一种安检CT系统射线防护设计方法.pdf

窑 开发与创新 窑0引言计算机断层成像渊Computed Tomography袁CT冤技术是一种能有效检测物体内部结构信息的无损检测方法袁可提供没有重叠的连续横断面图像袁 且图像空间分辨率和密度分辨率很高袁 被广泛应用于医疗诊断和工业无损检测中遥近年来袁随着反恐工作的加强袁对毒品尧爆炸物品等违禁品的检查准确率提出了越来越高的要求袁CT 技术因其可三维重建尧快速定位目标对象尧提高检测速度尧降低误报率等优势袁逐步也被应用于安全检查工作中遥目前主流的安检 CT 系统由 X 射线源尧探测器尧滑环系统尧传输系统尧数据采集与硬件控制系统尧图形工作站与软件系统以及防护结构系统组成袁 整个设备比传统的安检设备体积和重量都大很多遥 CT 系统运行时袁探测器和射线源处于旋转状态袁 大大增加了设备的防护结构设计难度遥 如果 CT 系统在射线防护设计中使用的防护材料过薄袁可能会引起 X 射线泄漏袁使用的防护材料过厚会增加设备的整体重量袁 尤其是散射射线在整个系统中的分布不均匀袁导致 CT 系统每个部位需要的防护材料厚度不同袁所以如何准确确定 CT 系统中各部位防护材料的最佳厚度袁是 CT 系统射线防护设计的关键遥为此袁本文通过采用基于蒙特卡罗方法的 MCNP5 模拟软件袁首先建模了一个小型测试装置袁对该装置表面的X 射线泄漏剂量率进行了模拟计算袁 给出了该装置各部位需要的防护材料厚度理论值袁 然后按此理论值实际加工了一个与仿真计算模型主要尺寸和参数一致的测试装置袁 对比分析该装置表面 X 射线泄漏剂量率的实际测试结果与理论计算结果袁 验证了仿真模型用于指导实际设计的可行性遥 将该模型应用于仿真安检 CT 系统的表面 X射线泄漏剂量率袁能够从理论上计算出 CT 系统中各部位需要的防护材料最佳厚度袁可有效指导整机 CT 系统的射线防护设计1-3遥1计算方法与建模1.1 蒙特卡罗方法及 MCNP5 软件蒙特卡罗方法简称 MC 方法袁是通过随机模拟和统计试验方法来求解数学尧物理等问题近似解的方法遥 它与一A Design Method of Radiation Protection for Security CT SystemCAO Qin-Qin袁 WANG Xue-Hua渊First Research Institute of the Ministry of Public Security of PRC袁Beijing 100048袁China冤Abstract院 This paper discusses a method for radiation protection design of the security inspection CT system.MCNP5 software based onMonte Carlo method is used to simulate and design a set of small test device which is consistent with the main parameters of the securityinspection CT system.The reliability of the simulation calculation method and the simulation model is verified by comparing and analyzingexperimental test data and simulation calculation data.Applying this method to the radiation protection simulation calculation of the securityinspection CT system can effectively guide the radiation protection design of the whole security inspection CT system.Keywords院 Security inspection CT system曰 Monte Carlo method曰 MCNP5曰 X-ray一种安检 CT 系统射线防护设计方法曹琴琴袁王雪华渊公安部第一研究所袁 北京 100048冤摘要院 本文讨论了一种用于安检 CT 系统射线防护设计的方法袁 采用基于蒙特卡罗方法的 MCNP5 软件袁模拟设计了一套与安检 CT 系统主要参数一致的小型测试装置袁 通过对比分析实验测试数据和模拟计算数据袁 