不锈钢和铝外壳材料对宇宙射线辐射成像的对比研究

孙立风，任 燕，程 丹

(中核高能(天津)装备有限公司，天津 300300)

利用宇宙射线进行辐射成像，已经成为近年发展的无损成像技术[1]。因为其采用了天然存在的宇宙射线作为射线源，避免了外加加速器或X光机等人工射线装置对被检物、操作人员或周边环境产生辐照影响。此外，宇宙射线(如μ介子)穿透本领高、对高原子序数材料敏感，这些特点使得其在重核材料辐射成像上具有优势，在核安保、核废物测量等领域有广阔的应用前景[2]。美国洛斯阿拉莫斯国家实验室(LANL)于21世纪初提出并实现利用宇宙射线进行辐射成像，其基于不同原子序数材料对μ介子的散射特性差异来反演扫描对象内部三维成像[2，3]。

而早在2009年，美国决策科学国际公司已将洛斯阿拉莫斯实验室的技术商业化，开发出基于多种成像模式的被动探测系统(passive detection system，PDS)[4-6]。该系统不仅仅局限于宇宙射线μ介子散射成像，而是将μ介子散射和电子阻挡两种信息相结合，使得检测对象不再局限于高Z物质[7]。其实施方案是在感兴趣区域的上下方均采用大量的漂移管阵列，每根漂移管均采用铝外壳，漂移管中心用一根细金属丝做收集极，其两端与漂移管两端口连接，漂移管两端通过激光焊接进行永久密封。多根漂移管正交多层分布，以在三维空间中跟踪带电粒子[7]。2013年，该系统被评为年度最具创新性科技产品[4]。在国内，清华大学最早开展了宇宙射线成像技术的研究[8，9]，同方威视也针对宇宙射线无损检测和粒子重建方法申请了相关专利[10，11]。

但从工程实际角度，铝外壳相比不锈钢外壳硬度低，不易进行激光焊接，加工和使用过程中都容易变形。因此本文将从实际工程需要出发，用Geant4模拟宇宙射线与大气相互作用产生的μ介子和电子经过铝外壳和不锈钢外壳制成的漂移管时沉积能量、能谱分布、位置分布的区别，以研究漂移管研制时不锈钢外壳替代铝外壳的可行性。

1 模型

参考同方威视粒子重建模型[11]，考虑用铝外壳或不锈钢外壳制成的漂移管以正交方式多层排布形成PDS时，宇宙射线与大气相互作用产生的μ介子和电子在PDS气体内的能量沉积、以及穿透PDS后的能谱分布和位置分布信息。漂移管以正交方式多层排布形成的PDS模型图如图1所示。

图1 宇宙射线被动探测系统模型图[11]Fig.1 The structural diagrams of the passive detection system for cosmic rays[11]

其中每根漂移管外径为50 mm、长度为2 m，管外壳材料为铝或不锈钢，管内所充气体为Ar(95%)+CO2(5%)。漂移管如图1排布方式，共分四个单元，上两个单元组成入射部分，给出入射感兴趣区域前的μ介子和电子信息；下两个单元组成出射部分，给出出射感兴趣区域后的μ介子和电子信息。入射部分和出射部分中间即为感兴趣区域，一般放置需要扫描的物体。每个单元中又包含四排漂移管，上两排和下两排呈正交排布，每排漂移管均覆盖4×4 m的探测面积。因此每排共有160路漂移管，总共16排共2 560路漂移管。

2 Geant4模拟μ介子直射PDS

考虑宇宙射线与大气相互作用产生的μ介子直射PDS，采用Geant4模拟μ介子在PDS气体中的沉积能量以及经过PDS后的能谱分布和位置分布。自然界中存在的μ介子能量范围很大，海平面处的μ介子平均能量为3～4 GeV[1]，本次模拟所采用数据来源于美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室开发的CRY(Cosmic-RaY Shower Generator)软件包[12]，利用该软件包获取的μ介子平均能量为3.9 GeV，通量约1 cm-2min-1，本次模拟量为4×105，相当于2.5 min内直射进入此PDS(面积为16 m2)的μ介子个数。

