移动X射线参考辐射场的环境散射辐射份额模拟研究

徐 阳 高 飞 韦凯迪 王菲菲 林 敏 倪 宁

（中国原子能科学研究院计量与校准技术重点实验室 北京 102413）

我国核电站、加速器运行大厅、核医学实验室等设施中均配备有固定式X、γ 辐射监测仪，这类仪表是评价核设备运行状态与从业人员安全作业的重要手段，在放射性监测中发挥着不可替代的作用［1］。对于上述仪器仪表的校准问题，目前采用的常规方法是将其送往专业的电离辐射计量机构，而该方法因具有“距离远、周期长、拆卸后不利于连续监测”的弊端使人们不得不寻找适用于现场校准的新思路。2009年，美国国家标准与技术研究院利用多种放射性核素研发了用于舰艇内部固定式γ辐射剂量仪的检验源，与此同时，美国SENTINEL 公司、重庆大学等研究单位也相继研制出适用于固定式辐射剂量仪表的便携式γ 射线照射装置及小尺寸γ 参考辐射遂行校准装置［2-5］，这些装置均采用137Cs 同位素γ 源作为校准源。中国原子能科学研究院研制了一款用于开展固定式X、γ辐射剂量仪现场校准的可移动式X射线照射装置［6］。本文利用MCNP5（Monte Carlo N Particle Transport Code，Version 5）蒙特卡罗软件建立了可移动式X射线照射装置及周围环境的同尺寸概化模型，在X 射线空气比释动能标准实验室内开展了基本场景条件下的环境散射辐射计算模型验证工作，并对可能引起结果偏差的几个主要因素进行了分析讨论。验证后的计算模型可为基于机器学习的现场X射线散射辐射修正系统的研制提供大量有效的训练数据与测试数据。

1 环境散射辐射份额测量需求、方法及模型建立

1.1 环境散射辐射份额测量需求

常规方法中，固定式被校仪表被拆卸并送至标准实验室内的X、γ 射线参考辐射场中进行校准，相关标准与规程中对参考辐射场的品质，如散射辐射、均匀性等有着明确的要求［7-10］。与常规方法的不同之处在于：现场校准过程中被校仪表通常紧贴墙壁或与墙体表面相距仅几个cm，此时需要考虑墙壁等周围环境产生的散射对参考点（即被校仪表灵敏区几何中心）处剂量率的影响。近年来，由于机器学习技术广泛用于放射性探测领域［11-14］，故拟结合机器学习以实现对现场X射线环境散射辐射的修正。

机器学习是一种从数据中发现复杂规律，并利用规律对未来时刻、未知状况进行预测和判定的方法，其前提是要有大量训练数据，训练数据越优质，预测效果越好。基于机器学习的现场X射线散射辐射修正系统的研制流程如图1所示。

图1 基于机器学习的现场X射线散射辐射修正系统的研制流程Fig.1 Development process of on-site X-ray scattering radiation correction system based on machine learning

从图1 中可以看出，现场校准散射辐射计算模型的搭建与验证是为机器学习提供大量训练数据与测试数据的前提，是散射修正系统研制的首要目标。

1.2 环境散射辐射份额测量方法

图2（a）为现场校准典型布局示意图，被校仪表安装高度h通常为1.3 m～1.8 m。本实验室开展现场校准散射份额研究所采用的便携式X射线管型号为YXLON XPO EVO 225D，管电压调节范围为25 ～225 kV，管电流调节范围为0.5～10 mA，最大功率为1.2 kW，限束光阑半张角可选度数λ=5°、8°、10°。

图2 现场校准典型布局示意图(a)和忽略环境散射实验布局(b)Fig.2 Typical layout of on-site calibration (a) and experimental layout ignoring environmental scattering (b)

实验测量环境散射辐射份额的方法如下：首先，将可移动式X射线照射装置及传递标准电离室放置在实验室中央导轨上（如图2（b）所示，此时周围墙壁距离参考点大于2 m，与图2（a）布局相比可忽略环境散射），传递标准电离室型号为TW 32005（灵敏体积30 mL），配合UNIDOS E 剂量仪测量得到距离X光机焦斑L1处参考点的剂量率，记为“忽略环境散射剂量率d1”；随后，将照射装置及电离室依照现场校准场景布局摆放，得到同距离L1处参考点剂量率，记为“有环境散射剂量率D1”；最后，实验中环境散射辐射份额P1可由式（1）得到：

现场校准散射修正系统建立完成后，通过输入相关环境参数，自动预测出参考点处环境散射辐射份额，并由此得到“有环境散射剂量率”，完成对散射的修正。

1.3 蒙特卡罗模型建立

利用MCNP5 软件建立可移动式X 射线照射装置同尺寸简化模型（如图3 所示），模型主要包括：X射线机、屏蔽箱、限束光阑、高精度可移动小车、探测栅元（一个球型计数栅元，填充材料为空气）、探测栅元支架。模型中还加入了墙壁、天花板、地面等照射装置周围可能会成为散射辐射来源的物体（图3 中未显示）。

