摘要

正经营位于新泽西州的布里奇波特的X-射线辐照工厂。 该工厂装有一台Rhodotron TT300，并有三个分开的束流管，提供5，7，和10MeV能量的高强度电子束。 X射线转换靶安装在5和7MeV束流管上，用于产生高强度X射线。在X射线辐照系统的安装、运行及过程验证过程中，使用了GEANT蒙特卡罗模拟工具包对这些测试结果进行了预测。这些蒙特卡洛预测与在各验证阶段测得的实验数据进行了对比。

1. 介绍

IBA积极参与医疗器械消毒和食品巴氏杀菌的X射线照射系统的发展。在最近几年中，IBA已经安装和现经营位于美国新泽西州的布里奇波特设施。这家工厂配备了相应的束能量范围从5到10MeV的多束流管路，并允许产品在电子束和X射线模式下进行辐照。 2002年X射线照射系统已开始在生产中使用。为协助安装确认（IQ），运行确认（OQ）和过程确认（PQ）的进行，蒙特卡罗（MC）的仿真工具被开发了出来。这是基于MC模拟的3.21工具箱GEANT，该工具箱源自CERN（欧洲核子研究中心，1994年），欧洲核子研究组织。它允许电子/光子和处理的复杂几何形状的材料之间的相互作用的详细模拟。 GEANT能够模拟在从10 keV到10 TeV的能量范围内发生的所有优势的电磁过程。 MC模拟预测与在IQ，OQ和PQ的阶段所获得的实验结果进行了对比。这些比较已经被证明是非常有用的，以便更好地了解X射线照射系统的性能，并展示其良好的表现。因为实测数据和MC预测之间取得了很好的一致性，仿真工具也被广泛用于设计新的X-射线照射系统，并优化了其用于辐照医疗器械和食品巴氏杀菌的性能（Stichelbaut等，2003）

2. Bridgeport X射线辐照系统

IBA位于新泽西州的布里奇波特的辐照中心，配备1台Rhodotron 加速器TT300，允许产品可以在电子束和X射线模式下进行辐照。仓库被划分为两个分离的部分。 X射线和电子束束流路径有不同的输送系统，操作相互独立。 Rhodotron加速器提供能量为10MeV、最大强度19毫安的电子束，垂直向下对下面的输送系统上的物品进行处理。
一个270_磁铁用来将电子束引导向下。 两个附加的电子束路径被设计为X射线辐照生产，一个连接到Rhodotron加速器5MeV的出口，而另一个被连接到7MeV出口。这两束路径从加速器水平延伸，对上层输送系统的物品进行照射。X射线辐照室位于同一楼层的钢混墙迷宫内。 X射线系统的两个扫描窗彼此相邻（见图1），分别连接到5、 7MeV电子束路径。在任何一个时间只有一个X射线束处于运行状态。 X射线转换器在扫描窗的前面，靶和扫描窗之间有一个20厘米的空气间隙。 X-射线的靶包括一个1.2mm厚的钽膜并由2mm厚的不锈钢板支持。这两个金属板之间为间距为2mm的间隙，间隙内有冷却水流过。 X射线靶有一个长200厘米，宽6.6厘米的活动部件。这两个靶具有相同的结构。 正如图1所示，物品在X射线中照射产品装入货箱里和输送到X射线束的前面。输送系统安装在地板上，并由进入输送部分，传送部分，夹带输送部分，束通输送部分，出口输送部分组成。运输输送机，夹带输送机和束通输送机连接形成方形并环绕加速器的处理回路。货箱内尺寸深60厘米，长108厘米，高80厘米。运输输送机包括一个转盘，它可以将货箱在束通区域后旋转180度，这样货箱两侧都可以被辐照。
照射系统还包括1个货箱码垛机和一货箱拆垛机。码垛机是用来在传输通过束流路径前将货箱堆放在一起。两个货箱堆放在一起，一个在另一个上面，形成一个盒堆，为通过X-射线处理做好准备。拆垛机将辐照后的、堆放在一起的货箱分开。堆放在一起的两个货箱在二次辐照时位置进行了交换，，因此每个货箱的每个部分都得到了一致的处理。

3. X-射线的靶安装和运行验证

在根据ISO / ASTM标准（ASTM，2002）已进行各种测试以使X射线靶的安装和运行是合格的。他们包括：
*  检查电子束扫描性能：扫描宽度的测量值和设定值比较；测量沿扫描宽度束流的均匀性。
*  检查电子束在靶上的定位：电子束的中心在X射线靶的中间，测量穿过靶的束宽，与X射线的目标物理宽度比较。
*  在空气中产生的离开靶一定距离的X射线场的表征：测量沿X射线靶（垂直轴）和沿传送带的轴得到的剂量分布。
为了验证这些测量，尤其是X射线场的表征，基于来自欧洲核子研究中心的GEANT 3.21工具包已经研制成功。辐照系统的主要元素，即扫描角窗，X射线靶，和X射线转换器，已通过使用GEANT提供的各种几何量模型化。没有应用方差减少技术。撞击扫描角窗口前的电子束大小已被选定，为的是通过置于扫描窗和X射线靶之间的CTA剂量计重现剂量的分布。沿扫描轴的电子密度的均匀性的测量已经证实，均匀的束流分布于长200厘米的X射线靶是合适的。
为了表征靶所产生的X射线场，非金属垫板被放置在靶的前面，在距离其表面30厘米的位置。放射铬的和CTA的剂量计，被用于测量沿扫描轴和输送轴的剂量分布。图2（a）显示在靶中心前面沿扫描轴得到的剂量分布。这些数据用圆圈和正方形来表示，而MC的预测用直方图表示。获得了很好的一致性。沿输送机轴和沿垂直轴的不同高度的剂量分布如图2（b） - （e）所示。再次，CTA数据和MC的一致性也是相当不错的。

