高能质子扫描测量多层同心球材料边界

姚志明，宋顾周，韩长材，宋　岩，段宝军，严维鹏

(西北核技术研究所,西安710024； 强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室,西安710024)



高能质子扫描测量多层同心球材料边界

姚志明，宋顾周，韩长材，宋岩，段宝军，严维鹏

(西北核技术研究所,西安710024； 强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室,西安710024)

针对国内质子加速器能量不够高，不足以开展面密度为200 g·cm-2的厚物体透射成像实验研究的问题，探索了国内质子加速器用于高面密度厚物体内部材料边界位置测量的新方法。该方法与美国和俄罗斯发展的高能质子整幅照相不同，采用细束质子扫描方式记录透射束斑的能量、个数、偏转角度及束斑形状等信息，进而反演检测对象内部材料的边界位置。采用Geant 4软件模拟了扫描检测过程，由透射率曲线和对称性特征量曲线提取的边界测量值与真实值的偏差为百微米量级。模拟计算结果表明，该方法具有可行性。

高能质子；扫描方法；多层同心球；边界测量

射线检测技术可以对被检物体的质量、尺寸及特性等进行评定，它的特点是检测结果显示直观，且可以长期保存，检测过程和检验工作质量易于监测，在机械制造、石油化工、航空航天、造船、汽车及核能等领域应用广泛。射线检测技术采用的射线源有X射线、γ射线、中子、质子等。用射线检测技术检测厚物体时，高能X射线及γ射线的穿透能力有限，且检测能力受源焦斑尺寸及探测器探测能力的限制；中子穿透能力较强，但源单色性差，不同材料对不同能量中子的衰减系数差异较大，且中子不易探测；加速器产生的中高能质子具有源单色性好、穿透能力强及探测效率高等特点，在厚物体的透射成像中具有优势。在美国，800 MeV的质子照相技术已经应用于炸药冲击波在薄材料中的传输动态过程检测，10 GeV和24 GeV的质子照相技术已应用于面密度为200 g·cm-2的厚球形物体的静态成像[1-2]。然而，厚球形物体的静态成像对质子加速器能量要求过高，高能质子加速器技术复杂、造价昂贵，目前中国尚未建成能量足够高的可用于厚球形物体整幅静态照相的高能质子加速器[3-4]。本文探讨利用350 MeV质子，基于扫描方式，实现厚球形物体内部材料边界位置精确测量的新检测方法，在计数的方式下，对入射和出射质子束斑的能量、个数、偏转角度及束斑形状等信息进行监测，用反演方法提取被检物体内部结构信息，为我国已有或在建的中高能质子加速器应用于厚球形物体内部材料边界位置检测，提供一种新的研究方法。

1质子与物质的作用规律

质子穿过材料时，能量、个数发生损失，角度发生偏转[5]。质子的能量损失过程包括电离损失、轫致辐射和核阻止。具有较强穿透能力的质子，其能量在MeV至GeV量级，电离损失是主要过程，能量损失率由Bethe-Bloch公式[6]估算，能量损失的大小与质子的速度及穿过材料的种类和厚度有关。质子的个数损失有两种机制，一种是能量全部损失，质子被吸收；另一种是质子与原子核发生核反应，质子个数服从指数衰减规律，由Beer-Lambert公式[5]描述。质子在材料中传输时，不停地发生着小角度库仑散射，同时，还会以一定的概率与原子核碰撞发生弹性散射、准弹性散射和非弹性散射，这些散射过程共同导致质子的运动方向发生改变。质子与原子核碰撞发生核反应有时会产生次级质子，与直穿质子相比，次级质子的能量损失更大，运动方向更加偏离入射方向，透射成像中需要排除次级质子的干扰，尽可能用直穿质子反演物体内部信息。

2多层同心球模型

高能质子照相中常用FTO(French test object)[1]作为研究对象。FTO是由聚乙烯、铜和钨组成的多层同心球结构。本文采用的多层同心球结构模型由铁、塑料和钨组成，中心钨球半径为15 cm，塑料球外半径为19 cm，铁球外半径为21 cm，如图1所示。铁是外层容器，内层塑料是炸药的替代材料，中心钨是高原子序数腐蚀性金属的替代材料。本文关注钨与塑料球层的边界位置检测。

图1多层同心球模型Fig.1Model of concentric spherical shels

3扫描检测的基本原理

扫描检测原理如图2所示。质子源产生的质子束斑截面直径为cm量级，位置探测器的最小探测尺寸可达10 μm，通过获取每个质子的入射方向及入射位置信息，把入射到同一像素上的质子作为一束，可得到足够细的质子束。细束质子经过被检测物体后，利用束斑分析系统，测量透射束斑的个数、能量、散射角及束斑形状等参数。细束质子由钨球和塑料球层的边界位置入射时，由于材料种类的变化，预期透射束斑各参数与非边界位置入射时的相应值会有显著不同。通过数值模拟，重点分析透射束斑参数的变化规律，探寻能够反映材料边界位置的透射束斑特征量，给出各特征量随细束质子入射位置的变化曲线，从而精确推断材料边界位置。

