Visualization of gamma-ray sources by the scanner with an anti-collimator.pdf Введение История визуализации гамма-излучения берет свое начало в астрофизике. Для идентификации первого космического источника рентгеновского излучения [1] использовался коллиматор [2], ограничивающий поле зрения детекторов на основе счетчиков Гейгера и пропорциональных счетчиков. Первая карта звездного неба получена благодаря запуску спутника Uhuru - первой орбитальной рентгеновской обсерватории [3], на борту которой размещались коллимированные счетчики Гейгера, регистрировавшие рентгеновское излучение с энергиями от 2 до 20 кэВ. В [4] был предложен переход от камеры-обскуры с единичным отверстием к массиву случайным образом расположенных коллиматоров. Данный метод заложил основы для применения кодирующих апертур, использование которых стало важным достижением в приборостроении. Сегодня для эффективной локализации источников гамма-излучения при проведении реабилитационных работ применяются устройства, позволяющие визуализировать распределение источников гамма-излучения в пространстве. Это позволяет повысить точность выполняемых работ, сократить дозовую нагрузку на персонал, а также сроки выполнения реабилитационных манипуляций. Существует ряд методов визуализации источников гамма-излучения: сканирование с коллиматором [5], камера-обскура [6], камера Комптона [7], кодирующие апертуры [8], комбинированные системы [9] и др. Каждый метод обладает своими преимуществами и недостатками и для решения каждой конкретной задачи требуется тщательный анализ условий применения разрабатываемой системы для поиска оптимального метода визуализации гамма-излучения. Одним из самых простых и доступных способов формирования гамма-изображения является сканирование с коллиматором - детектирующая головка, представляющая собой детектор, размещенный в массивной защите с небольшим отверстием (апертурой) для пространственной модуляции потока гамма-квантов, устанавливается на поворотно-наклонном механизме. В процессе сканирования формируется массив данных о вкладе активности в рассматриваемом телесном угле в точке размещения гамма-локатора. Основным недостатком такой системы является очень большая масса установки, поскольку для эффективной модуляции потока гамма-квантов требуется толстый слой защиты. Кроме того, в некоторых случаях необходимо двукратное сканирование для точного учета влияния фонового излучения. В работе описывается способ получения гамма-изображений с помощью сканера с антиколлиматором, позволяющий значительно сократить массу и габариты средства гамма-визуализации, а в некоторых случаях и время сканирования обследуемого объекта. Метод сканирования с антиколлиматором Антиколлиматор представляет собой объект из материала высокой плотности, помещенный перед открытым детектором для модуляции потока гамма-квантов. Такой объект описан в патенте [10] и был предложен для решения задачи визуализации источников гамма-излучения для случая, когда излучение имеет преимущественно одно направление. Техника сканирования с применением антиколлиматора заключается в последовательном перемещении оси антиколлиматора относительно детектора в границах области интереса: в каждой точке антиколлиматор поглощает ту часть гамма-излучения, которая направлена от источников, расположенных на одной оси с детектором и антиколлиматором; детектор регистрирует излучение в 4π-пространстве за исключением телесного угла за антиколлиматором - в областях с источниками будут наблюдаться «теневые» области, характеризующиеся меньшей в сравнении с соседними интенсивностью (рис. 1). В процессе сканирования формируется теневое изображение источников гамма-излучения. Реальное изображение источников осуществляется с помощью процедуры инверсии «теневой области» изображения, т.е. путем формирования разностного сигнала открытого детектора (однократное измерение) и теневых сигналов детектора с антиколлиматором, формируемых в процессе сканирования. Рис. 1. Схематическое представление антиколлимационного метода: 1 - источники гамма-излучения в области интереса; 2 - положения антиколлиматора в процессе сканирования; 3 - чувствительный элемент детектора; 4 - области теневого изображения Реконструкция изображения методом максимального правдоподобия позволяет повысить угловое разрешение системы благодаря процедуре восстановления полученного по результатам сканирования массива данных. Итоговое изображение получается наложением восстановленного гамма-изображения на фотопанораму, полученную по результатам сшивки фотоснимков, сделанных в каждой точке сканирования. Гамма-сканер с антиколлиматором При разработке устройства