2.1 μ介子在不同外壳PDS气体中的沉积能量对比

对于气体探测器而言，其探测器的输出正比于射线在气体内的能量沉积。几乎每个μ介子在PDS中都会有能量沉积，这些能量沉积分布如图2所示。

图2 μ介子直射铝外壳和不锈钢 外壳PDS产生的能量沉积Fig.2 The energy deposition for muons at normal incidence to the passive detection system

由图2可知，μ介子直射不锈钢外壳PDS时，在PDS气体中产生的能量沉积高于铝外壳PDS，也就是说μ介子同样直射条件下，不锈钢外壳PDS输出信号大于铝外壳PDS。统计μ介子在PDS气体中的沉积能量信息，结果如表1所示。

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

由图2和表1可见，采用不锈钢外壳PDS与采用铝外壳相比，μ介子在不锈钢外壳PDS内平均沉积能量更大，标准偏差大，相应的能量分辨率也稍大。

2.2 经过PDS后μ介子能量分布

前文提过，美国决策科学公司所采用的PDS是通过测量感兴趣区的多重库伦散射和衰减相互作用，来重建感兴趣材料的三维分布的。因此PDS本身对宇宙射线的散射作用要尽量小。由此我们来统计μ介子经过PDS后的个数、能量和位置分布等信息，以此来判断不同材料制成的PDS 对宇宙射线测量产生的影响。宇宙射线中μ介子经过PDS后的能量分布结果如图3所示。

图3 μ介子直射铝外壳和不锈钢 外壳PDS后的能谱分布Fig.3 The energy spectrum for muons at normal incidence to the passive detection system

由图3可知，μ介子分别经过不锈钢和铝外壳PDS后，能谱均整体产生了偏移。相比而言，不锈钢外壳PDS对μ介子能量影响更大。统计μ介子分别穿透铝外壳和不锈钢外壳PDS后的能量信息，结果如表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

由图3和表2结果得知：μ介子经过PDS后，均会有非常少量的散射(万分之一量级)，能量也会有少量偏移和展宽。相对而言，采用不锈钢外壳PDS与采用铝外壳相比，对μ介子影响稍大，但整体影响都很微弱。

2.3 经过PDS后μ介子位置分布

此部分与2.2研究目的一致，为了模拟PDS本身对μ介子产生的影响。

图4 μ介子直射铝外壳和不锈钢 外壳PDS后的位置分布Fig.4 The distribution of position for muons after transmitting the passive detection system

由图4可看出，μ介子直射经过PDS后，出射位置相对入射位置均有偏移和展宽，只是采用不锈钢外壳PDS相对铝外壳PDS，对μ介子路径影响稍大。统计经过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

由图4和表3可看出，μ介子直射时，相比铝外壳PDS，经过不锈钢外壳PDS后μ介子偏转角度更大(偏转得更远)，但出射位置更加集中。

3 Geant4模拟电子直射PDS

美国决策公司宇宙射线无损探测方案将宇宙射线中μ介子散射和电子阻挡两种信息结合考虑[7]，来检测低Z物质。因此本文也模拟了电子直射PDS，其在PDS中的沉积能量以及经过PDS后的位置和能量变化。根据CRY软件包[12]得到电子平均能量为78 MeV，通量约为2×10-3cm-2s-1，本次模拟量为1×106，相当于52 min内直射进入此PDS(面积为16 m2)的电子个数。

3.1 电子在不同外壳PDS中的沉积能量对比

与2.1节类似，电子在PDS内气体中的能量沉积，正比于PDS探测器的输出值。经过模拟统计发现，几乎每个电子都会在PDS中有能量沉积，这些能量沉积分布如图5所示。

图5 电子直射铝外壳和不锈钢外壳 PDS产生的能量沉积Fig.5 The energy deposition for electrons at normal incidence to the passive detection system

由图5可知，相对而言，电子直射不锈钢外壳PDS时，其能量沉积谱展宽更大，会导致能量分辨率变差。其能量沉积分布统计表如表4所示。

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

由图5和表4结果可知，几乎所有直射电子都能被铝外壳和不锈钢外壳PDS探测到，但其在不锈钢外壳PDS中能量沉积展宽较宽。相较于不锈钢外壳PDS，铝外壳PDS对电子有更高的探测效率和更好的能量分辨率。

