移動(dòng)X射線參考輻射場(chǎng)的環(huán)境散射輻射份額模擬研究

徐 陽 高 飛 韋凱迪 王菲菲 林 敏 倪 寧

（中國原子能科學(xué)研究院計(jì)量與校準(zhǔn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 102413）

我國核電站、加速器運(yùn)行大廳、核醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)室等設(shè)施中均配備有固定式X、γ 輻射監(jiān)測(cè)儀，這類儀表是評(píng)價(jià)核設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)與從業(yè)人員安全作業(yè)的重要手段，在放射性監(jiān)測(cè)中發(fā)揮著不可替代的作用［1］。對(duì)于上述儀器儀表的校準(zhǔn)問題，目前采用的常規(guī)方法是將其送往專業(yè)的電離輻射計(jì)量機(jī)構(gòu)，而該方法因具有“距離遠(yuǎn)、周期長(zhǎng)、拆卸后不利于連續(xù)監(jiān)測(cè)”的弊端使人們不得不尋找適用于現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)的新思路。2009年，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院利用多種放射性核素研發(fā)了用于艦艇內(nèi)部固定式γ輻射劑量?jī)x的檢驗(yàn)源，與此同時(shí)，美國SENTINEL 公司、重慶大學(xué)等研究單位也相繼研制出適用于固定式輻射劑量?jī)x表的便攜式γ 射線照射裝置及小尺寸γ 參考輻射遂行校準(zhǔn)裝置［2-5］，這些裝置均采用137Cs 同位素γ 源作為校準(zhǔn)源。中國原子能科學(xué)研究院研制了一款用于開展固定式X、γ輻射劑量?jī)x現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)的可移動(dòng)式X射線照射裝置［6］。本文利用MCNP5（Monte Carlo N Particle Transport Code，Version 5）蒙特卡羅軟件建立了可移動(dòng)式X射線照射裝置及周圍環(huán)境的同尺寸概化模型，在X 射線空氣比釋動(dòng)能標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)開展了基本場(chǎng)景條件下的環(huán)境散射輻射計(jì)算模型驗(yàn)證工作，并對(duì)可能引起結(jié)果偏差的幾個(gè)主要因素進(jìn)行了分析討論。驗(yàn)證后的計(jì)算模型可為基于機(jī)器學(xué)習(xí)的現(xiàn)場(chǎng)X射線散射輻射修正系統(tǒng)的研制提供大量有效的訓(xùn)練數(shù)據(jù)與測(cè)試數(shù)據(jù)。

1 環(huán)境散射輻射份額測(cè)量需求、方法及模型建立

1.1 環(huán)境散射輻射份額測(cè)量需求

常規(guī)方法中，固定式被校儀表被拆卸并送至標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的X、γ 射線參考輻射場(chǎng)中進(jìn)行校準(zhǔn)，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)程中對(duì)參考輻射場(chǎng)的品質(zhì)，如散射輻射、均勻性等有著明確的要求［7-10］。與常規(guī)方法的不同之處在于：現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)過程中被校儀表通常緊貼墻壁或與墻體表面相距僅幾個(gè)cm，此時(shí)需要考慮墻壁等周圍環(huán)境產(chǎn)生的散射對(duì)參考點(diǎn)（即被校儀表靈敏區(qū)幾何中心）處劑量率的影響。近年來，由于機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)廣泛用于放射性探測(cè)領(lǐng)域［11-14］，故擬結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)以實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)X射線環(huán)境散射輻射的修正。

機(jī)器學(xué)習(xí)是一種從數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)復(fù)雜規(guī)律，并利用規(guī)律對(duì)未來時(shí)刻、未知狀況進(jìn)行預(yù)測(cè)和判定的方法，其前提是要有大量訓(xùn)練數(shù)據(jù)，訓(xùn)練數(shù)據(jù)越優(yōu)質(zhì)，預(yù)測(cè)效果越好?；跈C(jī)器學(xué)習(xí)的現(xiàn)場(chǎng)X射線散射輻射修正系統(tǒng)的研制流程如圖1所示。

圖1 基于機(jī)器學(xué)習(xí)的現(xiàn)場(chǎng)X射線散射輻射修正系統(tǒng)的研制流程Fig.1 Development process of on-site X-ray scattering radiation correction system based on machine learning