验证了采用的模拟计算方法和仿真模型的可靠性遥 将该方法用于安检整机 CT 系统的射线防护模拟计算袁 可有效指导整机 CT 系统的射线防护设计遥关键词院 安检 CT 系统曰 蒙特卡罗方法曰 MCNP5曰 X 射线中图分类号院 TL77文献标识码院 粤doi:10.3969/j.issn.1002-6673.2023.04.010机电产品开发与创新阅藻增藻造燥责皂藻灶贼 驭 陨灶灶燥增葬贼蚤燥灶 燥枣 M葬糟澡蚤灶藻则赠 驭 E造藻糟贼则蚤糟葬造 P则燥凿怎糟贼泽灾燥造援36熏晕燥援4Jul援熏圆园23第 36 卷第 4 期圆园23 年 7 月文章编号院 员园园圆原远远苑猿 渊圆园23冤 园4原039原园4修稿日期院圆园23原02原10作者简介院曹琴琴渊1980-冤袁女袁山西吕梁人袁工学硕士袁副研究员遥 研究方向院射线防护与应用研究遥39窑 开发与创新 窑图2 180kV X射线源经过固有过滤的能谱分布Fig.2 The energy spectrum distribution of 180kV X-ray sourcethrough inherent filtering般计算方法有很大区别袁 一般计算方法对于解决多维或因素复杂的问题非常困难袁 而 MC 方法对于解决这方面的问题却比较简单遥MC 方法能够比较逼真地描述事物的特点及物理实验过程袁 解决一些数值方法难以解决的问题袁很少受几何条件限制袁收敛速度与问题的维数无关遥MC 方法的基本原理是院把需要求解的问题转换为某种事件出现的概率袁然后通过对事件的模拟野试验冶得到该事件出现的频率袁并用它近似代替事件出现的概率袁从而得到问题的解4-5遥MCNP5 是由美国 Los Alamos 实验室基于蒙特卡罗方法开发的第五代大型多功能粒子输运软件袁 该软件美国以及国内都有应用袁 主要用于计算三维复杂几何结构中电子尧光子尧中子或者耦合电子尧光子尧中子等粒子输运问题遥 模拟过程中袁首先设置入射粒子的位置尧能量尧入射角度以及靶材料和探测器等物理参数袁 然后利用概率统计方法对入射粒子实施跟踪袁 在粒子与原子及原子核碰撞的每个物理过程袁分配一个或几个随机参数袁使其持续碰撞或被吸收6-7遥1.2 屏蔽设计的目标根据 叶GB 15208.2-2018 微剂量 X 射线安全检查设备曳标准的要求袁在传送装置静止时袁将散射体放入设备检测通道内扫描束面位置处袁 设备持续发射 X 射线袁在距离设备外表面 5cm 处任意点渊包括设备的入口尧出口处冤袁 用高灵敏度剂量仪测量设备的泄漏射线剂量率袁X射线的泄漏剂量率不大于 1滋Gy/h8遥1.3 X 射线源能谱模拟计算在进行系统表面泄漏剂量模拟计算前袁 首先需要根据 X 射线管和射线源的高压尧靶角尧靶材尧固有过滤等参数模拟计算出 X 射线的能谱遥 本文采用 MCNP5 模拟了安检 CT 系统中所用 X 射线源的能谱袁 模拟计算模型见图 1遥 因射线源高压 180kV袁故模拟时采用 180kV 的高速电子轰击金属钨靶袁发生轫致辐射产生 X 射线连续光谱袁图 2 是计算到的 180kV 射线源经过固有过滤的 X 射线能谱袁其中 X 轴表示 X 射线光子的能量袁Y 轴表示每种能量的 X 射线光子数在总光子数中的占比袁为计算方便袁本文对总光子数做了归一化处理遥1.4 仿真模型与模拟计算方法仿真计算模型见图 3袁 模型中 X 射线源焦点到最远端 X 射线出射面的距离袁 与安检 CT 系统中 X 射线源焦点到探测器的距离相同曰 模型中锥形屏蔽体的宽度和张角与安检 CT 系统中的参数相同曰X 射线源出射口准直器的缝宽和张角与安检 CT 系统中的参数相同遥因从电子打阳极靶开始模拟袁要计算出统计误差小于 10%的系统表面 X 射线源泄漏剂量率袁需要的运算时间很长袁所以在本文中分两步进行模拟袁第一步按图1 模型袁 模拟出图 2 的 X射线能谱曰 第二步在图 3模型中袁按图 2 的 X 射线能谱对不同能量的 X 射线进行抽样袁模拟出系统外的泄漏剂量率遥 安检 CT 系统中采用的射线源束流最大为 8mA袁 故本文中主要模拟 X射线源束流 8mA 时需要的防护材料厚度遥 为提高计算效率袁降低统计误差袁本文模拟时设置 X 射线源为点源袁X射线沿射线源到探测器的方向在 100 度锥角范围内均匀抽样袁当持续碰撞的 X 射线光子能量小于 1eV袁或 X 射线光子从仿真模型有效跟踪范围透射出去时袁即停止跟踪袁然后模拟下一个 X 射线光子袁直到所有的光子模拟结束袁同时使用多个 CPU 并行运算遥 此外袁因 X 射线源作为一个独立的产品袁 厂家对 X 射线源的防护设计一般都满足标准要求袁故在本文中不对 X 