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（國民核生化災(zāi)害防護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室防化研究院，北京 102205）

γ相機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用

李漢平，艾憲蕓

（國民核生化災(zāi)害防護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室防化研究院，北京 102205）

本文調(diào)研了國內(nèi)外已商業(yè)化的γ相機(jī)，介紹γ相機(jī)的發(fā)展歷史，對(duì)國內(nèi)外γ相機(jī)的發(fā)展、研究和應(yīng)用狀況進(jìn)行分析和總結(jié)。γ射線成像技術(shù)是一種符合ALARA原則的核輻射監(jiān)測(cè)技術(shù)，隨著核電子學(xué)技術(shù)的發(fā)展，γ相機(jī)必將在輻射監(jiān)測(cè)方面得到廣泛的應(yīng)用。

γ相機(jī)；輻射監(jiān)測(cè)；成像技術(shù)

γ射線成像技術(shù)是一種對(duì)放射性物質(zhì) “照相”的核輻射探測(cè)技術(shù)。最早應(yīng)用于天文和核醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。20世紀(jì)90年代，γ射線成像技術(shù)逐步用于輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。

γ射線成像技術(shù)在輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用的典型代表是γ相機(jī)。γ相機(jī)成像可以反映監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)是否存在放射性以及放射性強(qiáng)度的空間分布，并準(zhǔn)確判斷放射性核素的種類，達(dá)到對(duì)測(cè)量區(qū)域內(nèi)的放射性物質(zhì)進(jìn)行快速準(zhǔn)確定位的目的。傳統(tǒng)核輻射測(cè)量方式是巡測(cè)和多點(diǎn)測(cè)量［1，2］。需要工作人員進(jìn)入輻射場(chǎng)內(nèi)，有時(shí)甚至需要靠近放射性物質(zhì)進(jìn)行探測(cè)，不僅增加了工作人員受照時(shí)間和工作風(fēng)險(xiǎn)，且放射源的定位精度也較差。與傳統(tǒng)核輻射監(jiān)測(cè)方式比較，γ相機(jī)的優(yōu)勢(shì)在于可一次性對(duì)探測(cè)區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)成像，給出放射性強(qiáng)度空間分布的二維圖像，提高工作效率和定位精度，為后期的具體分析提供基礎(chǔ)；可進(jìn)行遠(yuǎn)距離成像，無需人員進(jìn)入輻射區(qū)域，極大減少工作過程中相關(guān)人員所受的輻射劑量。γ射線成像技術(shù)是一種更加符合ALARA原則的核輻射監(jiān)測(cè)技術(shù)，隨著核電子學(xué)技術(shù)的發(fā)展，必將在輻射監(jiān)測(cè)方面得到廣泛的應(yīng)用。

l γ相機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1958年前后，Hal O．Anger采用平行孔準(zhǔn)直器、NaI（TI）晶體以及光電倍增管陣列，通過重心法定位研究出了著名的 Anger相機(jī)［3］。Anger相機(jī)是世界上第一臺(tái)γ相機(jī)，該成果被迅速推廣，從而開啟了γ射線成像技術(shù)的研究。γ相機(jī)發(fā)展至今，系統(tǒng)成像的分辨率、視場(chǎng)角以及成像時(shí)間等參數(shù)較Anger相機(jī)已有大幅度的提高，但基本原理和結(jié)構(gòu)并沒有改變。γ成像系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖l γ成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.l structure of γ camera

常見的 γ成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可分為三種［4，5］：（1）準(zhǔn)直器+整塊閃爍體+位置靈敏光電倍增管（可用PMT陣列、PD陣列、APD陣列替代）+讀出電路；（2）準(zhǔn)直器+陣列探測(cè)器+讀出電路；（3）準(zhǔn)直器+閃爍體+像增強(qiáng)器+CCD。第一種γ相機(jī)是最常見的γ成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，可實(shí)現(xiàn)位置和能量分辨，但監(jiān)測(cè)面積小，空間分辨率沒有后兩者高。第二種成像結(jié)構(gòu)采用陣列探測(cè)器方式，空間分辨率高，像素陣列可以做的很大，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，對(duì)某些探測(cè)器難以加工。第三種成像結(jié)構(gòu)基于CCD的結(jié)構(gòu)，可以耦合一整塊閃爍體、陣列閃爍體以及平板探測(cè)器等，其后面需要接反射鏡、透鏡。其空間分辨率較高，讀出電路容易實(shí)現(xiàn)，最大的不足是CCD沒有能量分辨能力，系統(tǒng)無法進(jìn)行能量分辨。

