不銹鋼和鋁外殼材料對宇宙射線輻射成像的對比研究

孫立風(fēng)，任 燕，程 丹

(中核高能(天津)裝備有限公司，天津 300300)

利用宇宙射線進行輻射成像，已經(jīng)成為近年發(fā)展的無損成像技術(shù)[1]。因為其采用了天然存在的宇宙射線作為射線源，避免了外加加速器或X光機等人工射線裝置對被檢物、操作人員或周邊環(huán)境產(chǎn)生輻照影響。此外，宇宙射線(如μ介子)穿透本領(lǐng)高、對高原子序數(shù)材料敏感，這些特點使得其在重核材料輻射成像上具有優(yōu)勢，在核安保、核廢物測量等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景[2]。美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室(LANL)于21世紀(jì)初提出并實現(xiàn)利用宇宙射線進行輻射成像，其基于不同原子序數(shù)材料對μ介子的散射特性差異來反演掃描對象內(nèi)部三維成像[2，3]。

而早在2009年，美國決策科學(xué)國際公司已將洛斯阿拉莫斯實驗室的技術(shù)商業(yè)化，開發(fā)出基于多種成像模式的被動探測系統(tǒng)(passive detection system，PDS)[4-6]。該系統(tǒng)不僅僅局限于宇宙射線μ介子散射成像，而是將μ介子散射和電子阻擋兩種信息相結(jié)合，使得檢測對象不再局限于高Z物質(zhì)[7]。其實施方案是在感興趣區(qū)域的上下方均采用大量的漂移管陣列，每根漂移管均采用鋁外殼，漂移管中心用一根細金屬絲做收集極，其兩端與漂移管兩端口連接，漂移管兩端通過激光焊接進行永久密封。多根漂移管正交多層分布，以在三維空間中跟蹤帶電粒子[7]。2013年，該系統(tǒng)被評為年度最具創(chuàng)新性科技產(chǎn)品[4]。在國內(nèi)，清華大學(xué)最早開展了宇宙射線成像技術(shù)的研究[8，9]，同方威視也針對宇宙射線無損檢測和粒子重建方法申請了相關(guān)專利[10，11]。

但從工程實際角度，鋁外殼相比不銹鋼外殼硬度低，不易進行激光焊接，加工和使用過程中都容易變形。因此本文將從實際工程需要出發(fā)，用Geant4模擬宇宙射線與大氣相互作用產(chǎn)生的μ介子和電子經(jīng)過鋁外殼和不銹鋼外殼制成的漂移管時沉積能量、能譜分布、位置分布的區(qū)別，以研究漂移管研制時不銹鋼外殼替代鋁外殼的可行性。

1 模型

參考同方威視粒子重建模型[11]，考慮用鋁外殼或不銹鋼外殼制成的漂移管以正交方式多層排布形成PDS時，宇宙射線與大氣相互作用產(chǎn)生的μ介子和電子在PDS氣體內(nèi)的能量沉積、以及穿透PDS后的能譜分布和位置分布信息。漂移管以正交方式多層排布形成的PDS模型圖如圖1所示。

圖1 宇宙射線被動探測系統(tǒng)模型圖[11]Fig.1 The structural diagrams of the passive detection system for cosmic rays[11]

其中每根漂移管外徑為50 mm、長度為2 m，管外殼材料為鋁或不銹鋼，管內(nèi)所充氣體為Ar(95%)+CO2(5%)。漂移管如圖1排布方式，共分四個單元，上兩個單元組成入射部分，給出入射感興趣區(qū)域前的μ介子和電子信息；下兩個單元組成出射部分，給出出射感興趣區(qū)域后的μ介子和電子信息。入射部分和出射部分中間即為感興趣區(qū)域，一般放置需要掃描的物體。每個單元中又包含四排漂移管，上兩排和下兩排呈正交排布，每排漂移管均覆蓋4×4 m的探測面積。因此每排共有160路漂移管，總共16排共2 560路漂移管。

2 Geant4模擬μ介子直射PDS

考慮宇宙射線與大氣相互作用產(chǎn)生的μ介子直射PDS，采用Geant4模擬μ介子在PDS氣體中的沉積能量以及經(jīng)過PDS后的能譜分布和位置分布。自然界中存在的μ介子能量范圍很大，海平面處的μ介子平均能量為3～4 GeV[1]，本次模擬所采用數(shù)據(jù)來源于美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室開發(fā)的CRY(Cosmic-RaY Shower Generator)軟件包[12]，利用該軟件包獲取的μ介子平均能量為3.9 GeV，通量約1 cm-2min-1，本次模擬量為4×105，相當(dāng)于2.5 min內(nèi)直射進入此PDS(面積為16 m2)的μ介子個數(shù)。

2.1 μ介子在不同外殼PDS氣體中的沉積能量對比

對于氣體探測器而言，其探測器的輸出正比于射線在氣體內(nèi)的能量沉積。幾乎每個μ介子在PDS中都會有能量沉積，這些能量沉積分布如圖2所示。

圖2 μ介子直射鋁外殼和不銹鋼 外殼PDS產(chǎn)生的能量沉積Fig.2 The energy deposition for muons at normal incidence to the passive detection system

