一种强脉冲伽马辐射剂量场分布测量与诊断装置及方法与流程

本发明属于实验技术领域，具体涉及一种强流加速器产生的强脉冲伽马辐射剂量场强度分布的测量与诊断装置及方法。

背景技术：

强脉冲伽马辐射剂量场强度分布测量是强脉冲辐射环境诊断的重要项目，准确快速地获取剂量场分布信息，是有效开展高剂量率效应实验的前提；由于强脉冲伽马辐射时间短(～100ns)、强度高(剂量率～10⁹(si)gy/s)，常规的辐射探测器无法直接进行测量，目前国内外通常采用热释光剂量片测量强脉冲伽马辐射的剂量场强度分布。

强脉冲伽马辐射剂量场分布测量与诊断亟待解决的问题是：

1、强脉冲辐射产生的辐射区域大，直径约φ9cm，面积约80cm²，且可重复性差，每次辐射区域位置和强度都会发生变化，在已经完成的数千次实验中，每次脉冲辐射场强度分布都是不同的，必须对每一次强脉冲辐射实验的剂量场强度分布进行测量与诊断；

2、由于靶面辐射场呈非对称分布，必需足够多的热释光剂量片构成阵列以保证辐射场强度分布空间分辨力，热释光剂量片需要人工淬火读取数据，测量时间成本太高；

3、热释光剂量片在测量过程中容易破碎，造成关键数据丢失；

4、电子和中子干扰严重，同时还存在强电磁干扰，需要增加屏蔽以降低对强脉冲测量和诊断的影响；

5、强脉冲辐射场区域无法提供更多的空间来增加屏蔽，而且增加屏蔽会导致强脉冲辐射场区域的环境参数发生变化。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种强脉冲伽马辐射剂量场分布测量与诊断装置及方法，解决强脉冲辐射时间短、强度高且不确定度大、剂量场区域大且强度分布随机、多种粒子散射本底干扰严重、电磁干扰强、测量与诊断可用空间非常有限的问题。

本发明采用以下技术方案：

一种强脉冲伽马辐射剂量场分布测量与诊断装置，，包括强流加速器、散射靶、准直屏蔽系统、针孔照相系统、以及俘获穴系统，强流加速器设置在散射靶的一侧，准直屏蔽系统设置在散射靶的另一侧上方，针孔照相系统设置在准直屏蔽系统内，针孔照相系统后端设置有ip成像板，俘获穴系统设置在准直屏蔽系统外部，靠近ip成像板。

具体的，散射靶放置在距离强流加速器阳极靶3～10cm处，与阳极靶平行，与射线束方向垂直。

进一步的，散射靶的厚度为0.1～3mm，采用铜、铝、不锈钢或有机玻璃材料制成。

具体的，散射靶与准直屏蔽系统的距离为50～100cm。

具体的，准直屏蔽系统为复合结构，包括含硼聚乙烯的外层结构、不锈钢板支架以及铅材料的内层结构。

具体的，针孔照相系统从内至外依次包括针孔、屏蔽层以及不锈钢板支架，针孔和屏蔽层均采用铅材料制成。

具体的，强流加速器出束端引出0～10mev的连续谱，连续谱为强脉冲辐射伽马光子，平均能量为1.1mev，等效剂量系数为4.33pgycm²。

一种强脉冲伽马辐射剂量场分布测量与诊断方法，利用所述的强脉冲伽马辐射剂量场分布测量与诊断装置，包括以下步骤：

s1、从强流加速器前端二极管部分引出的强脉冲伽马辐射光子打到散射靶上，被散射靶散射的伽马光子偏离强脉冲伽马辐射束方向；

s2、伽马光子经散射靶散射后进入准直屏蔽系统，伽马光子通量下降3～4个量级，然后穿过屏蔽准直系统内的针孔，在ip成像板沉积能量并形成潜影；

s3、采用非负线性最小二乘法进行剂量场强度分布重建；

s4、根据步骤s3的重建结果确定强脉冲伽马辐射场剂量场分布。

具体的，步骤s3中，划分源面网格，以网格中心点的psf替代整个网格psf，采用mcnp计算获取该空变psf；使用matlab及labview混合编程实现自动网格生成及psf获取和计算处理，获取空变psf后，根据ip成像板的二维图像，采用非负线性最小二乘法进行重建得到散射靶处的散射伽马剂量场强度分布x。