основными требованиями были легкость и компактность, а также простота в управлении. Рис. 2. Внешний вид гамма-сканера с антиколлиматором: 1 - детектирующая головка; 2 - фиксатор детектирующей головки; 3 - поворотные механизмы На рис. 2 показан внешний вид прототипа гамма-сканера с антиколлиматором, изготовленного в НИЦ «Курчатовский институт». Гамма-сканер с антиколлиматором представляет собой детектирующую головку 1, размещенную с помощью фиксатора 2 на поворотно-наклонном устройстве 3 на треноге. Детектирующая головка состоит из детектора и антиколлиматора, разнесенных на определенное расстояние и помещенных в единый корпус. На фронтальной стороне детектирующей головки размещена видеокамера так, что ось ее симметрии параллельна оси антиколлиматора и центра детектора. Спектрометрический детектор Поскольку основным узлом устройства является детектор, ключевым моментом было создание максимально легкого и компактного чувствительного элемента, отвечающего основным требованиям: 1. Для обеспечения возможности определения радионуклидного состава загрязнения детек¬тор должен регистрировать гамма-излучение в диапазоне энергий от 100 кэВ до 1.5 МэВ в спектрометрическом режиме. 2. Для разрешения радионуклидов долгоживущих элементов цезий-137 (662 кэВ) и кобальт-60 (1.17 и 1.33 МэВ) энергетическое разрешение по энергии 662 кэВ должно быть не хуже 15%. 3. Для сохранения анизотропии чувствительности при перемещении детектирующей головки чувствительный объем детектора должен иметь форму шара. 4. Эффективность регистрации должна быть достаточна для выполнения измерений в условиях мощности дозы в точке размещения 0.1 мЗв/ч. В качестве материала детектора применен сцинтиллятор CsI(Tl), так как низкая гигроскопичность и прочность позволяют обрабатывать кристалл, придавая ему нужную форму, а спектр высвечивания хорошо согласуется со спектром поглощения твердотельных кремниевых фотоумножителей SiPM [11], которые обладают минимальными массогабаритными характеристиками из всех известных фотоприемников. Объем кристалла детектора составил 6 см3. Суммарная масса детектора с предусилительной электроникой и в корпусе составила 200 г. Эффективность регистрации по энергии 662 кэВ - 30%. Энергетический диапазон от 50 кэВ до 1.5 МэВ подтверждается возможностью регистрации низкоэнергетического гамма-излучения радионуклида америций-241 (59.5 кэВ) и высокоэнергетического излучения радионуклида кобальт-60 (1.17 и 1.33 МэВ). Энергетическое разрешение по энергии 662 кэВ - 12.1% обеспечивается применением четырех кремниевых фотоприемников CPTA-149-35 размерами 3×3 мм. Управление детектором осуществляется спектроанализатором «Колибри» [12]. Моделирование системы Определение оптимальных геометрических параметров выполнялось с помощью компьютерного моделирования. Для этого методом Монте-Карло моделировался отклик системы для различных геометрических комбинаций детектор - антиколлиматор, затем полученные результаты обрабатывались с помощью метода максимального правдоподобия. В качестве основных критериев были проанализированы отношение сигнала к шуму, частотно-контрастная характеристика и аппаратная функция моделируемой системы. По результатам оптимизации определено, что оптимальной формой антиколлиматора является свинцовый цилиндр высотой 4 см (из соображений оптимального поглощения для энергий основных дозообразующих радионуклидов цезий-137 и кобальт-60) и радиусом 1 см, удаленный на 10 см от центра детектора. При этом угловая апертура антиколлиматора составляет порядка 10. Полученные результаты моделирования позволили сконструировать прототип гамма-сканера с антиколлиматором с оптимальными геометрическими параметрами, при этом не потребовалось изготавливать ряд образцов и экспериментально определять характеристики каждого из них, что оказалось бы весьма затратно как с точки зрения использования материальных ресурсов, так и времени. Предварительные лабораторные эксперименты показали влияние крепежных элементов на аппаратную функцию системы, поэтому в конструкцию был внесен ряд корректировок. Экспериментальное определение аппаратной функции подтвердило значение угловой апертуры антиколлиматора на половине высоты порядка 10. Конструкция и элементы управления Поскольку масса детектирующей головки достаточно мала, то требования по механической нагрузке на поворотный механизм значительно ниже, нежели для устройств, применяющих коллимационную технику, однако требования к точности позиционирования остаются высокими. При изготовлении прототипа гамма-сканера с антиколлиматором были применены два сервопривода, один из которых обеспечивает перемещение детектирующей головки по