4. X射线的PQ

5和7MeV束线已经通过将同质和异质材料放在金属货箱里进行的详细的计量分布测试验证合格。这些剂量测试所用的材料包括泡沫塑料层（密度R = 0.024 g/cm3），纸板（R = 0.15 g/cm3）的，天花板（R = 0.23 g/cm3），胶合板（R =0.50 g/cm3）。使用置于水平牛皮纸上的二维模式的校准过的放射铬剂量计来获得剂量分布图。这些纸张被放置在吸收塔内不同高度，典型的间距为沿垂直轴5厘米（货箱底部和顶部的部分）至10厘米（货箱的中间）。货箱要被照射4次，每次旋转180度，同时上下货箱交换位置。包含剂量计的货箱，被装满相同材料的货箱所包围，以消除边缘效应并重现实际加工条件。不同材料的照射使用固定的传输速度为8.25厘米/分钟和束流强度为24毫安分批进行。
这种辐射过程是仿照使用GEANT 3.21 MC的工具箱。主要元素包括扫描角，X射线的目标，X射线转换器，被尽可能准确描述。金属货箱的结构被模型化，通过每次在靶前面移动产品为1厘米（通常）再现他们的运动。真正的辐射测试中使用的材料的确切成分没有被再现。相反，我们用典型的纤维素成分（H = 10％= 40％，澳= 50％）和不同的产品密度为0.024和0.8克/立方厘米之间。吸收量使用网状计算被全部分为5x5x5立方厘米的方块，X-射线或二次电子沉积在这些方块中的能量被转换成方块的剂量。在每个类型的材料中获得的最小和最大剂量就被确定了。 该模拟是在11台配备2.4GHz的奔腾4处理器的Linux电脑上进行的。每次运行通常需要12?的计算时间。 在每个类型的材料上获得的最小剂量DMIN的演变，在T0 =5MeV时如图3（a）所示，作为一个产品的密度函数。圆圈显示测量数据，而MC预测用正方形表示。连续线显示分析的关系，推导出描述DMIN数量作为一个产品的密度函数的行为。数据中观察到的DMIN随密度下降也很好得被MC模拟所复制。 MC的结果也显示了一个倾向：所有密度的测量剂量被高估8-13％。
这是由于相比现实X射线照射系统的模型太过理想。比较数据发现，类似的MC高估对于最大剂量也同样被发现。剂量均匀率（DUR: 最大剂量除以最小剂量）的演变，如图3（b）所示。所有密度的观测数据和MC之间取得很好的一致。相同剂量分布试验通过7MeV电子束反复进行。DMIN和Dmax的数量类似的趋势也被观察到。MC数据高估了约10％。对于同样的束流强度和传送带速度，与T0 = 5MeV相比，在T0 = 7MeV时，剂量率乘以系数2.2。对于DUR, 数据和MC之间取得了很好的一致，与T0 =5 MeV时所取得的成果相比，在所有的密度中有一个小小的改善。为了研究异构产品负载的照射，在同质的情况下，货箱里塞满了相同的材料制成的三明治。该产品的负载，沿初始束流方向被分为三个部分，大多数X射线依次穿过这三段。每个段有相同的厚度，但对应于不同的材料，以改变的负载的容重。这些产品负载在相同的条件下作为均质物被照射，DMIN，Dmax的数量和产品的容重一起被确定。 同质和异质产品剂量测试结果如图4所示。对于研究的产品配置和密度范围在0.05和0.25 g/cm3之间，结果表明，在异构的产品中获得的最小剂量轻微，但系统地，比在同质的具有相同的密度产品中获得的剂量大。
为了确认这些观察结果，与我们的MC的代码一起模拟了填满异质产品的货箱。产品被沿束流轴线方向分成三个部分，中间的密度为0.5 g/cm3且变厚度，其它两个部分密度均为0.025 g/cm3。中央部分的厚度变化在0和30厘米之间，容重则在0.025和0.25 g/cm3之间逐步改变。图5所示，在这些不同种类的产品中获得的最小剂量比在同质的相同的容重的产品中获得最小剂量大，正如在剂量试验中观察到的。

5. 总结

一个以来自CERN的蒙特卡罗模拟工具GEANT 3.21为基础，已经被开发用于确认安装在布里奇波特工厂由IBA经营的X射线照射系统验证期间所取得的成果，。
所有执行的测试，在剂量测量和MC预测之间的相当不错的一致，尽管MC有一个系统化的倾向-比产品中测得的计量高估约10％。不同产品密度和电子束能量的剂量均匀性比率与MC的预测有着良好的一致性。
这MC模拟是一个非常强大和精确的工具，来预测的X射线照射方法的性能。它可以用来研究新的想法，无需进行昂贵的实验测试。

图1，X射线辐照室位于Bridgeport, New Jersey

图2 X射线的靶运行验证期间获得的的测量和预测的剂量分布比较:
(a)沿着电子束扫描轴测得的计量分布;
(b)–(e) 沿着输送线方向、及垂直轴方向的不同位置测得的计量分布
(Z = 0相对于X射线靶的中心): (b) Z =+120 cm; (c) Z = +60 cm; (d)Z=0 cm; (e) Z =-60 cm.

图3 同质化的产品，在T0=5MeV时在过程验证中获得的结果：（a）最小剂量DMIN的变化和（b）作为一个产品的密度函数DUR的演变。

图4 异构产品在T0=5MeV时，在过程验证中获得的结果: （a）最小剂量DMIN的变化和（b）作为一个产品的容重函数的最大计量Dmax。

Fig. 5. MC模拟在均匀与不均匀产品中的预测的最小剂量的比较