e ，x - r a yd u c t ， t h ed i r e c tc u r r e n tp r e s s u r ea n dt h ec h a r a c t e r i s t i co fs i n g l e c h i pp r o c e s s o r e m p l o y e di nc o n t r o lc i r c u i ta r ei l l u s t r a t e da st h eb a c k g r o u n di n f o r m a t i o nf o rt h e l a t e re l a b o r a t i o n ss a k e c h a p t e rt h r e ed e a l sw i m t h ed e s i g nf o rt h ec u r r e n tc o n t r o lc i r c u i to fd i r e c t c u r r e n tg e n e r a t o ra n dc o n t r o l l i n gf i l a m e n t t h e nm a k ead e s c r i p t i o no ft h e e x p e r i m e n ti nd e t a i l s i nt h i sc h a p t e rt h ed e s i g na n da p p l i c a t i o no fa c t u a t i n g 太原理i ：人学硕十研究生学位论文 c i r c u i to fh i 【曲v o l t a g eg e n e r a t o ra r ep r e s e n t e d t h es i n g l ec h i pp r o c e s s o ri st h e c o r eo fi n b u i l ts y s t e me m p l o y e di nc u r r e n tc o n t r o lc i r c u i t ，i nt h i sw a yt h e v o l u m eo ft h es y s t e mh a sb e e nm i n i s h e da n dag o o df o u n d a t i o nf o rt h e i n t e l l i g e n t i z a t i o n o ft h ew h o l es y s t e mh a sb e e ns e t i nt h ee x p e r i m e n t t h e r e s e a r c h e rm a d em e t i c u l o u sc o m p a r i s o no nt h ee x p e r i m e n t a ld a t au n d e rt h e e f f e c to ft h ea c t u a t i n gc i r c u i te m p l o y e di nt h eh i 曲v o l t a g eg e n e r a t o r t h er e s u l t i st h a tt h ea d o p t i o no fa c t u a t i n gc i r c u i tm e e t st h ep r a c t i c a ln e e d so ft h ex - r a y m a c h i n e c h a p t e r f o u rd e a l sw i t ht h em o d u l a r i z e dd e s i g nf o r t h ec o m p o s eo f u l t r a m i n ix r a ym a c h i n eo nt h eb a s i so ft h ec o n c e p to fm o d u l a r i z e dd e s i g n t h e nt h ep r o d u c t i o nw o u l db ed e b u g g e da c c o r d i n gt oe x p e r i m e n t a ld a t a o b t a i n e di nt h ee x p e r i m e n