азимутальной координате, второй - по полярной. Управление сервоприводами обеспечивается специальным контроллером, который, получая команду с управляющего компьютера, задает положение соответствующему сервоприводу, после чего сервопривод плавно перемещается в заданную координату. В результате поворотный механизм обеспечивает высокую точность позиционирования детектирующей головки при низком токопотреблении. Масса детектирующей головки, размещенной на треноге с поворотным механизмом, составила всего 3.8 кг. Управление гамма-сканером с антиколлиматором осуществляется с помощью персонального компьютера. Графический интерфейс приложения для управления устройством позволяет определить границы области интереса, выполнить фоновое измерение (для открытого детектора) и выполнить сканирование в заданной области. Область интереса определяется путем задания координат детектирующей головки и проверки установленного положения по отображающемуся фотоснимку и лазерному указателю. Фоновое измерение выполняется в вертикальном положении детектирующей головки, когда детектор регистрирует излучение от всех источников в помещении. Для выполнения сканирования объекта требуется задать границы сканируемой области, шаг сканирования и время одного измерения (время измерения в каждой точке). При старте измерения управляющий компьютер направляет контроллеру сервоприводов команду, содержащую информацию о задаваемом положении; сервоприводы занимают указанные положения, о чем на управляющий компьютер приходит сообщение; в установленном положении захватывается изображение с видеокамеры - оно сохраняется в памяти управляющего компьютера и обновляется в окне графического интерфейса управляющей программы; также управляющий компьютер направляет команду спектроанализатору об установленном времени измерения и команду к старту измерения. Прибор в автоматическом режиме сканирует помещение в заданных границах области интереса по заданному программой управления сценарию. Процедура обработки результатов измерений По окончании сканирования в заданной директории формируется массив спектров, каждый из которых соответствует определенным угловым координатам, а также фоновый спектр. В каждом спектре определяется интегральная скорость счета в пике полного поглощения рассматриваемого радионуклида(ов) в данной точке (рис. 3, а). Рис. 3. Процедура обработки результатов измерений на примере визуализации точечного источника типа ОСГИ с радионуклидом натрий-22: формирование гамма-изображения (а); результат вычитания из фонового спектра (б); восстановленное изображение (в); панорамное фото (г); результат наложения восстановленного изображения на панорамное фото (д) Вклад от источников, расположенных в измеряемом телесном угле (точке сканирования), определяется разностью интегральной скорости счета в пиках полного поглощения рассматриваемого радионуклида фонового спектра и спектра, полученного в рассматриваемой точке сканирования (рис. 3, б). Для повышения углового разрешения и точности визуализации применяется процедура реконструкции (рис. 3, в), заключающаяся в решении обратной задачи методом максимального правдоподобия [13] с помощью программного обеспечения «Программа восстановления пространственного распределения источников излучения по результатам измерений гамма-сканером с антиколлиматором» [14]. Сшивка полученных в каждой точке фотоснимков позволяет получить панорамное изображение (рис. 3, г), для этого применяется программный инструмент Autostich [15]. Для визуализации распределения источников гамма-излучения результат реконструкции накладывается на панорамное изображение (рис. 3, д). Полученная карта углового распределения активности демонстрирует расположение гамма-источников в области интереса. Результаты испытаний гамма-сканера с антиколлиматором Экспериментально определялось угловое разрешение гамма-сканера с антиколлиматором. Для этого использовались два источника ионизирующего излучения с радионуклидом цезий-137 с отношением активностей 1:3. Активность источника, размещаемого справа, в 3 раза меньше, чем активность левого. Источники устанавливались на вертикальной поверхности на расстоянии 2 м от гамма-сканера с антиколлиматором на различном (5.3, 7.1, 8.5, 11 и 14°) угловом расстоянии друг от друга. В заданной области проводилось сканирование в автоматическом режиме. Поле сканирования представляло собой прямоугольную область высотой 20° и шириной 35°. Дополнительно было выполнено фоновое измерение в вертикальном положении детектирующей головки. Результаты измерения обрабатывались итерационным методом с помощью программы восстановления, после чего накладывались на панорамное