γ相机的发展和应用

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（国民核生化灾害防护国家重点实验室防化研究院，北京 102205）

γ相机的发展和应用

李汉平，艾宪芸

（国民核生化灾害防护国家重点实验室防化研究院，北京 102205）

本文调研了国内外已商业化的γ相机，介绍γ相机的发展历史，对国内外γ相机的发展、研究和应用状况进行分析和总结。γ射线成像技术是一种符合ALARA原则的核辐射监测技术，随着核电子学技术的发展，γ相机必将在辐射监测方面得到广泛的应用。

γ相机；辐射监测；成像技术

γ射线成像技术是一种对放射性物质 “照相”的核辐射探测技术。最早应用于天文和核医学领域。20世纪90年代，γ射线成像技术逐步用于辐射环境监测领域。

γ射线成像技术在辐射环境监测领域应用的典型代表是γ相机。γ相机成像可以反映监测区域内是否存在放射性以及放射性强度的空间分布，并准确判断放射性核素的种类，达到对测量区域内的放射性物质进行快速准确定位的目的。传统核辐射测量方式是巡测和多点测量［1，2］。需要工作人员进入辐射场内，有时甚至需要靠近放射性物质进行探测，不仅增加了工作人员受照时间和工作风险，且放射源的定位精度也较差。与传统核辐射监测方式比较，γ相机的优势在于可一次性对探测区域进行实时成像，给出放射性强度空间分布的二维图像，提高工作效率和定位精度，为后期的具体分析提供基础；可进行远距离成像，无需人员进入辐射区域，极大减少工作过程中相关人员所受的辐射剂量。γ射线成像技术是一种更加符合ALARA原则的核辐射监测技术，随着核电子学技术的发展，必将在辐射监测方面得到广泛的应用。

l γ相机系统结构

1958年前后，Hal O．Anger采用平行孔准直器、NaI（TI）晶体以及光电倍增管阵列，通过重心法定位研究出了著名的 Anger相机［3］。Anger相机是世界上第一台γ相机，该成果被迅速推广，从而开启了γ射线成像技术的研究。γ相机发展至今，系统成像的分辨率、视场角以及成像时间等参数较Anger相机已有大幅度的提高，但基本原理和结构并没有改变。γ成像系统基本结构示意图如图1所示。

图l γ成像系统结构示意图Fig.l structure of γ camera

常见的 γ成像系统结构可分为三种［4，5］：（1）准直器+整块闪烁体+位置灵敏光电倍增管（可用PMT阵列、PD阵列、APD阵列替代）+读出电路；（2）准直器+阵列探测器+读出电路；（3）准直器+闪烁体+像增强器+CCD。第一种γ相机是最常见的γ成像系统结构，其结构相对简单，可实现位置和能量分辨，但监测面积小，空间分辨率没有后两者高。第二种成像结构采用阵列探测器方式，空间分辨率高，像素阵列可以做的很大，但结构复杂，成本高，对某些探测器难以加工。第三种成像结构基于CCD的结构，可以耦合一整块闪烁体、阵列闪烁体以及平板探测器等，其后面需要接反射镜、透镜。其空间分辨率较高，读出电路容易实现，最大的不足是CCD没有能量分辨能力，系统无法进行能量分辨。

2 γ相机国外研究状况

20世纪90年代，美国的劳伦斯利物莫尔实验室 （Lawrence Livermore National Laboratory，简称LLNL）首先开展了有关γ射线二维成像系统的研究并研制出了应用于辐射监测领域的γ成像谱仪GRIS（Gamma-Ray Imaging Spectrometer γ成像谱仪，简称GRIS）［6，7］，标志着γ相机首次应用于军事及辐射监测领域。图2为GRIS实物图。图3为其拍摄图像。

图2 GRISFig.2 GRIS

此后国外各大研究机构和公司就开始了γ射线成像设备的研究和应用。目前，国外多家公司已经拥有成熟的系列化产品［8，9］。国外商业化产品见表1。图4和图5为最新研发推出的商用γ相机Polaris-H及其所成图像。目前国外对于γ相机的研究逐步向小型化趋势发展。

图3 GRIS拍摄导弹内部核弹头图像Fig.3 Image of Nuclear warhead taken by GRIS

表l 国外γ相机相关产品及参数Table l Technical index of gamma camera

图4 Polaris-H实物图Fig.4 Polaris-H

图5 Polaris-H拍摄图像Fig.5 The image taken by Polaris-H

3 γ相机国内研究状况

国内关于γ射线成像技术方面的研究起步相对较晚，只有几家科研机构对这一技术进行了较为深入的研究，整体技术水平相对落后。市场上商业化的γ相机更少。国内商业化产品见表2。图6和图7分别为RLS-1000A和HENT产品示意图。中国科学院上海应用物理研究所和华中科技大学也都开展过γ射线成像探测技术的研究工作，所用实验样机均采用修正均匀冗余编码板耦合闪烁体探测器及位置灵敏光电倍增管模式。目前尚处于研究阶段，未实现商品化。

表2 国内γ相机相关产品及参数Table 2 Technical index of gamma camera

图6 RLS-l000AFig.6 RLS-l000A

4 γ相机的应用

在天文学研究中，应用γ相机对天区内某个感兴趣区域内所产生的硬γ射线进行观测，达到研究相应星体的目的。如我国目前正在研制的硬X射线调制望远镜HXMT。天文学领域的γ相机成像为远场成像，背景辐射较高，射线的能量范围相对较大。

核医学领域的γ相机的应用体现在SPECT和PET上。其主要作用是利用计算机断层成像技术，对放射性核素在小动物及人体器官内的分布成像，为医生诊断提供相应的依据。核医学领域的γ相机成像为近场成像，射线能量较低，且基本没有背景辐射。

