CN103745901B - X线源模块对线列式组合连续进出样品辐照机 - Google Patents

Abstract

本发明是一种X线源模块对线列式组合连续进出样品辐照机，可用于袋装血的辐照或中成药及散装食品（如大蒜）等其他的连续进出样品辐照专用设备。设备包括数对上X线源模块与下X线源模块组合对的线列组合、辐照室上防护罩、辐照室下防护罩、循环式样品传送带以及控制台面和阳极水冷循环系统。本发明具有辐射转换效率高、辐照角度大，连续辐照自动进出样品，辐照剂量均匀性好等优点，用于替代目前广泛采用的放射性核辐照源血液辐照机，从而最终彻底摆脱辐照设备对核辐照源的依赖，消除对环境产生放射性核污染的潜在威胁。

Description

X 线源模块对线列式组合连续进出样品辐照机

技术领域

本发明主要涉及一种新型致电离辐射辐照专用设备，用可控制的不产生环境放射性核物质污染的新型X线技术替代目前广泛采用的放射性核辐照技术。本发明属于致电离辐射辐照设备技术领域。

背景技术

利用致电离辐射的强穿透性及对生物体的辐照剂量生物效应，人类从上世纪随着和平利用核能口号开始广泛把核辐照技术应用于诸如：食品保鲜，物品消毒灭菌杀虫，辐照生物效应研究，血液制品处理（防止输血反应）等等各种应用领域，也取得很大社会经济效益，辐照用核辐射源因而被广泛应用。特别在防止输血反应的血液制品辐照中，Co60血液辐照机还在较普遍使用。由于核辐射的不可控特性，核辐射源在制造，运输，储存以及最终报废后都一直产生对周围的辐射。由于放射性核素的自然衰变，核辐照设备所需辐照时间从出厂后即须随时间不断延长，达核素半衰期时（如Co60是5.3年）辐照时间必须增长1倍，终究会随用时过长需要报废以前放射源更换新的放射源。而放射源的生产，运输，储存，更换及废放射源的处理，都可能对周围人员安全造成核辐射危害。所以环境保护人士和广大关心环境保护的公众通过各种立法，从一开始就把核辐射源作为具有对环境产生放射性核污染潜在威胁的危险品严加管控。随着公众环保意识的不断加强，以及所发生过的核物质泄漏事故的严重后果产生恶劣影响，这种管控还在不断加强。从上世纪80年代以来，人们开始用可控致电离辐射技术例如加速器和X线装置产生的致电离辐射来替代核辐射用于辐照产业，希望最终彻底摆脱对核辐照源的依赖，消除对环境产生放射性核污染潜在威胁。但是，加速器存在设备体积大，价格昂贵，管理复杂，运行成本高等缺点。从技术上分析，虽然其辐射能量高，但束流强度有限且截面有限，如要求大面积照射则需要扫描增加设备复杂性降低了辐照强度。而X线发生装置则相对于加速器要简单得多。传统上X线发生装置是被广泛应用于医学影像诊断，工业成像无损检测和公共安全影像检查，至今还在不断发展推广。从上世纪90年代起，美国，日本等国不少制造商开始设计生产专用生物样品辐照的X线设备替代铯137或钴60放射源，由于辐射完全可控，不存在放射性核处理问题，辐照腔体积小，防护完善，受到用户和环保部门普遍欢迎，至今已在全球包括我国市场得到推广。但是由于现有用于血液制品辐照的X血液辐照机还基本靠进口，其辐照效率较低，且价格较高还难以在价格上与国产Co60血液辐照机竞争，致使我国目前血液辐照应用中基本还是Co60血液辐照机的天下，与国际绿色环保可持续发展的主流背道而驰。