ti no r d e rt h a tt h eu l t r a - m i n ix r a ym a c h i n ea n d c o n t r o l l i n gc i r c u i tw o u l db ei m p r o v e da n dp e r f e c t e d ，i nw h i c hw a y t h ea s s u m e e f f e c tw o u l db em e l i o r a t e d i nt h i sw a y , t h ei m p r o v e m e n to ft h es t r u c t u r ea n d t e c h i n i c sp r e d i g e s t e dt h ed i s t r i b u t i o no ft h es y s t e m ，m a d et h es y s t e mc o m p a c t a n da d v a n c e dt h ep o r t a b l ec a p a b i l i t yo f t h ep r o d u c t c h a p t e rf i v ed r a wac o n c l u s i o no f t h ew h o l et h e s i s i nt h ep r o c e s so ft h ew h o l er e s e a r c h ，t h ep r a c t i c a la n dl a t e - m o d e lp a t e n th a s b e e na c h i e v e d t h es u c c e s s f u l l yd e v e l o p e ds a m p l eh a sb e e na p p l i e db yh i t a c h i ， w h i c hh a sb e e ns u p p o r t i n gt h er e s e a r c h ，i nj a p a na n dh a sb e e np r o v e dt ob e e n e f f 色c t i v ea n de x c e l l e n t k e y w o r d s ：x - r a ym a c h i n e ，h i g hv o l t a g e ，r a y ，m i c r o c o n t r o l l e r i v 太原理r 人学硕十研究生学位论文 符号说明 意义 单位 射线吸收剂量 c , y 】 射线吸收剂量率【g y s 】 射线当量剂量【s v 】 穿透电流 m a 】 饱和压降 v 】 栅极电压【v 】 漏极电流【a 】 导通电阻田】 漏源电压d r 最高工作频率【嘲 限流电阻【啊 电路中被测点a 点电压【v 】 电路中被测点b 点电压【v 】 电路中被测点c 点电压d r 电路中被测点d 点电压【v 】 电路中被测点e 点电压m 电路中被测点小点电压【v 】 电路中被测点o u t 点电压i v 元素的原子序数 x 射线管产生x 射线能量的效率 元素的吸收系数 v 艏dq胃kb魄岛腿u啦岫z。 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外。本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：王叁鲞e t l t l l ：婴：望 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定。其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的。 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) o 签名：至盎塑日期： 导师签名： 厉唬程 太原理t ：人学硕十研究生学何论文 第一章序论 1 1 研究的相关背景、目的及意义 i i i 小型x 光机的相关背景 当前，在世晃范围安全问题被提到很重要的位置，国际、国内很多公司都相继开发 了安全检测装置，特别是x 光机更是得到广泛应用。但是，目前市场上的大部分产品是 适用于保安、海关等部门安全检查的大型设备，价格都很昂贵，不利于推广应用。 