本文描述的实施例总体涉及屏蔽高能、高功率x射线源的屏蔽装置。这里，高能表示能量在多mev能量范围内的x射线。具体地，实施例涉及一种用于屏蔽x射线源的装置，其中x射线源旨在用于伽马激活分析。具体应用涉及x射线源用于分析矿石样品中的金和其它有价值元素如银、铜和铅的用途。还提供了一种用于优化x射线辐射装置的屏蔽的方法。
背景技术：
伽马激活分析(gaa)，也称为光子激活分析，使用高能x射线源以在样品中的靶元素中诱发核反应，然后测量由激活样品发射的衰变辐射以确定这些元素的浓度。
典型地，使用源产生多mev能量范围内的x射线，所述源使用装配有转换靶的电子加速器以经由轫致辐射过程产生x射线。常见类型的电子加速器是线性加速器或linac。
如果要以良好的灵敏度检测低浓度存在的元素，则需要高强度x射线源。例如，可以使用5-10kw或更高的线性加速器束功率。本文所述的束功率是指入射到x射线转换靶上的加速电子束的功率。这种高强度源产生大量的x射线辐射，通常在100-200西韦特(sv)/min的范围内，在距x射线发射点一米处测量。这种辐射水平给人员带来严重的风险，并且必须使用适当的屏蔽来降低。
用于gaa的x射线源通常在至少7mev的源能量下操作，并且可以在高达15mev或甚至更高的能量下使用。源能量是指加速电子束的峰值能量，其对应于x射线轫致辐射光谱的端点能量。这些能量足够高以在某些元素中诱发核反应。这些反应通常包括中子的产生，其存在额外的辐射危害。必须将屏蔽设计成还将可接近区域中的中子辐射水平降低到可接受的水平。
通常，用于工业应用的基于促进剂的系统分为三大类：
1.用于医院环境中放射治疗的那些。与这些系统相关的x射线源通常在范围从几mev到15-18mev的源能量下操作，但是具有相对低的功率(几sv/min的剂量率)和非常低的占空比(高达500sv/周)。屏蔽通常通过建造具有回旋通道或“迷宫”的大体积混凝土“料仓”来提供通路。
2.用于工业灭菌或产物照射的促进剂，其通常在至多10mev的源能量下操作。在这种类型的系统中，束功率可以非常高，大约为10-20kw或更高。此外，通过大体积混凝土结构提供屏蔽，其中待照射的目标在弯曲路径上传送以避免辐射流。也可以部署大型屏蔽门。
3.用于安全成像应用如货物扫描的加速器。尽管在一些应用中可以使用高达9mev的能量，但是这样的系统通常在约6mev的低源能量或双能量模式(例如，在3mev和6mev之间交替)下操作。在这些系统中，束功率通常也非常低，并且中子产生不是重要的考虑因素。屏蔽通常包括围绕加速器的铅或钨，以及钢壁舱室。
部署用于gaa的大功率加速器源类型的传统方法需要建造独立的，专用的混凝土屏蔽。通常，所需的屏蔽厚度约为1.5-2.0m，这导致大的覆盖区和数百至数千吨的质量。
用于加速器屏蔽的替代现有方法包括开发既提供x射线屏蔽又提供中子屏蔽的专用材料。一个示例包括与特殊x射线和中子吸收添加剂结合的混凝土混合物。然而，这种方法增加了所需屏蔽的总质量。
希望提供一种与适用于gaa的高能量、高功率x射线源一起使用的改进的屏蔽装置。
对包括在本说明书中的文件、动作、材料、设备、物品等的任何讨论不应被认为是承认这些事项中的任何或全部形成现有技术基础的一部分，或者是本公开相关领域的公知常识，因为其存在于本申请的每个权利要求的优先权日之前。
在整个说明书中，词语“包括(comprise)”或诸如“包括(comprises)”或“包括(comprising)”的变化将被理解为暗示包括所述元素、整体或步骤，或元素、整体或步骤的组，但不排除任何其它元素、整体或步骤，或元素、整体或步骤的组。
技术实现要素：
在本发明的一个方面中，提供了一种屏蔽x射线辐射装置，包括：
x射线源；
x射线衰减屏蔽，其包括在一端具有容纳样品的区域的细长空腔；
中子衰减屏蔽；
伽马衰减屏蔽；以及
其中该中子衰减屏蔽邻近该x射线衰减屏蔽并且基本上围绕该x射线衰减屏蔽；以及
其中该伽马衰减屏蔽邻近该中子衰减屏蔽并且基本上围绕该中子衰减屏蔽。
x射线源可以是用于伽马激活分析的任何合适的设备。x射线源可以包括电子加速器和转换靶，电子加速器用于产生具有电子束方向的电子束，电子束指向转换靶。
在一个实施例中，从电子加速器产生的电子束的能量可以在7mev和15mev之间，并且电子加速器可以至少0.5kw，优选约8kw的束功率操作。最大束功率可以是束能量的递减函数。
在另一个实施例中，从电子加速器产生的电子束的能量可以在7mev和10mev之间。在这样的实施例中，电子加速器可以具有2kw的最大束功率。