美国Rad Source公司在1996年曾生产开发RS3000型X线血液辐照机，采用一对上下160kV4kW工业X线源固定照射方式，解决了血液辐照基本要求，由于相比核辐照血液辐照机在环保上的潜在优势，很快被竞争的核辐照技术企业技术买断后停产。该公司又于2007年研究开发出专用辐照X线管，即所谓4π辐照X线管并成功用于血液辐照机。创新采用中心细管状灯丝阴极，外包筒状阳极，在阳极筒外套水冷筒结构，使得整个阳极筒表面为X线辐射体。但是追求4π辐照角度效果使得同时采用的90度至180度反射X线的平均效果减弱了其中透射阳极透射X线的增强效果，虽然其对所产生X线的利用率比常规X线管大为提高，但使得其总平均辐射效率比100%透射阳极X线管还是较低。该机器为解决血袋辐照均匀性，采用了六只样品筒平行与阳极筒并包围在阳极筒外，用专门设计驱动机构驱动，使得样品筒围绕阳极筒在一个辐照周期围阳极筒公转一圈同时各自传一圈，未能实现连续进出样。该机器最大缺陷是其X线管未能做到永久真空密封，需要配合真空泵工作，是相对现有工业X线管的退步。同时造成该设备的制造维护费用过高，影响了其应用推广。

本发明在X线管全部采用采用新型辐照专用透射式直接水冷阳极超大焦点X线管（专利申请号201210302279.X），从而获得超大面积焦点，及更大有效辐照角度，可大于100度锥角。使得与电子束方向从40度至15度的出射的最大韧致辐射均在可用射束范围，比起传统反射式阳极90度出射的X线，产生X线转换效率会有显著提高。同时其辐射场均匀性也远高于反射式阳极辐射场的均匀性，确保被照血袋辐照均匀性。为充分应用X线管发出的较软X线辐照剂量效应，解决较软X线在血袋中减弱造成的血袋入射表面与背面吸收剂量差别，采用了上下X线源对射方式平均了血袋入射表面与背面吸收剂量差别。采用线列式组合若干X线源模块对的结构方式，扩大了可利用辐照角辐照场长度，使得生产厂可以在利用现有最高等级电压X线源技术水平的基础上通过统一设计加工灵活按需求增加模块对数提高设备总辐照功率及处理能力。采用循环传送带在解决连续进出样的同时，解决了较大幅射角的长辐照场内每个样品辐照剂量均匀性一致性问题。由于上下X线源对射方式加上线列式组合若干X线源模块对方式加上传送带解决连续进出样的综合效果，使得本发明也可以采用传统反射式阳极X线管实现血液辐照的基本要求，但是在相同高压功率负荷下，其辐照效率（即单位时间能产出辐照血袋的数目）会显著低于采用新型辐照专用透射式直接水冷阳极超大焦点X线管（专利申请号201210302279.X）的结果，使得传送样品速度显著降低。

随着绿色环保意识在全球不断增强，核辐照在食品生物制品辐照方面的普遍应用的现状已经对大力发展辐照专用X线设备提出了强烈需求，要最终彻底摆脱对核辐照源的依赖，消除对环境产生放射性核污染潜在威胁。本发明正是解决辐照产业摆脱对放射性核素依赖的有效新产品。

发明内容

发明目的

本发明提出一种创新X线源辐照方式及结构设计，用于医院血站血液辐照产业应用，目的是替代现在广泛应用的钴60或铯137放射性核辐照源血液辐照机及其它现有X线血液辐照机，以消除对环境产生放射性核污染潜在威胁，大幅度提高现有X线血液辐照机的使用效率和处理能力。

技术方案

本发明是通过以下技术方案来实现的：

X线源模块对线列式组合连续进出样品辐照机，包括安置在机壳内的数对上X线源模块与下X线源模块组合对的线列组合、辐照室上防护罩、辐照室下防护罩、循环式样品传送带、阳极水冷循环系统以及位于机壳正面右上角的控制台面，其特征在于：各上X线源模块与下X线源模块均为包含一只X线管及与其配套高压电源的一体化标准模块，采用一个上X线源模块与一个下X线源模块两个焦点中心相互准直两个X线管出射窗口互相对射组合成对方式安置，并与其它相同的X线射源模块对并列排成出射窗口一字线列；与该一字线列平行的循环式样品传送带的上部水平传送部分连续穿过每对上X线源模块与下X线源模块出射窗口线列之间的辐照空间；辐照室上防护罩与辐照室下防护罩上下组合包围该辐照空间，上下防护罩均由满足辐射防护要求足够厚度铅板制成，其各面除上下与各模块出射窗口对应处以及传送带左右进出口处设有相应开口外为完全密封结构；阳极水冷循环系统包括安置在机体下部的水箱、安置在底部右侧的电动水泵和安置在机壳背面两侧的电动风冷水管散热器，通过进、出连接水管把水箱、电动水泵、电动风冷水管散热器以及每个X线源模块中的X线管阳极水冷套相互连接。

