60Co雙投影輻射成像系統(tǒng)中的散射干擾模擬研究

倪民子 王振濤 叢 鵬 李立濤

1（清華大學核能與新能源技術(shù)研究院 北京100084）

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（核檢測技術(shù)北京市重點實驗室 北京100084）

60Co雙投影輻射成像系統(tǒng)是清華大學核能與新能源技術(shù)研究院自主研發(fā)的核設(shè)施出入口車輛控制檢查系統(tǒng)，為全面提高我國核設(shè)施出入口的車輛檢查能力、檢查效率和檢查質(zhì)量提供了可靠的技術(shù)保障。

該系統(tǒng)采用兩枚3 700 GBq60Co同位素作為射線源，分別側(cè)置和底置，對應(yīng)布置兩組高壓充氣陣列電離室［1］作為探測器，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中底源與對應(yīng)探測器陣列構(gòu)成仰視投影掃描平面，側(cè)源與對應(yīng)探測器陣列構(gòu)成側(cè)視投影掃描平面。檢測時，兩個射線源同時打開，底源、側(cè)源、門架及兩組探測器陣列精準同步移動掃描被檢車輛，通過一次掃描即可同時獲得被檢車輛水平和垂直兩個方向的投影圖像［2］。但是，該系統(tǒng)還存在著散射問題的影響，主要分為兩類：1）兩個投影平面之間的散射問題，如來自底源的散射線進入側(cè)視探測器中而形成干擾噪聲；2）同一投影平面內(nèi)的散射問題。其中經(jīng)實驗驗證現(xiàn)有系統(tǒng)中第一類散射占原始信號的比例，即散射透射比（Scatter to Primary Ratio，SPR）可高達20%，會使得輻射圖像有一定程度的模糊和偽影。

對同一平面內(nèi)的散射問題已有很多較為深入的研究工作。目前散射表征的方法主要有實驗法和仿真法等，例如陳樹越等［3］以實驗為基礎(chǔ)提出了工業(yè)X射線透視成像中散射的指數(shù)冪模型；楊愷等［4］結(jié)合蒙特卡羅模擬方法研究了散射對成像質(zhì)量的影響。散射校正的方法可概括為兩種：一是硬件校正法，如加后準直柵格［5］等；二是軟件校正法，利用數(shù)學方法去除散射噪聲成分。例如王玉、Jarry等［6-7］通過蒙特卡羅模擬估計錐束CT中的散射分布；李立濤等［8］使用簡化公式對單物質(zhì)圓盤的成像進行了散射校正，Vicente等［9］通過實驗擬合的點擴散函數(shù)對圖像進行卷積，而李永利等［10］發(fā)現(xiàn)了一種基于小波的綜合校正方法。這些工作都取得了一定的成果，但是大多數(shù)方法并不適用于本系統(tǒng)中兩個相近投影平面間的散射問題，因此針對雙投影系統(tǒng)中特有的第一類散射問題進行了研究。

圖1 雙投影成像系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the dual-projection imaging system

蒙特卡羅方法是一種隨機抽樣或統(tǒng)計實驗方法，能夠比較真實地模擬中子、光子、電子輸運的實際物理過程。針對第一類散射情況，基于蒙特卡羅模擬的方法，建立雙投影輻射成像系統(tǒng)的仿真模型，可進行靈活的參數(shù)設(shè)置，有助于快速高效地探究散射分布特征、影響因素和可能的校正措施。首先基于MCNP5建立仿真模型，并將模擬結(jié)果與空載時的實驗結(jié)果進行對比，驗證了模型的可靠性。然后模擬分析了不同投影平面間距、探測器周圍布置不同屏蔽材料（鎢、鉛、鋼和鋁）以及屏蔽層位置和厚度對散射的影響。最后根據(jù)分析結(jié)果，給出了系統(tǒng)的硬件升級建議和實驗結(jié)果。

1 模型介紹和驗證

由于底源散射線對側(cè)視成像的干擾和側(cè)源散射線對仰視成像的干擾性質(zhì)相似，因此本文只對前者進行詳細討論。模型如圖2所示，60Co源放置于門架下方中心位置，為各向同性的面源，利用cookiecutter卡模擬前準直器，將射線準直為張角150°的片狀扇形束。掃描門架包括探測器陣列和金屬支撐架，其中電離室探測器由不銹鋼外殼與4.86 MPa的高壓氙氣［11］組成，支撐架為中空的不銹鋼結(jié)構(gòu)。在支撐架的一面，共排列放置36個電離室，組成側(cè)視探測器陣列，并自下往上依次編號為1～36。由于探測器的輸出信號與射線在探測器靈敏體積內(nèi)的能量沉積成正比，因此本文用射線在電離室內(nèi)的能量沉積作為探測器的輸出信號，使用*F8計數(shù)卡，NPS為108，其結(jié)果為歸一化的能量沉積值。下文中模擬計算結(jié)果相對統(tǒng)計誤差均小于6%，對于非點探測器為可信結(jié)果。