射线源的防护材料做模拟袁建模时将 X 射线源设置在一个很厚的铅盒中袁确保 X 射线除出口处外袁其他位置的泄漏剂量率很小遥仿真模型中泄漏剂量率的监测点共设置了 7 个位置袁见图 4袁每个位置采用 F5 计数卡对 X 射线光子进行统计遥图1 X射线源能谱模拟计算模型截面图Fig.1 A cross section of the simulation calculation model of X-ray source energy spectrums图3仿真计算模型外观示意图Fig.3 A appearance diagram ofthe simulation calculation model40窑 开发与创新 窑表2 MCNP5模拟计算的测试装置外的泄漏剂量率Tab.2 Leakage dose rates outside the test device calculated byMCNP5 simulation位置泄漏剂量率1234567不带散射体的泄漏剂量率渊滋Gy/h冤0.036 0.028 0.687 0.892 0.542 0.8460.616带散射体的泄漏剂量率渊滋Gy/h冤0.038 0.029 0.691 0.973 0.545 0.4850.946图6小型测试装置外观示意图Fig.6 A appearance diagram of the small test device图7实验测试点示意图Fig.7 Schematic diagrams of experimental test points图4仿真计算模型截面图Fig.4 Cross sections of the simulation calculation model2结果与分析2.1 MCNP5 模拟计算结果射线源束流为 8mA袁 即打在阳极靶上的电子数为 5伊1016e/s袁 根据图 1 模型模拟计算出的 X 射线产生效率为1.6358%袁 由此可知阳极上 X 射线光子的出射量为 8.18伊1014gamma/s遥通过 MCNP5 计算出每个位置每种能量 X 光子的通量袁即可计算出每个位置的泄漏剂量率9遥本文通过多次调整屏蔽材料的厚度袁 计算到了各部位的最佳理论厚度袁 使得整个系统在箱体内有散射体和没有散射体情况下袁 各位置的泄漏剂量率均能满足不大于 1滋Gy/h 的设计目标遥计算到的系统各部位的最佳理论厚度值见表 1袁 从表中可看出袁X 射线源的准直器需要在1.5mm 钢板上贴 4.5mm 铅曰 锥形屏蔽体侧面需要在1.5mm 钢板上贴 4.5mm 铅袁锥形屏蔽体在射线出射方向袁需要在 1.5mm 钢板上贴 7mm 铅曰长方形屏蔽体侧面需要在 1.5mm 钢板上贴 6mm 铅袁 在射线出射方向需要在1.5mm 钢板上贴 7.5mm 铅袁 各尺寸与实际结构的对应关系如图 5 所示遥 在上述屏蔽厚度下袁本文对比计算了箱体内有散射体和没有散射体两种情况每个位置的泄漏剂量率袁计算结果见表 2遥2.2 实验测试结果为验证理论计算模型的可行性袁 本文设计加工了一个小型测试装置袁见图 6袁该装置各部位使用的屏蔽材料厚度与图 5 中标记的尺寸相同遥 此外袁小型测试装置中 X射线源焦点到最远端 X 射线出射面的距离尧 锥形屏蔽体的宽度和张角尧X 射线源出射口准直器的缝宽和张角尧使用的 X 射线源等参数均与仿真模拟和安检 CT 系统中的参数相同遥 另外袁锥形屏蔽体两侧是对称的袁泄漏剂量率两侧一致袁 所以测试一侧的泄漏剂量率就能与理论计算结果做对比袁考虑到测试装置实际的移动尧放置和测试方便等因素袁图 6 中将锥形屏蔽体一侧设计成了平面遥本文采用高灵敏度电离室剂量率仪对小型测试装置表面的泄漏剂量率进行了测量袁 实验测试的位置与图 4中仿真计算设置的探测器位置是一致的袁 对应关系见图7遥 同时为方便与模拟计算结果对比袁实验分别测试了箱表1仿真模型各部位防护材料最佳厚度Tab.1 The optimal thickness of protective materials at each partof the simulation model序号屏蔽位置铅厚度/mm钢板厚度/mm1射线源准直器4.51.52锥形屏蔽体侧面4.51.53锥形屏蔽体正面7.01.54长方形屏蔽体侧面6.01.55长方形屏蔽体正面7.51.5图5模拟计算的各部位的屏蔽材料尺寸示意图Fig.5 Schematic diagrams of shielding material sizes of eachpart calculated by simulation41窑 开发与创新 