不銹鋼和鋁外殼材料對(duì)宇宙射線輻射成像的對(duì)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(jìn)行輻射成像，已經(jīng)成為近年發(fā)展的無(wú)損成像技術(shù)[1]。因?yàn)槠洳捎昧颂烊淮嬖诘挠钪嫔渚€作為射線源，避免了外加加速器或X光機(jī)等人工射線裝置對(duì)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(duì)高原子序數(shù)材料敏感，這些特點(diǎn)使得其在重核材料輻射成像上具有優(yōu)勢(shì)，在核安保、核廢物測(cè)量等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景[2]。美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LANL)于21世紀(jì)初提出并實(shí)現(xiàn)利用宇宙射線進(jìn)行輻射成像，其基于不同原子序數(shù)材料對(duì)μ介子的散射特性差異來(lái)反演掃描對(duì)象內(nèi)部三維成像[2，3]。

而早在2009年，美國(guó)決策科學(xué)國(guó)際公司已將洛斯阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)商業(yè)化，開(kāi)發(fā)出基于多種成像模式的被動(dòng)探測(cè)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(cè)對(duì)象不再局限于高Z物質(zhì)[7]。其實(shí)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(xì)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(guò)激光焊接進(jìn)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(píng)為年度最具創(chuàng)新性科技產(chǎn)品[4]。在國(guó)內(nèi)，清華大學(xué)最早開(kāi)展了宇宙射線成像技術(shù)的研究[8，9]，同方威視也針對(duì)宇宙射線無(wú)損檢測(cè)和粒子重建方法申請(qǐng)了相關(guān)專利[10，11]。

但從工程實(shí)際角度，鋁外殼相比不銹鋼外殼硬度低，不易進(jìn)行激光焊接，加工和使用過(guò)程中都容易變形。因此本文將從實(shí)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(guò)鋁外殼和不銹鋼外殼制成的漂移管時(shí)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(shí)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(shí)，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(dòng)探測(cè)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(zhǎng)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(gè)單元，上兩個(gè)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(gè)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(gè)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(cè)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(guò)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(lái)源于美國(guó)勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開(kāi)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(jìn)入此PDS(面積為16 m2)的μ介子個(gè)數(shù)。

2.1 μ介子在不同外殼PDS氣體中的沉積能量對(duì)比

對(duì)于氣體探測(cè)器而言，其探測(cè)器的輸出正比于射線在氣體內(nèi)的能量沉積。幾乎每個(gè)μ介子在PDS中都會(huì)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(shí)，在PDS氣體中產(chǎn)生的能量沉積高于鋁外殼PDS，也就是說(shuō)μ介子同樣直射條件下，不銹鋼外殼PDS輸出信號(hào)大于鋁外殼PDS。統(tǒng)計(jì)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(jiàn)，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(guò)PDS后μ介子能量分布

前文提過(guò)，美國(guó)決策科學(xué)公司所采用的PDS是通過(guò)測(cè)量感興趣區(qū)的多重庫(kù)倫散射和衰減相互作用，來(lái)重建感興趣材料的三維分布的。因此PDS本身對(duì)宇宙射線的散射作用要盡量小。由此我們來(lái)統(tǒng)計(jì)μ介子經(jīng)過(guò)PDS后的個(gè)數(shù)、能量和位置分布等信息，以此來(lái)判斷不同材料制成的PDS 對(duì)宇宙射線測(cè)量產(chǎn)生的影響。宇宙射線中μ介子經(jīng)過(guò)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(guò)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(duì)μ介子能量影響更大。統(tǒng)計(jì)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(guò)PDS后，均會(huì)有非常少量的散射(萬(wàn)分之一量級(jí))，能量也會(huì)有少量偏移和展寬。相對(duì)而言，采用不銹鋼外殼PDS與采用鋁外殼相比，對(duì)μ介子影響稍大，但整體影響都很微弱。

2.3 經(jīng)過(guò)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(duì)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(guò)PDS后，出射位置相對(duì)入射位置均有偏移和展寬，只是采用不銹鋼外殼PDS相對(duì)鋁外殼PDS，對(duì)μ介子路徑影響稍大。統(tǒng)計(jì)經(jīng)過(guò)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(shí)，相比鋁外殼PDS，經(jīng)過(guò)不銹鋼外殼PDS后μ介子偏轉(zhuǎn)角度更大(偏轉(zhuǎn)得更遠(yuǎn))，但出射位置更加集中。

3 Geant4模擬電子直射PDS

美國(guó)決策公司宇宙射線無(wú)損探測(cè)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(lái)檢測(cè)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(guò)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(jìn)入此PDS(面積為16 m2)的電子個(gè)數(shù)。

3.1 電子在不同外殼PDS中的沉積能量對(duì)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(cè)器的輸出值。經(jīng)過(guò)模擬統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，幾乎每個(gè)電子都會(huì)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(duì)而言，電子直射不銹鋼外殼PDS時(shí)，其能量沉積譜展寬更大，會(huì)導(dǎo)致能量分辨率變差。其能量沉積分布統(tǒng)計(jì)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(cè)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(duì)電子有更高的探測(cè)效率和更好的能量分辨率。

3.2 經(jīng)過(guò)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(guò)不同外殼的PDS后的個(gè)數(shù)、能量和位置分布等信息，來(lái)評(píng)估不同外殼材料PDS對(duì)電子測(cè)量的影響，由此來(lái)判斷不同材料用于PDS的可行性。直射電子經(jīng)過(guò)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(guò)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(duì)其影響明顯比鋁外殼PDS要大得多。統(tǒng)計(jì)直射電子分別經(jīng)過(guò)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(wàn)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(duì)78 MeV電子阻擋本領(lǐng)太強(qiáng)，使得大部分電子(約有2/3電子)不能穿透PDS。且經(jīng)過(guò)PDS后，直射電子能譜變化非常大，能量損失很嚴(yán)重，經(jīng)過(guò)不銹鋼外殼的PDS尤甚。

3.3 經(jīng)過(guò)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(xì)反映不同外殼材料PDS對(duì)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(guò)鋁外殼PDS后的電子位置有偏轉(zhuǎn)，但其偏轉(zhuǎn)角度相對(duì)較小，位置較集中；而直射電子經(jīng)過(guò)不銹鋼外殼PDS后，會(huì)偏轉(zhuǎn)到很大范圍內(nèi)。其位置分布統(tǒng)計(jì)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(jì)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(duì)直射電子的偏轉(zhuǎn)影響較??；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(jìn)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(jì)μ介子和電子在PDS中的能量沉積以及經(jīng)過(guò)PDS后的粒子個(gè)數(shù)、能量和位置分布,從這幾個(gè)參數(shù)角度來(lái)考察不銹鋼外殼和鋁外殼PDS的信號(hào)輸出以及PDS本身對(duì)入射粒子影響。由計(jì)算結(jié)果得知。

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

(2)針對(duì)直射電子，其在PDS中探測(cè)效率接近1；相比采用鋁外殼而言，采用不銹鋼外殼PDS信號(hào)輸出更大，但其能量分辨率明顯變差；直射電子經(jīng)過(guò)兩種外殼材料PDS時(shí)，相當(dāng)一部分電子會(huì)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(duì)電子的阻擋和散射影響尤甚。

根據(jù)以上結(jié)果，若對(duì)感興趣區(qū)域材料進(jìn)行三維重建時(shí)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(duì)μ介子的影響差別很??；但三維重建過(guò)程中考慮了電子，不銹鋼和鋁兩種外殼材料對(duì)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(jìn)一步考慮鋁外殼、以及不銹鋼外殼替代的處理方案。