姚志明，宋顧周，韓長材，宋　巖，段寶軍，嚴(yán)維鵬

(西北核技術(shù)研究所,西安710024； 強(qiáng)脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)國家重點實驗室,西安710024)

?

高能質(zhì)子掃描測量多層同心球材料邊界

姚志明，宋顧周，韓長材，宋巖，段寶軍，嚴(yán)維鵬

(西北核技術(shù)研究所,西安710024； 強(qiáng)脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)國家重點實驗室,西安710024)

針對國內(nèi)質(zhì)子加速器能量不夠高，不足以開展面密度為200 g·cm-2的厚物體透射成像實驗研究的問題，探索了國內(nèi)質(zhì)子加速器用于高面密度厚物體內(nèi)部材料邊界位置測量的新方法。該方法與美國和俄羅斯發(fā)展的高能質(zhì)子整幅照相不同，采用細(xì)束質(zhì)子掃描方式記錄透射束斑的能量、個數(shù)、偏轉(zhuǎn)角度及束斑形狀等信息，進(jìn)而反演檢測對象內(nèi)部材料的邊界位置。采用Geant 4軟件模擬了掃描檢測過程，由透射率曲線和對稱性特征量曲線提取的邊界測量值與真實值的偏差為百微米量級。模擬計算結(jié)果表明，該方法具有可行性。

高能質(zhì)子；掃描方法；多層同心球；邊界測量

射線檢測技術(shù)可以對被檢物體的質(zhì)量、尺寸及特性等進(jìn)行評定，它的特點是檢測結(jié)果顯示直觀，且可以長期保存，檢測過程和檢驗工作質(zhì)量易于監(jiān)測，在機(jī)械制造、石油化工、航空航天、造船、汽車及核能等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。射線檢測技術(shù)采用的射線源有X射線、γ射線、中子、質(zhì)子等。用射線檢測技術(shù)檢測厚物體時，高能X射線及γ射線的穿透能力有限，且檢測能力受源焦斑尺寸及探測器探測能力的限制；中子穿透能力較強(qiáng)，但源單色性差，不同材料對不同能量中子的衰減系數(shù)差異較大，且中子不易探測；加速器產(chǎn)生的中高能質(zhì)子具有源單色性好、穿透能力強(qiáng)及探測效率高等特點，在厚物體的透射成像中具有優(yōu)勢。在美國，800 MeV的質(zhì)子照相技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于炸藥沖擊波在薄材料中的傳輸動態(tài)過程檢測，10 GeV和24 GeV的質(zhì)子照相技術(shù)已應(yīng)用于面密度為200 g·cm-2的厚球形物體的靜態(tài)成像[1-2]。然而，厚球形物體的靜態(tài)成像對質(zhì)子加速器能量要求過高，高能質(zhì)子加速器技術(shù)復(fù)雜、造價昂貴，目前中國尚未建成能量足夠高的可用于厚球形物體整幅靜態(tài)照相的高能質(zhì)子加速器[3-4]。本文探討利用350 MeV質(zhì)子，基于掃描方式，實現(xiàn)厚球形物體內(nèi)部材料邊界位置精確測量的新檢測方法，在計數(shù)的方式下，對入射和出射質(zhì)子束斑的能量、個數(shù)、偏轉(zhuǎn)角度及束斑形狀等信息進(jìn)行監(jiān)測，用反演方法提取被檢物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息，為我國已有或在建的中高能質(zhì)子加速器應(yīng)用于厚球形物體內(nèi)部材料邊界位置檢測，提供一種新的研究方法。

1質(zhì)子與物質(zhì)的作用規(guī)律

質(zhì)子穿過材料時，能量、個數(shù)發(fā)生損失，角度發(fā)生偏轉(zhuǎn)[5]。質(zhì)子的能量損失過程包括電離損失、軔致輻射和核阻止。具有較強(qiáng)穿透能力的質(zhì)子，其能量在MeV至GeV量級，電離損失是主要過程，能量損失率由Bethe-Bloch公式[6]估算，能量損失的大小與質(zhì)子的速度及穿過材料的種類和厚度有關(guān)。質(zhì)子的個數(shù)損失有兩種機(jī)制，一種是能量全部損失，質(zhì)子被吸收；另一種是質(zhì)子與原子核發(fā)生核反應(yīng)，質(zhì)子個數(shù)服從指數(shù)衰減規(guī)律，由Beer-Lambert公式[5]描述。質(zhì)子在材料中傳輸時，不停地發(fā)生著小角度庫侖散射，同時，還會以一定的概率與原子核碰撞發(fā)生彈性散射、準(zhǔn)彈性散射和非彈性散射，這些散射過程共同導(dǎo)致質(zhì)子的運(yùn)動方向發(fā)生改變。質(zhì)子與原子核碰撞發(fā)生核反應(yīng)有時會產(chǎn)生次級質(zhì)子，與直穿質(zhì)子相比，次級質(zhì)子的能量損失更大，運(yùn)動方向更加偏離入射方向，透射成像中需要排除次級質(zhì)子的干擾，盡可能用直穿質(zhì)子反演物體內(nèi)部信息。