2 γ相機(jī)國外研究狀況

20世紀(jì)90年代，美國的勞倫斯利物莫爾實(shí)驗(yàn)室 （Lawrence Livermore National Laboratory，簡稱LLNL）首先開展了有關(guān)γ射線二維成像系統(tǒng)的研究并研制出了應(yīng)用于輻射監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的γ成像譜儀GRIS（Gamma-Ray Imaging Spectrometer γ成像譜儀，簡稱GRIS）［6，7］，標(biāo)志著γ相機(jī)首次應(yīng)用于軍事及輻射監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。圖2為GRIS實(shí)物圖。圖3為其拍攝圖像。

圖2 GRISFig.2 GRIS

此后國外各大研究機(jī)構(gòu)和公司就開始了γ射線成像設(shè)備的研究和應(yīng)用。目前，國外多家公司已經(jīng)擁有成熟的系列化產(chǎn)品［8，9］。國外商業(yè)化產(chǎn)品見表1。圖4和圖5為最新研發(fā)推出的商用γ相機(jī)Polaris-H及其所成圖像。目前國外對(duì)于γ相機(jī)的研究逐步向小型化趨勢(shì)發(fā)展。

圖3 GRIS拍攝導(dǎo)彈內(nèi)部核彈頭圖像Fig.3 Image of Nuclear warhead taken by GRIS

表l 國外γ相機(jī)相關(guān)產(chǎn)品及參數(shù)Table l Technical index of gamma camera

圖4 Polaris-H實(shí)物圖Fig.4 Polaris-H

圖5 Polaris-H拍攝圖像Fig.5 The image taken by Polaris-H

3 γ相機(jī)國內(nèi)研究狀況

國內(nèi)關(guān)于γ射線成像技術(shù)方面的研究起步相對(duì)較晚，只有幾家科研機(jī)構(gòu)對(duì)這一技術(shù)進(jìn)行了較為深入的研究，整體技術(shù)水平相對(duì)落后。市場(chǎng)上商業(yè)化的γ相機(jī)更少。國內(nèi)商業(yè)化產(chǎn)品見表2。圖6和圖7分別為RLS-1000A和HENT產(chǎn)品示意圖。中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所和華中科技大學(xué)也都開展過γ射線成像探測(cè)技術(shù)的研究工作，所用實(shí)驗(yàn)樣機(jī)均采用修正均勻冗余編碼板耦合閃爍體探測(cè)器及位置靈敏光電倍增管模式。目前尚處于研究階段，未實(shí)現(xiàn)商品化。

表2 國內(nèi)γ相機(jī)相關(guān)產(chǎn)品及參數(shù)Table 2 Technical index of gamma camera

圖6 RLS-l000AFig.6 RLS-l000A

4 γ相機(jī)的應(yīng)用

在天文學(xué)研究中，應(yīng)用γ相機(jī)對(duì)天區(qū)內(nèi)某個(gè)感興趣區(qū)域內(nèi)所產(chǎn)生的硬γ射線進(jìn)行觀測(cè)，達(dá)到研究相應(yīng)星體的目的。如我國目前正在研制的硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡HXMT。天文學(xué)領(lǐng)域的γ相機(jī)成像為遠(yuǎn)場(chǎng)成像，背景輻射較高，射線的能量范圍相對(duì)較大。

核醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的γ相機(jī)的應(yīng)用體現(xiàn)在SPECT和PET上。其主要作用是利用計(jì)算機(jī)斷層成像技術(shù)，對(duì)放射性核素在小動(dòng)物及人體器官內(nèi)的分布成像，為醫(yī)生診斷提供相應(yīng)的依據(jù)。核醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的γ相機(jī)成像為近場(chǎng)成像，射線能量較低，且基本沒有背景輻射。

核輻射監(jiān)測(cè)領(lǐng)域γ相機(jī)成像技術(shù)是從天文以及核醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的γ成像技術(shù)發(fā)展而來的［10］。成像需求介于天文學(xué)與核醫(yī)學(xué)之間，成像目標(biāo)距離從一米到數(shù)十米，探測(cè)能量范圍為幾萬電子伏特到幾兆電子伏特。