上X线源模块与下X线源模块均为相同规格，由带循环水冷阳极接地的一只X线管及与其配套高压发生器组成一体化组合式结构的标准模块；标准模块一头的下侧面或上侧面设有X线出射窗口，另一头端面设有电器连接端口。

各模块中的X线管均采用新型辐照专用透射式直接水冷阳极超大焦点X线管，或完全采用常规反射式阳极X线管。

循环式样品传送带通过五组传送带导向轮与一组传送带电动驱动轮形成闭路循环，循环式样品传送带为两边带加强边的带状薄膜材料制成。

优点及效果

由于采用上述创新的结构及工作方式以及新型X线管组合，和普通X线血液辐照机相比，特别是与放射性核辐照源血液辐照机相比，本发明的明显优点和应用效果是：

（1）辐射转换效率高，由于采用透射阳极技术使与电子束夹角40度至10度的X线韧致辐射最大值方向的辐射线都纳入应用射线束（不向传统反射式阳极X线管这些最大值方向的辐射线都被屏蔽掉），所以比相同管电压及靶材的普通X线管的X线辐射转换效率显著提高。按透射阳极原理，采用的工作管电压越高，与常规反射式阳极管相比，效率提高比值越大。而且本发明采用比现有X线血液辐照机（160kV）更高工作电压（例如300kV），使辐射转换效率进一步大幅提高。所以相同电功率下产生的辐照剂量率比现有X线血液辐照机大为提高。

（2）辐照角度大，可利用的辐照场增加，辐照均匀性好。本发明采用了上下X线源对射方式，平均了血袋入射表面与背面吸收剂量差别，充分应用X线管发出的较软X线辐照剂量效应，解决较软X线在血袋中减弱造成的血袋入射表面与背面吸收剂量差别。采用线列式组合若干X线源模块对方式，与RS3000单个射线源对辐照定期更换被照血袋的方式相比，在横向较大幅度扩大了可利用辐照角及辐照场长度，可以在统一设计加工的基础上灵活按订货需求增减设备总辐照功率及处理能力。本发明采用循环传送带的设计，在解决连续进出样的同时，成功解决了较大幅射角的长辐照场内每个样品辐照剂量均匀性一致性问题。

（3）总辐射强度大，剂量的深度分布均匀性强，自动化运转效率高。由于采用线列式组合若干X线源模块对两两对射方式，工作电压300千伏，与RS3000单个160千伏射线源辐照的方式相比，在无需研发超大功率高压电源的前提下，利用现有技术以模块集成方式较方便地成倍提高整机总辐照功率，对射方式和较高管电压则显著增强被辐照样品中剂量的深度分布均匀性，从而可替代活度更大的核辐照源，加上本发明采用循环传送带的机构设计，实现连续辐照连续进出样品的功能，更大幅度提高了血液辐照机的运转效率和处理能力。

（4）摆脱放射性核物质带来的一系列环保问题。与目前广泛使用的放射性核辐照血液辐照机相比，本发明的推广应用和对其替代，将实现致电离辐射的完全可控及彻底摆脱对放射性核物质的依赖，避免了核放射源的管理运输储存到期更换以及废源处理等等一系列能造成环境放射性核污染的棘手问题，同时也免除了随放射源衰变不断延长辐照时间的麻烦。这对于我们实现绿色环保可持续发展战略具有深远战略意义。

（5）辐照功能通用性强，可实现连续照射下连续进出样自动化操作。本发明的特色设计具有较强辐照功能通用性，除用于血液制品辐照外，还可以作为各种厚度不超过10厘米宽度不超过20厘米的样品如中成药或散装食品（如大蒜）等各种辐照应用设备，实现连续照射下连续进出样自动化操作。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

