張振朝 左國平 譚軍文 周揚 張帆

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基于三晶體耦合g射線方向探測器的放射源定位

張振朝 左國平 譚軍文 周揚 張帆

（南華大學核科學技術(shù)學院 衡陽 421001）

為了快速定位并尋回丟失的放射源，設(shè)計了一種由NaI、CsI、鍺酸鉍(Bi4Ge3O12, BGO)三種晶體與鉛耦合組成的g射線方向探測器，并采用基于蒙特卡羅方法的通用軟件包MCNP (Monte Carlo N Particle Transport Code)研究了鉛晶比例、射線能量、劑量率等因素對探測器角度分辨率的影響。結(jié)果表明，對于137Cs源，在空氣吸收劑量率≥0.331μGy·h?1處，定位角度偏差≤0.99°；對于60Co源，在空氣吸收劑量率0.586 μGy·h?1處，測量的平均角度偏差為0.46°；對于水平距離7 m、高度4 m的3.7×107Bq137Cs源，相對定位偏差約為5%。

g射線，三晶體耦合，MCNP5，放射源定位

隨著核技術(shù)應用的迅速發(fā)展，我國的放射源數(shù)量在近20年來以年均15%的速度增長[1]。然而因為缺乏科學有效的管理，國內(nèi)的放射源事故平均每年發(fā)生30多起[2]，部分放射源或放射性材料流失在外界環(huán)境中，對社會公眾安全和生態(tài)環(huán)境造成了嚴重的危害。因此，如何快速尋回遺失的放射源，降低對人和環(huán)境的潛在危害顯得尤為重要。

傳統(tǒng)的放射源搜索方法通過固定式或移動式的射線探測器進行區(qū)域搜索，不能直接對放射源進行定位[3]，這種方法不但耗時費力而且會使測量人員吸收更多的劑量。傳統(tǒng)的g相機在一定范圍內(nèi)可以對放射源成像，但是它的鉛準直系統(tǒng)體積大、笨重、探測效率低[4]。采用準直器與探測器配合共同定位放射源位置的方法[5?6]與傳統(tǒng)方法相比在精度上和效率上有大幅度提高，但它的視野范圍較小，需要旋轉(zhuǎn)多次全覆蓋，其分辨距離也比較短，仍然需要測量人員在輻射區(qū)域滯留較長的時間進行測量。

本文設(shè)計的由NaI、CsI、鍺酸鉍(Bi4Ge3O12, BGO)三晶體耦合的g射線方向探測器能夠直接在輻射區(qū)域中快速分辨出放射源射線的入射方向，從而有效地對放射源進行定位，減少了輻射探測人員的受照射時間。

1 探測器模型及放射源定位原理

三晶體耦合g射線方向探測器由圓環(huán)柱體的NaI、CsI和BGO晶體及中央圓柱鉛芯組成。其模型示意圖見圖1，組成探測器的材料參數(shù)見表1。

圖1 探測器模型(a)與探測示意圖(b)

表1 探測器組成材料性能參數(shù)

對于三種不同的閃爍晶體而言，探測效率是不同的。因此將這三種晶體耦合起來共用一個光電倍增管，所得脈沖信號通過多道分析器處理之后，各個閃爍體在能譜中的全能峰是分離的[7]。由于采用了三種晶體耦合的圓柱形結(jié)構(gòu)形式，當射線的入射方向不同時，晶體的計數(shù)將不同[8]，因此根據(jù)晶體中計數(shù)變化規(guī)律就可以得到放射源的方向信息。

如圖1所示，定義探測器中NaI和BGO晶體交界所在直線的方向為探測器的參考方向，利用基于蒙特卡羅方法的通用軟件包MCNP (Monte Carlo N Particle Transport Code)對三晶體耦合探測器的方向分辨情況進行了模擬，結(jié)果如圖2所示。

圖2 三晶體耦合g射線方向探測器角度-計數(shù)響應曲線

對圖2中的曲線進行擬合，三條曲線都近似滿足：

式中：為計數(shù)或計數(shù)率；和為常數(shù)，與環(huán)境本底、放射源活度及探測器本身相關(guān)；為放射源與探測器連線相對于參考方向的夾角，如圖1所示。

