γ相機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用

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（國民核生化災(zāi)害防護(hù)國家重點實驗室防化研究院，北京 102205）

γ相機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用

李漢平，艾憲蕓

（國民核生化災(zāi)害防護(hù)國家重點實驗室防化研究院，北京 102205）

本文調(diào)研了國內(nèi)外已商業(yè)化的γ相機(jī)，介紹γ相機(jī)的發(fā)展歷史，對國內(nèi)外γ相機(jī)的發(fā)展、研究和應(yīng)用狀況進(jìn)行分析和總結(jié)。γ射線成像技術(shù)是一種符合ALARA原則的核輻射監(jiān)測技術(shù)，隨著核電子學(xué)技術(shù)的發(fā)展，γ相機(jī)必將在輻射監(jiān)測方面得到廣泛的應(yīng)用。

γ相機(jī)；輻射監(jiān)測；成像技術(shù)

γ射線成像技術(shù)是一種對放射性物質(zhì) “照相”的核輻射探測技術(shù)。最早應(yīng)用于天文和核醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。20世紀(jì)90年代，γ射線成像技術(shù)逐步用于輻射環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域。

γ射線成像技術(shù)在輻射環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域應(yīng)用的典型代表是γ相機(jī)。γ相機(jī)成像可以反映監(jiān)測區(qū)域內(nèi)是否存在放射性以及放射性強(qiáng)度的空間分布，并準(zhǔn)確判斷放射性核素的種類，達(dá)到對測量區(qū)域內(nèi)的放射性物質(zhì)進(jìn)行快速準(zhǔn)確定位的目的。傳統(tǒng)核輻射測量方式是巡測和多點測量［1，2］。需要工作人員進(jìn)入輻射場內(nèi)，有時甚至需要靠近放射性物質(zhì)進(jìn)行探測，不僅增加了工作人員受照時間和工作風(fēng)險，且放射源的定位精度也較差。與傳統(tǒng)核輻射監(jiān)測方式比較，γ相機(jī)的優(yōu)勢在于可一次性對探測區(qū)域進(jìn)行實時成像，給出放射性強(qiáng)度空間分布的二維圖像，提高工作效率和定位精度，為后期的具體分析提供基礎(chǔ)；可進(jìn)行遠(yuǎn)距離成像，無需人員進(jìn)入輻射區(qū)域，極大減少工作過程中相關(guān)人員所受的輻射劑量。γ射線成像技術(shù)是一種更加符合ALARA原則的核輻射監(jiān)測技術(shù)，隨著核電子學(xué)技術(shù)的發(fā)展，必將在輻射監(jiān)測方面得到廣泛的應(yīng)用。

l γ相機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1958年前后，Hal O．Anger采用平行孔準(zhǔn)直器、NaI（TI）晶體以及光電倍增管陣列，通過重心法定位研究出了著名的 Anger相機(jī)［3］。Anger相機(jī)是世界上第一臺γ相機(jī)，該成果被迅速推廣，從而開啟了γ射線成像技術(shù)的研究。γ相機(jī)發(fā)展至今，系統(tǒng)成像的分辨率、視場角以及成像時間等參數(shù)較Anger相機(jī)已有大幅度的提高，但基本原理和結(jié)構(gòu)并沒有改變。γ成像系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖l γ成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.l structure of γ camera

常見的 γ成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可分為三種［4，5］：（1）準(zhǔn)直器+整塊閃爍體+位置靈敏光電倍增管（可用PMT陣列、PD陣列、APD陣列替代）+讀出電路；（2）準(zhǔn)直器+陣列探測器+讀出電路；（3）準(zhǔn)直器+閃爍體+像增強(qiáng)器+CCD。第一種γ相機(jī)是最常見的γ成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)相對簡單，可實現(xiàn)位置和能量分辨，但監(jiān)測面積小，空間分辨率沒有后兩者高。第二種成像結(jié)構(gòu)采用陣列探測器方式，空間分辨率高，像素陣列可以做的很大，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，對某些探測器難以加工。第三種成像結(jié)構(gòu)基于CCD的結(jié)構(gòu)，可以耦合一整塊閃爍體、陣列閃爍體以及平板探測器等，其后面需要接反射鏡、透鏡。其空間分辨率較高，讀出電路容易實現(xiàn)，最大的不足是CCD沒有能量分辨能力，系統(tǒng)無法進(jìn)行能量分辨。