图2扫描检测方法示意图Fig.2Schematic of the scanning test method

4边界信息提取方法

采用Geant 4软件[7]模拟质子由钨与塑料的边界位置和非边界位置入射时的输运过程，比较透射信息的区别。坐标轴定义如图2所示，坐标原点选为质子细束由源出射时的中心位置，定义多层同心球沿x方向移动的距离为Δx，当射线束中心与外部铁球层中心重合时，Δx=0 mm。质子由边界位置(Δx=150 mm)入射时，能量需要高于295 MeV才能透射。然而，多次模拟发现，能量稍高于该值时，能谱中的直穿质子并没有形成一个峰，无法将直穿质子与次级质子区分开来。入射能量提高到350 MeV时，才能较好地区分直穿质子和次级质子。模拟程序中，位置探测器像素尺寸为10 μm×10 μm，质子细束截面尺寸为10 μm×10 μm。透射质子束中各质子的运动方向不同，飞行过程中会引起束斑形状改变，透射束斑分析系统的位置探测器距检测物体的距离需尽量小，设置为距离检测物体后边沿1 cm。记录每个透射质子的能量、出射角度和出射位置，统计出细束质子由边界位置和非边界位置入射时，透射质子的能谱、角分布和散射斑形状，如图3—图6所示。

可以看出，细束质子从边界位置入射时的能谱峰值位置、峰面积大小(即直穿质子个数)、散射角分布的半高宽及散射斑的对称性与非边界位置入射时的相应结果是不同的。模拟给出这些特征量随Δx的变化曲线，进而可由曲线峰值或拐点等，判断材料边界的位置。Δx取值范围为135～165 mm，以步长5 mm变化，每个入射位置下，入射质子为106个，统计出能谱峰值位置与峰面积，得到能量损失、透射率及散射角分布半高宽θFWHM随Δx的变化曲线如图7—图9所示。用散射斑图像x=0(入射束中心线)为分界线，两侧的质子个数之差表征散射斑的对称性，称为对称性特征量(symmetry characteristic quantity，SCQ)，统计出SCQ随Δx的变化曲线，如图10所示。

图5散射斑Fig.5Scattering beam images

图10对称性特征量曲线Fig.10Curve of symmetry characteristic quantity

图7中，能量损失及其微分曲线在边界位置没有明显的特征可用于边界识别。图8中，透射率曲线在边界位置附近斜率出现极大值，微分曲线出现峰值。图9中，散射角曲线在边界位置附近出现拐点，微分曲线过0点。图10中，对称性特征量曲线在边界位置附近出现峰值。

为细致观察由各特征量测得的边界位置，确定特征量选取的合理性，模拟计算中Δx的步长由5 mm减小为10 μm，对边界位置附近进行精细扫描，Δx取值范围为148.80～151.20 mm，其余参数设置同前。

模拟计算结果表明：散射角分布半高宽曲线在边界位置附近比较平缓，其微分曲线0点对应的Δx为151.08 mm，偏离边界位置1.08 mm。透射率微分曲线的峰值位置对应的Δx为150.27 mm，偏离边界位置0.27 mm。对称性特征量曲线的峰值位置对应的Δx为149.93 mm，偏离边界位置-0.07 mm。可见，透射率微分曲线和对称性特征量曲线的峰值位置偏离边界位置为百微米量级，能够较准确地反映边界位置。

依据模拟计算结果，给出边界信息提取方法如下：

1)加速器质子束入射到物体上，位置探测器记录下质子入射位置和个数，将入射到同一个像素上的质子看作一个细束。

2)位置探测器记录透射质子的位置，能量探测器记录质子剩余能量。

3)扫描机构以一定的步长移动物体，重复步骤1)和步骤2)。

4)由透射质子能谱甄别直穿质子和次级质子，绘制直穿质子的透射率曲线和束斑对称性特征量曲线。

5)通过曲线拟合，得到透射率微分曲线及对称性特征量曲线的极大值相应的位置，均可作为边界位置的测量值。

5分析与讨论

数值模拟表明，透射率微分曲线和束斑对称性特征量曲线在边界位置出现极大值，可用于钨与塑料球层的边界位置检测。结合质子与物质的作用规律，分析原因如下：

质子在塑料和钨中的能量损失率相差较大，350 MeV质子在边界位置入射时，即使不穿过钨，剩余能量也仅为140 MeV。140 MeV质子在钨中的射程仅为1.42 cm，因此，打到钨上的质子大部分无法透射，少部分透射质子的能量损失较大，作为次级粒子被滤除。据此，出射直穿质子的个数与细束质子和钨球相交部分的面积成正比。细束质子由材料边界位置入射时，相交部分面积变化最快，因此，透射率微分曲线出现极大值。