圖2 雙投影系統(tǒng)模型在MCNP5可視化界面中的3D外形Fig.2 3D shape of the dual-projection system model in MCNP5 visualization interface

以1號探測器窗中心點為原點，并分別以門架水平、豎直、垂直門架平面方向為x、y、z軸建立坐標系。以探測器陣列在z方向的中心平面作為投影平面，設(shè)側(cè)視投影平面和仰視投影平面間距為s，經(jīng)驗證，s＞4.2 cm時底源直射線無法到達側(cè)視探測器，而本文按照系統(tǒng)實際參數(shù)進行建模，實際系統(tǒng)由于探測器、門架結(jié)構(gòu)等原因，s為40 cm，因而可認為只開底源時，側(cè)視成像主要由底源散射線造成。

為驗證蒙特卡羅模型的可靠性，首先進行了仿真和實驗的對比驗證。系統(tǒng)散射分布如圖3所示，兩條曲線分別為空載下的模擬計算和實驗測量結(jié)果，兩者的相對誤差小于10%，考慮到統(tǒng)計誤差，可認為兩者較為吻合。

另外，從圖3中還可以看出，空載時的散射信號先減小后增大而后又緩慢減小。原因是初始射線發(fā)生散射的位置主要集中在底源附近，位置偏低，此時，各探測器對應(yīng)的散射接收的空間立體角大小為主要決定因素。1～36號探測器與底源的距離先減小后增大而后又緩慢減小，對應(yīng)立體角也隨編號的增大先減小后增大再減小。其中，18、19號探測器正好位于門架拐點處，其距離底源探測器最遠，因而在曲線也形成底部拐點。1號和27號探測器距離底源較近，其散射信號也比較大，實際情況中，系統(tǒng)需檢測關(guān)口車輛，因軸承等重型結(jié)構(gòu)影響，重心偏低，散射發(fā)生的位置大多靠近底源，散射分布規(guī)律與非空載情況大致相似。后文以空載情況下的1號和27號探測器為代表進行散射校正方面的探究。

圖3 散射分布的模擬和實驗結(jié)果Fig.3 Simulated and experimental results of scattering distribution

2 散射校正

2.1 校正方法

基于上述模型，分析了不同投影平面間距、探測器周圍布置不同屏蔽材料（鎢、鉛、鋼和鋁）以及屏蔽層位置和厚度對散射的影響。

2.1.1 投影平面間距

通過改變模型中門架的厚度，可以改變側(cè)視投影平面和仰視投影平面的間距。平面間距增大會降低散射影響，但是門架過寬，重量太大，會給機械系統(tǒng)增加難度，且成本大大提高。平面間距為10～80 cm時的散射大小如圖4所示，可以看出，1號和27號探測器的散射均隨兩投影平面間距的增大而減小。當平面間距分別為40 cm和80 cm時，散射信號均分別減小至最小間距時的55%和40%以下。因此，增大門架厚度有利于降低兩投影平面之間的散射影響。但是，從圖4中還可以看出，增大門架厚度仍有部分散射信號無法完全去除，這是由于門架中空，厚度增大，散射在入射路徑上被衰減的概率變化不大，仍會有一部分散射進入探測器中。這是由于門架是一個中空的結(jié)構(gòu)，門架厚度增大，但散射在入射到探測器的路徑上所經(jīng)過的物質(zhì)的量變化不大，即被衰減的比例變化不大。因此盡管門架厚度增大，散射路徑變長，仍有一部分散射進入探測器中。根據(jù)實際情況綜合考慮，當前該系統(tǒng)中的投影平面間距為40 cm。

圖4 散射隨投影平面間距變化情況Fig.4 Variation of scattering with spacing between projection planes

2.1.2 散射屏蔽層

為進一步去除散射信號，嘗試了在現(xiàn)有系統(tǒng)中加裝散射屏蔽層的方案。掃描門架為中空的不銹鋼支柱，如圖5所示，考慮到散射入射的路徑，屏蔽層可安裝的位置有：一、支撐架和側(cè)視電離室之間；二、門架中空結(jié)構(gòu)內(nèi)部靠近側(cè)視探測器一側(cè)的內(nèi)壁；三、門架中空結(jié)構(gòu)內(nèi)部遠離側(cè)視探測器一側(cè)的內(nèi)壁。