2 γ相機(jī)國外研究狀況

20世紀(jì)90年代，美國的勞倫斯利物莫爾實驗室 （Lawrence Livermore National Laboratory，簡稱LLNL）首先開展了有關(guān)γ射線二維成像系統(tǒng)的研究并研制出了應(yīng)用于輻射監(jiān)測領(lǐng)域的γ成像譜儀GRIS（Gamma-Ray Imaging Spectrometer γ成像譜儀，簡稱GRIS）［6，7］，標(biāo)志著γ相機(jī)首次應(yīng)用于軍事及輻射監(jiān)測領(lǐng)域。圖2為GRIS實物圖。圖3為其拍攝圖像。

圖2 GRISFig.2 GRIS

此后國外各大研究機(jī)構(gòu)和公司就開始了γ射線成像設(shè)備的研究和應(yīng)用。目前，國外多家公司已經(jīng)擁有成熟的系列化產(chǎn)品［8，9］。國外商業(yè)化產(chǎn)品見表1。圖4和圖5為最新研發(fā)推出的商用γ相機(jī)Polaris-H及其所成圖像。目前國外對于γ相機(jī)的研究逐步向小型化趨勢發(fā)展。

圖3 GRIS拍攝導(dǎo)彈內(nèi)部核彈頭圖像Fig.3 Image of Nuclear warhead taken by GRIS

表l 國外γ相機(jī)相關(guān)產(chǎn)品及參數(shù)Table l Technical index of gamma camera

圖4 Polaris-H實物圖Fig.4 Polaris-H

圖5 Polaris-H拍攝圖像Fig.5 The image taken by Polaris-H

3 γ相機(jī)國內(nèi)研究狀況

國內(nèi)關(guān)于γ射線成像技術(shù)方面的研究起步相對較晚，只有幾家科研機(jī)構(gòu)對這一技術(shù)進(jìn)行了較為深入的研究，整體技術(shù)水平相對落后。市場上商業(yè)化的γ相機(jī)更少。國內(nèi)商業(yè)化產(chǎn)品見表2。圖6和圖7分別為RLS-1000A和HENT產(chǎn)品示意圖。中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所和華中科技大學(xué)也都開展過γ射線成像探測技術(shù)的研究工作，所用實驗樣機(jī)均采用修正均勻冗余編碼板耦合閃爍體探測器及位置靈敏光電倍增管模式。目前尚處于研究階段，未實現(xiàn)商品化。

表2 國內(nèi)γ相機(jī)相關(guān)產(chǎn)品及參數(shù)Table 2 Technical index of gamma camera

圖6 RLS-l000AFig.6 RLS-l000A

4 γ相機(jī)的應(yīng)用

在天文學(xué)研究中，應(yīng)用γ相機(jī)對天區(qū)內(nèi)某個感興趣區(qū)域內(nèi)所產(chǎn)生的硬γ射線進(jìn)行觀測，達(dá)到研究相應(yīng)星體的目的。如我國目前正在研制的硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡HXMT。天文學(xué)領(lǐng)域的γ相機(jī)成像為遠(yuǎn)場成像，背景輻射較高，射線的能量范圍相對較大。

核醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的γ相機(jī)的應(yīng)用體現(xiàn)在SPECT和PET上。其主要作用是利用計算機(jī)斷層成像技術(shù)，對放射性核素在小動物及人體器官內(nèi)的分布成像，為醫(yī)生診斷提供相應(yīng)的依據(jù)。核醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的γ相機(jī)成像為近場成像，射線能量較低，且基本沒有背景輻射。

核輻射監(jiān)測領(lǐng)域γ相機(jī)成像技術(shù)是從天文以及核醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的γ成像技術(shù)發(fā)展而來的［10］。成像需求介于天文學(xué)與核醫(yī)學(xué)之間，成像目標(biāo)距離從一米到數(shù)十米，探測能量范圍為幾萬電子伏特到幾兆電子伏特。

圖7 便攜式γ成像儀Fig.7 HENT

4.l核設(shè)施的應(yīng)用

在反應(yīng)堆事故工況下，需要對放射性物質(zhì)進(jìn)行遠(yuǎn)距離以及大面積探測。傳統(tǒng)的輻射探測設(shè)備如γ譜儀和劑量率儀只能近距離的對放射源在某個點上的輻射情況探測，如果需要對某一區(qū)域內(nèi)的放射源進(jìn)行位置測量，需要多臺探測器聯(lián)合工作。這樣不僅對工作人員的健康十分不利，而且還費(fèi)時費(fèi)力［11］。相比于傳統(tǒng)測量儀器，γ相機(jī)可對放射性物質(zhì)進(jìn)行大面積遠(yuǎn)場成像，其生成的二維圖像可以更直觀的反映輻射場強(qiáng)度的分布，方便工作人員快速做出判斷。核電廠正常運(yùn)行時，可以通過γ相機(jī)對某些敏感部位進(jìn)行成像，對核電廠重要位置進(jìn)行全時、全方位監(jiān)測，對事故早期預(yù)警以及事故后相應(yīng)措施的制訂具有重大參考價值［12，13］。