由圖2可知，μ介子直射不銹鋼外殼PDS時，在PDS氣體中產(chǎn)生的能量沉積高于鋁外殼PDS，也就是說μ介子同樣直射條件下，不銹鋼外殼PDS輸出信號大于鋁外殼PDS。統(tǒng)計μ介子在PDS氣體中的沉積能量信息，結(jié)果如表1所示。

表1 μ介子在PDS中的能量沉積Table1 The energy deposition for muons in the PDS

由圖2和表1可見，采用不銹鋼外殼PDS與采用鋁外殼相比，μ介子在不銹鋼外殼PDS內(nèi)平均沉積能量更大，標(biāo)準(zhǔn)偏差大，相應(yīng)的能量分辨率也稍大。

2.2 經(jīng)過PDS后μ介子能量分布

前文提過，美國決策科學(xué)公司所采用的PDS是通過測量感興趣區(qū)的多重庫倫散射和衰減相互作用，來重建感興趣材料的三維分布的。因此PDS本身對宇宙射線的散射作用要盡量小。由此我們來統(tǒng)計μ介子經(jīng)過PDS后的個數(shù)、能量和位置分布等信息，以此來判斷不同材料制成的PDS 對宇宙射線測量產(chǎn)生的影響。宇宙射線中μ介子經(jīng)過PDS后的能量分布結(jié)果如圖3所示。

圖3 μ介子直射鋁外殼和不銹鋼 外殼PDS后的能譜分布Fig.3 The energy spectrum for muons at normal incidence to the passive detection system

由圖3可知，μ介子分別經(jīng)過不銹鋼和鋁外殼PDS后，能譜均整體產(chǎn)生了偏移。相比而言，不銹鋼外殼PDS對μ介子能量影響更大。統(tǒng)計μ介子分別穿透鋁外殼和不銹鋼外殼PDS后的能量信息，結(jié)果如表2所示。

表2 μ介子穿透PDS后的能量信息Table2 The energy information for muons transmitting the PDS

由圖3和表2結(jié)果得知：μ介子經(jīng)過PDS后，均會有非常少量的散射(萬分之一量級)，能量也會有少量偏移和展寬。相對而言，采用不銹鋼外殼PDS與采用鋁外殼相比，對μ介子影響稍大，但整體影響都很微弱。

2.3 經(jīng)過PDS后μ介子位置分布

此部分與2.2研究目的一致，為了模擬PDS本身對μ介子產(chǎn)生的影響。

圖4 μ介子直射鋁外殼和不銹鋼 外殼PDS后的位置分布Fig.4 The distribution of position for muons after transmitting the passive detection system

由圖4可看出，μ介子直射經(jīng)過PDS后，出射位置相對入射位置均有偏移和展寬，只是采用不銹鋼外殼PDS相對鋁外殼PDS，對μ介子路徑影響稍大。統(tǒng)計經(jīng)過PDS出射后的μ介子位置分布如表3所示。

表3 μ介子穿透PDS后的位置分布Table3 The distribution of position for muons transmitting the PDS

由圖4和表3可看出，μ介子直射時，相比鋁外殼PDS，經(jīng)過不銹鋼外殼PDS后μ介子偏轉(zhuǎn)角度更大(偏轉(zhuǎn)得更遠)，但出射位置更加集中。

3 Geant4模擬電子直射PDS

美國決策公司宇宙射線無損探測方案將宇宙射線中μ介子散射和電子阻擋兩種信息結(jié)合考慮[7]，來檢測低Z物質(zhì)。因此本文也模擬了電子直射PDS，其在PDS中的沉積能量以及經(jīng)過PDS后的位置和能量變化。根據(jù)CRY軟件包[12]得到電子平均能量為78 MeV，通量約為2×10-3cm-2s-1，本次模擬量為1×106，相當(dāng)于52 min內(nèi)直射進入此PDS(面積為16 m2)的電子個數(shù)。

3.1 電子在不同外殼PDS中的沉積能量對比

與2.1節(jié)類似，電子在PDS內(nèi)氣體中的能量沉積，正比于PDS探測器的輸出值。經(jīng)過模擬統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，幾乎每個電子都會在PDS中有能量沉積，這些能量沉積分布如圖5所示。

圖5 電子直射鋁外殼和不銹鋼外殼 PDS產(chǎn)生的能量沉積Fig.5 The energy deposition for electrons at normal incidence to the passive detection system

由圖5可知，相對而言，電子直射不銹鋼外殼PDS時，其能量沉積譜展寬更大，會導(dǎo)致能量分辨率變差。其能量沉積分布統(tǒng)計表如表4所示。

表4 電子在PDS中的能量沉積Table 4 The energy deposition for electrons in the PDS

由圖5和表4結(jié)果可知，幾乎所有直射電子都能被鋁外殼和不銹鋼外殼PDS探測到，但其在不銹鋼外殼PDS中能量沉積展寬較寬。相較于不銹鋼外殼PDS，鋁外殼PDS對電子有更高的探測效率和更好的能量分辨率。