模拟计算环境散射辐射份额的方法如下：首先，根据实验布局建立模型，源项采用带30°角偏倚的窄谱系列光子注量谱分布，利用F4 栅元计数卡结合DE/DF卡得到探测栅元处的剂量值，记为“有环境散射剂量值D2”；随后，将图3 中所示所有栅元以外的空间填充为空气材料，同样方法得到探测栅元处剂量值，记为“忽略环境散射剂量值d2”；最后，模拟计算环境散射辐射份额P2可由式（2）得到：

图3 蒙特卡罗计算模型Fig.3 Monte Carlo calculation model

2 基于标准实验室基本场景下的模型验证

2.1 基本场景布局描述

在X射线空气比释动能标准实验室中开展基本场景条件下的环境散射辐射计算模型验证工作，实验室内部的基本场景如图4所示。基本场景布局包括：前方/后方/左侧/右侧四面墙壁、地面、天花板、地面中央导轨以及墙体表面安装的铝制电缆盒，具体尺寸及材料如表1所示。

表1 基本场景布局中各组成部分尺寸及材料明细Table 1 Size and material details of the components in the layout of basic scene

图4 实验室内基本场景布局Fig.4 Layout of basic scene in the laboratory

确定基本场景布局的构成、尺寸及材料后，后续所有模型验证工作均在此布局的基础上完成。

2.2 模型验证及结果分析

本研究中共进行了两次基本场景下的模型验证，为了简化描述，分别将其称为Basic 1 场景与Basic 2 场景。经分析，当以下14 个参量均被确定后，参考点处的环境散射辐射份额也将被确定，具体参量名称及其在两次验证中的取值情况汇总于表2。

表2 两次模型验证中14个参量的取值情况汇总Table 2 Summary of the values of 14 parameters in two model verifications

2.2.1 Basic 1场景下的模型验证

Basic 1 场景布局实物图与相应的MCNP 模型分别如图5（a）、图5（b）所示。首先，将照射装置焦斑逐渐远离参考点（L1=96 cm/150 cm/200 cm），在每个L1处依次使用辐射质N60～N200 进行照射，得到环境散射辐射份额情况；随后，将限束光阑半张角依次设置为5°、8°、10°，重复上述实验操作。

图5 Basic 1场景布局 (a) 实物图，(b) MCNP模型（图中未显示天花板）Fig.5 Layout of Basic 1 (a) Physical photo, (b) MCNP model (the ceiling is not shown)

模拟过程中，X 射线机的管电压大小可通过输入不同能谱分布的光子源来实现，而管电流大小则不能简单地通过改变光子源输运数目（输运光子数目越多，结果统计涨落越小）来实现。这就使得在现实中其他参量不变的情况下，n个管电流值将得到n个散射辐射份额，而模拟则只能得到1 个散射辐射份额。鉴于此，以λ=8°、L1=200 cm时所得结果为例，说明管电流大小对参考点处散射辐射份额的影响，以及模拟与实验结果的相对偏差情况，如表3所示。以下所有模拟结果统计不确定度均小于1%，输运光子数目设置为1×109。

表3 λ=8°、L1=200 cm时不同管电流条件下实验与模拟环境散射辐射份额结果对比Table 3 Comparison of environmental scattering radiation ratio between experimental and simulated under different tube current at λ= 8°, L1= 200 cm

对表3 进行分析可知：1）t相同，I不同时，环境散射辐射份额P1随I而变化。当t为N60与N80时，P1波动较为剧烈（尤其当处于较低管电流2 mA 时，光机输出不稳定）；当t为N100、N120、N150与N200时，随着管电压的增加，P1的波动逐渐减小并趋于稳定。此时，为了方便进行实验与模拟结果的对比，引入“环境散射辐射份额平均值Pa”这一参量；2）引入Pa后可以看出，t在N60～N200范围内，P2与Pa整体相对偏差（以实验值为参考值）保持在±12%以内。

对Basic 1 场景下所有模拟计算散射辐射份额P2与实验测量散射辐射份额Pa结果进行对比，结果如图6（a）～图6（c）所示。图6中，三种不同形状的符号（其中空心符号对应辐射质N60～N80，实心符号对应辐射质N100～N200）依次表示焦斑-参考点距离L1=96 cm、150 cm及200 cm；水平虚线对应相对偏差为0%、±15%，此外还标出了N100～N200辐射质范围内相对偏差的最大值与最小值。

图6 Basic 1场景中模拟与实验环境散射辐射份额结果相对偏差Fig.6 Relative deviation of proportion of environmental scattering radiation between simulated and experimental in Basic 1