2011年福島核事故后［14，15］，日本東京電力公司在對廠區(qū)輻射場進(jìn)行測量時使用了γ相機(jī)，對福島一號和二號機(jī)組反應(yīng)堆所在建筑主排氣筒下方管線進(jìn)行了遠(yuǎn)距離成像。根據(jù)成像所得輻射強(qiáng)度分布信息，制定相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案，從而減小參與救援工作人員受照劑量。

4.2 軍事及國土安全的應(yīng)用

20世紀(jì)90年代，美國的LLNL實驗室首次研發(fā)了用于軍事領(lǐng)域的γ相機(jī)，可以在一個較為合適的距離上，以不接觸和拆卸核導(dǎo)彈的方式，對其中的核彈頭數(shù)目進(jìn)行確認(rèn)。

γ相機(jī)無需進(jìn)入、接觸或拆除，即可完成對被測區(qū)域或物體內(nèi)部放射源的檢測，目前被廣泛應(yīng)用于國土安全領(lǐng)域，例如機(jī)場海關(guān)、港口等場所的γ射線成像監(jiān)控。γ相機(jī)對行李、貨物、車船、集裝箱等內(nèi)部進(jìn)行探測，可以判斷物體內(nèi)部是否存在放射性物質(zhì)，并對放射性物質(zhì)的位置、數(shù)量、種類等做出判斷，從而阻斷核走私渠道，以達(dá)到防范核輻射恐怖活動的目的。γ相機(jī)與傳統(tǒng)集裝箱檢測和門式安檢系統(tǒng)相比，其優(yōu)勢在于體積小，在監(jiān)測時更具隱蔽性，檢查效率更高。傳統(tǒng)通道式安檢系統(tǒng)進(jìn)行檢測時，需要人們按順序通過相應(yīng)的“安檢門”，以完成檢查。在人流量大的地方，采用這種方法很容易造成人員堵塞或滯留的情況，檢測效率相對較低。通常情況下通道式安監(jiān)系統(tǒng)體積較大、目標(biāo)明顯，不法分子有機(jī)可乘，躲避檢測。γ相機(jī)體積小，可以安裝在隱蔽區(qū)域?qū)δ繕?biāo)通道進(jìn)行檢測，一旦發(fā)現(xiàn)可疑目標(biāo)，γ相機(jī)可以快速對其定位，通知相關(guān)工作人員。

2010年，清華大學(xué)研發(fā)了一款具有輻射定位跟蹤功能的γ相機(jī)，其追蹤時間小于1s，可以對可疑目標(biāo)進(jìn)行快速定位。該γ相機(jī)通過深圳羅湖口岸檢測檢疫局檢驗認(rèn)證，已投入海關(guān)使用。該γ相機(jī)的視野可以完全覆蓋口岸區(qū)域，靈敏度很高，γ相機(jī)的應(yīng)用極大程度上提高了羅湖口岸對非法核走私活動的監(jiān)控能力。

4.3 輻射環(huán)境監(jiān)測的應(yīng)用

在輻射環(huán)境監(jiān)測中，監(jiān)測方式主要可分為兩類。第一類為定點監(jiān)測，即在固定位置安裝輻射監(jiān)測設(shè)備，對固定點位上的輻射信息進(jìn)行測量。第二類為巡測，即工作人員使用手持式輻射測量儀器現(xiàn)場移動測量或者工作人員操控機(jī)載設(shè)備遠(yuǎn)程移動測量。目前這兩類方式多采用γ譜儀或劑量率儀作為輻射監(jiān)測設(shè)備。由于γ譜儀和劑量率儀只能對空間上某一點的輻射信息進(jìn)行測量，要得到放射性強(qiáng)度二維分布以及放射源的位置，則需要對探測環(huán)境進(jìn)行多點位測量。對于定點監(jiān)測，需要在環(huán)境中布置大量的監(jiān)測點，這些監(jiān)測點的建造及維護(hù)都要消耗大量人力物力，成本較高；對于巡測，需要多人或多臺機(jī)器在輻射環(huán)境中聯(lián)合工作。不僅測量效率低，而且長時間暴露在輻射環(huán)境中，對工作人員的健康十分不利。