可以想象，从电子加速器产生的电子束的能量可以在8mev和10mev之间。在这样的实施例中，电子加速器可以具有8kw和20kw之间的最大束功率。
x射线衰减屏蔽优选地由高密度材料构成，并且优选地主要由铅构成。较不优选地，x射线衰减屏蔽主要由钨构成。或者，x射线衰减屏蔽由铅层和钨层构成。
中子衰减屏蔽优选由氢密度约为0.1g/cm3的聚合物材料构成。具有通式(-ch2-)n的聚合物如聚乙烯是特别合适的。或者，中子衰减屏蔽可以由诸如聚氨酯树脂的铸造树脂形成。屏蔽可以包括富氢材料，例如但不限于聚乙烯或聚丙烯中的一种或多种。聚合物材料可任选地或另外包括一定比例的选自包括硼和锂的组的基本中子吸收元素。中子吸收元素的比例可以为1-5wt％，优选5wt％。
伽马衰减屏蔽优选地主要由铅构成。较不优选地，伽马衰减屏蔽主要由钢构成。或者，伽马衰减屏蔽由铅和钢的复合层构成。
空腔内壁的一部分可以衬有支撑壳体，以在正确的相对位置支撑至少电子加速器、x射线转换靶和被照射的样品。优选地，支撑壳体由钢制成。可以选择替代的材料，只要该材料基本上不含易于通过x射线或中子诱发的核反应激活的元素。
与电子束方向成90°角的x射线衰减屏蔽的厚度可以在正向方向上的厚度的60-80％的范围内，并且与电子束方向成180°角的厚度可以在正向方向上的厚度的25-50％的范围内。更优选地，与电子束方向成90°角的x射线衰减屏蔽的厚度可以是正向方向上的厚度的大约75％，与电子束方向成180°角的厚度可以是正向方向上的厚度的大约50％。
可以使用列表十分之一值层和期望剂量衰减系数来估算x射线衰减屏蔽在正向方向上的厚度。更具体地，正向方向上的x射线衰减屏蔽厚度(txr)可以由以下等式估算：txr＝tvl×log10[(r×60×106)/(rd2)]，其中d是距靶的距离，在此将要计算减小的剂量率，r是离由未屏蔽源产生的靶1m处的剂量率，r是距离d处最近的人员可接近点处的期望屏蔽剂量率，tvl是x射线衰减屏蔽材料的预定十分之一值层。
中子衰减层的厚度可以根据x射线源的中子产率的知识来确定。中子产生速率是源、特别是x射线转换靶的设计和电子束能量的函数。通常，中子发射速率由源制造者根据由中子发射引起的剂量率(sv)除以由x射线发射引起的剂量率(sv)来提供。根据该参数，可以根据正向x射线剂量率的知识来计算离源给定距离处的未屏蔽中子剂量率。
所需的中子衰减系数f可以计算为未屏蔽剂量率与所需屏蔽率的比。可以使用公式tvl*log10(f)估算正向方向中子屏蔽的厚度，其中tvl是所选中子衰减材料中低能中子的列表第十值厚度。例如，用于由端点能量高达15mev的x射线产生的中子的硼酸化聚乙烯中的tvl为62mm。然后，厚度为200-300mm的中子屏蔽将使中子通量减小1700-7000倍。
由于中子发射基本上是各向同性的，所以可以将中子衰减层的厚度选择为相对于电子束方向的角度近似恒定。如果容纳x射线源所需的屏蔽的伸长是相当大的，则后方向上最接近的可接近点(接近180°)可比正向方向上最接近的可接近点显著地远离x射线转换靶。在这种情况下，中子衰减屏蔽在后方向上的厚度可以成比例地减小。优选地，在后方向上的厚度是在正向方向上的厚度的50-100％。
优选地，伽马衰减屏蔽具有与中子衰减屏蔽的优化厚度成比例的厚度。
该屏蔽x射线辐射装置可以进一步包括用于将样品插入该细长空腔中的可移除样品插入装置；其中该可移除样品插入装置是由相邻的材料块组成的，每个各个的块具有厚度和组成，其基本上与该x射线衰减、中子衰减和伽马射线衰减屏蔽之一的厚度和组成相匹配。
可移除的样品插入装置可以进一步包括平台构件，待照射的样品可定位在该平台构件上；并且其中所述相邻的材料块包括与所述平台构件相邻的第一块，与所述第一块邻接的第二块和与所述第二块邻接的第三块；其中：
第一块由基本上衰减x射线并且具有与x射线衰减屏蔽相同或基本上相同的厚度的材料构成，
第二块由基本上衰减中子并且具有与该中子衰减屏蔽相同或基本上相同的厚度的材料构成，并且
第三块由基本上衰减具有与伽马衰减屏蔽相同或基本上相同的厚度的伽马射线的材料构成；以及
其中该屏蔽x射线辐射装置包括套筒，该平台构件能够穿过该套筒。
优选地，装置的套筒和可移除样品插入装置具有小于2.00mm，更优选地小于1.00mm，并且更优选地小于0.50mm的间隙容差。
可移除样品插入装置的平台构件可由钢或任何其它物质制造，所述其它物质不含受到来自x射线或中子的显著激活的元素。
在一个实施例中，可移除样品插入装置的外部轮廓是阶梯状的，其中一个或多个块的尺寸中的至少一个在垂直于行进方向的方向上随着距平台构件的距离增加而增加。该台阶或每个台阶的宽度优选在5至15mm的范围内。