为了清楚表述整机各关键部件结构安排，在示意图中：整机外壳仅以双点划线示意其外形，上下防护罩描绘为透明，联结冷却水管、电线电缆以及支撑架等均被省略掉，传送带上被照血袋以虚线示意。

其中：1、上X线源模块，2、下X线源模块，3、辐照室上防护罩，4、辐照室下防护罩，5、样品传送带，6、控制台面，7、水箱，8、电动水泵，9、电动风冷水管散热器，10、X线出射窗口，11、传送带导向轮，12、传送带电动驱动轮。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

本发明属于致电离辐射辐照设备的革新，即用可控的创新的专门为辐照设计开发的X射线发生装置来替代目前广泛采用的其辐射不可控的具有对环境产生放射性核污染潜在威胁的放射性核辐照源设备，以保护人类生存环境。或用于代替虽然可控辐射且无对环境产生放射性核污染潜在威胁的加速器辐照设备，以简化设备降低购置及运行成本。

本发明就是针对现有以放射性核为辐照源的核辐照机以及工业X线管用来作为辐照X线源所存在的各种不足所做的革命性技术变革，为专用高效辐照X线辐照设备设计制造开辟一条全新的技术路线。从物理原理和工艺技术上对现有X线辐照机做了四方面实质性改变：

（1）采用新发明透射式阳极大焦点辐照专用X线管（专利申请号201210302279.X）替代现有X线辐照机普遍使用的工业X线成像用通用反射式阳极X线管；

（2）应用更高X线管电压；现有国内外X线辐照机X线管电压大多为160kV至225kV，本发明则采用300kV或以上。使得X线转换效率显著提高。

（3）采用X线管与高压电源一体化结构的标转化模块对两两对射方式的线列组合设计，替代传统X线辐照机单一或双管球分别通过高压电缆连接独立高压电源部件的结构。使得管电压不再受高压电缆耐压限制，标转化模块对的线列组合使得整机总辐照功率可以更简便方式增加，对射方式显著提高被辐照样品剂量深度分布的均匀性；

（4）采用与辐照窗线列平行的传送带设计，替代目前X线辐照机被照样品固定或在辐照周期内就地转动的设计（该设计要求断续停机更换被照样品），在解决连续进出被照样品的同时，成功解决了较大幅射角的长辐照场内每个被照样品辐照剂量均匀性一致性问题。

实施例：

图1为本发明X线源模块对线列式组合连续进出样血液辐照机结构示意图；

如图1所示，本发明这种X线源模块对线列式组合连续进出样品辐照机，包括安置在机壳13内的数对上X线源模块1与下X线源模块2组合对的线列组合、辐照室上防护罩3、辐照室下防护罩4、循环式样品传送带5、阳极水冷循环系统以及位于机壳13正面右上角的控制台面6；其中：上X线源模块1与下X线源模块2均为包含一只X线管及与其配套高压电源的一体化标准模块，采用上X线源模块1与下X线源模块2的两个焦点中心互相准直，上下两个X线管出射窗口互相对射方式成对组合的方式安置，并与其它相同的X线射源模块对一共三对并列排成出射窗口一字线列；与该一字线列平行的循环式样品传送带5的上部水平传送部分连续穿过每对上X线源对模块1与下X线源对模块2出射窗口线列之间的长方体辐照空间；而辐照室上防护罩3与辐照室下防护罩4则上下组合严密包围该辐照空间。上防护罩与下防护罩均由满足辐射防护要求足够厚度铅板制成，除上下与各模块出射窗口处以及传送带左右进出口处设有相应开口外各面为完全密封结构；阳极水冷循环系统包括水箱7电动水泵8和三组电动风冷水管散热器9，通过进、出连接水管把水箱7、电动水泵8、电动风冷水管散热器9以及每个X线源模块中的X线管阳极水冷套相互连接，实现对连续加载各模块中X线管的冷却；控制台面6上各按键开关及触屏微计算机通过电气连接实现对整机各电器部件包括每个X线源模块对上下X线管的高压发生器管电压电流及辐照时间的控制。