除应用于无损检测领域之外，它还适用于邮局、车站、及大型活动等场所的安全检 测，也可以应用于城镇和社区的基层医院进行医疗检测。笔者在文中结合小型x 光机的 发展现状及趋势，对一种便携式小型x 光机进行了研究和改进。 i 1 2 国内外的研究现状 近年来，国内外在x 光机的研究现状及未来趋势。一是x 光机的分类更细，专业 性更强，特别是在x 射线无损检测设备方面，更突出地体现了这一点。例如国内公司生 产的钢管无损检测系列机，针对不同类型的钢管设计生产了多种检测机。i l l 【2 】 二是x 射线光源的研究发展。传统的x 射线光源，都是由x 射线管中的热电子撞 击金属靶产生的。2 0 0 4 年i e i 本公司成功开发出可以置于人体内的微型x 射线源，采用 了从超微细的碳纳管发出的电子，使得x 射线机微型化成为可能。例 三是x 光机的直接数字化趋向。当今时代是个数字化的时代，在x 光机上主要体 现在：x 光机控制的数字化及与计算机的连接，另外一个重要表现就是x 光机图象数字 化，这将推进x 光机进入一个无胶片时代。 目前在该领域存在的主要问题是：1 ) 小型x 光机，大多是工业探伤型的，而且价 格都在十几到几十万；2 ) 在邮局、车站、及大型活动场很少见到便携式的机型。 1 1 3 课题研究的目的及意义 本课题所研究的x 光机将在日本日立公司提供的小型x 光机的基础上改进，并做 进一步的数字化研究。新的产品在小型物品的的检测方面具有优势，且价格低廉，便于 推广。 太原理t ：人学硕十研究生学位论文 此外，在无损检测领域，采用x 射线进行检测是必不可少的手段。多年来的研究积 累，使得我们具有了利用x 射线进行无损检测的方法和手段，也具备了制造性价比好的 x 光机。研究制造一种更加易于应用的小型x 光机，为国民经济及社会安全提供良好的 手段即是本研究的意义所在。 1 2 论文的构成 第二章首先对x 射线的光谱、衰减吸收、散射以及计量和防护做了简单介绍，接着 介绍了x 光机的结构以及x 射线的产生原理。 第三章描述了直流高压发生器控制电路的设计和灯丝控制电路的设计。并分别进行 在系统实验，取得实验数据。其中重点介绍了高压发生器的驱动电路设计及应用比较。 第四章从按照模块化的设计思想，对本课题研究的超小型x 光机进行模块化的结构 设计。依据控制电路的试验数据对该产品进行调试。针对系统的调试结果，对控制电路 以及超小型x 光机的机构进行改进和完善，取得更好的效果。 第五章对于本论文的工作进行了全面的总结。 参考文献 】朱文钰，综评目前携带式工业x 射线机发展之趋势及应注意的几个问题， h t t p ：w w w n d t i n f o n e t h i c h i n a w e n x i a n z h u w e n y u h t m 【2 】w a n d ar e i f , t h ex - r a yc e n t u r y ，t h el a n c e t l o n d o n ：n o v2 5 2 0 0 0 3 5 6 ，i s s 9 2 4 4 ，p p 18 5 7 【3 】j e s s i c ag o r m a n ，xr a y st og o ，s i e n c cn e w s w a s h i n g t o n ：j u l6 2 0 0 2 1 6 2 ，i s s 1 ，p p 3 2 太原理1 ：人学硕十研究生学位论文 2 1x 射线基础 第二章x 光机的构成及原理 在研究x 光机之前首先要对x 射线的特性和本质有基本的了解，并且与实践关联 起来才能对设计开发起到指导的作用。本小节将简要介绍x 射线的光谱、衰减和吸收、 x 射线的散射、x 射线的检测、x 射线的计量和防护等。 2 1 1x 射线的光谱 1 8 9 5 年德国物理学家伦琴( r o n t g e n ，w c ) 发现了x 射线。x 射线的本质和光一样， 都是电磁辐射，只不过它的波长较短，即能量较大而已。同一切电磁辐射和微观粒子一 样，x 射线也具有波动和微粒的双重性，所以需要用波长和光子能量两个量来描述，如 图2 i 所示。 