γ相機(jī)能得到輻射場中輻射強(qiáng)度的二維分布圖。在探測輻射場信息或放射源位置時，通常只需一次測量，就可得到所需二維圖像。γ相機(jī)可進(jìn)行遠(yuǎn)距離探測，其視野范圍很大，在環(huán)境中進(jìn)行探測時，可以一次性對視野內(nèi)的可疑區(qū)域進(jìn)行大面積成像，減少工作時間。用γ相機(jī)取代傳統(tǒng)的γ譜儀和劑量率儀安裝在相應(yīng)的巡測機(jī)載設(shè)備上，使工作人員可以在遠(yuǎn)距離對輻射區(qū)域進(jìn)行探測，減小輻射環(huán)境對工作人員的傷害。例如將γ相機(jī)安裝在無人機(jī)上，工作人員可在安全區(qū)域，通過遠(yuǎn)程操控?zé)o人機(jī)，從空中對地形復(fù)雜區(qū)域進(jìn)行大范圍測量，測量時基本不受地形限制。

5 總結(jié)

在γ相機(jī)商業(yè)化產(chǎn)品的種類數(shù)量、模式、性能以及應(yīng)用領(lǐng)域方面，我們與國外還存在差距。國外的產(chǎn)品種類及應(yīng)用遠(yuǎn)多于我國。針對不同的應(yīng)用領(lǐng)域和場景，國外都研究有相應(yīng)的γ相機(jī)。在準(zhǔn)直器和探測器的選擇上，國外產(chǎn)品所采用的模式更多。我國目前的γ相機(jī)采用的都是均勻冗余編碼板準(zhǔn)直器耦合閃爍體探測器及位置靈敏光電倍增管這一模式，模式相對單一。雖然系統(tǒng)的角分辨率、能量分辨率、空間分辨率等參數(shù)與國外設(shè)備相差不多，但在實際使用中，并不能很好的適應(yīng)各種工況，通常需要一些輔助設(shè)備進(jìn)行輔助測量。γ相機(jī)的成本比普通γ譜儀及劑量率儀要高很多，影響其廣泛應(yīng)用。隨著核電子學(xué)技術(shù)的發(fā)展，γ相機(jī)的成本必然會有所降低，應(yīng)用范圍會更廣，在輻射環(huán)境監(jiān)測中使用γ相機(jī)，是未來的發(fā)展趨勢。

［1］楊年．放射性監(jiān)測儀器設(shè)備的現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢和對策［J］．四川地質(zhì)學(xué)報．2006．26：55-58．

［2］楊茂春．當(dāng)前我國核電站輻射防護(hù)需要重點考慮和解決的問題［J］．輻射防護(hù)．2004．24：233-238．

［3］金永杰．核醫(yī)學(xué)儀器與方法［M］．清華大學(xué)課程講義（第三版），2004．

［4］莊天戈，周頌凱，譯．放射成像［M］北京：科學(xué)出版社，1988．

［5］奧塞夫．核輻射探測器入門［M］．姬成周，譯．北京：科學(xué)出版社，1980．

［6］K P Ziock，．Gamma-Ray Image Spectrometry．LLNL Science &Technology Review［R／OL］．（2010-10-17）［2015-11-18］，http：／／llnl．gov／str／pdfs／10_95．2．pdf．

［7］K P Ziock，C J Hailey，T B Gosnell，et al．A Gamma-Ray Image for Arms Control［J］．IEEE Trans．Nucl．Sci．1992，39（4）：1046-1050．

［8］李鑫．二維輻射監(jiān)測系統(tǒng)的研制［D］．清華大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文，2008．

［9］洪俊杰．γ相機(jī)中編碼孔徑準(zhǔn)直器設(shè)計及數(shù)字圖像重建［D］．華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文，2006．

［10］Jean．Coded aperture camera imaging concept［R／OL］．（2011 -08-21）［2016-07-03］，http：／／astrophysics．gsfc．nasa．gov／cai／code_intr．ps．

［11］陳立宏，李勇平，趙翠蘭．基于MURA編碼孔徑準(zhǔn)直器核輻射成像系統(tǒng)設(shè)計［J］．核技術(shù)．2013．36（8）：080402．

［12］劉建．秦山核電基地外圍環(huán)境γ輻射連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)［J］．輻射防護(hù)．2005．25：296-304．

［13］吉長余．大亞灣核電站1994-2003年環(huán)境輻射監(jiān)測結(jié)果與分析［J］．輻射防護(hù)．2004．24：173-190．

［14］李宗明．從日本福島核事故審視核安全的政府、法律和監(jiān)管框架［J］核安全．2012（02）：1-8．

［15］付杰，封祎，欒海燕，等．日本福島核事故對我國核安全國際合作的幾點啟示［J］核安全．2013（04）：69-73．

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

李漢平 （1992—），男，漢，北京人，解放軍防化研究院輻射防護(hù)與環(huán)境保護(hù)專業(yè)，碩士研究生在讀