例如，第一块可以包括至少两个台阶，使得块的尺寸以阶梯式方式从最里面的台阶增加到最外面的台阶。每个台阶的宽度可以在5至15mm的范围内。第一块优选地由基本上衰减x射线的材料制成，例如铅或钨。
第一块可以通过任何合适的装置粘附到平台构件。例如，该平台可以包括成角度的支架，该支架包括多个孔，螺栓可以穿过这些孔插入以便将该第一块体部分刚性地附接至该平台上。
第二块可以是具有内表面和外表面的整体块。第二块部分的内表面优选地邻接第一块的最外台阶的外表面。第二块可以通过任何合适的装置粘附到第一块，例如通过将各个部分彼此螺栓连接的钢支架。第二块优选地由用于构造中子衰减屏蔽的材料制成，或者它可以由基本上衰减中子的替代材料制成，例如包含5wt％硼的聚乙烯。
第三块可以是具有内表面和外表面的整体块。第三块的内表面优选邻接第二块的外表面。第三块可以通过任何合适的装置方式粘附到第二块上，例如将各个部分彼此螺栓连接的钢支架。可替代地，第三块可以成形为提供用于螺栓连接到第二块的直接装置。第三块优选由基本上衰减伽马射线的材料制成，例如铅或钨。
可拆卸样品插入装置还可包括具有内表面的附接部分，其中内表面的尺寸等于或大于第三块的外表面的尺寸，并且其中第三块的外表面邻接附接部分的内表面。附接块部分可以通过任何合适的装置粘附到第三块。附接部分可以是中空的。构成附接部分的材料不必是辐射屏蔽材料。附接装置可以固定到线性驱动机构上，以插入可移除样品插入装置和从x射线屏蔽移除可移除样品插入装置。
有利地，利用可移除样品插入装置的实施例使得能够通过顺序分层屏蔽插入和移除待分析的样品，而不损害其屏蔽完整性。
在本发明的另一方面，提供了一种屏蔽x射线辐射装置，包括：
x射线源；
x射线衰减屏蔽，其包括用于容纳x射线源的细长空腔并且结合了用于容纳样品的区域；
中子衰减屏蔽，其邻近并基本围绕x射线衰减屏蔽；
伽马衰减屏蔽，其邻近并基本围绕中子衰减屏蔽；以及
可移除样品插入装置，用于将样品插入该细长空腔中；其中该可移除样品插入装置是由相邻的材料块组成的，每个各个的块具有厚度和组成，其分别基本上匹配该x射线衰减、中子衰减和伽马射线衰减屏蔽的厚度和组成。
可移除的样品插入装置可以进一步包括平台构件，待照射的样品可定位在该平台构件上；其中所述相邻的材料块包括与所述平台构件相邻的第一块，与所述第一块邻接的第二块和与所述第二块邻接的第三块；其中：
第一块由基本上衰减x射线并且具有与x射线衰减屏蔽相同或基本上相同的厚度的材料构成，
第二块由基本上衰减中子并且具有与该中子衰减屏蔽相同或基本上相同的厚度的材料构成，并且
第三块由基本上衰减具有与伽马衰减屏蔽相同或基本上相同的厚度的伽马射线的材料构成；以及
其中该屏蔽x射线辐射装置包括套筒，该平台构件能够穿过该套筒。
该装置的套筒和可移除样品插入装置可以具有小于2.00mm，更优选地小于1.00mm，并且更优选地小于0.50mm的间隙容差。
可移除样品插入装置的外部轮廓可以是阶梯状的，其中这些相邻块中的至少一个在垂直于行进方向的方向上随着距该平台构件的距离增加而在高度或宽度上增加。该台阶或每个台阶的宽度可以在5至15mm的范围内。在一个实施例中，第一块包括至少两个台阶，使得第一块的尺寸以阶梯式方式从最里面的台阶增加到最外面的台阶。
x射线衰减屏蔽可以具有随着与电子束方向的角度增加而减小的厚度。与电子束方向成90°角的x射线衰减屏蔽的厚度可以在正向方向上的厚度的60-80％的范围内，并且与电子束方向成180°角的厚度可以在正向方向上的厚度的25-50％的范围内。更优选地，与电子束方向成90°角的x射线衰减屏蔽的厚度可以是正向方向上的厚度的大约75％，与电子束方向成180°角的厚度可以是正向方向上的厚度的大约50％。
形成各个屏蔽的厚度和材料可以根据至此教导的描述来配置。
在本发明的另一方面中，提供了一种用于优化x射线辐射装置的屏蔽的方法，所述装置包括x射线衰减屏蔽，所述x射线衰减屏蔽包括用于容纳x射线源的细长空腔，与所述x射线衰减屏蔽相邻并基本围绕所述x射线衰减屏蔽的中子衰减屏蔽，以及与所述中子衰减屏蔽相邻并基本围绕所述中子衰减屏蔽的伽马衰减屏蔽，所述方法包括：
通过以下等式确定x射线衰减屏蔽在正向方向上的第一厚度(txr)：txr＝tvl×log10[(r×60×106)/(rd2)]，其中d是距电子靶的距离，r是距由x射线源产生的电子靶1m处的剂量率，r是最近的人员可接近点处的屏蔽剂量率，tvl是x射线衰减屏蔽材料的预定十分之一值层；