2多層同心球模型

高能質(zhì)子照相中常用FTO(French test object)[1]作為研究對象。FTO是由聚乙烯、銅和鎢組成的多層同心球結(jié)構(gòu)。本文采用的多層同心球結(jié)構(gòu)模型由鐵、塑料和鎢組成，中心鎢球半徑為15 cm，塑料球外半徑為19 cm，鐵球外半徑為21 cm，如圖1所示。鐵是外層容器，內(nèi)層塑料是炸藥的替代材料，中心鎢是高原子序數(shù)腐蝕性金屬的替代材料。本文關(guān)注鎢與塑料球?qū)拥倪吔缥恢脵z測。

圖1多層同心球模型Fig.1Model of concentric spherical shels

3掃描檢測的基本原理

掃描檢測原理如圖2所示。質(zhì)子源產(chǎn)生的質(zhì)子束斑截面直徑為cm量級，位置探測器的最小探測尺寸可達(dá)10 μm，通過獲取每個質(zhì)子的入射方向及入射位置信息，把入射到同一像素上的質(zhì)子作為一束，可得到足夠細(xì)的質(zhì)子束。細(xì)束質(zhì)子經(jīng)過被檢測物體后，利用束斑分析系統(tǒng)，測量透射束斑的個數(shù)、能量、散射角及束斑形狀等參數(shù)。細(xì)束質(zhì)子由鎢球和塑料球?qū)拥倪吔缥恢萌肷鋾r，由于材料種類的變化，預(yù)期透射束斑各參數(shù)與非邊界位置入射時的相應(yīng)值會有顯著不同。通過數(shù)值模擬，重點分析透射束斑參數(shù)的變化規(guī)律，探尋能夠反映材料邊界位置的透射束斑特征量，給出各特征量隨細(xì)束質(zhì)子入射位置的變化曲線，從而精確推斷材料邊界位置。

圖2掃描檢測方法示意圖Fig.2Schematic of the scanning test method

4邊界信息提取方法

采用Geant 4軟件[7]模擬質(zhì)子由鎢與塑料的邊界位置和非邊界位置入射時的輸運(yùn)過程，比較透射信息的區(qū)別。坐標(biāo)軸定義如圖2所示，坐標(biāo)原點選為質(zhì)子細(xì)束由源出射時的中心位置，定義多層同心球沿x方向移動的距離為Δx，當(dāng)射線束中心與外部鐵球?qū)又行闹睾蠒r，Δx=0 mm。質(zhì)子由邊界位置(Δx=150 mm)入射時，能量需要高于295 MeV才能透射。然而，多次模擬發(fā)現(xiàn)，能量稍高于該值時，能譜中的直穿質(zhì)子并沒有形成一個峰，無法將直穿質(zhì)子與次級質(zhì)子區(qū)分開來。入射能量提高到350 MeV時，才能較好地區(qū)分直穿質(zhì)子和次級質(zhì)子。模擬程序中，位置探測器像素尺寸為10 μm×10 μm，質(zhì)子細(xì)束截面尺寸為10 μm×10 μm。透射質(zhì)子束中各質(zhì)子的運(yùn)動方向不同，飛行過程中會引起束斑形狀改變，透射束斑分析系統(tǒng)的位置探測器距檢測物體的距離需盡量小，設(shè)置為距離檢測物體后邊沿1 cm。記錄每個透射質(zhì)子的能量、出射角度和出射位置，統(tǒng)計出細(xì)束質(zhì)子由邊界位置和非邊界位置入射時，透射質(zhì)子的能譜、角分布和散射斑形狀，如圖3—圖6所示。

可以看出，細(xì)束質(zhì)子從邊界位置入射時的能譜峰值位置、峰面積大小(即直穿質(zhì)子個數(shù))、散射角分布的半高寬及散射斑的對稱性與非邊界位置入射時的相應(yīng)結(jié)果是不同的。模擬給出這些特征量隨Δx的變化曲線，進(jìn)而可由曲線峰值或拐點等，判斷材料邊界的位置。Δx取值范圍為135～165 mm，以步長5 mm變化，每個入射位置下，入射質(zhì)子為106個，統(tǒng)計出能譜峰值位置與峰面積，得到能量損失、透射率及散射角分布半高寬θFWHM隨Δx的變化曲線如圖7—圖9所示。用散射斑圖像x=0(入射束中心線)為分界線，兩側(cè)的質(zhì)子個數(shù)之差表征散射斑的對稱性，稱為對稱性特征量(symmetry characteristic quantity，SCQ)，統(tǒng)計出SCQ隨Δx的變化曲線，如圖10所示。