從圖1 中可以看出，現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)散射輻射計(jì)算模型的搭建與驗(yàn)證是為機(jī)器學(xué)習(xí)提供大量訓(xùn)練數(shù)據(jù)與測(cè)試數(shù)據(jù)的前提，是散射修正系統(tǒng)研制的首要目標(biāo)。

1.2 環(huán)境散射輻射份額測(cè)量方法

圖2（a）為現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)典型布局示意圖，被校儀表安裝高度h通常為1.3 m～1.8 m。本實(shí)驗(yàn)室開展現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)散射份額研究所采用的便攜式X射線管型號(hào)為YXLON XPO EVO 225D，管電壓調(diào)節(jié)范圍為25 ～225 kV，管電流調(diào)節(jié)范圍為0.5～10 mA，最大功率為1.2 kW，限束光闌半張角可選度數(shù)λ=5°、8°、10°。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)典型布局示意圖(a)和忽略環(huán)境散射實(shí)驗(yàn)布局(b)Fig.2 Typical layout of on-site calibration (a) and experimental layout ignoring environmental scattering (b)

實(shí)驗(yàn)測(cè)量環(huán)境散射輻射份額的方法如下：首先，將可移動(dòng)式X射線照射裝置及傳遞標(biāo)準(zhǔn)電離室放置在實(shí)驗(yàn)室中央導(dǎo)軌上（如圖2（b）所示，此時(shí)周圍墻壁距離參考點(diǎn)大于2 m，與圖2（a）布局相比可忽略環(huán)境散射），傳遞標(biāo)準(zhǔn)電離室型號(hào)為TW 32005（靈敏體積30 mL），配合UNIDOS E 劑量?jī)x測(cè)量得到距離X光機(jī)焦斑L1處參考點(diǎn)的劑量率，記為“忽略環(huán)境散射劑量率d1”；隨后，將照射裝置及電離室依照現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)場(chǎng)景布局?jǐn)[放，得到同距離L1處參考點(diǎn)劑量率，記為“有環(huán)境散射劑量率D1”；最后，實(shí)驗(yàn)中環(huán)境散射輻射份額P1可由式（1）得到：

現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)散射修正系統(tǒng)建立完成后，通過輸入相關(guān)環(huán)境參數(shù)，自動(dòng)預(yù)測(cè)出參考點(diǎn)處環(huán)境散射輻射份額，并由此得到“有環(huán)境散射劑量率”，完成對(duì)散射的修正。

1.3 蒙特卡羅模型建立

利用MCNP5 軟件建立可移動(dòng)式X 射線照射裝置同尺寸簡(jiǎn)化模型（如圖3 所示），模型主要包括：X射線機(jī)、屏蔽箱、限束光闌、高精度可移動(dòng)小車、探測(cè)柵元（一個(gè)球型計(jì)數(shù)柵元，填充材料為空氣）、探測(cè)柵元支架。模型中還加入了墻壁、天花板、地面等照射裝置周圍可能會(huì)成為散射輻射來源的物體（圖3 中未顯示）。

模擬計(jì)算環(huán)境散射輻射份額的方法如下：首先，根據(jù)實(shí)驗(yàn)布局建立模型，源項(xiàng)采用帶30°角偏倚的窄譜系列光子注量譜分布，利用F4 柵元計(jì)數(shù)卡結(jié)合DE/DF卡得到探測(cè)柵元處的劑量值，記為“有環(huán)境散射劑量值D2”；隨后，將圖3 中所示所有柵元以外的空間填充為空氣材料，同樣方法得到探測(cè)柵元處劑量值，記為“忽略環(huán)境散射劑量值d2”；最后，模擬計(jì)算環(huán)境散射輻射份額P2可由式（2）得到：

圖3 蒙特卡羅計(jì)算模型Fig.3 Monte Carlo calculation model

2 基于標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室基本場(chǎng)景下的模型驗(yàn)證

2.1 基本場(chǎng)景布局描述

在X射線空氣比釋動(dòng)能標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室中開展基本場(chǎng)景條件下的環(huán)境散射輻射計(jì)算模型驗(yàn)證工作，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部的基本場(chǎng)景如圖4所示。基本場(chǎng)景布局包括：前方/后方/左側(cè)/右側(cè)四面墻壁、地面、天花板、地面中央導(dǎo)軌以及墻體表面安裝的鋁制電纜盒，具體尺寸及材料如表1所示。