确定与电子束方向成90°角的x射线衰减屏蔽的厚度为在正向方向上的厚度的60-80％的范围内；以及
确定与电子束方向成180°角的x射线衰减屏蔽的厚度为在正向方向上的厚度的25-50％的范围内。
用于优化x射线辐射装置的屏蔽的方法还可以包括确定与电子束方向成90°角的x射线衰减屏蔽的厚度为在正向方向上的厚度的大约75％。
用于优化x射线辐射装置的屏蔽的方法还可以包括确定与电子束方向成180°角的x射线衰减屏蔽的厚度为在正向方向上的厚度的大约50％。
用于优化x射线辐射装置的屏蔽的方法还可以包括通过以下等式确定中子衰减屏蔽在正向方向上的厚度(tnt)：tnt＝tvlnlog10(f)，其中tvln是用于在中子衰减屏蔽中衰减低能中子的预定十分之一值层，并且f是未屏蔽剂量率与期望屏蔽率的比。
用于优化x射线辐射装置的屏蔽的方法还可以包括确定在向后方向上与电子束方向成180°角的中子衰减屏蔽的厚度为在正向方向上厚度(tnt)的50-100％。
用于优化x射线辐射装置的屏蔽的方法还可以包括确定与中子衰减屏蔽的厚度成比例的伽马衰减屏蔽的厚度。
附图说明
现在将参考附图描述实施例，其中：
图1是屏蔽配置的一个实施例的示意图；
图2是用于实施在此描述的本发明的可移除样品插入装置的实施例的透视图；并且
图3示出了说明对于装配有钨轫致辐射转换器靶的电子加速器，中子剂量率与未屏蔽的正向x射线剂量率之比相对于端点能量的曲线图。
具体实施方式
图1示出了屏蔽x射线辐射装置100的示例，其被配置成以可以在8-14mev的范围内变化的端点能量操作。由x射线发生器(未示出)输送的最大x射线剂量率从8mev操作能量下的160sv/min变化到14mev操作能量下的25sv/min。
屏蔽x射线辐射装置100包括x射线衰减屏蔽110和111，中子衰减屏蔽120和121以及伽马衰减屏蔽130和131。x射线衰减屏蔽包括容纳linac(未示出)的长度大约为1.5m的空腔106。linac将电子束101加速到转换靶102上，产生基本上指向电子束方向的轫致辐射x射线辐射。在使用中，x射线辐射照射样品103。
容纳linac的前部、转换靶102和样品103的空腔106基本上被支撑壳体104包围，该支撑壳体104提供在校正相对位置支撑linac、靶和样品的装置。铅是一种柔软且有延展性的材料，不适于此目的。在该示例中，支撑壳体104由诸如钢的材料制成。在其它示例中，所选材料应基本上不含易于通过x射线或中子诱发的核反应激活的元素。例如，壳体应该不含元素钴，这导致通过中子俘获形成长寿命60co同位素。这种长寿命同位素的形成可能导致屏蔽部件的最终退役或处置困难。
x射线衰减屏蔽(主屏蔽)包括头部110和主体部分111。x射线衰减屏蔽的厚度是与电子束方向的角度的函数：图1中示出了0、30、60、90、120、150和180度的方向。根据随后在说明书中提供的描述计算厚度。x射线衰减屏蔽110、111可以通过将熔融铅浇铸到模具或钢壳中来形成。
x射线衰减屏蔽110、111被中子衰减屏蔽(次级屏蔽)120、121包围，中子衰减屏蔽120、121由包含5重量％硼的聚乙烯形成。中子衰减屏蔽的厚度与说明书后面提供的描述一致。在该示例中，中子衰减屏蔽110、111由平板材料形成。
中子衰减屏蔽110、111被由铅片形成的伽马衰减屏蔽130、131(第三屏蔽)包围。伽马衰减屏蔽具有与下面的中子衰减屏蔽的厚度成比例的厚度。在所示的示例中，伽马衰减屏蔽与中子衰减屏蔽的厚度比为1：10。
分层屏蔽(110和111，120和121，130和131)的总尺寸为大约3300mm长和1650mm宽，并且总屏蔽质量为大约22吨。因此，屏蔽设计可以舒适地容纳在标准20"集装箱的尺寸和质量限制内。
待照射的样品103通过可移动的样品插入装置(也称为插塞140)通过分层屏蔽插入和移除。插塞140穿过安装在第一、第二和第三屏蔽层中的套筒141。套筒141和插塞140之间的间隙应尽可能小，以允许插塞运动。容差优选小于0.5mm。
插塞140的设计在图2中更详细地示出。样品103支撑在由钢或类似材料形成的平台构件150上。根据壳体104的设计，制造平台构件的材料也应该不含受到x射线或中子的显著激活的元素。
插塞160的第二部分包括至少两个台阶部分161、162，最外台阶162的尺寸大于最内台阶161的尺寸。在所示的示例中，台阶具有10mm的宽度。插塞160的第二部分由提供x射线的有效衰减的材料形成，例如铅或钨。优选地，插塞160的该部分由基本上类似于用于x射线衰减屏蔽110、111的材料形成。