圖5散射斑Fig.5Scattering beam images

圖10對稱性特征量曲線Fig.10Curve of symmetry characteristic quantity

圖7中，能量損失及其微分曲線在邊界位置沒有明顯的特征可用于邊界識別。圖8中，透射率曲線在邊界位置附近斜率出現(xiàn)極大值，微分曲線出現(xiàn)峰值。圖9中，散射角曲線在邊界位置附近出現(xiàn)拐點，微分曲線過0點。圖10中，對稱性特征量曲線在邊界位置附近出現(xiàn)峰值。

為細(xì)致觀察由各特征量測得的邊界位置，確定特征量選取的合理性，模擬計算中Δx的步長由5 mm減小為10 μm，對邊界位置附近進(jìn)行精細(xì)掃描，Δx取值范圍為148.80～151.20 mm，其余參數(shù)設(shè)置同前。

模擬計算結(jié)果表明：散射角分布半高寬曲線在邊界位置附近比較平緩，其微分曲線0點對應(yīng)的Δx為151.08 mm，偏離邊界位置1.08 mm。透射率微分曲線的峰值位置對應(yīng)的Δx為150.27 mm，偏離邊界位置0.27 mm。對稱性特征量曲線的峰值位置對應(yīng)的Δx為149.93 mm，偏離邊界位置-0.07 mm?？梢姡干渎饰⒎智€和對稱性特征量曲線的峰值位置偏離邊界位置為百微米量級，能夠較準(zhǔn)確地反映邊界位置。

依據(jù)模擬計算結(jié)果，給出邊界信息提取方法如下：

1)加速器質(zhì)子束入射到物體上，位置探測器記錄下質(zhì)子入射位置和個數(shù)，將入射到同一個像素上的質(zhì)子看作一個細(xì)束。

2)位置探測器記錄透射質(zhì)子的位置，能量探測器記錄質(zhì)子剩余能量。

3)掃描機(jī)構(gòu)以一定的步長移動物體，重復(fù)步驟1)和步驟2)。

4)由透射質(zhì)子能譜甄別直穿質(zhì)子和次級質(zhì)子，繪制直穿質(zhì)子的透射率曲線和束斑對稱性特征量曲線。

5)通過曲線擬合，得到透射率微分曲線及對稱性特征量曲線的極大值相應(yīng)的位置，均可作為邊界位置的測量值。

5分析與討論

數(shù)值模擬表明，透射率微分曲線和束斑對稱性特征量曲線在邊界位置出現(xiàn)極大值，可用于鎢與塑料球?qū)拥倪吔缥恢脵z測。結(jié)合質(zhì)子與物質(zhì)的作用規(guī)律，分析原因如下：

質(zhì)子在塑料和鎢中的能量損失率相差較大，350 MeV質(zhì)子在邊界位置入射時，即使不穿過鎢，剩余能量也僅為140 MeV。140 MeV質(zhì)子在鎢中的射程僅為1.42 cm，因此，打到鎢上的質(zhì)子大部分無法透射，少部分透射質(zhì)子的能量損失較大，作為次級粒子被濾除。據(jù)此，出射直穿質(zhì)子的個數(shù)與細(xì)束質(zhì)子和鎢球相交部分的面積成正比。細(xì)束質(zhì)子由材料邊界位置入射時，相交部分面積變化最快，因此，透射率微分曲線出現(xiàn)極大值。

圖5中細(xì)束質(zhì)子由鎢與塑料邊界位置入射時，穿過鎢一側(cè)的質(zhì)子幾乎被全部吸收，x>0區(qū)域的質(zhì)子個數(shù)遠(yuǎn)大于x<0區(qū)域；細(xì)束質(zhì)子由鎢一側(cè)入射時(Δx=145 mm)，與邊界位置相比，x<0區(qū)域的質(zhì)子個數(shù)變化不大，x>0區(qū)域的質(zhì)子個數(shù)減小很多，因而對稱性特征量比邊界位置??；細(xì)束質(zhì)子由塑料一側(cè)入射時(Δx=160 mm)，散射斑沿著x=0兩側(cè)近似是軸對稱的，對稱性特征量近似為0，同樣比邊界位置小。因此，束斑對稱性特征量曲線在邊界位置出現(xiàn)極大值。