為了有效消除環(huán)境本底的干擾，降低角度測量的不確定性，引入一種較為有效的測量方式——4次測量法[9]。即在同一位置從參考方向開始測量，之后每次將探測器探頭旋轉(zhuǎn)90°再進行測量[10]，共測量4次，其計數(shù)結(jié)果分別用A、B、C、D表示，若放射源和探測器的連線方向與參考方向的夾角為，根據(jù)式(1)，4次測量結(jié)果可以由式(2)?(5)表示：

(3)

(4)

定義反應函數(shù)為：

將A、B、C、D代入反應函數(shù)中，則有：

式中：值在0°≤≤180°范圍內(nèi)有唯一確定值，且與本底及放射性活度等無關(guān)，因此該方法可消除環(huán)境本底的干擾，降低測量的不確定度。

2 探測器角度分辨率影響分析

2.1 鉛芯-晶體比例對探測器角度分辨率的影響

為了分析引入鉛芯對探測器角度分辨率的影響，找到探測器中鉛芯與晶體的最佳比例，我們選擇高度為10 cm，半徑分別為3 cm、5cm、8 cm和10 cm的探測器進行模擬，并不斷改變探測器中鉛芯的半徑來構(gòu)造不同的鉛芯-晶體比例，模擬所用放射源為137Cs和60Co，所得結(jié)果如圖3所示。

圖3 137Cs (a)和60Co (b)源下的探測器鉛芯晶體比例與角度偏差曲線

從圖3可以看出，引入鉛芯在一定程度上能夠降低探測器的角度偏差，提高角度分辨率。隨著鉛芯比例的繼續(xù)增大，探測器的角度偏差開始增大。這是因為加入鉛芯之后消除了三種閃爍體之間的部分干擾，所以探測器的角度偏差減??；當鉛芯比例繼續(xù)增加，閃爍體在探測器中所占比例開始減小，探測效率降低，探測器的角度偏差變大。隨著探測器尺寸的增加，小比例鉛芯不能較好地消除三種晶體的相互干擾，因此圖3中半徑為8cm和10cm的探測器在鉛芯增加階段的角度偏差比半徑為5cm探測器略大；當鉛芯半徑增大至過飽和時，此時閃爍體的相互干擾已被降到最低，探測器角度偏差增加主要是因為閃爍體體積減小，由于大體積探測器在鉛芯過飽和階段的閃爍體體積比小體積探測器的要大一些，所以體積較大探測器的角度偏差比較小。

對于137Cs源，3cm和5cm的探測器在鉛芯比例為0.8時，角度偏差最??；8cm和10cm的探測器在鉛芯比例為1.0時角度偏差最小。對于60Co源，探測器在鉛芯比例約為1.0時角度偏差最小。綜合考慮137Cs和60Co的模擬結(jié)果，如果使探測器的角度分辨率偏差在0.331μGy·h?1處不大于1°，則可選擇長為10 cm、半徑為5 cm、鉛芯-晶體比例為0.8的探測器。

2.2 劑量率對探測器角度分辨率的影響

對點源而言，其劑量率和距離的平方成反比關(guān)系。為研究放射源劑量率對探測器角度分辨率的影響，我們選擇高為10 cm、鉛芯-晶體比例為0.8，半徑為3 cm、5 cm、8 cm和10 cm的三晶體探測器，所用放射源為137Cs。模擬時保持探測器的位置不變，將放射源放置在距探測器不同距離處的位置以對應不同的劑量率，所得結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同劑量率處的探測器角度偏差曲線

從圖4可以看出，在一定范圍內(nèi)，隨著放射源劑量率的增加，探測器的角度偏差逐漸減小。在高劑量率附近，探測器的角度分辨率較好；在低劑量率處探測器的角度分辨率較差。對不同半徑的探測器進行模擬之后的結(jié)果表明，在低劑量率位置處，尺寸較大的探測器，其角度分辨率較好，角度偏差較?。怀叽巛^小的探測器，角度分辨率較差，角度偏差較大。

2.3 不同能量射線對探測器角度分辨率的影響

為研究不同能量射線對探測器角度分辨率的影響，我們選擇長度為10 cm、半徑為5 cm、鉛芯與晶體比例為0.8的探測器，射線源為137Cs與60Co，將放射源置于距探測器不同距離處依次進行模擬，所得結(jié)果如圖5所示。