圖5 屏蔽安裝位置Fig.5 The installation locations of the shield

首先，在三個位置分別加裝0～5 cm厚度的鎢，其對散射的屏蔽效果如圖6所示。從圖6中可以看出，1號、27號探測器的散射變化規(guī)律相似，散射信號均隨屏蔽層厚度的增大先減小后趨于穩(wěn)定。而當屏蔽層厚度相同時，屏蔽效果由好到差依次為位置1、位置2、位置3，這主要是由于越靠近側(cè)視探測器的位置安裝金屬片，來自底源的散射線在進入側(cè)視探測器的路徑上所經(jīng)過的屏蔽物質(zhì)越多。當鎢片厚度為2.5 cm時，安裝在位置1處兩探測器散射大小減小至安裝前的20%左右，位置2處減小至70%左右，而位置3處仍為95%以上。

圖6 不同位置的屏蔽效果(a)1號探測器，(b)27號探測器Fig.6 Shielding effect of different positions(a)Detector No.1,(b)Detector No.27

其次，在位置1處分別安裝不同材料的金屬片，其對散射的屏蔽效果如圖7所示。從圖7中可以看出，1號和27號探測器散射變化規(guī)律也相似，散射信號均隨屏蔽層厚度的增大先減小后逐漸趨于穩(wěn)定。而當屏蔽層厚度相同時，屏蔽效果由好到差依次為鎢、鉛、鋼、鋁，其中鎢和鉛的效果接近。當屏蔽層厚度為2.5 cm時，安裝鎢片或鉛片時的散射信號減小至安裝前的20%左右，而安裝鋼片或鋁片時的散射信號僅減小至55%左右，而安裝鋁片則約為80%。

2.2 校正效果

根據(jù)以上分析結(jié)果，進一步擴展到所有探測器，在支撐架和所有側(cè)視電離室之間增加2.5 cm厚的鉛片（鎢、鉛相近，考慮經(jīng)濟性）。根據(jù)模擬預測指導系統(tǒng)改進，在系統(tǒng)正常掃描車輛的情況下進行實驗驗證，結(jié)果見圖8。圖8中左側(cè)縱坐標表示側(cè)源準直信號的像素值，右側(cè)縱坐標表示底源造成的散射信號與側(cè)源準直信號的比值。可以看出，校正前后的側(cè)源準直信號幾乎完全重合，說明加裝屏蔽材料對側(cè)源透視成像沒有影響。但是底源造成的散射信號與側(cè)源準直信號的比值大幅減小，且散射分布更為平緩，這說明該措施可以有效降低散射對成像的影響。

圖7 不同材料的屏蔽效果(a)1號探測器，(b)27號探測器Fig.7 Shielding effect of different materials(a)Detector No.1,(b)Detector No.27

圖8 散射校正效果Fig.8 Scattering correction effect

3 結(jié)語

在60Co雙投影輻射成像系統(tǒng)中，由于散射的存在，側(cè)視投影平面和仰視投影平面的之間會互相干擾，降低圖像質(zhì)量?；诿商乜_方法建立仿真模型，模擬分析了不同投影平面間距、探測器周圍布置不同屏蔽材料（鎢、鉛、鋼和鋁）以及屏蔽層位置和厚度對散射的影響。主要結(jié)論如下：

1）空載時的模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)符合良好，驗證了模型的可靠性。

2）增大門架厚度有利于降低兩投影平面之間的散射影響，當平面間距為40 cm時，散射信號可以減小至最小間距時的55%以下，但是仍有部分散射信號無法完全去除。

3）在支撐架和側(cè)視電離室之間加裝屏蔽層有助于進一步降低兩投影平面間的散射，并且散射信號隨屏蔽層厚度的增加先減小后趨于穩(wěn)定。

4）當屏蔽層厚度相同均為2.5 cm時，屏蔽效果由好到差依次為鎢、鉛、鋼、鋁，并且鎢和鉛的效果接近，都可以使得散射信號減少約80%。

5）進一步擴展到所有探測器，并根據(jù)模擬預測指導系統(tǒng)改進，結(jié)果表明：改進后系統(tǒng)的散射有效降低。

以上工作有助于對雙投影系統(tǒng)中投影平面間散射規(guī)律的認識，為針對散射校正的系統(tǒng)改良升級提供了參考與指導。