表1 基本場(chǎng)景布局中各組成部分尺寸及材料明細(xì)Table 1 Size and material details of the components in the layout of basic scene

圖4 實(shí)驗(yàn)室內(nèi)基本場(chǎng)景布局Fig.4 Layout of basic scene in the laboratory

確定基本場(chǎng)景布局的構(gòu)成、尺寸及材料后，后續(xù)所有模型驗(yàn)證工作均在此布局的基礎(chǔ)上完成。

2.2 模型驗(yàn)證及結(jié)果分析

本研究中共進(jìn)行了兩次基本場(chǎng)景下的模型驗(yàn)證，為了簡(jiǎn)化描述，分別將其稱為Basic 1 場(chǎng)景與Basic 2 場(chǎng)景。經(jīng)分析，當(dāng)以下14 個(gè)參量均被確定后，參考點(diǎn)處的環(huán)境散射輻射份額也將被確定，具體參量名稱及其在兩次驗(yàn)證中的取值情況匯總于表2。

表2 兩次模型驗(yàn)證中14個(gè)參量的取值情況匯總Table 2 Summary of the values of 14 parameters in two model verifications

2.2.1 Basic 1場(chǎng)景下的模型驗(yàn)證

Basic 1 場(chǎng)景布局實(shí)物圖與相應(yīng)的MCNP 模型分別如圖5（a）、圖5（b）所示。首先，將照射裝置焦斑逐漸遠(yuǎn)離參考點(diǎn)（L1=96 cm/150 cm/200 cm），在每個(gè)L1處依次使用輻射質(zhì)N60～N200 進(jìn)行照射，得到環(huán)境散射輻射份額情況；隨后，將限束光闌半張角依次設(shè)置為5°、8°、10°，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)操作。

圖5 Basic 1場(chǎng)景布局 (a) 實(shí)物圖，(b) MCNP模型（圖中未顯示天花板）Fig.5 Layout of Basic 1 (a) Physical photo, (b) MCNP model (the ceiling is not shown)

模擬過程中，X 射線機(jī)的管電壓大小可通過輸入不同能譜分布的光子源來實(shí)現(xiàn)，而管電流大小則不能簡(jiǎn)單地通過改變光子源輸運(yùn)數(shù)目（輸運(yùn)光子數(shù)目越多，結(jié)果統(tǒng)計(jì)漲落越小）來實(shí)現(xiàn)。這就使得在現(xiàn)實(shí)中其他參量不變的情況下，n個(gè)管電流值將得到n個(gè)散射輻射份額，而模擬則只能得到1 個(gè)散射輻射份額。鑒于此，以λ=8°、L1=200 cm時(shí)所得結(jié)果為例，說明管電流大小對(duì)參考點(diǎn)處散射輻射份額的影響，以及模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的相對(duì)偏差情況，如表3所示。以下所有模擬結(jié)果統(tǒng)計(jì)不確定度均小于1%，輸運(yùn)光子數(shù)目設(shè)置為1×109。

表3 λ=8°、L1=200 cm時(shí)不同管電流條件下實(shí)驗(yàn)與模擬環(huán)境散射輻射份額結(jié)果對(duì)比Table 3 Comparison of environmental scattering radiation ratio between experimental and simulated under different tube current at λ= 8°, L1= 200 cm

對(duì)表3 進(jìn)行分析可知：1）t相同，I不同時(shí)，環(huán)境散射輻射份額P1隨I而變化。當(dāng)t為N60與N80時(shí)，P1波動(dòng)較為劇烈（尤其當(dāng)處于較低管電流2 mA 時(shí)，光機(jī)輸出不穩(wěn)定）；當(dāng)t為N100、N120、N150與N200時(shí)，隨著管電壓的增加，P1的波動(dòng)逐漸減小并趨于穩(wěn)定。此時(shí)，為了方便進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果的對(duì)比，引入“環(huán)境散射輻射份額平均值Pa”這一參量；2）引入Pa后可以看出，t在N60～N200范圍內(nèi)，P2與Pa整體相對(duì)偏差（以實(shí)驗(yàn)值為參考值）保持在±12%以內(nèi)。