圖5 137Cs與60Co的探測器角度偏差曲線

從圖5可以看出，在靠近放射源位置處時，探測器對137Cs源的角度偏差略小于60Co 的角度偏差，這是因為60Co射線的能量比137Cs高，在近距離處的穿透能力比較強，在閃爍體中沉積的光子數(shù)較少，因此角度偏差比137Cs稍大一點；隨著距離的增加，源劑量率開始降低，由于60Co的能量較高，在相同位置處60Co源的空氣吸收劑量率比137Cs源的空氣吸收劑量率高，因此探測器在遠距離處對60Co射線的角度偏差較137Cs射線小一些。

3 空間放射源模擬定位

有時候放射源所處的位置具有一定的高度，因此需要對存在于空間中的放射源進行定位。模擬定位空間放射源所用的探測器長為10 cm、半徑為10cm、鉛芯比例為0.8。探測器A、B垂直于水平面放置，A的坐標(cm)為(0,0,0)，B的坐標為(0,?100,0)，模擬放射源137Cs坐標為(500,?500, 400)其在水平面的投影為′。設(shè)軸的正半軸方向為參考方向，′和探測器A、B的連線與參考方向的夾角為1、2。

為了使空間定位結(jié)果更準確，將探測器C平行于面放置，且它的坐標與放射源在水平面的投影位置′有關(guān)，′的位置可由探測器A、B測量得到。探測器的0°方向與軸重合，放射源與探測器的連線與′的夾角為3。模擬定位使用4次測量法，依次逆時針旋轉(zhuǎn)探測器并記錄探測器各晶體的全能峰計數(shù)，所得結(jié)果如表3所示。

表3 三晶體g耦合方向探測器模擬定位結(jié)果

探測器A、B、C均可得出放射源位置的一個角度，且A、B的坐標已知，放射源的坐標可由式(9)?(11)得出。

聯(lián)立上述三個方程便可計算出放射源的空間位置，用三晶體耦合g射線方向探測器模擬定位137Cs放射源的空間位置為(471.150,?467.203,396.759)與真實位置的相對偏差約為5%。

4 結(jié)語

本文基于三晶體耦合g射線方向探測器，討論了探測器的參數(shù)及其他因素對放射源定位精度的影響，所得結(jié)論如下：

1) 設(shè)計的三晶體耦合g射線方向探測器能夠分辨異常輻射區(qū)域內(nèi)射線的入射方向，對于放射源在各個角度的角度分辨能力較穩(wěn)定。對137Cs源在空氣吸收劑量率≥0.331 μGy·h?1處，其定位角度偏差不超過0.99°；隨著輻射場強度的繼續(xù)降低，放射源定位的角度不確定性將增加。

2) 在一定范圍內(nèi)，適當調(diào)整探測器中鉛芯-晶體的比例有助于探測器角度分辨率的提高，當探測器的鉛芯比約為1.0時，探測器的角度偏差較小；在放射源劑量率較低處，探測器的角度分辨能力較弱；在放射源劑量率較高處，探測器的角度分辨能力較好。

3) 在空氣吸收劑量率比較低的位置，尺寸較大的探測器的角度分辨率在一定程度上優(yōu)于小尺寸的探測器；在進行放射源定位時，使用尺寸較大的探測器所得結(jié)果較好，對7 m遠、4 m高的137Cs放射源定位的相對偏差約為5%。

1 周啟甫. 我國輻射安全與保安現(xiàn)狀及對策[C]. 2007年核技術(shù)工業(yè)應用分會學術(shù)年會, 湖北, 2007: 2?9. ZHOU Qifu. The situation and countermeasure of radiation safety and security in China[C]. The Council Collected Papers of Nuclear Technology and Industry Application in 2007 Annual Conference, Hubei, 2007: 2?9.

2 范深根. 我國放射事故概況與原因分析[J]. 輻射防護, 2002, 22(5): 277?281. DOI: 10.3321/j.issn:1000-8187. 2002.05.005. FAN Shengen. General situation of radiation accidents in China and analysis of their causes[J]. Radiation Protection, 2002, 22(5): 227?281. DOI: 10.3321/j.issn:1000-8187. 2002.05.005.

3 Willis M J, Skutnik S E, Hall H L. Detection and positioning of radioactive sources using a four-detector response algorithm[J]. Nuclear Instruments & Methods in Physics Research A, 2014, 767(11): 445?452. DOI: 10.1016/j.nima.2014.08.033.