图2 - 1 从红外( i r ) 到x 射线区的电磁光谱 f i g 2 1e l e c t r o m a g n e t i s ms p ( x 3 1 1 u mf r o mt h e e x t e n to f i n f r a r e dr a yt ox - r a y x 射线的波长范围一般是指0 o l n m 到2 4 n m 之间，x 射线光谱学家有时还将这个波 段再分为软x 射线( o 5 r i m ) ，硬x 射线的光子能量要比软x 射线光子能量高一个数量级。 x 射线光谱可以分为连续光谱和标识光谱两类。在常规的x 射线管中，当所加的管 电压低时，只有连续光谱产生，连续光谱是具有连续的一系列波长的x 射线。i l l 【2 l 从上面两点可以看出，作为透视用的x 光机，如果可以产生硬x 射线占主导的x 射线束，那就会有比较好的透视效果。在图2 2 中描述了x 射线管电流的改变对连续光 谱的影响，从图2 - 2 可以看出波长集中点并不随管电流改变，但是随着管电流的增大， 3 太原理j ：人学硕十研究生学位论文 x 射线的强度也会随之增大。 图2 2 连续光谱强度与管电流的关系 f i g 2 - 2 t h er e l m i o nb e t w e e nt h ei n t e n s i t yo f c o n t i n u o u ss p e c t r u ma n dd u c tc u r r e n t 图2 3 描述了管电压的改变对连续光谱的影响。从图2 3 中可以看到不仅随管电压 的增大x 射线的强度增大，而且x 射线的波长分布也向短波长方向集中。d 1 波长 c m 图2 - 3 连续光谱强度与管电压的关系 f i g 2 3 t h er e l a t i o nb e t w e e nt h ei n t e n s i t yo f c o n t i n u o u ss p e c t r u ma n dd u c tv o l t a g e 从上面的介绍，可以得出这样的结论：如果在x 光机的高压发生部分可以产生足够 高的电压，并且比较稳定，那么就可以产生波长比较短并且相对集中的x 射线束，将能 极大地提高x 光机的透视性能。 2 1 2x 射线的衰减和吸收 x 射线穿过物质之后，强度会衰减。这是因为x 射线同物质相互作用时经历各种复 4 太原理【人学硕十研究生学位论文 杂的物理、化学过程，从而引起各种效应转化了入射线的部分能量。 元素的吸收系数是入射线的波长和吸收元素原子序数的函数。如图2 4 所示为 p t ( z = 7 8 ) 的随入射x 射线波长的变化曲线，以p t 为例子说明对于一种元素其质量吸 收系数随着波长的变化有若干突变，发生突变的波长称为吸收限( 或称吸收边) 。在 各个吸收限之间质量吸收系数随波长增加而增大。所以短波长的x 射线( 即硬x 射线) 穿透能力大，而长波长的x 射线( 即软x 射线) 则容易被物质吸收。对于x 射线的实 验技术来说，最有用的是第一吸收限，即k 吸收限。质量吸收系数随着波长的变化有突 变的原因，也就是元素特征光谱产生的原因。当入射x 射线的能量足够把内层电子轰出 时( 即光电效应) ，能量便被吸收，并会部分转化为元素二次辐射的能量。【4 】 2 5 0 2 0 0 - j 裁1 5 0 幡 罄 擎1 0 0 5 0 乃，翻 矿1 匿 j7 ： 少| j ； 7 l t ； 00 20 40 608i1 2 波长 】 图2 - 4p t ( z = 7 8 ) e 0 随入射x 射线波长的变化 f i g , 2 - 4t h e g r a p h o f p m w i t h t h ec h a n g e o f i n c i d e n t x - r a y s w a v e l e n g t h 2 1 3x 射线的散射 x 射线穿透物质时都会被部分吸收，其强度将被衰减变弱；吸收的程度与物质的组 成、密度和厚度有关。在此过程中x 射线与物质的相互作用是很复杂的，会引起多种效 应，产生多种物理、化学过程。例如，它可以使气体电离；使一些物质发出可见的荧光； 能破坏物质的化学键，引起化学分解，也能促使新键的形成，促进物质的合成；作用于 生物细胞组织，还会导致生理效应，使新陈代谢发生变化甚至造成辐射损伤。然而，就 x 射线与物质之间的物理作用而言，可以分为两类：入射线被电子散射的过程以及入射 线能量被原子吸收的过程。 x 射线散射的过程又可分为两种，一种是只引起x 射线方向的改变，不引起能量 5 太原理t ：人学硕十研究生学1 1 i 7 ：论文 变化的散射，称为相干散射，这是x 射线衍射的物理基础；另一种是既引起x 射线光 子方向改变，也引起其能量的改变的散射，称为不相干散射或康普顿散射( 或康普顿效 应) ，此过程同时产生反冲电子( 光电子) 。 