對(duì)Basic 1 場(chǎng)景下所有模擬計(jì)算散射輻射份額P2與實(shí)驗(yàn)測(cè)量散射輻射份額Pa結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖6（a）～圖6（c）所示。圖6中，三種不同形狀的符號(hào)（其中空心符號(hào)對(duì)應(yīng)輻射質(zhì)N60～N80，實(shí)心符號(hào)對(duì)應(yīng)輻射質(zhì)N100～N200）依次表示焦斑-參考點(diǎn)距離L1=96 cm、150 cm及200 cm；水平虛線對(duì)應(yīng)相對(duì)偏差為0%、±15%，此外還標(biāo)出了N100～N200輻射質(zhì)范圍內(nèi)相對(duì)偏差的最大值與最小值。

圖6 Basic 1場(chǎng)景中模擬與實(shí)驗(yàn)環(huán)境散射輻射份額結(jié)果相對(duì)偏差Fig.6 Relative deviation of proportion of environmental scattering radiation between simulated and experimental in Basic 1

對(duì)圖6 分析后可得出以下結(jié)論：1）相對(duì)偏差整體負(fù)值居多（尤其L1=150 cm 時(shí)），由于計(jì)算中以實(shí)驗(yàn)值作為參考值，故可知模擬得到的環(huán)境散射輻射份額P2偏小。經(jīng)分析，可通過適當(dāng)增大限束光闌模型內(nèi)孔尺寸以增大P2，縮小相對(duì)誤差；2）相較于輻射質(zhì)N100～N200，N60 與N80 對(duì)應(yīng)管電壓較低且光機(jī)輸出功率存在較大波動(dòng)，從而使P1波動(dòng)較大。在后續(xù)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)中，將首選輻射質(zhì)N100～N200。

2.2.2 影響環(huán)境散射輻射份額計(jì)算結(jié)果的主要因素分析

經(jīng)分析，引起模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對(duì)偏差的主要因素有三個(gè)：輻射場(chǎng)半徑、X 射線管陽極效應(yīng)與半影區(qū)。

1）輻射場(chǎng)半徑 輻射場(chǎng)半徑?jīng)Q定著參考點(diǎn)處的輻射場(chǎng)范圍，尤其是當(dāng)參考點(diǎn)（被校儀器幾何中心）周圍存在障礙物時(shí)，輻射場(chǎng)范圍決定著出射光子與障礙物相互作用的概率，亦決定著由此產(chǎn)生的散射輻射大小，而限束光闌內(nèi)孔尺寸則決定著輻射場(chǎng)半徑大小。

Basic 1 場(chǎng)景模型中，限束光闌內(nèi)孔半徑（由半張角度數(shù)經(jīng)三角函數(shù)計(jì)算得到）是按照最初設(shè)計(jì)尺寸給出的，而照射裝置在實(shí)際加工與裝配過程中存在誤差。根據(jù)圖6 中的結(jié)論可知，限束光闌模型內(nèi)孔半徑偏小，需進(jìn)行擴(kuò)大調(diào)整。具體調(diào)整方法如下：第一步，在原有限束光闌模型的基礎(chǔ)上，半張角擴(kuò)大范圍為1°，步長(zhǎng)為20′，分別模擬得到不同半張角條件下的輻射場(chǎng)半徑，并與實(shí)測(cè)輻射場(chǎng)半徑進(jìn)行對(duì)比，初步縮小調(diào)整范圍；第二步，基于Basic1 場(chǎng)景布局，在第一步所確定調(diào)整范圍內(nèi)，步長(zhǎng)10′，分別模擬得到不同限束光闌模型半張角條件下環(huán)境散射輻射份額P2，并與實(shí)測(cè)環(huán)境散射輻射份額Pa進(jìn)行對(duì)比，選擇最為接近的一組作為最終限束光闌內(nèi)孔尺寸。由于受篇幅限制，這里僅列出第二步中有限組的對(duì)比結(jié)果，如表4所示。

根據(jù)表4 所示結(jié)果，最終確定限束光闌模型內(nèi)孔尺寸分別為5°、8°30′、10°20′（表中對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)加粗表示），在輻射質(zhì)N100～N200范圍內(nèi)，模擬與實(shí)驗(yàn)所得環(huán)境散射輻射份額相對(duì)偏差范圍分別為：?5.2%～7.3%、?13.1%～5.3%、?9.3%～3.5%。