上X线源模块1与下X线源模块2均为相同规格大小，由带循环水冷阳极接地的一只X线管及与其配套高压发生器组成一体化组合式结构的标准模块。各个标准模块一头的下侧面（或上侧面）设有X线出射窗口10（即上X线源模块1的下侧面设有X线出射窗口，下X线源模块2的上侧面设有X线出射窗口），另一头端面设有电器连接端口。根据用户要求辐照总功率，本实施例共安装了上下X线源模块对三对。

各模块中的X线管全部采用新型辐照专用透射式直接水冷阳极超大焦点X线管（专利申请号201210302279.X），以实现更大照射角和更高X线转换辐射效率，大幅提高整机辐照效率和处理能力。也可以全部采用常规反射式阳极X线管用于较低档辐照效率应用设备，但同功率下辐照强度会显著降低，需要显著减慢传送带传输速度。

循环式样品传送带5通过五组传送带导向轮11与一组传送带电动驱动轮12形成闭路循环，循环式样品传送带5为两边带加强边的带状薄膜材料制成；循环式样品传送带5的传送长度以及辐照室上防护罩3与辐照室下防护罩4上下组合包围该辐照空间的长度与所用模块对的总对数相匹配，模块对数多则长度加长；循环式样品传送带5的传送速度可在较大范围调整并与所用成对模块的总对数匹配，模块对数多则传送速度加快。

整机设计可用于袋装血的辐照，但同样设计还可以（在对传送速度等参数改动后）用于作为厚度不超过10厘米宽度不超过20厘米的样品中成药或散装食品（如大蒜）等其他的连续进出样辐照专用设备，从而最终彻底摆脱各相关辐照产业对放射性核辐照源的依赖。

Claims (4)

1.X线源模块对线列式组合连续进出样品辐照机，包括安置在机壳（13）内的数对上X线源模块（1）与下X线源模块（2）组合对的线列组合、辐照室上防护罩（3）、辐照室下防护罩（4）、循环式样品传送带（5）、阳极水冷循环系统以及位于机壳（13）正面右上角的控制台面（6），其特征在于：各上X线源模块（1）与下X线源模块（2）均为包含一只X线管及与其配套高压电源的一体化标准模块，采用一个上X线源模块（1）与一个下X线源模块（2）两个焦点中心相互准直两个X线管出射窗口互相对射组合成对方式安置，并与其它相同的X线射源模块对并列排成出射窗口一字线列；与该一字线列平行的循环式样品传送带（5）的上部水平传送部分连续穿过每对上X线源模块（1）与下X线源模块（2）出射窗口线列之间的辐照空间；辐照室上防护罩（3）与辐照室下防护罩（4）上下组合包围该辐照空间，上下防护罩均由满足辐射防护要求足够厚度铅板制成，其各面除上下与各模块出射窗口对应处以及传送带左右进出口处设有相应开口外为完全密封结构；阳极水冷循环系统包括安置在机体下部的水箱（7）、安置在底部右侧的电动水泵（8）和安置在机壳背面两侧的电动风冷水管散热器（9），通过进、出连接水管把水箱（7）、电动水泵（8）、电动风冷水管散热器（9）以及每个X线源模块中的X线管阳极水冷套相互连接。

2.根据权利要求1所述的X线源模块对线列式组合连续进出样品辐照机，其特征在于：上X线源模块（1）与下X线源模块（2）均为相同规格，由带循环水冷阳极接地的一只X线管及与其配套高压发生器组成一体化组合式结构的标准模块；标准模块一头的下侧面或上侧面设有X线出射窗口（10），另一头端面设有电器连接端口。

3.根据权利要求1所述的X线源模块对线列式组合连续进出样品辐照机，其特征在于：各模块中的X线管均采用辐照专用透射式直接水冷阳极超大焦点X线管，或完全采用反射式阳极X线管。

4.根据权利要求1所述的X线源模块对线列式组合连续进出样品辐照机，其特征在于：循环式样品传送带（5）通过五组传送带导向轮（11）与一组传送带电动驱动轮（12）形成闭路循环，循环式样品传送带（5）为两边带加强边的带状薄膜材料制成。