物质吸收x 射线的过程主要是光电效应和热效应。物质中原子被入射x 射线激发， 受激原子产生二次辐射和光电子，入射线的能量因此被转化从而导致衰减。二次辐射又 称为荧光x 射线，是受激原子的特征射线，与入射线波长无关。荧光辐射是x 射线光 谱分析的依据。如果入射光子的能量被吸收，却没有激发出光电子，那么其能量只是转 变为物质中分子的热振动能，以热的形式成为物质的内能。 综上所述，x 射线的主要物理性质及其穿过物质时的物理作用可以概括地用图2 5 表示。 r 相干散射( 次生射线继承入射线的相位和波长) 散射射线t 不相干散射( 产生康普顿效应) 被照射区可能产生 荧文淼 物理一化学变化、 么二：，7 主矗x 射线柬 、 入射x 射线柬 强度为i 。 兹r 啪删 ， 一x 卜 图2 - 5x 射线的物理性质和穿过物质时的作用 f i g 2 - 5 x - r a y sp h y s i c a lp r o p e r t ya n dt h ee f f e c td r i l l i n gt h r o u g hm a l ：t e r 2 1 4x 射线的检测 利用x 射线和物质相互作用的一些效应，可以有很多有效的检测x 射线的方法。 常用的检测手段如下： 1 ) 荧光板 是将z n s 、c d s 等荧光材料涂布在纸板上制成，常用来确认光源产生的原射线束的 存在。 2 ) 照相方法 6 太原理 人学硕十研究生学位论文 是最早使用的检测并记录x 射线的方法，直到现在仍是一种常用的基本方法。x 射 线与可见光一样，能够使感光乳剂感光。当感光乳剂受到x 射线照射后，a g b r 颗粒离 解形成显影核，经过显影而游离出来的单质银微粒使感光处变黑。 在一定的曝光条件下，黑度是与曝光量成比例的。黑度也和波长有关。测量黑度的 简单方法是目估，较为准确的测量方法则需要事先制作好黑度标准，或者用光电黑度计 来扫描测量。 3 ) 固体检测器( s s d ) 是为核谱研究而发展的，有极佳的能量分辨本领，不仅作为射线计数器用来测量射 线的强度，同时也能测量射线的能量。现在，高能量分辨率的s s d 已列为x 射线衍射 仪基本配置的一种选择。 4 ) 成像屏 是1 9 9 0 年前后开始应用于x 射线分析的新技术。一些荧光材料( 掺e u 的b a f b r ) 有光刺激发光性质：当受x 射线照射时，荧光体中的一些“色”中心受激发跃迁至亚稳态 的能级上，从而贮存了一部分被吸收的x 射线的能量。而后，当受到可见光或红外辐射 刺激的时候，将产生光刺激发光( p s l ) ，p s l 的强度正比于吸收x 射线光子的数目。 当把这些荧光粉涂在胶片上制成荧光屏时就可以把x 射线产生的图像暂时贮存起来。这 种荧光屏称为成像屏，是一种新型的x 射线面积型积分检测器。利用聚焦的h e - n e 激光 束逐点扫描屏的表面，测量每点的p s l 的强度，通过检出系统便能读出成像屏贮存的x 射线图像。 5 ) x 射线电视 x 射线电视有两种方法：一是将x 射线用荧光板转换成微弱的可见光图像，通过光 耦合由图像增强器倍增，然后用电视系统接收并把图像送到计算机处理；二是直接使用 x 射线摄像管。x 射线电视的优点是能够进行x 射线图像的直接连续观察、录像、远距 离观察等。 在本课题中采用的是x 射线电视的方式，在远距离直接通过监视屏进行检测和观 察。 2 2x 射线的计量和防护 前面介绍了x 射线的一些基本性质和物理特性，本小节将进一步介绍和人员安全相 7 太原理【人学硕十研究生学位论文 关的x 射线的计量和防护方面的内容。1 5 】【6 1 2 2 1x 射线的计量 x 射线属于辐射的范畴，所以对它的剂量采用放射性测量和辐射剂量的量度单位体 系。辐射剂量的单位有辐照量、辐照率、吸收剂量、吸收剂量率、剂量当量等。 1 ) 辐照量是只使用于x 和y 射线光子的一个量。它表示一束x 或7 射线在空间中 任意一点的强度。简单地说，就是光子在每单位质量被照射空气中所释放出来的电荷总 量。 2 ) 辐照率为辐照量的变化率。 3 ) 吸收剂量d 的定义为，任何一种致电离辐射授与一体积元中物质的平均能量d - ， 除以该体积元中物质质量d m 的商，即 d ：竺 ( 2 1 ) d m 吸收剂量可以用于任何类型的电离辐射，反映被照介质吸收辐射能量的程度。 