圖7 便攜式γ成像儀Fig.7 HENT

4.l核設(shè)施的應(yīng)用

在反應(yīng)堆事故工況下，需要對(duì)放射性物質(zhì)進(jìn)行遠(yuǎn)距離以及大面積探測(cè)。傳統(tǒng)的輻射探測(cè)設(shè)備如γ譜儀和劑量率儀只能近距離的對(duì)放射源在某個(gè)點(diǎn)上的輻射情況探測(cè)，如果需要對(duì)某一區(qū)域內(nèi)的放射源進(jìn)行位置測(cè)量，需要多臺(tái)探測(cè)器聯(lián)合工作。這樣不僅對(duì)工作人員的健康十分不利，而且還費(fèi)時(shí)費(fèi)力［11］。相比于傳統(tǒng)測(cè)量儀器，γ相機(jī)可對(duì)放射性物質(zhì)進(jìn)行大面積遠(yuǎn)場(chǎng)成像，其生成的二維圖像可以更直觀的反映輻射場(chǎng)強(qiáng)度的分布，方便工作人員快速做出判斷。核電廠正常運(yùn)行時(shí)，可以通過γ相機(jī)對(duì)某些敏感部位進(jìn)行成像，對(duì)核電廠重要位置進(jìn)行全時(shí)、全方位監(jiān)測(cè)，對(duì)事故早期預(yù)警以及事故后相應(yīng)措施的制訂具有重大參考價(jià)值［12，13］。

2011年福島核事故后［14，15］，日本東京電力公司在對(duì)廠區(qū)輻射場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量時(shí)使用了γ相機(jī)，對(duì)福島一號(hào)和二號(hào)機(jī)組反應(yīng)堆所在建筑主排氣筒下方管線進(jìn)行了遠(yuǎn)距離成像。根據(jù)成像所得輻射強(qiáng)度分布信息，制定相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案，從而減小參與救援工作人員受照劑量。

4.2 軍事及國土安全的應(yīng)用

20世紀(jì)90年代，美國的LLNL實(shí)驗(yàn)室首次研發(fā)了用于軍事領(lǐng)域的γ相機(jī)，可以在一個(gè)較為合適的距離上，以不接觸和拆卸核導(dǎo)彈的方式，對(duì)其中的核彈頭數(shù)目進(jìn)行確認(rèn)。

γ相機(jī)無需進(jìn)入、接觸或拆除，即可完成對(duì)被測(cè)區(qū)域或物體內(nèi)部放射源的檢測(cè)，目前被廣泛應(yīng)用于國土安全領(lǐng)域，例如機(jī)場(chǎng)海關(guān)、港口等場(chǎng)所的γ射線成像監(jiān)控。γ相機(jī)對(duì)行李、貨物、車船、集裝箱等內(nèi)部進(jìn)行探測(cè)，可以判斷物體內(nèi)部是否存在放射性物質(zhì)，并對(duì)放射性物質(zhì)的位置、數(shù)量、種類等做出判斷，從而阻斷核走私渠道，以達(dá)到防范核輻射恐怖活動(dòng)的目的。γ相機(jī)與傳統(tǒng)集裝箱檢測(cè)和門式安檢系統(tǒng)相比，其優(yōu)勢(shì)在于體積小，在監(jiān)測(cè)時(shí)更具隱蔽性，檢查效率更高。傳統(tǒng)通道式安檢系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，需要人們按順序通過相應(yīng)的“安檢門”，以完成檢查。在人流量大的地方，采用這種方法很容易造成人員堵塞或滯留的情況，檢測(cè)效率相對(duì)較低。通常情況下通道式安監(jiān)系統(tǒng)體積較大、目標(biāo)明顯，不法分子有機(jī)可乘，躲避檢測(cè)。γ相機(jī)體積小，可以安裝在隱蔽區(qū)域?qū)δ繕?biāo)通道進(jìn)行檢測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)可疑目標(biāo)，γ相機(jī)可以快速對(duì)其定位，通知相關(guān)工作人員。

2010年，清華大學(xué)研發(fā)了一款具有輻射定位跟蹤功能的γ相機(jī)，其追蹤時(shí)間小于1s，可以對(duì)可疑目標(biāo)進(jìn)行快速定位。該γ相機(jī)通過深圳羅湖口岸檢測(cè)檢疫局檢驗(yàn)認(rèn)證，已投入海關(guān)使用。該γ相機(jī)的視野可以完全覆蓋口岸區(qū)域，靈敏度很高，γ相機(jī)的應(yīng)用極大程度上提高了羅湖口岸對(duì)非法核走私活動(dòng)的監(jiān)控能力。