对图6 分析后可得出以下结论：1）相对偏差整体负值居多（尤其L1=150 cm 时），由于计算中以实验值作为参考值，故可知模拟得到的环境散射辐射份额P2偏小。经分析，可通过适当增大限束光阑模型内孔尺寸以增大P2，缩小相对误差；2）相较于辐射质N100～N200，N60 与N80 对应管电压较低且光机输出功率存在较大波动，从而使P1波动较大。在后续现场校准中，将首选辐射质N100～N200。

2.2.2 影响环境散射辐射份额计算结果的主要因素分析

经分析，引起模拟与实验结果相对偏差的主要因素有三个：辐射场半径、X 射线管阳极效应与半影区。

1）辐射场半径 辐射场半径决定着参考点处的辐射场范围，尤其是当参考点（被校仪器几何中心）周围存在障碍物时，辐射场范围决定着出射光子与障碍物相互作用的概率，亦决定着由此产生的散射辐射大小，而限束光阑内孔尺寸则决定着辐射场半径大小。

Basic 1 场景模型中，限束光阑内孔半径（由半张角度数经三角函数计算得到）是按照最初设计尺寸给出的，而照射装置在实际加工与装配过程中存在误差。根据图6 中的结论可知，限束光阑模型内孔半径偏小，需进行扩大调整。具体调整方法如下：第一步，在原有限束光阑模型的基础上，半张角扩大范围为1°，步长为20′，分别模拟得到不同半张角条件下的辐射场半径，并与实测辐射场半径进行对比，初步缩小调整范围；第二步，基于Basic1 场景布局，在第一步所确定调整范围内，步长10′，分别模拟得到不同限束光阑模型半张角条件下环境散射辐射份额P2，并与实测环境散射辐射份额Pa进行对比，选择最为接近的一组作为最终限束光阑内孔尺寸。由于受篇幅限制，这里仅列出第二步中有限组的对比结果，如表4所示。

根据表4 所示结果，最终确定限束光阑模型内孔尺寸分别为5°、8°30′、10°20′（表中对应数据加粗表示），在辐射质N100～N200范围内，模拟与实验所得环境散射辐射份额相对偏差范围分别为：−5.2%～7.3%、−13.1%～5.3%、−9.3%～3.5%。

表4 限束光阑内孔尺寸调整中模拟与实验环境散射辐射份额相对偏差Table 4 Relative deviation of environmental scattering radiation fraction between simulated and experimental in adjusting inner hole size of apertures

2）阳极效应与半影区 阳极效应是指因阳极靶倾角的存在而引起的辐射场不均匀的现象，相关研究人员对阳极效应产生的原因和影响因素等方面已进行了详细论述［15］。然而，本研究所建模型中采用带能谱分布的光子源，结合角偏倚卡以限制粒子发射角度，并不能模拟出阳极效应，该差异体现在图7蓝色矩形框范围内。

此外，从图7中还可以看出，模拟与实测的半影区范围并不相同（该差异体现在矩形框范围内，右侧半影区未框出），模拟半影区相比于实测半影区范围更窄。

图7 距焦斑1 m处辐射场模拟与实验结果对比Fig.7 Comparison of simulated and measured results of radiation field at 1 m away from focal spot

由此可见，阳极效应与半影区也可能是影响散射辐射份额计算结果的原因。

2.2.3 Basic 2场景下的模型验证

Basic 2 场景对应的MCNP 模型如图8 所示，本次主要以Basic 1 中结果较差的L1=150 cm 为例，验证限束光阑内孔尺寸调整之后对环境散射辐射份额计算的改善情况。

图8 Basic 2场景布局MCNP模型（图中未显示天花板）Fig.8 MCNP model of Basic 2 layout (the ceiling is not shown)

Basic 2 场景所得模拟与实验环境散射辐射份额相对偏差计算结果如图9所示。由图9可知，此时的相对偏差相较于Basic 1场景有了很大改善，三种限束光阑半张角条件下的相对偏差整体向代表相对偏差为0%的水平虚线移动。在N100～N200辐射质范围内，相对偏差范围在−11.6%～9.3%之间。

图9 Basic 2场景中模拟与实验环境散射辐射份额结果相对偏差Fig.9 Relative deviation of proportion of environmental scattering radiation between simulated and experimental in Basic 2

3 结语

利用蒙特卡罗方法建立了可移动式X射线照射装置现场校准散射辐射的计算模型，采用模拟计算与实验验证相结合的方法对限束光阑模型尺寸进行了改进，并对整体模型的有效性进行了论证。研究结果表明：限束光阑模型半张角最终确定为5°、8°30′、10°20′；在本研究范围内，改进后模型计算得到的环境散射辐射份额结果与实验结果在N100～N200范围内的相对偏差为−11.6%～9.3%。研究结果证明了利用验证后的模型为基于机器学习的现场X射线散射辐射修正系统提供大量训练数据的方案是可行的。基于机器学习的现场X射线散射辐射修正系统研制完成后，在现场校准过程中可根据实际情况输入相关环境参数，直接得到修正后的辐射剂量值，以替代现场采用电离室测量散射辐射，大大减少测量工作量与校准时间。