核辐射监测领域γ相机成像技术是从天文以及核医学领域的γ成像技术发展而来的［10］。成像需求介于天文学与核医学之间，成像目标距离从一米到数十米，探测能量范围为几万电子伏特到几兆电子伏特。

图7 便携式γ成像仪Fig.7 HENT

4.l核设施的应用

在反应堆事故工况下，需要对放射性物质进行远距离以及大面积探测。传统的辐射探测设备如γ谱仪和剂量率仪只能近距离的对放射源在某个点上的辐射情况探测，如果需要对某一区域内的放射源进行位置测量，需要多台探测器联合工作。这样不仅对工作人员的健康十分不利，而且还费时费力［11］。相比于传统测量仪器，γ相机可对放射性物质进行大面积远场成像，其生成的二维图像可以更直观的反映辐射场强度的分布，方便工作人员快速做出判断。核电厂正常运行时，可以通过γ相机对某些敏感部位进行成像，对核电厂重要位置进行全时、全方位监测，对事故早期预警以及事故后相应措施的制订具有重大参考价值［12，13］。

2011年福岛核事故后［14，15］，日本东京电力公司在对厂区辐射场进行测量时使用了γ相机，对福岛一号和二号机组反应堆所在建筑主排气筒下方管线进行了远距离成像。根据成像所得辐射强度分布信息，制定相应的应急预案，从而减小参与救援工作人员受照剂量。

4.2 军事及国土安全的应用

20世纪90年代，美国的LLNL实验室首次研发了用于军事领域的γ相机，可以在一个较为合适的距离上，以不接触和拆卸核导弹的方式，对其中的核弹头数目进行确认。

γ相机无需进入、接触或拆除，即可完成对被测区域或物体内部放射源的检测，目前被广泛应用于国土安全领域，例如机场海关、港口等场所的γ射线成像监控。γ相机对行李、货物、车船、集装箱等内部进行探测，可以判断物体内部是否存在放射性物质，并对放射性物质的位置、数量、种类等做出判断，从而阻断核走私渠道，以达到防范核辐射恐怖活动的目的。γ相机与传统集装箱检测和门式安检系统相比，其优势在于体积小，在监测时更具隐蔽性，检查效率更高。传统通道式安检系统进行检测时，需要人们按顺序通过相应的“安检门”，以完成检查。在人流量大的地方，采用这种方法很容易造成人员堵塞或滞留的情况，检测效率相对较低。通常情况下通道式安监系统体积较大、目标明显，不法分子有机可乘，躲避检测。γ相机体积小，可以安装在隐蔽区域对目标通道进行检测，一旦发现可疑目标，γ相机可以快速对其定位，通知相关工作人员。

2010年，清华大学研发了一款具有辐射定位跟踪功能的γ相机，其追踪时间小于1s，可以对可疑目标进行快速定位。该γ相机通过深圳罗湖口岸检测检疫局检验认证，已投入海关使用。该γ相机的视野可以完全覆盖口岸区域，灵敏度很高，γ相机的应用极大程度上提高了罗湖口岸对非法核走私活动的监控能力。

4.3 辐射环境监测的应用

在辐射环境监测中，监测方式主要可分为两类。第一类为定点监测，即在固定位置安装辐射监测设备，对固定点位上的辐射信息进行测量。第二类为巡测，即工作人员使用手持式辐射测量仪器现场移动测量或者工作人员操控机载设备远程移动测量。目前这两类方式多采用γ谱仪或剂量率仪作为辐射监测设备。由于γ谱仪和剂量率仪只能对空间上某一点的辐射信息进行测量，要得到放射性强度二维分布以及放射源的位置，则需要对探测环境进行多点位测量。对于定点监测，需要在环境中布置大量的监测点，这些监测点的建造及维护都要消耗大量人力物力，成本较高；对于巡测，需要多人或多台机器在辐射环境中联合工作。不仅测量效率低，而且长时间暴露在辐射环境中，对工作人员的健康十分不利。

γ相机能得到辐射场中辐射强度的二维分布图。在探测辐射场信息或放射源位置时，通常只需一次测量，就可得到所需二维图像。γ相机可进行远距离探测，其视野范围很大，在环境中进行探测时，可以一次性对视野内的可疑区域进行大面积成像，减少工作时间。用γ相机取代传统的γ谱仪和剂量率仪安装在相应的巡测机载设备上，使工作人员可以在远距离对辐射区域进行探测，减小辐射环境对工作人员的伤害。例如将γ相机安装在无人机上，工作人员可在安全区域，通过远程操控无人机，从空中对地形复杂区域进行大范围测量，测量时基本不受地形限制。

5 总结

在γ相机商业化产品的种类数量、模式、性能以及应用领域方面，我们与国外还存在差距。国外的产品种类及应用远多于我国。针对不同的应用领域和场景，国外都研究有相应的γ相机。在准直器和探测器的选择上，国外产品所采用的模式更多。我国目前的γ相机采用的都是均匀冗余编码板准直器耦合闪烁体探测器及位置灵敏光电倍增管这一模式，模式相对单一。虽然系统的角分辨率、能量分辨率、空间分辨率等参数与国外设备相差不多，但在实际使用中，并不能很好的适应各种工况，通常需要一些辅助设备进行辅助测量。γ相机的成本比普通γ谱仪及剂量率仪要高很多，影响其广泛应用。随着核电子学技术的发展，γ相机的成本必然会有所降低，应用范围会更广，在辐射环境监测中使用γ相机，是未来的发展趋势。

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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

李汉平 （1992—），男，汉，北京人，解放军防化研究院辐射防护与环境保护专业，硕士研究生在读