60Co双投影辐射成像系统中的散射干扰模拟研究

倪民子 王振涛 丛 鹏 李立涛

1（清华大学核能与新能源技术研究院 北京100084）

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（核检测技术北京市重点实验室 北京100084）

60Co双投影辐射成像系统是清华大学核能与新能源技术研究院自主研发的核设施出入口车辆控制检查系统，为全面提高我国核设施出入口的车辆检查能力、检查效率和检查质量提供了可靠的技术保障。

该系统采用两枚3 700 GBq60Co同位素作为射线源，分别侧置和底置，对应布置两组高压充气阵列电离室［1］作为探测器，其结构如图1所示。其中底源与对应探测器阵列构成仰视投影扫描平面，侧源与对应探测器阵列构成侧视投影扫描平面。检测时，两个射线源同时打开，底源、侧源、门架及两组探测器阵列精准同步移动扫描被检车辆，通过一次扫描即可同时获得被检车辆水平和垂直两个方向的投影图像［2］。但是，该系统还存在着散射问题的影响，主要分为两类：1）两个投影平面之间的散射问题，如来自底源的散射线进入侧视探测器中而形成干扰噪声；2）同一投影平面内的散射问题。其中经实验验证现有系统中第一类散射占原始信号的比例，即散射透射比（Scatter to Primary Ratio，SPR）可高达20%，会使得辐射图像有一定程度的模糊和伪影。

对同一平面内的散射问题已有很多较为深入的研究工作。目前散射表征的方法主要有实验法和仿真法等，例如陈树越等［3］以实验为基础提出了工业X射线透视成像中散射的指数幂模型；杨恺等［4］结合蒙特卡罗模拟方法研究了散射对成像质量的影响。散射校正的方法可概括为两种：一是硬件校正法，如加后准直栅格［5］等；二是软件校正法，利用数学方法去除散射噪声成分。例如王玉、Jarry等［6-7］通过蒙特卡罗模拟估计锥束CT中的散射分布；李立涛等［8］使用简化公式对单物质圆盘的成像进行了散射校正，Vicente等［9］通过实验拟合的点扩散函数对图像进行卷积，而李永利等［10］发现了一种基于小波的综合校正方法。这些工作都取得了一定的成果，但是大多数方法并不适用于本系统中两个相近投影平面间的散射问题，因此针对双投影系统中特有的第一类散射问题进行了研究。

图1 双投影成像系统示意图Fig.1 Schematic diagram of the dual-projection imaging system

蒙特卡罗方法是一种随机抽样或统计实验方法，能够比较真实地模拟中子、光子、电子输运的实际物理过程。针对第一类散射情况，基于蒙特卡罗模拟的方法，建立双投影辐射成像系统的仿真模型，可进行灵活的参数设置，有助于快速高效地探究散射分布特征、影响因素和可能的校正措施。首先基于MCNP5建立仿真模型，并将模拟结果与空载时的实验结果进行对比，验证了模型的可靠性。然后模拟分析了不同投影平面间距、探测器周围布置不同屏蔽材料（钨、铅、钢和铝）以及屏蔽层位置和厚度对散射的影响。最后根据分析结果，给出了系统的硬件升级建议和实验结果。

1 模型介绍和验证

由于底源散射线对侧视成像的干扰和侧源散射线对仰视成像的干扰性质相似，因此本文只对前者进行详细讨论。模型如图2所示，60Co源放置于门架下方中心位置，为各向同性的面源，利用cookiecutter卡模拟前准直器，将射线准直为张角150°的片状扇形束。扫描门架包括探测器阵列和金属支撑架，其中电离室探测器由不锈钢外壳与4.86 MPa的高压氙气［11］组成，支撑架为中空的不锈钢结构。在支撑架的一面，共排列放置36个电离室，组成侧视探测器阵列，并自下往上依次编号为1～36。由于探测器的输出信号与射线在探测器灵敏体积内的能量沉积成正比，因此本文用射线在电离室内的能量沉积作为探测器的输出信号，使用*F8计数卡，NPS为108，其结果为归一化的能量沉积值。下文中模拟计算结果相对统计误差均小于6%，对于非点探测器为可信结果。

图2 双投影系统模型在MCNP5可视化界面中的3D外形Fig.2 3D shape of the dual-projection system model in MCNP5 visualization interface

以1号探测器窗中心点为原点，并分别以门架水平、竖直、垂直门架平面方向为x、y、z轴建立坐标系。以探测器阵列在z方向的中心平面作为投影平面，设侧视投影平面和仰视投影平面间距为s，经验证，s＞4.2 cm时底源直射线无法到达侧视探测器，而本文按照系统实际参数进行建模，实际系统由于探测器、门架结构等原因，s为40 cm，因而可认为只开底源时，侧视成像主要由底源散射线造成。

为验证蒙特卡罗模型的可靠性，首先进行了仿真和实验的对比验证。系统散射分布如图3所示，两条曲线分别为空载下的模拟计算和实验测量结果，两者的相对误差小于10%，考虑到统计误差，可认为两者较为吻合。

另外，从图3中还可以看出，空载时的散射信号先减小后增大而后又缓慢减小。原因是初始射线发生散射的位置主要集中在底源附近，位置偏低，此时，各探测器对应的散射接收的空间立体角大小为主要决定因素。1～36号探测器与底源的距离先减小后增大而后又缓慢减小，对应立体角也随编号的增大先减小后增大再减小。其中，18、19号探测器正好位于门架拐点处，其距离底源探测器最远，因而在曲线也形成底部拐点。1号和27号探测器距离底源较近，其散射信号也比较大，实际情况中，系统需检测关口车辆，因轴承等重型结构影响，重心偏低，散射发生的位置大多靠近底源，散射分布规律与非空载情况大致相似。后文以空载情况下的1号和27号探测器为代表进行散射校正方面的探究。