邊界位置測量值與真實值存在百微米的偏差，其原因一方面是蒙特卡羅模擬計算能力有限，掃描步長不能做到無限小，入射質(zhì)子個數(shù)不能做到無限多。另一方面是350 MeV質(zhì)子穿過厚物體后，散射影響較大，透射率微分曲線和對稱性特征量曲線的半高寬都較大。提高質(zhì)子能量時，質(zhì)子偏離入射方向較小，射線角分布曲線半高寬變小，對提高檢測精度有利。

6結(jié)束語

針對國內(nèi)質(zhì)子加速器能量不夠高，不足以開展面密度為200 g·cm-2厚物體的高能質(zhì)子照相實驗研究的難題，建立了由質(zhì)子透射束斑信息反演材料邊界位置的信息提取方法，邊界測量值與真實值的偏差為百微米，與國外高能質(zhì)子照相的檢測精度相當(dāng)[2]，為國內(nèi)已有或在建的質(zhì)子加速器應(yīng)用于厚球形物體的內(nèi)部材料邊界位置檢測，提供了一種新的研究思路。

[1]ZIOCK H J, ADAMS K J, ALRICK K R, et al. The proton radiography concept [R].LA-UR-98-1368, Los Alamos National Report, 1998: 1-17.

[2]MORRIS C L, ABLES E, ALRICH K R, et al. Flash radiography with 24 GeV/c protons[J]. J Appl Phys, 2011, 109(10): 104905.

[3]張?zhí)炀? 樊明武, 李振國, 等. 強(qiáng)流回旋加速器技術(shù)的研究進(jìn)展[J]. 科學(xué)通報, 2009, 54(15): 2 169-2 176. (ZHANG Tian-jue, FAN Ming-wu, LI Zhen-guo, et al. Research progress in high intensity cyclotron technology[J]. Chinese Sci Bull, 2009, 54(15): 2 169-2 176.)

[4]王芳衛(wèi). 中國散裂中子源[J]. 科學(xué), 2014, 66(04): 16-20. (WANG Fang-wei. China spallation neutron source[J]. Science, 2014, 66(4): 16-20.)

[5]許海波. 高能質(zhì)子照相中面密度的測量和不確定性分析[J]. 強(qiáng)激光與粒子束, 2006, 3(18): 477-482.(XU Hai-bo. Measurement of areal density and its uncertainty in high-energy proton radiography[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2006, 3(18): 477-482.)

[6]復(fù)旦大學(xué), 清華大學(xué), 北京大學(xué). 原子核物理實驗方法[M]. 北京: 原子能出版社, 1985: 44.(Fudan University, Tsinghua University, Peking University. Nuclear Physics of Experimental Method[M]. Beijing: Atomic Energy Press, 1985: 44.)

[7]Geant 4 user’s guide for application developers[CP/OL]. http:// geant 4. web. cern. ch/ geant 4/ User Documentation/ User Guides/ For Application Developer/ html/ index. html, 2014.

A Scanning Method for the Measurement of Material Edge Position of Concentric Spherical Shells Using High Energy Proton Beams

YAO Zhi-ming,SONG Gu-zhou,HAN Chang-cai,SONG Yan,DUAN Bao-jun,YAN Wei-peng

(Northwest Institute of Nuclear Technology,Xi’an710024,China;State Key Laboratory of Intense Pulsed Radiation Simulation and Effect,Xi’an710024,China)

This paper discusses a new material edge position measurement method which is different from the proton radiograph techniques developed in USA and Russia. As the proton energy produced by the accelerators in China is not high enough, it can’t be used in radiography of objects with areal density over 200 g·cm-2. To solve this problem, a scanning method is adopted using acicular proton beams. Energy loss, transmission factor, scattering angle and scattering beam image of the transmission beams are recorded. Material edge position is given out according to the recorded message. A Monte Carlo program is developed based on Geant 4 simulation toolkit. The scanning test progress is simulated. The simulation results show that transmission factor curve and symmetry characteristic quantity curve can reflect the material edge position with a deviation less than 1 mm, which indicates that the scanning method is effective.

high energy proton;scanning method;concentric spherical shells;edge position measurement

2016-03-29；

2016-06-06 基金項目：強(qiáng)脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)國家重點實驗室基金資助項目(SKLIPR1405)

姚志明(1989-)，男，吉林白山人，助理工程師，碩士，主要從事輻射成像技術(shù)研究。

E-mail:yaozhiming@nint.ac.cn

TL99

A

2095-6223(2016)030202(6)