插塞170的第三部分由有效阻止中子的材料构成。优选地，插塞的第三部分由基本上类似于用于形成中子衰减屏蔽120、121的材料制成。提供了用于接合插塞的第二和第三部分的接合构件171。接合构件171是螺栓连接到插塞的第二和第三部分的钢支架。
插塞180的第四部分由提供x射线的有效衰减的材料构成，例如铅或钨。在该示例中，插塞的第四部分包括两个台阶，但是在其他示例中，其可以包括多于两个台阶，或者仅包括单个台阶。
插塞190的最后部分设置成使得整个插塞能够附接到提供线性运动(未示出)的机构上，以将插塞传送到空腔内和空腔外。不需要提供任何屏蔽功能的该部分190可以是具有附接到线性运动设备的装置的实心或中空结构。
x射线衰减屏蔽
不同材料的x射线屏蔽功效的表很容易获得(例如，ncrp报告151“兆伏x射线和伽马射线放射治疗设施的结构屏蔽设计和评估”(“structuralshieldingdesignandevaluationformegavoltagex-andgamma-rayradiotherapyfacilities”))。屏蔽效率通常称为“十分之一值层”(tvl)，其是降低x射线剂量率10倍所需的材料厚度。tvl是材料组成、材料密度和x射线源能量的函数。
例如，10mevx射线源的报告tvl值对于铅是57/57mm，对于混凝土是410/370mm，对于钢是110/110mm。在每种情况下，第一报告值是第一屏蔽层的tvl，第二报告值是所有后续屏蔽层的tvl。考虑用于特定x射线源的屏蔽设计，其被设计为以特定系数降低剂量率。使屏蔽由铅构成并具有总质量m。如果屏蔽材料变为钢，则屏蔽的每个线性尺寸将需要增加110/57＝1.93的系数以实现相同的剂量率减小系数。新屏蔽的质量m"将由以下给出：
m’＝m×1.93k×钢密度/铅密度
其中k是值在1和3之间的指数。
如果容纳x射线发生器的空腔106比分层屏蔽厚度大(如在放射治疗单元中常见的，其中x射线源被保持在大到足以容纳患者的房间中)，则k大约为1。如果分层屏蔽的厚度比空腔106的尺寸大，则k接近于3。对于相对紧凑的屏蔽设计，k的值在2和3之间。
其中k＝2，m"＝2.6m；对于k＝3，m"＝5.0。因此，从铅屏蔽切换到钢屏蔽的结果是将屏蔽的所需质量增加2.6-5.0倍。如果x射线衰减屏蔽110、111由混凝土而不是铅构成，其具有更低的密度，质量的增加是8.8-57倍。发明人已经确定，如果目标是减小屏蔽的总质量，则由高密度材料构造x射线衰减屏蔽110、111是有利的，并且最优选地由铅构造x射线衰减屏蔽110、111。
中子衰减屏蔽
由诸如铅的元素构造x射线衰减屏蔽的显著缺点是光中子的产生。通常，通过(g，n)反应产生中子的x射线阈值能量随着原子序数的增加以及反应概率或截面增加而降低。
铅由4种天然同位素组成：204pb(1.4％)、206pb(24.1％)、207pb(22.1％)和208pb(52.4％)。这些同位素的(g，n)阈值分别为8.4、8.1、6.7和7.4mev。这意味着被操作以产生具有大约6.7mev或更高的端点能量的x射线的加速器将产生光中子，中子的产生随着x射线能量的增加而迅速增加。重金属如铅在屏蔽中子方面非常差。
发明人考虑在x射线屏蔽之外增加中子衰减屏蔽，其由有效热能化(减速)和吸收中子的材料形成。由于在弹性(n，p)碰撞中发生的高能量损失，具有高氢含量的材料在减慢中子方面非常有效。具有高氢含量的合适材料的实例包括具有通式(-ch2-)n的聚合物，例如聚乙烯和聚丙烯，以及水。这些材料的氢含量约为0.11-0.13g/cm3。有利地，诸如聚乙烯的聚合物可以在大的自支撑片材获得，这简化了屏蔽的构造。其它中子屏蔽选择包括诸如聚氨酯树脂的材料，其可以浇铸成所需的形式。树脂可以与诸如聚乙烯粒料的材料混合以增加氢含量。
有利地，中子屏蔽层被设计成包括一定比例的强烈吸收热中子的元素，例如硼(b)。同位素10b(天然硼的19.9％)具有3835barns的热中子吸收截面，与之相比，1h的值仅为0.333barns，12c的值仅为0.00353barns。当硼吸收中子时产生的伽马射线具有478kev的能量，而氢捕获中子产生的伽马射线具有2234kev的能量。任选地，可以选择锂(li)作为吸收元素。同位素6li(天然锂的7.6％)具有940barns的热中子吸收截面。较低的横截面和较低的同位素分数意味着锂是比硼更低效的中子吸收剂。然而，锂在中子俘获期间不产生伽马射线。