4 ) 吸收剂量率，简称剂量率( b ) 。其定义为，在时间间隔d t 内吸收剂量的增量d d 除以d t 的商，即 b ：塑 d t ( 2 2 ) 5 ) 当量剂量( h ) 是表示各种射线的危害程度的一个量。其定义为，生物组织内 被研究的一点上的吸收剂量d 、品质因数q 和任何其它修正因子的乘积，即 h = d q ( 2 3 ) 式中的修正因子，通常指由于淀积在体内的放射性物质分布不均匀，应在空间和 时间上对生物效应进行休整的分布因子。 2 2 2x 射线的防护 x 射线射入人体后被吸收产生的生物效应对人体有损害，损害的程度随吸收剂量而 定一般来说，过小剂量对人体无大损害，大剂量可导致组织细胞破坏及血液系统方面的病 变。 最大容许剂量，就是以限度内的射线照射时，不会对人体一生的健康和安全引起显 著损害和影响的最大剂量。亦即人体可以容许接受的最大剂量。但是最大容许剂量不是 8 太原理f ：人学硕士研究生学位论文 一成不变的，它将随着不同的人，不同的机体和外界环境条件而有一定的变化。所以， 各个人实际的容许量可能会有些不同。表2 1 中是国际辐射防护委员会针对人体的不同 部位，提出的推荐值。 表2 - 1 人体不同部位的最大容许剂量 c h a r t 2 - 1t h ef a r t h e s td o s ef o rh u m a nb o d y sp a r tw i t h s t a n d i n g 职业放射性工作人员( 成年) 居民的剂量 序号器官或组织 的最大容许剂量限度 性腺、红骨髓、全身3 雷姆季 o 5 雷姆年 l 均匀照射5 雷姆年 皮肤、骨骼1 5 雷姆季 3 雷姆年 2 3 0 雷姆年 甲状腺 1 5 雷姆季3 雷姆年 3 3 0 雷姆年 手、前臂、足、踝4 0 雷姆季7 5 雷姆年 4 7 5 雷姆年 其它单独的器官8 雷姆季1 5 雷姆年 5 1 5 雷姆年 所以，在开发实验中，一定要避免受到直射x 射线束的直接照射，对散射线也需加 以防护，也就是说，在仪器工作时对其初级x 射线( 直射线束) 和次级x 射线( 散射x 射线) 都要警惕。前者是从x 射线焦点发出的直射x 射线，强度高，它通常只存在于x 射线分析装置中限定的方向中。散射x 射线的强度虽然比直射x 射线的强度小几个数 量级，但在直射x 射线行程附近的空间都会有散射x 射线，所以直射x 射线束的光路 必需用重金属板完全屏蔽起来，即使小于l m m 的小缝隙，也会有x 射线漏出。 根据辐射防护最优化的原则，应积极做好防护工作，使照射保持在合理达到的尽量 低的照射水平。结合具体的实验过程，可采用下列措施： 1 ) 距离防护：在实验过程中，尽可能与x 射线管保持一定距离，所以相应的开关 和监测装置与x 射线管最好能保持相应的距离，以确保在单次实验中受到的辐射量最 低。 2 ) 时间防护：人所受剂量的大小是与实验人员操作放射源的时间成正比。如果其 他条件都相同，则人在放射源的周围时间越长，所受剂量也就越大。因此，在实验之前 要做好规划，避免不必要的辐射，并且要限制单次实验的时间。 3 ) 屏蔽保护：因为x 射线有散射的部分，所以要把x 射线管在与实验人员相近的 9 太原理l ：人学硕十研究生学何论文 方向加装屏蔽措施。可以用各种铅的或含铅的制品( 如铅板、铅玻璃、铅橡胶板等) 或 含重金属元素的制品，如含高量锡的防辐射有机玻璃等。 由于在本课题中使用的x 射线管功率很小，所以，只要综合运用以上三种防护措施， 就可以基本保证实验人员不受x 射线辐射的侵害。 2 3x 光机的构成 2 3 1x 光机的基本构成 任何光学实验的标准排列都是由下述序列组成：光源、传播介质、样品、检测器。 x 光机也是由这几部分组成，如图2 - 6 所示，分别是：x 射线源、传播介质、被测物体、 检测显示装置。 图2 - 6x 光机基本构成框图 f i g ，2 - 6 t h eb a s i cc o m p o n e n to f x - r a ym a c h i n e 2 3 2 本课题所研究的小型x 光机的构成 本课题所研究的x 光机的构成如图2 7 所示，主要有电源、x 射线管、感光板、摄 象机、显示屏等几部分组成。 