4.3 輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)的應(yīng)用

在輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)中，監(jiān)測(cè)方式主要可分為兩類。第一類為定點(diǎn)監(jiān)測(cè)，即在固定位置安裝輻射監(jiān)測(cè)設(shè)備，對(duì)固定點(diǎn)位上的輻射信息進(jìn)行測(cè)量。第二類為巡測(cè)，即工作人員使用手持式輻射測(cè)量儀器現(xiàn)場(chǎng)移動(dòng)測(cè)量或者工作人員操控機(jī)載設(shè)備遠(yuǎn)程移動(dòng)測(cè)量。目前這兩類方式多采用γ譜儀或劑量率儀作為輻射監(jiān)測(cè)設(shè)備。由于γ譜儀和劑量率儀只能對(duì)空間上某一點(diǎn)的輻射信息進(jìn)行測(cè)量，要得到放射性強(qiáng)度二維分布以及放射源的位置，則需要對(duì)探測(cè)環(huán)境進(jìn)行多點(diǎn)位測(cè)量。對(duì)于定點(diǎn)監(jiān)測(cè)，需要在環(huán)境中布置大量的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，這些監(jiān)測(cè)點(diǎn)的建造及維護(hù)都要消耗大量人力物力，成本較高；對(duì)于巡測(cè)，需要多人或多臺(tái)機(jī)器在輻射環(huán)境中聯(lián)合工作。不僅測(cè)量效率低，而且長時(shí)間暴露在輻射環(huán)境中，對(duì)工作人員的健康十分不利。

γ相機(jī)能得到輻射場(chǎng)中輻射強(qiáng)度的二維分布圖。在探測(cè)輻射場(chǎng)信息或放射源位置時(shí)，通常只需一次測(cè)量，就可得到所需二維圖像。γ相機(jī)可進(jìn)行遠(yuǎn)距離探測(cè)，其視野范圍很大，在環(huán)境中進(jìn)行探測(cè)時(shí)，可以一次性對(duì)視野內(nèi)的可疑區(qū)域進(jìn)行大面積成像，減少工作時(shí)間。用γ相機(jī)取代傳統(tǒng)的γ譜儀和劑量率儀安裝在相應(yīng)的巡測(cè)機(jī)載設(shè)備上，使工作人員可以在遠(yuǎn)距離對(duì)輻射區(qū)域進(jìn)行探測(cè)，減小輻射環(huán)境對(duì)工作人員的傷害。例如將γ相機(jī)安裝在無人機(jī)上，工作人員可在安全區(qū)域，通過遠(yuǎn)程操控?zé)o人機(jī)，從空中對(duì)地形復(fù)雜區(qū)域進(jìn)行大范圍測(cè)量，測(cè)量時(shí)基本不受地形限制。

5 總結(jié)

在γ相機(jī)商業(yè)化產(chǎn)品的種類數(shù)量、模式、性能以及應(yīng)用領(lǐng)域方面，我們與國外還存在差距。國外的產(chǎn)品種類及應(yīng)用遠(yuǎn)多于我國。針對(duì)不同的應(yīng)用領(lǐng)域和場(chǎng)景，國外都研究有相應(yīng)的γ相機(jī)。在準(zhǔn)直器和探測(cè)器的選擇上，國外產(chǎn)品所采用的模式更多。我國目前的γ相機(jī)采用的都是均勻冗余編碼板準(zhǔn)直器耦合閃爍體探測(cè)器及位置靈敏光電倍增管這一模式，模式相對(duì)單一。雖然系統(tǒng)的角分辨率、能量分辨率、空間分辨率等參數(shù)與國外設(shè)備相差不多，但在實(shí)際使用中，并不能很好的適應(yīng)各種工況，通常需要一些輔助設(shè)備進(jìn)行輔助測(cè)量。γ相機(jī)的成本比普通γ譜儀及劑量率儀要高很多，影響其廣泛應(yīng)用。隨著核電子學(xué)技術(shù)的發(fā)展，γ相機(jī)的成本必然會(huì)有所降低，應(yīng)用范圍會(huì)更廣，在輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)中使用γ相機(jī)，是未來的發(fā)展趨勢(shì)。

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The Development and Application Prospect of Gamma Camera

LI Hanping，AI Xianyun
（State Key Laboratory of NBC Protection for Civilian，Research Institute of Chemical Defense，Beijing 102205，China）

This article introduces to us the development，application prospect and conclusion the developing status of gamma camera．The gamma ray imaging technique is conform to ALARA principle．With the development of Nuclear Electronics and Detection Technology，gamma camera will have a wide application on radiation monitoring．

gamma camera；radiation monitoring；imaging technique

TL82

A

：1672-5360（2016）04-0018-04

2016-09-07

2016-10-17

李漢平 （1992—），男，漢，北京人，解放軍防化研究院輻射防護(hù)與環(huán)境保護(hù)專業(yè)，碩士研究生在讀