硼或锂可以以各种形式结合到中子屏蔽中。负载硼和负载锂的聚乙烯可与各种浓度的掺杂剂一起获得。5％的负载是典型的并且提供有效的热中子吸收。可将可溶性硼或锂化合物加入水中。粉状硼或锂化合物可以加入到树脂或树脂-聚合物珠粒混合物中。
在诸如硼酸化聚乙烯的材料中中子的十分之一值层(tvl)厚度是中子能量的函数。在(g，n)反应中产生的中子具有等于加速器电子束能量减去反应阈值的最大能量，但是大多数中子在非常低的能量下产生。在加速器能量小于15mev的情况下，平均中子能量<<1mev。硼酸化聚乙烯中的中子tvl的值为约62mm[ncrp报告第79号，来自医学电子加速器的中子污染(ncrpreportno.79,neutroncontaminationfrommedicalelectronaccelerators)]。然后，厚度为200-300mm的中子屏蔽将使中子通量减小1700-7000倍。
伽马衰减屏蔽
设计适当的辐射屏蔽是更复杂的，因为中子屏蔽层中的中子俘获可以产生高能伽马射线。用于中子屏蔽层的低密度含氢材料提供这些伽马射线的非常有限的屏蔽，其可以使用由铅、钢或其它高密度金属组成的第三屏蔽(伽马衰减屏蔽)最有效地阻挡。
如果硼用作中子衰减屏蔽中的中子吸收材料，则屏蔽外的伽马射线通量由478kev伽马射线支配，该478kev伽马射线由10b的中子俘获产生。478kev伽马射线在铅中的tvl约为1.2cm，在铁中的tvl约为5.2cm。为了使中子诱发的伽马射线剂量率衰减100倍，需要约2.5cm铅或10cm铁的厚度。产生这种衰减水平所需的铁屏蔽的质量将比铅屏蔽的质量大大约3倍。因此，铅是伽马衰减屏蔽的优选选择。
用于插入和移除样品的构件
期望一种用于从x射线源附近快速插入和移除样品的机构。这对于短寿命激活反应例如半衰期为7.73s的197au亚态的形成尤其如此。
分层屏蔽包括套筒或样品进入通道，其基本上是直的。插塞140在其被插入时完全填充样品进入通道，并提供用于插入和移除样品的构件，如前所述。如图2所示，插塞140的外部轮廓是阶梯状的，以去除x射线或中子辐射可以通过其逃逸的任何直线路径。有利地，这允许在插塞140的侧面和插塞穿过的通道的壁之间留下更大的容差，从而简化插塞的制造和移动。
x射线、中子和伽马衰减屏蔽厚度的确定
使用列表的tvl和期望的剂量衰减系数来估算正向方向上的x射线衰减屏蔽厚度。考虑在rsv/min的正向方向距离靶1m处产生未屏蔽剂量率的加速器。假设在离靶距离d最近的人员可接近点处的期望的屏蔽剂量率是r微sv/小时。对于铅x射线衰减屏蔽，其中用于轫致辐射的tvl在至少4-25mev的能量范围内独立于加速器能量，屏蔽厚度t由下式给出：
t＝tvl×log10[(r×60×106)/(rd2)](1)
例如，考虑linac产生160sv/min的最大未屏蔽剂量率。如果最接近的可接近点距离靶1m并且期望的屏蔽剂量率是2.5微sv/小时，则t＝9.8tvl。用57mm的列表值代替tvl得到t＝560mm。
不同角度的最佳x射线衰减屏蔽厚度的确定是更复杂的计算，因为它不仅取决于来自源的x射线发射的角度分布，而且取决于屏蔽内部的x射线散射和吸收过程。发明人根据经验确定，对于产生端点能量在8-14mev范围内的x射线的加速器源，在正向方向上厚度的60-80％(更优选75％)范围内和25-50％(更优选50％)范围内的x射线衰减屏蔽厚度适合分别与电子束成90°和180°的角度。对于所考虑的示例，在90°角下需要420mm的x射线衰减屏蔽厚度，并且在180°角下需要大约280mm的厚度。
在这些对屏蔽厚度的总体要求内，屏蔽的详细配置可以最方便地使用辐射传输计算机代码，例如蒙特卡罗模拟来优化。模拟代码可用于模拟x射线的产生、散射和吸收，并记录整个模型中不同位置处的模拟剂量率。然后可以优化屏蔽配置以在屏蔽外表面上的所有点处实现期望的剂量率。通用蒙特卡罗模拟代码如egs、mcnp和geant是容易获得的。
中子衰减屏蔽的厚度的确定取决于中子的产生速率，其是加速器端点能量的强函数。中子产生可以发生在加速器靶、照射样品和x射线衰减屏蔽中。中子产生数据由许多加速器系统的制造者提供。它们也可以通过实验测量，或使用计算机模拟代码计算。
图3绘出了具有钨靶和铅x射线衰减屏蔽的加速器的每单位正向方向x射线剂量的中子剂量率。电子加速器操作能量以及因此x射线端点能量在8和14mev之间变化。本发明人使用mcnp蒙特卡罗代码进行的x射线传输和中子产生的计算机模拟来确定结果。