图2 7 小型x 光机系统构成示意图 f i g 2 7 t h ec o m p o n e n to f t h em i n i t y p ex - r a ym a c h i n e ss y s t e m 1 0 太原理f ：人学硕十研究生学位论文 图2 8 为本课题所研究的小型x 光机的系统连接实物图。 图2 - 8 小型x 光机的系统连接实物图 f i g 2 - 8 t h ep r a c t i c a lp i c t u r eo f t h em i n ix - r a ym a c h i n es y s t e mf o rt h er e s e a r c h 图2 8 中所示系统的直流电源给x 射线管灯丝供电，预热一段时间后，灯丝上的电 子活跃起来。阳极加几十千伏的高电压后，吸引电子从灯丝向阳极高速运动，撞击阳极 的金属靶产生x 射线。x 射线透过被测物打在感光板上就会感应到光线的强弱，产生影 像，摄象机捕捉到这个影像就可以输出到显示屏上。 2 4x 射线的产生 x 光机工作的关键包括x 射线产生部分和图像显示部分。在本课题中，重点对x 射线的产生系统进行研究。x 射线的产生部分是以x 射线管为中心，直流高压模块和灯 丝供电模块是分别为之提供高、低压电的。而直流高压模块的质量直接决定了x 射线的 质量，所以本节分别介绍x 射线管和直流高压电源。啊 2 4 1x 射线管 虽然现在人们已经发现了许多的x 射线产生的机制，但其中最为实用并能获得足够 强度的x 射线的方法仍然是当年伦琴所采用的方法一用阴极射线( 高速电子束) 轰击对 阴极( 靶) 的表面。各种各样专门用来产生x 射线的x 射线管工作原理如图2 - 9 所示。 太原理j ：人学硕十研究生学位论文 皇豢泠 一i 置一 图2 - 9x 射线管的工作原理 f i g 2 - 9 t h ef i m e t i o n a lp r i n c i p i u mo f x - r a yt u b e x 射线管实际上是一只真空二极管，它有两个电极：作为阴极的用于发射电子的灯 丝( 常用钨丝) 和作为阳极的用于接受电子轰击的靶( 又称对阴极【刀) 。x 射线管供电部 分至少包含一个使灯丝加热的低压电源和一个给两极施加高电压的高压发生器。 当灯丝被通电加热至高温时( 达2 0 0 0 c ) ，大量的热电子产生，在极问的高压作用 下被加速轰击到靶面上。高速电子到达靶面，运动突然受阻，其动能部分转变为辐射能， 以x 射线的形式放出，这种形式产生的辐射称为轫致辐射。轰击到靶面上电子柬的总能 量只有极小一部分转变为x 射线能，靶面发射的x 射线能量与电子束总能量的比率e 可用下面的近似公式( 2 4 ) 表示。 =1110。9zv(2-4) 式中z 为靶材组成元素的原子序数，v 为x 射线管的极间电压，以伏特为单位。 铜的原子序数为2 9 ，所以在管电压为3 0 k v 的条件下，铜靶x 射线管产生x 射线能量 的效率为公式( 2 5 ) 所示。 8 = 1 1 1 0 - 9 z v = 1 1 1 0 9 2 9 3 1 0 4 舟0 1 ( 2 5 ) 可见x 射线管产生x 射线的能量效率是十分低的，但是目前x 射线管仍是最常使 用的发生x 射线的器件。因为轰击靶面电子束的绝大部分能量都转化为热能，所以，在 工作时x 射线管的靶必须采取水冷( 或其他手段) 进行强制冷却，以免对阴极被加热至 熔化，受到损坏。 常用的x 射线管按其结构设计的特点可分为三种类型： 1 ) 可拆式管这种x 射线管在真空下工作，配有真空系统，使用时需抽真空使 管内真空度达到1 0 - 5 毫帕或更佳的真空度。不同元素的靶可以随时更换，灯丝损坏后也 可以更换，这种管的寿命可以说是无限的。 1 2 太原理亡人学硕十研究生学位论文 2 ) 密封式管这是最常使用的x 射线管，它的靶和灯丝密封在高真空的壳体内。 壳体上有对x 射线“透明”的x 射线出射“窗孑l ”。靶和灯丝不能更换，如果需要使用 另一种靶，就需要换用另一只相应靶材的管子。这种管子使用方便，但若灯丝烧断后它 的寿命也就完全终结了。密封式x 射线管的寿命一般为1 0 0 0 - - - 2 0 0 0 小时，它的报废往 往并不是与因灯丝损坏，而是由于靶面被熔毁或因受到钨蒸气及管内受热部分金属的污 染，致使发射的x 射线谱线“不纯”而被废用。 3 ) 转靶式管这种管采用一种特殊的运动结构以大大增强靶面的冷却，即所谓 旋转阳极x 射线管，是目前最实用的高强度x 射线发生装置。