窑表3实验测试的小型装置外的泄漏剂量率Tab.3 Leakage dose rates outside the small device tested in theexperiment位置泄漏剂量率1234567不带散射体的泄漏剂量率 渊滋Gy/h冤3.51.310.210.280.320.820.31带散射体的泄漏剂量率 渊滋Gy/h冤3.41.510.260.490.430.350.58体内有散射体和没有散射体时每个位置的泄漏剂量率袁测试结果见表 3遥2.3 结果分析如图 8 是模拟计算结果和实验测试结果的对比图袁从图中可看出院位置 1 和位置 2 实验测试结果远大于模拟计算结果袁从表 2 和表 3 的数据可看出袁二者约相差 100 倍遥 这是因为在模拟计算时袁 一方面认为 X 射线源自身射线防护满足标准要求袁建模时将射线源放在很厚的铅盒中曰另一方面模拟时 X 射线只在射线源到探测器方向的100 度张角范围内发射袁其他空间没有射线发射袁所以计算到的位置 1 和位置 2 射线泄漏很低遥 此外袁 在实验测试时发现袁射线源在油管和侧面螺钉封接位置防护不够袁泄漏剂量率远大于 5滋Gy/h袁增大了位置 1 和位置 2 的泄漏剂量率袁从而导致理论计算结果和实验测试结果差距比较大遥位置 5-位置 7袁无散射体和有散射体情况下袁理论计算结果均略大于实验测试结果袁 这可能与 X 射线源出射设置有关遥实际的 X 射线在 180 度范围内非均匀分布袁在本次模拟中袁为提高计算效率袁设置的 X 射线在100 度张角内均匀分布袁 导致模拟计算中 X 射线的平均出射几率略大于实际的平均出射几率袁 但从表 2 和表 3 的数值对比看袁二者的差别在正常波动范围内袁表明理论计算结果和实验测试结果是一致的遥 此外袁从表 2 和表 3 的数据可看出袁 理论计算结果和实验测试结果均小于 1滋Gy/h袁满足射线防护设计目标袁 由此可佐证本文采用的模拟计算方法和模型用于仿真实际装置的射线防护是可行的遥实验测试结果和理论计算结果均显示袁 有散射体时的泄漏剂量率略大于无散射体时的泄漏剂量率遥 从图8中可看出袁位置 3 和位置 5 散射影响较小袁位置 4尧位置 6和位置 7 散射影响较大袁 其中位置 6 的泄漏剂量率有散射体时比没散射体时小袁这是因为射线穿透了散射体袁散射体吸收了一部分射线遥 从图 8 中也可看出五个位置的理论计算结果与实际测试结果趋势都一致袁 也可佐证本文采用的模拟计算方法和模型的可行性遥3结论本文通过对比分析小型测试装置外表面泄漏剂量率的模拟计算结果和实验测试结果袁 确认了理论计算结果和实验测试结果的一致性袁 从而验证了本文采用的计算方法和计算模型用于仿真小型测试装置射线防护设计的可行性遥 由于仿真计算模型和小型测试装置中采用的主要设计参数都与安检整机 CT 系统中的参数相同袁所以可以将该模型应用于仿真安检整机 CT 系统的表面 X 射线泄漏剂量率袁计算出 CT 系统中各部位需要的防护材料最佳厚度袁为整机 CT 系统的射线防护设计提供指导遥参考文献院1 蔡玉芳袁陈桃艳袁王珏袁等.基于自适应滤波系数的非局部均值计算机层析成像的图像降噪方法 J.光学学报袁2020袁40渊7冤院0710001.2 田忠建袁余海军袁汪粼波袁等.正交直线扫描计算机分层成像研究J.光学学报袁2020袁40渊22冤院2211002.3 王少宇袁伍伟文袁龚长城袁等.相对平行直线扫描计算机分层成像研究J.光学学报袁2018袁38渊12冤院1211002.4 许淑艳.蒙特卡罗方法在实验核物理中的应用M.北京院原子能出版社袁1996.5 裴鹿成袁 张孝泽.蒙特卡罗方法及其在粒子输运问题中的应用M.北京院科学出版社袁1980.6 MCNPTMA General Monte Carlo N-Particle Transport CodeM袁Judith F.Briesmeister袁Los Alamos National Laboritory袁2000.7 MCNP-A General Monte Carlo N-Particle Transport CodeM袁Ver鄄sion5袁X-5 Monte Carlo Team袁2003.8 GB 15208.2-2018袁微剂量 X 射线安全检查设备 第 2 部分院透射式行包安全检查设备S.9 李星洪.辐射防护基础M.北京院原子能出版社袁1982.图8模拟计算结果与实验测试结果对比图Fig.8 Comparison between simulated calculation results andexperimental test results42