图5中细束质子由钨与塑料边界位置入射时，穿过钨一侧的质子几乎被全部吸收，x>0区域的质子个数远大于x<0区域；细束质子由钨一侧入射时(Δx=145 mm)，与边界位置相比，x<0区域的质子个数变化不大，x>0区域的质子个数减小很多，因而对称性特征量比边界位置小；细束质子由塑料一侧入射时(Δx=160 mm)，散射斑沿着x=0两侧近似是轴对称的，对称性特征量近似为0，同样比边界位置小。因此，束斑对称性特征量曲线在边界位置出现极大值。

边界位置测量值与真实值存在百微米的偏差，其原因一方面是蒙特卡罗模拟计算能力有限，扫描步长不能做到无限小，入射质子个数不能做到无限多。另一方面是350 MeV质子穿过厚物体后，散射影响较大，透射率微分曲线和对称性特征量曲线的半高宽都较大。提高质子能量时，质子偏离入射方向较小，射线角分布曲线半高宽变小，对提高检测精度有利。

6结束语

针对国内质子加速器能量不够高，不足以开展面密度为200 g·cm-2厚物体的高能质子照相实验研究的难题，建立了由质子透射束斑信息反演材料边界位置的信息提取方法，边界测量值与真实值的偏差为百微米，与国外高能质子照相的检测精度相当[2]，为国内已有或在建的质子加速器应用于厚球形物体的内部材料边界位置检测，提供了一种新的研究思路。

[1]ZIOCK H J, ADAMS K J, ALRICK K R, et al. The proton radiography concept [R].LA-UR-98-1368, Los Alamos National Report, 1998: 1-17.

[2]MORRIS C L, ABLES E, ALRICH K R, et al. Flash radiography with 24 GeV/c protons[J]. J Appl Phys, 2011, 109(10): 104905.

[3]张天爵, 樊明武, 李振国, 等. 强流回旋加速器技术的研究进展[J]. 科学通报, 2009, 54(15): 2 169-2 176. (ZHANG Tian-jue, FAN Ming-wu, LI Zhen-guo, et al. Research progress in high intensity cyclotron technology[J]. Chinese Sci Bull, 2009, 54(15): 2 169-2 176.)

[4]王芳卫. 中国散裂中子源[J]. 科学, 2014, 66(04): 16-20. (WANG Fang-wei. China spallation neutron source[J]. Science, 2014, 66(4): 16-20.)

[5]许海波. 高能质子照相中面密度的测量和不确定性分析[J]. 强激光与粒子束, 2006, 3(18): 477-482.(XU Hai-bo. Measurement of areal density and its uncertainty in high-energy proton radiography[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2006, 3(18): 477-482.)

[6]复旦大学, 清华大学, 北京大学. 原子核物理实验方法[M]. 北京: 原子能出版社, 1985: 44.(Fudan University, Tsinghua University, Peking University. Nuclear Physics of Experimental Method[M]. Beijing: Atomic Energy Press, 1985: 44.)

[7]Geant 4 user’s guide for application developers[CP/OL]. http:// geant 4. web. cern. ch/ geant 4/ User Documentation/ User Guides/ For Application Developer/ html/ index. html, 2014.

A Scanning Method for the Measurement of Material Edge Position of Concentric Spherical Shells Using High Energy Proton Beams

YAO Zhi-ming,SONG Gu-zhou,HAN Chang-cai,SONG Yan,DUAN Bao-jun,YAN Wei-peng

(Northwest Institute of Nuclear Technology,Xi’an710024,China;State Key Laboratory of Intense Pulsed Radiation Simulation and Effect,Xi’an710024,China)

This paper discusses a new material edge position measurement method which is different from the proton radiograph techniques developed in USA and Russia. As the proton energy produced by the accelerators in China is not high enough, it can’t be used in radiography of objects with areal density over 200 g·cm-2. To solve this problem, a scanning method is adopted using acicular proton beams. Energy loss, transmission factor, scattering angle and scattering beam image of the transmission beams are recorded. Material edge position is given out according to the recorded message. A Monte Carlo program is developed based on Geant 4 simulation toolkit. The scanning test progress is simulated. The simulation results show that transmission factor curve and symmetry characteristic quantity curve can reflect the material edge position with a deviation less than 1 mm, which indicates that the scanning method is effective.

high energy proton;scanning method;concentric spherical shells;edge position measurement

2016-03-29；

2016-06-06 基金项目：强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室基金资助项目(SKLIPR1405)

姚志明(1989-)，男，吉林白山人，助理工程师，硕士，主要从事辐射成像技术研究。

E-mail:yaozhiming@nint.ac.cn

TL99

A

2095-6223(2016)030202(6)