图3 散射分布的模拟和实验结果Fig.3 Simulated and experimental results of scattering distribution

2 散射校正

2.1 校正方法

基于上述模型，分析了不同投影平面间距、探测器周围布置不同屏蔽材料（钨、铅、钢和铝）以及屏蔽层位置和厚度对散射的影响。

2.1.1 投影平面间距

通过改变模型中门架的厚度，可以改变侧视投影平面和仰视投影平面的间距。平面间距增大会降低散射影响，但是门架过宽，重量太大，会给机械系统增加难度，且成本大大提高。平面间距为10～80 cm时的散射大小如图4所示，可以看出，1号和27号探测器的散射均随两投影平面间距的增大而减小。当平面间距分别为40 cm和80 cm时，散射信号均分别减小至最小间距时的55%和40%以下。因此，增大门架厚度有利于降低两投影平面之间的散射影响。但是，从图4中还可以看出，增大门架厚度仍有部分散射信号无法完全去除，这是由于门架中空，厚度增大，散射在入射路径上被衰减的概率变化不大，仍会有一部分散射进入探测器中。这是由于门架是一个中空的结构，门架厚度增大，但散射在入射到探测器的路径上所经过的物质的量变化不大，即被衰减的比例变化不大。因此尽管门架厚度增大，散射路径变长，仍有一部分散射进入探测器中。根据实际情况综合考虑，当前该系统中的投影平面间距为40 cm。

图4 散射随投影平面间距变化情况Fig.4 Variation of scattering with spacing between projection planes

2.1.2 散射屏蔽层

为进一步去除散射信号，尝试了在现有系统中加装散射屏蔽层的方案。扫描门架为中空的不锈钢支柱，如图5所示，考虑到散射入射的路径，屏蔽层可安装的位置有：一、支撑架和侧视电离室之间；二、门架中空结构内部靠近侧视探测器一侧的内壁；三、门架中空结构内部远离侧视探测器一侧的内壁。

图5 屏蔽安装位置Fig.5 The installation locations of the shield

首先，在三个位置分别加装0～5 cm厚度的钨，其对散射的屏蔽效果如图6所示。从图6中可以看出，1号、27号探测器的散射变化规律相似，散射信号均随屏蔽层厚度的增大先减小后趋于稳定。而当屏蔽层厚度相同时，屏蔽效果由好到差依次为位置1、位置2、位置3，这主要是由于越靠近侧视探测器的位置安装金属片，来自底源的散射线在进入侧视探测器的路径上所经过的屏蔽物质越多。当钨片厚度为2.5 cm时，安装在位置1处两探测器散射大小减小至安装前的20%左右，位置2处减小至70%左右，而位置3处仍为95%以上。

图6 不同位置的屏蔽效果(a)1号探测器，(b)27号探测器Fig.6 Shielding effect of different positions(a)Detector No.1,(b)Detector No.27

其次，在位置1处分别安装不同材料的金属片，其对散射的屏蔽效果如图7所示。从图7中可以看出，1号和27号探测器散射变化规律也相似，散射信号均随屏蔽层厚度的增大先减小后逐渐趋于稳定。而当屏蔽层厚度相同时，屏蔽效果由好到差依次为钨、铅、钢、铝，其中钨和铅的效果接近。当屏蔽层厚度为2.5 cm时，安装钨片或铅片时的散射信号减小至安装前的20%左右，而安装钢片或铝片时的散射信号仅减小至55%左右，而安装铝片则约为80%。

2.2 校正效果

根据以上分析结果，进一步扩展到所有探测器，在支撑架和所有侧视电离室之间增加2.5 cm厚的铅片（钨、铅相近，考虑经济性）。根据模拟预测指导系统改进，在系统正常扫描车辆的情况下进行实验验证，结果见图8。图8中左侧纵坐标表示侧源准直信号的像素值，右侧纵坐标表示底源造成的散射信号与侧源准直信号的比值。可以看出，校正前后的侧源准直信号几乎完全重合，说明加装屏蔽材料对侧源透视成像没有影响。但是底源造成的散射信号与侧源准直信号的比值大幅减小，且散射分布更为平缓，这说明该措施可以有效降低散射对成像的影响。

图7 不同材料的屏蔽效果(a)1号探测器，(b)27号探测器Fig.7 Shielding effect of different materials(a)Detector No.1,(b)Detector No.27

图8 散射校正效果Fig.8 Scattering correction effect

3 结语

在60Co双投影辐射成像系统中，由于散射的存在，侧视投影平面和仰视投影平面的之间会互相干扰，降低图像质量。基于蒙特卡罗方法建立仿真模型，模拟分析了不同投影平面间距、探测器周围布置不同屏蔽材料（钨、铅、钢和铝）以及屏蔽层位置和厚度对散射的影响。主要结论如下：

1）空载时的模拟结果与实验数据符合良好，验证了模型的可靠性。

2）增大门架厚度有利于降低两投影平面之间的散射影响，当平面间距为40 cm时，散射信号可以减小至最小间距时的55%以下，但是仍有部分散射信号无法完全去除。

3）在支撑架和侧视电离室之间加装屏蔽层有助于进一步降低两投影平面间的散射，并且散射信号随屏蔽层厚度的增加先减小后趋于稳定。

4）当屏蔽层厚度相同均为2.5 cm时，屏蔽效果由好到差依次为钨、铅、钢、铝，并且钨和铅的效果接近，都可以使得散射信号减少约80%。

5）进一步扩展到所有探测器，并根据模拟预测指导系统改进，结果表明：改进后系统的散射有效降低。

以上工作有助于对双投影系统中投影平面间散射规律的认识，为针对散射校正的系统改良升级提供了参考与指导。