进一步的，对n×k的矩阵a进行qr分解，计算散射靶处的散射伽马剂量场强度分布x如下：

min||ax-b||＝min||qrx-b||＝min||rx-q^-1b||

其中，b为n×1的列向量，q为n×k正交矩阵，r为k×k上三角矩阵。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种强脉冲伽马辐射剂量场分布测量与诊断装置，将针孔照相系统布置在偏离强脉冲伽马辐射束方向的多层材料准直屏蔽体内，可以有效降低多种辐射本底噪声，消除电磁干扰，提高ip成像板的信噪比，同时对可用实验区域强脉冲辐射环境不会造成大的影响，能保证高剂量率效应等实验研究正常进行，薄散射靶散射较小部分强流加速器产生的脉冲射线束伽马光子；准直屏蔽系统能有效降低多种粒子散射本底及电磁干扰，提高ip板实验成像的信噪比；针孔照相系统可以获得实验散射伽马的二维图像；俘获穴系统能进一步降低进入针孔照相系统的粒子散射本底，提高ip板实验成像的信噪比；ip成像板具有高量子效率、大动态范围、良好的能谱线性响应和高信噪比、操作简单等优点，适合对平均能量1.1mev伽马光子的散射进行成像测量。

进一步的，距离出束端面3～10cm处布置合适材料、大小和厚度的薄靶，伽马光子经薄靶散射后进入准直屏蔽系统，伽马光子通量下降3～4个量级，约2.31×10¹⁶cm^-2s^-1，薄靶散射降低强度后再测量，解决脉冲辐射强度高的问题，适合用ip成像板进行测量与诊断。

进一步的，在高剂量率效应实验可用的有限区域布置薄散射靶，用以散射3～10％强流加速器产生的脉冲射线束伽马光子，来对强脉冲伽马射线剂量场强度分布进行测量，同时对可用实验区域强脉冲辐射场环境不会造成大的影响，能保证高剂量率效应实验研究正常进行。

进一步的，强流加速器在不同工作状态下产生的强脉冲辐射特征不同，需要有针对性的选择铜、铝、不锈钢或有机玻璃等材料和合适厚度的散射靶。

进一步的，强流加速器在不同工作状态下产生的强脉冲射线不仅有伽马，还有中子和电子，且中子和电子强度较高，复合结构的准直屏蔽系统可用有效慢化、吸收并降低多种粒子及散射本底对测量的影响。

进一步的，复合屏蔽系统内部的针孔照相系统降低多种粒子散射本底干扰，提高ip成像板实验成像信噪比。

本发明还公开了一种强脉冲伽马辐射剂量场分布测量与诊断方法，解决在强脉冲辐射时间短、强度高且不确定度大、剂量场区域大且强度分布随机、多种粒子散射本底干扰严重、电磁干扰强、测量与诊断可用空间非常有限等极端条件下，快速准确的实现对强脉冲辐射剂量场强度分布测量的难题。

进一步的，将源面网格划分，采用非负线性最小二乘法进行重建得到散射靶处的散射伽马剂量场强度分布，解决在强脉冲辐射时间短、强度高且不确定度大、剂量场区域大且强度分布随机、多种粒子散射本底干扰严重、电磁干扰强、测量与诊断可用空间非常有限等极端条件下，快速准确的实现对强脉冲辐射剂量场强度分布测量的难题。

综上所述，本发明可快速为多种应用研究实验提供准确的强脉冲伽马辐射场强度分布参数，为强脉冲辐射环境产生提供强脉冲物理过程诊断所需参数，将大幅降低获得此参数的时间和人力成本，可保证多种应用研究实验顺利进行，促进强脉冲辐射环境模拟技术水平提高。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明装置结构示意图；

图2为环形平面源及mcnp模拟散射γ射线针孔成像得到的图像，其中，(a)为源图像，(b)为散射γ射线针孔成像的模拟图像；

图3为环形平面源散射γ射线针孔成像图像的源图像重建结果，其中，(a)为5x5源面网格划分，(b)为10x10源面网格划分，(c)为20x20源面网格划分。

其中：1.强流加速器；2.散射靶；3.准直屏蔽系统；4.ip成像板；5.俘获穴系统；6.针孔照相系统。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参阅图1，本发明一种强脉冲伽马辐射剂量场分布测量与诊断装置，包括强流加速器1、散射靶2、准直屏蔽系统3、针孔照相系统6、ip成像板4以及俘获穴系统5，强流加速器1设置在散射靶2的一侧，准直屏蔽系统3设置在散射靶2的另一侧上方，针孔照相系统6设置在准直屏蔽系统3的内部，ip成像板4设置在针孔照相系统6的末端，俘获穴系统5设置在准直屏蔽系统3的外部一侧，靠近ip成像板4，可有效降低散射对成像效果的影响。