回到linac产生160sv/min的未屏蔽正向方向x射线剂量率的示例，如果linac操作能量为8.5mev，则相应的中子剂量率将为大约160×2×10-6sv/min＝3.2×10-4sv/min。如果希望在1m的距离将该剂量率降低到2.5微sv/hr，则等式1可用于确定t＝3.9tvl。对于低能中子，tvl为62mm，相应的屏蔽厚度为240mm。由于中子产生是linac能量的函数，所以对于所讨论的应用，设计的厚度应针对相关应用的操作能量/剂量率输出范围进行计算，并选择最大厚度。
由于中子产生近似各向同性，所以在所有方向上需要类似的屏蔽厚度。如果电子加速器的设计需要相当大的腔来容纳加速结构，使得屏蔽在向后方向上的部分比在正向方向上的部分明显更远离靶，则等式1预测由于d2的较大值，减小的屏蔽厚度在向后方向上是可接受的。
耦合光子-中子蒙特卡罗模拟可用于优化中子衰减屏蔽的详细设计。建立了x射线衰减屏蔽和中子衰减屏蔽的模型，通过该模型跟踪x射线和x射线感应中子。然后在中子衰减屏蔽表面上的点处记录中子剂量率。可以调节中子衰减屏蔽的厚度以确保该外表面在期望的剂量率水平上与中子等剂量轮廓近似一致。
由于中子感应伽马射线的产生与中子通量成比例，并且将中子和伽马射线通量减小到可接受水平所需的中子衰减屏蔽和伽马衰减屏蔽的各个厚度都与通量减小系数的对数成比例，因此伽马衰减屏蔽的所需厚度与中子衰减屏蔽的优化厚度成比例。
在中子衰减屏蔽由含有5重量％硼的聚乙烯制成，伽马衰减屏蔽由铅制成的情况下，发明人已经确定伽马衰减屏蔽的最佳厚度是次级聚乙烯层厚度的0.1倍。例如，如果中子衰减屏蔽在特定位置的厚度是300mm，则伽马衰减屏蔽在该位置的最佳厚度是30mm。如果中子或伽马衰减屏蔽的组成改变，则可以确定不同的比例常数，例如通过使用蒙特卡罗模拟。
本文描述的实施例的优点在于，它能够以紧凑的，可浮动的格式提供gaa服务。在此描述的实施例允许8kw，8-14mevlinac基的x射线源被部署在标准20"集装箱的覆盖区中。通过添加容纳样品处理和辐射检测系统的附加容器，可以在工厂中构建整个gaa设施，然后快速运输并设置在任何期望的位置。当希望在远程位置如采矿场设置矿物分析实验室时，这是特别有利的。
本发明的实施例提供了辐射屏蔽，其以与现有设计相比减小屏蔽的尺寸和重量的方式设计用于高能x射线源周围。有利地，减小尺寸和重量以与标准20"集装箱的允许参数一致允许更容易地安装高能x射线装置。
虽然本发明的实施例被描述为特别适用于需要分析矿物样品中的元素的领域，但是本发明还适用于包括射线照相、货物筛选、可裂变材料检测和消毒的应用。本质上，本发明可应用于需要部署x射线源的任何应用，所述x射线源可在足够高的能量下操作以产生中子。
虽然未示出，但是应当理解，为了能够维护加速器，该装置在大多数情况下将被配置成能够接近加速器。因此，该装置可以配置有在加速器附近的门。在一种情况下，该装置可以配置有位于加速器后端的门，该门紧接在加速器后面，从而允许这种进入。
本领域技术人员应当理解，在不脱离本公开的广义范围的情况下，可以对上述实施例进行多种变化和/或修改。因此，本实施例在所有方面都被认为是说明性的而非限制性的。
技术特征：
1.一种屏蔽x射线辐射装置，包括：
x射线源；
x射线衰减屏蔽，其包括用于容纳x射线源的细长空腔并且结合了用于容纳样品的区域；
中子衰减屏蔽；以及
伽马衰减屏蔽；
其中所述中子衰减屏蔽邻近所述x射线衰减屏蔽并且基本上围绕所述x射线衰减屏蔽；以及
其中所述伽马衰减屏蔽邻近所述中子衰减屏蔽并且基本上围绕所述中子衰减屏蔽。
2.根据权利要求1所述的屏蔽x射线辐射装置，其中所述x射线源包括电子加速器和电子靶，所述电子加速器用于产生具有电子束方向的电子束，所述电子束指向所述电子靶；并且其中所述电子加速器被配置成产生具有7mev与15mev之间的能量的电子束。
3.根据权利要求2所述的屏蔽x射线辐射装置，其中所述电子加速器能够以至少0.5kw的束功率操作。
4.根据权利要求2或3所述的屏蔽x射线辐射装置，其中所述x射线衰减屏蔽具有随着与所述电子束方向的角度增加而减小的厚度。
5.根据权利要求4所述的屏蔽x射线辐射装置，其中所述x射线衰减屏蔽的与所述电子束方向成90°角的所述厚度在所述正向方向上的所述厚度的60-80％的范围内，与电子束方向成180°角的所述厚度在正向方向上的所述厚度的25-50％的范围内。
6.根据权利要求5所述的屏蔽x射线辐射装置，其中与所述电子束方向成90°角的所述x射线衰减屏蔽的厚度是所述正向方向上的所述厚度的大约75％，并且与所述电子束方向成180°角的所述厚度是所述正向方向上的所述厚度的大约50％。