3.2 經(jīng)過PDS后直射電子能量分布

與2.2節(jié)類似，我們將模擬直射電子分別經(jīng)過不同外殼的PDS后的個數(shù)、能量和位置分布等信息，來評估不同外殼材料PDS對電子測量的影響，由此來判斷不同材料用于PDS的可行性。直射電子經(jīng)過PDS后的能量分布結(jié)果如圖6所示。

圖6 電子直射鋁外殼和不銹鋼 外殼PDS后的能譜分布Fig.6 The energy spectrum for electrons at normal incidence to the passive detection system

與μ介子相比，直射電子受PDS影響要大得多，經(jīng)過PDS后，其能譜有很大的偏移和展寬現(xiàn)象，而且不銹鋼外殼PDS對其影響明顯比鋁外殼PDS要大得多。統(tǒng)計直射電子分別經(jīng)過鋁外殼和不銹鋼外殼PDS后的能量信息，結(jié)果如表5所示。

表5 電子穿透PDS后的能量信息Table 5 The energy information for electrons transmitting the PDS

根據(jù)表5結(jié)果，與μ介子大約只有萬分之一概率被散射相比，電子被PDS本身阻擋可能性大幅上升，若采用鋁外殼PDS，約有近15%的電子被PDS散射；而采用不銹鋼外殼PDS，由于不銹鋼本身對78 MeV電子阻擋本領(lǐng)太強，使得大部分電子(約有2/3電子)不能穿透PDS。且經(jīng)過PDS后，直射電子能譜變化非常大，能量損失很嚴(yán)重，經(jīng)過不銹鋼外殼的PDS尤甚。

3.3 經(jīng)過PDS后電子位置分布

除了研究有多少直射電子被PDS阻擋，還要研究穿透PDS后電子的位置分布，以詳細反映不同外殼材料PDS對電子的影響，從而為感興趣區(qū)域材料三維重建做參考。模擬電子直射鋁外殼和不銹鋼外殼PDS后的位置分布，結(jié)果如圖7所示。

圖7 電子直射鋁外殼和不銹鋼外殼 PDS后的位置分布Fig.7 The distribution of position for electrons after transmitting the passive detection system

由圖7可知，經(jīng)過鋁外殼PDS后的電子位置有偏轉(zhuǎn)，但其偏轉(zhuǎn)角度相對較小，位置較集中；而直射電子經(jīng)過不銹鋼外殼PDS后，會偏轉(zhuǎn)到很大范圍內(nèi)。其位置分布統(tǒng)計結(jié)果如表6所示。

表6 直射電子穿透PDS后的位置分布Table 6 The distribution of position for electrons transmitting the PDS

由圖7和表6計算結(jié)果可知，與μ介子相同的是，相比不銹鋼外殼PDS，鋁外殼PDS對直射電子的偏轉(zhuǎn)影響較小；但與直射μ子相比，直射電子受PDS散射偏轉(zhuǎn)影響均非常大。

3 結(jié)論

為了研究采用不銹鋼外殼代替鋁外殼，用于PDS以進行感興趣區(qū)域材料三維分布重建的可行性，本文模擬比較了宇宙射線與大氣相互作用產(chǎn)生的μ介子和電子直射鋁外殼或不銹鋼外殼PDS，統(tǒng)計μ介子和電子在PDS中的能量沉積以及經(jīng)過PDS后的粒子個數(shù)、能量和位置分布,從這幾個參數(shù)角度來考察不銹鋼外殼和鋁外殼PDS的信號輸出以及PDS本身對入射粒子影響。由計算結(jié)果得知。

(1)針對直射μ介子而言，其在PDS中探測效率接近1；相比采用鋁外殼而言，采用不銹鋼外殼PDS信號輸出更大，能量分辨率稍差；直射μ介子經(jīng)過兩種外殼材料PDS后，能譜均會有少許偏移和展寬，出射角度會有少許偏轉(zhuǎn)；不銹鋼外殼PDS對μ介子能譜和角度影像稍大。

(2)針對直射電子，其在PDS中探測效率接近1；相比采用鋁外殼而言，采用不銹鋼外殼PDS信號輸出更大，但其能量分辨率明顯變差；直射電子經(jīng)過兩種外殼材料PDS時，相當(dāng)一部分電子會被PDS阻擋，未被阻擋電子能譜均有明顯的偏移和展寬，出射位置也偏移很大，而不銹鋼外殼對電子的阻擋和散射影響尤甚。

根據(jù)以上結(jié)果，若對感興趣區(qū)域材料進行三維重建時只采用μ介子，則用不銹鋼外殼替代鋁外殼是完全可行的，兩種外殼材料制成的PDS對μ介子的影響差別很小；但三維重建過程中考慮了電子，不銹鋼和鋁兩種外殼材料對入射電子的影響均不容忽視，不銹鋼影響比鋁也要大，需要再進一步考慮鋁外殼、以及不銹鋼外殼替代的處理方案。