从强脉冲加速器出束端引出的强脉冲辐射伽马光子为0～10mev的连续谱，其平均能量为1.1mev，等效剂量系数为4.33pgycm²，计算1×10⁹gy(si)/s剂量率对应的伽马光子通量约2.31×10²⁰cm^-2s^-1；

散射靶2散射的剂量强度在ip成像板4的量程动态范围内，可测量读出散射靶2散射伽马的离轴强度分布灰度图像，

散射靶2所选材料为铜、铝、不锈钢、或者有机玻璃，不同材料的厚度也不同，从0.1mm到3mm，放置在距离强流加速器1阳极靶3～10cm左右处，与阳极靶平行，与射线束方向垂直。

准直屏蔽系统3为复合结构，包括含硼聚乙烯外层、不锈钢板支架和铅材料内层。

针孔照相系统6包括铅制成的针孔，外面铅制屏蔽层，最外面为不锈钢板支架，后端成像板材料选用对1mev伽马能量相应较好的ip成像板4，针孔照相系统6与准直屏蔽系统3使用铅材料加工件适配。根据强流加速器不同工作状态需求可以调整针孔为双孔、多孔、迷宫孔或者环状孔设计。

优选的，ip成像板可换为辐射转换屏(辐射像探测器)再加全反射镜(或者全反射薄膜)偏转，最后用位置灵敏光电倍增管(pspmt)或ccd相机实现数字化灰度值。

本发明一种强脉冲伽马辐射剂量场分布测量与诊断方法，采用合适的重建方法计算得到散射靶2处的剂量场强度分布，由于散射靶2处的散射伽马剂量场强度分布与强脉冲伽马辐射场的剂量场强度分布是一致的，进而可以给出强脉冲伽马辐射场剂量场分布，包括以下步骤：

s1、从强流加速器1前端二极管部分引出的强脉冲伽马辐射光子打到散射靶2上，被散射靶2散射的伽马光子偏离强脉冲伽马辐射束方向；

s2、伽马光子经散射靶2散射后进入距离约50～100cm处的准直屏蔽系统3，伽马光子通量下降3～4个量级，约2.31×10¹⁶cm^-2s^-1，然后穿过屏蔽准直系统3内的厚针孔，在ip成像板4沉积能量并形成潜影；

s3、采用非负线性最小二乘法进行剂量场强度分布重建；

psf是图像重建方法的基础，psf的精确与否是决定图像重建效果的关键因素。将源面网格划分，以网格中心点的psf替代整个网格psf，采用mcnp计算获取该空变psf。使用matlab及labview混合编程可实现自动网格生成及psf获取和计算处理，获取空变psf后，可根据实验ip板二维图像，采用非负线性最小二乘法进行重建得到薄散射靶处的散射伽马剂量场强度分布；

散射成像问题简化如下：

d＝c*x

其中，d为像分布，c为psf矩阵，x为源分布，算法的基本数学表达式如下：

最小二乘法(又称最小平方法)是一种数学优化技术。它通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配。利用最小二乘法可以简便地求得未知的数据，并使得这些求得的数据与实际数据之间误差的平方和为最小。

最小二乘法的矩阵形式为：

ax＝b

其中，a为n×k的矩阵，x为k×1的列向量，b为n×1的列向量。

如果n＞k，方程的个数大于未知量的个数，这个方程系统称为矛盾方程组(overdeterminedsystem)；

如果n＜k，方程的个数小于未知量的个数，这个系统就是underdeterminedsystem。正常来看，这个方程是没有解的，但在数值计算领域，计算min||ax-b||，解出其中的矩阵x，比较直观的做法是求解a^tax＝a^tb，但通常比较低效。

本发明对n×k的矩阵a进行qr分解如下：

min||ax-b||＝min||qrx-b||＝min||rx-q^-1b||

其中，b为n×1的列向量，q为n×k正交矩阵，r为k×k上三角矩阵。

在matlab中，可以很方便的进行矩阵x的求解，解出的矩阵x就是散射靶处的剂量场强度分布。

s4、薄靶处的散射伽马剂量场强度分布与强脉冲伽马辐射场的剂量场强度分布是一致的，最小二乘法解出的矩阵x就是散射靶处的重建剂量场强度分布，根据重建结果可以给出强脉冲伽马辐射场剂量场分布。

在前期可通过实验标定或刻度给出ip板实验成像潜影灰度值和剂量场强度之间的换算系数。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

模拟定义了一个环状面源，源图像和模拟得到的照相图像如图2所示；重建结果如图3所示，可以看出，源面网格划分越多，重建图像与源图像越符合。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。