7.根据权利要求4至6中任一项所述的屏蔽x射线辐射装置，其中所述x射线衰减屏蔽厚度在所述正向方向上的第一厚度(txr)由以下等式估算：txr＝tvl×log10[(r×60×106)/(rd2)]，其中d是距电子靶的距离，r是距源产生的电子靶1m处的剂量率，r是最近的人员可接近点处的屏蔽剂量率，tvl是x射线衰减屏蔽材料的预定十分之一值层。
8.根据权利要求4至7中任一项所述的屏蔽x射线辐射装置，其中所述中子衰减屏蔽在正向方向上具有厚度(txr)，所述厚度由以下等式估算：tnt＝tvlnlog10(f)，其中tvln是用于在所述中子衰减屏蔽中衰减低能中子的预定十分之一值层，并且f是未屏蔽剂量率与期望屏蔽率的比。
9.根据权利要求8所述的屏蔽x射线辐射装置，其中在向后方向上与所述电子束方向成180°角的所述中子衰减屏蔽的厚度是在所述正向方向上的所述厚度(txr)的50-100％。
10.根据权利要求8或9所述的屏蔽x射线辐射装置，其中所述伽马衰减屏蔽具有与所述中子衰减屏蔽的厚度成比例的厚度。
11.根据前述权利要求中任一项所述的屏蔽x射线辐射装置，进一步包括用于将样品插入所述细长空腔中的可移除样品插入装置；其中所述可移除样品插入装置是由相邻的材料块组成的，每个各个的块具有厚度和组成，其分别基本上匹配所述x射线衰减、中子衰减和伽马射线衰减屏蔽的厚度和组成。
12.根据权利要求11所述的屏蔽x射线辐射装置，其中所述可移除样品插入装置进一步包括平台构件，待照射的样品可定位在所述平台构件上；并且其中所述相邻的材料块包括与所述平台构件相邻的第一块，与所述第一块邻接的第二块和与所述第二块邻接的第三块；其中：
第一块由基本上衰减x射线并且具有与x射线衰减屏蔽相同或基本上相同的厚度的材料构成，
第二块由基本上衰减中子并且具有与所述中子衰减屏蔽相同或基本上相同的厚度的材料构成，并且
第三块由基本上衰减具有与伽马衰减屏蔽相同或基本上相同的厚度的伽马射线的材料构成；以及
其中所述屏蔽x射线辐射装置包括套筒，所述平台构件能够穿过所述套筒。
13.根据权利要求12所述的屏蔽x射线辐射装置，其中所述装置的所述套筒和所述可移除样品插入装置具有小于2.00mm，更优选地小于1.00mm，并且更优选地小于0.50mm的间隙容差。
14.根据权利要求12或13所述的屏蔽x射线辐射装置，其中所述可移除样品插入装置的所述平台构件由钢或不含受到x射线或中子的显著激活的元素的物质构成。
15.根据权利要求12至14中任一项所述的屏蔽x射线辐射装置，其中所述可移除样品插入装置的外部轮廓是阶梯状的，其中这些相邻块中的至少一个在垂直于行进方向的方向上随着距所述平台构件的距离增加而在高度或宽度上增加。
16.根据权利要求15所述的屏蔽x射线辐射装置，其中所述台阶或每个台阶的宽度在5至15mm的范围内。
17.根据权利要求15或16所述的屏蔽x射线辐射装置，其中所述第一块包括至少两个台阶，使得所述第一块的尺寸以阶梯式方式从最里面的台阶增加到最外面的台阶。
18.根据前述权利要求中任一项所述的屏蔽x射线辐射装置，其中所述x射线衰减屏蔽是由铅、钨或铅层和钨层构成的。
19.根据前述权利要求中任一项所述的屏蔽x射线辐射装置，其中所述中子衰减屏蔽由氢密度大约为0.1g/cm3的聚合物材料构成。
20.根据权利要求19所述的屏蔽x射线辐射装置，其中所述聚合物材料具有通式(-ch2-)n。
21.根据权利要求19所述的屏蔽x射线辐射装置，其中所述聚合物材料由铸造树脂形成。
22.根据权利要求21所述的屏蔽x射线辐射装置，其中所述聚合物材料包括富氢聚合物片。
23.根据权利要求18至21中任一项所述的屏蔽x射线辐射装置，其中所述聚合物材料包括从包括硼和锂的组中选择的一定比例的元素。
24.根据前述权利要求中任一项所述的屏蔽x射线辐射装置，其中所述伽马衰减屏蔽是选自下组，所述组包括铅和钢，或铅和钢的复合材料。
技术总结
提供了一种屏蔽X射线辐射装置，包括X射线源、X射线衰减屏蔽、中子衰减屏蔽和伽马衰减屏蔽，所述X射线衰减屏蔽包括用于容纳所述X射线源的细长空腔并且结合了用于容纳样品的区域。中子衰减屏蔽与X射线衰减屏蔽相邻并基本上围绕X射线衰减屏蔽，而伽马衰减屏蔽与中子衰减屏蔽相邻并基本上围绕中子衰减屏蔽。在一些实施例中，提供了可移除样品插入装置，以将样品插入到细长空腔中，并且该可移除样品插入装置由相邻的材料块组成，每个各个的块具有厚度和组成，其基本上匹配X射线衰减、中子衰减和伽马射线衰减屏蔽中的一个的厚度和组成。
技术研发人员：J·蒂克纳
受保护的技术使用者：澳洲快索有限公司
技术研发日：.06.23
技术公布日：.02.11
