γ射线三维成像装置的制作方法

本发明涉及γ射线成像领域，更具体地，涉及一种用于对泄漏核废料进行成像的三维成像装置以及相关成像方法。

背景技术：

目前，当放射源在贮藏和运输过程中发生了丢失、核废料处理过程中以及核电站和反应堆等地发生放射性污染后，都需要快速检测出放射性污染区域，将位置与实际环境图像进行结合显示，以便生成辐射物热点的分布图像，并进行核素识别，为放射性物质的定位、搜寻以及后续处置提供依据。现在，已经有不少厂家生产的二维γ射线成像系统投入到商业应用中。

传统的成像技术大多数是二维的，这种成像技术在放射源的检测过程中只能给出污染源的二维空间位置，没法呈现出射线污染物距离探测位置的远近信息。在较为复杂凌乱的环境中，基本不能准确地分辨出污染源。例如，存在两个放射源是前后定位时，则在二维图像中显示的是同一位置，即只能显示出一个放射源的位置。另外，在放射源前方有薄壁物体阻挡时，则更无法显示其真实位置。针对现有技术中存在的问题，本发明试图提出一种能够克服现有技术中存在的上述缺陷的相关技术方案。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题中的至少一个方面，本发明的实施例提供了一种γ射线三维成像装置，该成像装置包括第一扫描仪，还包括第二扫描仪，第一扫描仪和第二扫描仪设置成使得第一扫描仪的扫描中心线与第二扫描仪的扫描中心线垂直。γ射线三维成像装置借助于相互垂直地扫描的第一扫描仪和第二扫描仪，分别在相互垂直的平面上对放射源进行成像，通过三角定位法将二维图像合成为三维图像，从而对放射源进行更加准确地三维定位。

根据本发明的γ射线三维成像装置的一个优选的实施例，第一扫描仪和第二扫描仪均包括旋转云台，旋转云台能够使第一扫描仪和第二扫描仪的扫描中心线沿左右方向和上下方向旋转预定角度。

根据本发明的γ射线三维成像装置的再一个优选的实施例，导轨包括相互垂直地设置的第一导轨和第二导轨，第一扫描仪和第二扫描仪分别设置在第一导轨或第二导轨上。

在根据本发明的γ射线三维成像装置的另一个优选的实施例中，第一扫描仪包括第一基座，第一基座滑动地设置在第一导轨上，第二扫描仪包括第二基座，第二基座滑动地设置在第二导轨上。

在根据本发明的γ射线三维成像装置的还一个优选的实施例中，第一扫描仪和第二扫描仪均为二维扫描仪，二维扫描仪包括用于对放射源进行探测的探测单元、用于控制探测单元的动作的控制单元以及用于对数据进行计算和处理的计算单元。

根据本发明的γ射线三维成像装置的又一个优选的实施例，探测单元包括γ射线探测器、用于对外界干扰进行屏蔽的屏蔽体、用于对射线进行准直的准直器、用于获取待测点与成像装置的距离的激光测距仪、用于拍摄待测区域的现场照片的工业相机以及用于对来自γ射线探测器的探测信号进行处理的多道分析器。

在根据本发明的γ射线三维成像装置的另一个优选的实施例中，控制单元包括用于生成指令的控制器、用于接收来自控制器的指令并发出脉冲控制信号的运动控制卡以及用于根据脉冲控制信号驱动电机旋转以带动云台运动的电机驱动器。

根据本发明的γ射线三维成像装置的再一个优选的实施例，计算单元包括对来自所述探测单元的信息进行处理并向控制单元发出控制指令的现场处理计算机和与现场处理计算机通信连接的远程控制计算机。

根据本发明的γ射线三维成像装置借助于两台二维扫描成像仪同时对现场进行扫描，从而得到不同视角上的二维射线强度分布图，根据三角定位法，通过图像处理技术，可以让测量者精确地得到放射源的距离及角度，并通过坐标系转换将一个扫描截面的热点图像叠加到另一个扫描截面上，最终获得一个基于测量点视角的放射源空间的三维定位图，由此为放射源的后续处理工作提供基础保障。

附图说明

通过下文中参照附图对本发明所作的描述，本发明的其它目的和优点将显而易见，并可帮助对本发明有全面的理解。

图1为根据本发明示例性实施例的γ射线三维成像装置的立体示意图。

图2为根据本发明的实施例的γ射线三维成像装置的二维扫描仪的扫描过程示意图。

图3为根据本发明的实施例的γ射线三维成像装置的二维扫描仪的原理示意图。

图4为根据本发明的实施例的γ射线三维成像装置的两台二维扫描仪扫描出的热点图。

图5为根据本发明的实施例的γ射线三维成像装置扫描出的放射源的空间位置示意图。

图6为根据本发明的实施例的γ射线三维成像装置的两台二维扫描仪扫描出两个放射源的热点图。

图7为根据本发明的实施例的γ射线三维成像装置扫描出的两个放射源的空间位置示意图。

需要说明的是，附图并不一定按比例来绘制，而是仅以不影响读者理解的示意性方式示出。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明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的一个实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的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。