管子的阳极设计成圆柱 体形，柱面作为靶面，阳极需要用水冷却。工作时阳极圆柱以高速旋转，这样靶面受电 子束轰击的部位不再是一个点或一条线段而是被延展成阳极柱体上的一段柱面，使受热 面积展开，从而有效地加强了热量的散发。 本课题研究的x 光机采用的是如图2 1 0 所示的型号为x 7 9 3 的x 射线管。 图2 1 0x 射线管x 7 9 3 结构图 f i g 2 1 0 t h ec o n f i g u r a t i o no f x 7 9 3x - r a yt u b e 由于x 射线管x 7 9 3 属于密封式管，所以它的使用寿命在很大程度上取决于阴极灯 丝的寿命。有效地保护灯丝不被烧毁就成为保护x 射线管的一个重要部分。厂家提供的 灯丝特性曲线如图2 1 l 所示，2 1 a 、3 1 5 v 是图中曲线的极限参数，所以在x 射线管正 常工作过程设置的参数一定要小于这两个值。这在灯丝供电电路中是需要重点考虑的一 个问题。 1 3 太原理：大学硕十研究生学何论文 图2 - 1 1 灯丝特性曲线 f i g 2 11 t h eg r a p hf o r t h ef i l a m e n t si d i o s y n c r a s y 除了极限值的问题，从图2 1 1 的曲线，可以看到灯丝的伏安特性呈良好的直线性， 这对于控制电路的设计很有利。 2 4 2 直流高压 x 射线管的高压电源，是使之产生x 射线的能量来源，它提供x 射线管所需的高 压电场。 直流稳压电源的获取方式有并联式稳压电源和开关式稳压电源等。在本课题中采用 的是开关式稳压电源，具有变换效率高、重量轻、体积小等优点。但它也存在着当功率 管开断时对其它器件产生射频干扰、对输出滤波电容要求高和动态性能差等缺点。 开关电源的核心技术是d c 仍c 变换器，它的作用是将直流电压信号输入到开关元 件中，通过开关使直流电压变为脉冲交流电压，然后通过一个变压器升压，再经过整流 和滤波后得到所需要的直流电压。 电源的整流方式会影响到x 射线的激发效率。如图2 1 2 所示，a 为半波整流，激 发效率最低，产生的射线波长范围宽；a + b 为全波整流，激发效率是半波的两倍，射线 波长范围和半波一样宽；c 是有电容滤波的全波整流，激发效率最高，射线波长范围比 较小。【8 】 1 4 太原理1 ：大学硕士研究生学位论文 2 5 单片机概要 5 0 看2 0 罾 0 。腐n 百众蕊。 v v v v v 时阃f 1 】 图2 1 2 各种整流类型的波形 f i g 2 1 2 t h ep r o f i l eo f d i v e r s i f i e dr e c t i f i c a t i o n 单片机就是将计算机的中央处理器( c p u ) 、随机存取存储器( r a m ) 、只读存储 器( r o m ) 、定时器计数器和多种输入输出接口( i o ) 以及相互连接的总线( b u s ) 等集成在一块芯片上，形成了芯片级的计算机，又叫单片微型计算机( s i n g l ec h i p m i c r o c o m p u t e r ) 或微控制器，缩写为m c u ( m i c r o c o n t r o l l e ru n i t ) 。实际上，单片机是 微机的一个分支。鉴于此，一般微机也叫多片微机。 2 5 1 单片机的特点 一块单片机芯片就是一台计算机。由于单片机的这种特殊结构形式，在某些应用领 域中，它承担了大中型计算机和通用微型计算机无法完成的工作，使其具有很多显著 的优点和特点，因此在各个领域中都得到了迅猛的发展。单片机的特点归纳起来有以下 几个方面。 1 ) 具有优异的性能价格比 单片机尽可能地把应用所需的存储器，各种功能的i o 接口集成在一块芯片内，因 而其性能很好，而价格却相对低廉，即性能价格比很高。 2 ) 集成度高、体积小、可靠性高 单片机把各种功能部件集成在一块芯片上，因而集成度高，均为大规模或超大规 模集成电路。内部采用总线结构，减少了芯片之间的连线，这大大提高了单片机的可 靠性与抗干扰能力。同时由于其体积小，对于强磁场环境易于采取屏蔽措施，适合于在 恶劣环境下工作。 3 ) 控制功能强 单片机体积虽小，但“五脏俱全”，它非常适用于专门的控制用途。为了满足工 业控制要求，一般单片机的指令系统中有极丰富的转移指令，i 0 1 的逻辑操作指令以 1 5