4 Powsner R A, Powsner E R. Essential nuclear medicine physics[M]. 2nd ed. UK: Blackwell Publishing, 2008.

5 譚軍文, 左國平, 周劍良, 等. NaI探測器搜尋γ源定位準直器模擬設(shè)計[J]. 核電子學與探測技術(shù), 2015, 35(4): 354?360. DOI: 10.3969/j.issn.0258-0934.2015.04.010. TAN Junwen, ZUO Guoping, ZHOU Jianliang,. The simulation design of a positioning collimator to locate the gamma radiation source with NaI detector[J]. Nuclear Electronics & Detection Technology, 2015, 35(4): 354?360. DOI: 10.3969/j.issn.0258-0934.2015.04.010.

6 Gamage K A A, Joyce M J, Taylor G C. Investigation of three-dimensional localization of radioactive sources using a fast organic liquid scintillator detector[J]. Nuclear Instruments & Methods in Physics Research A, 2013, 707(7): 123?126. DOI: 10.1016/j.nima.2012.12.119.

7 Shirakawa Y. Development of a direction finding gamma-ray detector[J]. Nuclear Instruments & Methods in Physics Research A, 2007, 263(1): 58?62. DOI: 10.1016/j.nimb.2007.04.056.

8 Randall G L, Iglesis E, Wong H F,. A method of providing directionality for ionising radiation detectors - RadICAL[J]. Journal of Instrumentation, 2014, 9(10): p10011. DOI: 10.1088/1748-0221/9/10/p10011.

9 左國平, 譚軍文, 周劍良, 等. 基于三角圓筒鉛屏蔽NaI探測器的放射源定位研究[J]. 原子能科學技術(shù), 2017, 51(3): 515?521. DOI: 10.7538/yzk.2017.51.03. 0515. ZUO Guoping, TAN Junwen, ZHOU Jianliang,. Study of radioactive source localization based on triangular cylindrical lead shield NaI detector[J]. Atomic Energy Science and Technology, 2017, 51(3): 515?521. DOI: 10.7538/yzk.2017.51.03.0515.

10 Fujimoto K. A simple gamma ray direction finder[J]. Health Physics, 2006, 91(1): 29?35. DOI: 10.1097/01.HP. 0000196113.49929.be.

Locating radioactive source based on three coupled-crystals directional detector ofgrays

ZHANG Zhenchao ZUO Guoping TAN Junwen ZHOU Yang ZHANG Fan

(School of Nuclear Science and Technology, University of South China, Hengyang 421001, China)

With the increase application of radioactive sources, the possibility of radiation accidents is raised as well in recent years.This study aims to fastly locate lost radioactive sources using a directional detector ofgrays.Three different coupled scintillators, i.e., NaI, CsI, Bi4Ge3O12(BGO), together with center lead cylinder were employed to build thegray directional detection system. Localizing spatial radioactive source and the influences of angular resolution caused by lead-crystal ratio, rays energy and source dose rate were simulated by using MCNP (Monte Carlo N particle transport code).The angle deviation is less than0.99°, provided that the air absorbed dose rate of137Cs source is not lower than 0.331 μGy·h?1. The average angle measurement deviation is 0.46° when the air absorbed dose rate of60Co source is 0.586 μGy·h?1. The positioning deviation of 3.7×107Bq-137Cs source at a distance of 7 m and height of 4 m is about 5%.The three-coupled-crystals directional detector ofgrays can be used to identify the direction of incidentgrays and locate the spatial position of unknown radioactive source with reasonable radiant intensity.

grays, Three-coupled-crystals, MCNP5, Source locating

ZHANG Zhenchao, male, born in 1993, graduated from Yunnan Minzu University in 2015, master student, focusing on locating the radioactive source and radioactive materials

ZUO Guoping, E-mail: 409882007@qq.com

2017-03-21, accepted date: 2017-05-19

TL99

10.11889/j.0253-3219.2017.hjs.40.100402

張振朝，男，1993年出生，2015年畢業(yè)于云南民族大學，現(xiàn)為碩士研究生，研究領(lǐng)域為放射源和放射性材料的定位

左國平，E-mail: 409882007@qq.com

2017-03-21，

2017-05-19

Supported by Natural Science Foundation of Hunan Province (No.2016JJ2106)

湖南省自然科學基金(No.2016JJ2106)資助