表4 限束光闌內(nèi)孔尺寸調(diào)整中模擬與實(shí)驗(yàn)環(huán)境散射輻射份額相對(duì)偏差Table 4 Relative deviation of environmental scattering radiation fraction between simulated and experimental in adjusting inner hole size of apertures

2）陽極效應(yīng)與半影區(qū) 陽極效應(yīng)是指因陽極靶傾角的存在而引起的輻射場(chǎng)不均勻的現(xiàn)象，相關(guān)研究人員對(duì)陽極效應(yīng)產(chǎn)生的原因和影響因素等方面已進(jìn)行了詳細(xì)論述［15］。然而，本研究所建模型中采用帶能譜分布的光子源，結(jié)合角偏倚卡以限制粒子發(fā)射角度，并不能模擬出陽極效應(yīng)，該差異體現(xiàn)在圖7藍(lán)色矩形框范圍內(nèi)。

此外，從圖7中還可以看出，模擬與實(shí)測(cè)的半影區(qū)范圍并不相同（該差異體現(xiàn)在矩形框范圍內(nèi)，右側(cè)半影區(qū)未框出），模擬半影區(qū)相比于實(shí)測(cè)半影區(qū)范圍更窄。

圖7 距焦斑1 m處輻射場(chǎng)模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.7 Comparison of simulated and measured results of radiation field at 1 m away from focal spot

由此可見，陽極效應(yīng)與半影區(qū)也可能是影響散射輻射份額計(jì)算結(jié)果的原因。

2.2.3 Basic 2場(chǎng)景下的模型驗(yàn)證

Basic 2 場(chǎng)景對(duì)應(yīng)的MCNP 模型如圖8 所示，本次主要以Basic 1 中結(jié)果較差的L1=150 cm 為例，驗(yàn)證限束光闌內(nèi)孔尺寸調(diào)整之后對(duì)環(huán)境散射輻射份額計(jì)算的改善情況。

圖8 Basic 2場(chǎng)景布局MCNP模型（圖中未顯示天花板）Fig.8 MCNP model of Basic 2 layout (the ceiling is not shown)

Basic 2 場(chǎng)景所得模擬與實(shí)驗(yàn)環(huán)境散射輻射份額相對(duì)偏差計(jì)算結(jié)果如圖9所示。由圖9可知，此時(shí)的相對(duì)偏差相較于Basic 1場(chǎng)景有了很大改善，三種限束光闌半張角條件下的相對(duì)偏差整體向代表相對(duì)偏差為0%的水平虛線移動(dòng)。在N100～N200輻射質(zhì)范圍內(nèi)，相對(duì)偏差范圍在?11.6%～9.3%之間。

圖9 Basic 2場(chǎng)景中模擬與實(shí)驗(yàn)環(huán)境散射輻射份額結(jié)果相對(duì)偏差Fig.9 Relative deviation of proportion of environmental scattering radiation between simulated and experimental in Basic 2

3 結(jié)語

利用蒙特卡羅方法建立了可移動(dòng)式X射線照射裝置現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)散射輻射的計(jì)算模型，采用模擬計(jì)算與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法對(duì)限束光闌模型尺寸進(jìn)行了改進(jìn)，并對(duì)整體模型的有效性進(jìn)行了論證。研究結(jié)果表明：限束光闌模型半張角最終確定為5°、8°30′、10°20′；在本研究范圍內(nèi)，改進(jìn)后模型計(jì)算得到的環(huán)境散射輻射份額結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果在N100～N200范圍內(nèi)的相對(duì)偏差為?11.6%～9.3%。研究結(jié)果證明了利用驗(yàn)證后的模型為基于機(jī)器學(xué)習(xí)的現(xiàn)場(chǎng)X射線散射輻射修正系統(tǒng)提供大量訓(xùn)練數(shù)據(jù)的方案是可行的?；跈C(jī)器學(xué)習(xí)的現(xiàn)場(chǎng)X射線散射輻射修正系統(tǒng)研制完成后，在現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)過程中可根據(jù)實(shí)際情況輸入相關(guān)環(huán)境參數(shù)，直接得到修正后的輻射劑量值，以替代現(xiàn)場(chǎng)采用電離室測(cè)量散射輻射，大大減少測(cè)量工作量與校準(zhǔn)時(shí)間。