3.2 经过PDS后直射电子能量分布

与2.2节类似，我们将模拟直射电子分别经过不同外壳的PDS后的个数、能量和位置分布等信息，来评估不同外壳材料PDS对电子测量的影响，由此来判断不同材料用于PDS的可行性。直射电子经过PDS后的能量分布结果如图6所示。

图6 电子直射铝外壳和不锈钢 外壳PDS后的能谱分布Fig.6 The energy spectrum for electrons at normal incidence to the passive detection system

与μ介子相比，直射电子受PDS影响要大得多，经过PDS后，其能谱有很大的偏移和展宽现象，而且不锈钢外壳PDS对其影响明显比铝外壳PDS要大得多。统计直射电子分别经过铝外壳和不锈钢外壳PDS后的能量信息，结果如表5所示。

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

根据表5结果，与μ介子大约只有万分之一概率被散射相比，电子被PDS本身阻挡可能性大幅上升，若采用铝外壳PDS，约有近15%的电子被PDS散射；而采用不锈钢外壳PDS，由于不锈钢本身对78 MeV电子阻挡本领太强，使得大部分电子(约有2/3电子)不能穿透PDS。且经过PDS后，直射电子能谱变化非常大，能量损失很严重，经过不锈钢外壳的PDS尤甚。

3.3 经过PDS后电子位置分布

除了研究有多少直射电子被PDS阻挡，还要研究穿透PDS后电子的位置分布，以详细反映不同外壳材料PDS对电子的影响，从而为感兴趣区域材料三维重建做参考。模拟电子直射铝外壳和不锈钢外壳PDS后的位置分布，结果如图7所示。

图7 电子直射铝外壳和不锈钢外壳 PDS后的位置分布Fig.7 The distribution of position for electrons after transmitting the passive detection system

由图7可知，经过铝外壳PDS后的电子位置有偏转，但其偏转角度相对较小，位置较集中；而直射电子经过不锈钢外壳PDS后，会偏转到很大范围内。其位置分布统计结果如表6所示。

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

由图7和表6计算结果可知，与μ介子相同的是，相比不锈钢外壳PDS，铝外壳PDS对直射电子的偏转影响较小；但与直射μ子相比，直射电子受PDS散射偏转影响均非常大。

3 结论

为了研究采用不锈钢外壳代替铝外壳，用于PDS以进行感兴趣区域材料三维分布重建的可行性，本文模拟比较了宇宙射线与大气相互作用产生的μ介子和电子直射铝外壳或不锈钢外壳PDS，统计μ介子和电子在PDS中的能量沉积以及经过PDS后的粒子个数、能量和位置分布,从这几个参数角度来考察不锈钢外壳和铝外壳PDS的信号输出以及PDS本身对入射粒子影响。由计算结果得知。

(1)针对直射μ介子而言，其在PDS中探测效率接近1；相比采用铝外壳而言，采用不锈钢外壳PDS信号输出更大，能量分辨率稍差；直射μ介子经过两种外壳材料PDS后，能谱均会有少许偏移和展宽，出射角度会有少许偏转；不锈钢外壳PDS对μ介子能谱和角度影像稍大。

(2)针对直射电子，其在PDS中探测效率接近1；相比采用铝外壳而言，采用不锈钢外壳PDS信号输出更大，但其能量分辨率明显变差；直射电子经过两种外壳材料PDS时，相当一部分电子会被PDS阻挡，未被阻挡电子能谱均有明显的偏移和展宽，出射位置也偏移很大，而不锈钢外壳对电子的阻挡和散射影响尤甚。

根据以上结果，若对感兴趣区域材料进行三维重建时只采用μ介子，则用不锈钢外壳替代铝外壳是完全可行的，两种外壳材料制成的PDS对μ介子的影响差别很小；但三维重建过程中考虑了电子，不锈钢和铝两种外壳材料对入射电子的影响均不容忽视，不锈钢影响比铝也要大，需要再进一步考虑铝外壳、以及不锈钢外壳替代的处理方案。