изображение обследуемого объекта. На рис. 4 приведены результаты наложения восстановленных изображений (поз. 2) на фото для двух источников (поз. 1), расположенных на угловом расстоянии 5.3° (рис. 4, а), 8.5° (рис. 4, б) и 11° (рис. 4, в) друг от друга. Рис. 4. Результаты определения углового разрешения для двух точечных источников с радионуклидом цезий-137, расположенных на угловом расстоянии 5.3 (а), 8.5 (б) и 11° (в) Из рис. 4 видно, что два источника, расположенные на угловом расстоянии 11°, однозначно разрешаются сканирующей системой. Процедура восстановления позволяет точно локализовать каждый источник гамма-излучения, а соотношение интегральных значений интенсивностей точно соответствует отношению активностей источников. При расположении источников гамма-излучения на угловом расстоянии 8.5° заметно некоторое размытие и незначительное смещение, однако два точечных источника разрешаются в хорошем качестве, а соотношение интенсивностей хорошо согласуется с фактическим соотношением активностей рассматриваемых источников. Два точечных источника, расположенные на угловом расстоянии 5.3°, различаются как два отдельно расположенных источника, причем хорошо видно, что активность левого источника выше активности правого. Для оценки влияния фонового излучения на разрешающую способность гамма-сканера с антиколлиматором была проведена серия экспериментов с двумя точечными источниками с радионуклидом цезий-137. Один источник размещался в сканируемой области интереса, а второй источник формировал фоновую подсветку и перемещался относительно гамма-сканера для изменения мощности дозы. Мощность дозы, создаваемая основным источником в точке размещения гамма-сканера составляла 0.01 мЗв/ч. Фоновая мощность дозы, создаваемая вторым источником, в точке размещения гамма-сканера составляла от 0.01 до 0.05 мЗв/ч. На рис. 5 приведены результаты серии экспериментов. Измерению на рис. 5, а соответствует фоновая мощность дозы фонового источника 0.01 мЗв/ч, на рис. 5, б - 0.02 мЗв/ч, на рис. 5, в - 0.03 мЗв/ч, на рис. 5, г - более 0.05 мЗв/ч. Из рисунка видно, что с увеличением мощности дозы боковой подсветки в некоторой степени происходит размытие изображения точечного источника гамма-излучения; однако интегральная интенсивность области расположения источника сохраняется во всех случаях. Также в случаях, приведенных на рис. 5, в и г, заметно смещение расположения изображения точечного источника в сторону боковой подсветки. Рис. 5. Влияние фонового излучения на разрешающую способность в зависимости от мощности фонового источника: для значений фоновой мощности дозы 0.01 (а), 0.02 (б), 0.03 (в), более 0.05 мЗв/ч (г) Полевые испытания гамма-сканера с антиколлиматором проводились в одном из помещений здания для очистки воды первого контура исследовательского реактора МР. Сканирование выполнялось в области 70×80° с шагом 5° по каждому направлению. Время экспозиции в каждой точке составляло 30 с. Результаты обследования приведены на рис. 6, где показан результат наложения гамма-изображения, полученный в процессе сканирования (а) и в ходе реконструкции (б). Области загрязнения показаны изолиниями разной толщины. Рис. 6. Результаты измерений (а) и восстановления (б) распределения активности радионуклида цезий-137, полученные по результатам сканирования с антиколлиматором Обследование показало наличие в помещении радиоактивного загрязнения радионуклидом цезий-137. Наложение восстановленного гамма-изображения на оптический снимок позволило локализовать наиболее загрязненные участки: вентили, сварочные швы, отдельные участки трубопровода. Лабораторные испытания гамма-сканера с антиколлиматором показали возможность его применения для проведения работ в условиях максимальной мощности дозы в точке размещения устройства до 0.2 мЗв/ч. Заключение Продемонстрирована эффективность применения методики сканирования с применением антиколлиматора для снижения массы и времени измерения сканирующих систем визуализации гамма-излучения. Общая масса прототипа гамма-сканера с антиколлиматором составила менее 4 кг, что на порядок меньше аналогичных сканирующих систем с коллиматором. Угловое разрешение системы составляет менее 6 градусов. Испытания гамма-сканера с антиколлиматором показывают перспективность применения разработанного устройства для обследования радиационно-загрязненных объектов. Продемонстрирована возможность локализации источников гамма-излучения с помощью методики сканирования с применением антиколлиматора. Авторы выражают благодарность С.М. Игнатову и И.А. Семину за помощь в создании прототипа гамма-сканера с антиколлиматором.

Скачать электронную версию публикации