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。

针对现有技术中的二维扫描设备不能对放射源进行精确定位的问题，本发明提出了一种γ射线三维成像装置，其由两台二维扫描成像仪组成。两台扫描仪的中心线成垂直方向设置，两台扫描仪的扫描范围的重合区域即为根据本发明的γ射线三维成像系统的有效成像范围。每台扫描仪在自己的范围内进行扫描，最终将两台扫描仪的扫描的结果合成为三维图像。以下结合图1详细说明根据本发明的γ射线三维成像装置的实施例的原理和结构。

根据本发明的γ射线三维成像装置包括第一扫描仪10，第一扫描仪10设置成使其扫描中心线平行于x轴，也就是说，第一扫描仪10能够对yoz平面上的放射源进行扫描和精确定位。进一步地，该γ射线三维成像装置还包括第二扫描仪20，第二扫描仪20设置成使其扫描中心线平行于y轴，也就是说，第二扫描仪20能够对xoz平面上的放射源进行扫描和精确定位。由此可知，第一扫描仪10和第二扫描仪20设置成使得第一扫描仪10的扫描中心线与第二扫描仪20的扫描中心线垂直。

根据本发明的γ射线三维成像装置借助于两台二维扫描仪同时对现场进行扫描，从而得到不同视角上的二维射线强度分布图，根据三角定位法，通过图像处理技术，可以让测量者精确地得到放射源的距离和角度，并通过坐标系转换将一个截面的热点图像叠加到另一个扫描截面上。最终得出一个基于测量点视角的放射源空间定位分布图。

根据本发明的γ射线三维成像装置的第一扫描仪10和第二扫描仪20可以具有相同的结构，两者均包括旋转云台，旋转云台能够使第一扫描仪10和第二扫描仪20的扫描中心线沿左右方向和上下方向旋转预定角度。也就是说，在图1所示的实施例中，第一扫描仪10在云台的驱动下，使得其扫描轴线可以沿着z轴摆动，即第一扫描仪10的扫描范围沿着z轴变化，同时，第一扫描仪10在云台的驱动下，使得其扫描轴线可以沿着y轴摆动，即第一扫描仪10的扫描范围沿着y轴变化。

类似地，第二扫描仪20与第一扫描仪10具有相似的扫描轨迹。第二扫描仪20在云台的驱动下，使得其扫描轴线可以沿着z轴摆动，即第二扫描仪20的扫描范围沿着z轴变化，同时，第二扫描仪20在云台的驱动下，使得其扫描轴线可以沿着x轴摆动，即第二扫描仪20的扫描范围沿着x轴变化。

第一扫描仪10和第二扫描仪20可以分别通过其各自的机架12和22可滑动地设置在导轨40上，使得第一扫描仪10和第二扫描仪20能够分别在导轨40上运动，并且使得第一扫描仪10和第二扫描仪20的扫描轴线成垂直设置。由此，可以使得第一扫描仪10和第二扫描仪20分别对检测区域进行扫描成像，并将由两者扫描的成像数据信息进行组合，以生成检测区域的三维图像。

进一步地，根据本发明的γ射线三维成像装置的导轨40可以包括相互垂直地设置的第一导轨和第二导轨，第一扫描仪10和第二扫描仪20可以分别设置在第一导轨或第二导轨上。当然，也可以将第一扫描仪10和第二扫描仪20设置在同一导轨上，比如设置在同一圆形导轨上，这种情况下第一扫描仪10和第二扫描仪20可以占据四分之一个圆弧，从而使第一扫描仪10的扫描轴线与第二扫描仪20的扫描轴线垂直设置，由此便于分别利用第一扫描仪10和第二扫描仪20对放射源进行二维成像，并将二维图像合成为三维图像。如图1所示，根据本发明的γ射线三维成像装置的第一扫描仪10还包括第一基座14，第一基座14滑动地设置在第一导轨上，第二扫描仪20包括第二基座24，第二基座24滑动地设置在第二导轨上。由此可以使得第一扫描仪10在第一导轨上自由滑动或固定在某一位置处，以及使得第二扫描仪20在第二导轨上自由滑动或固定在某一位置处。

下面将对本发明中所采用的二维扫描仪进行说明，每台二维扫描仪均包括用于对放射源进行探测的探测单元、用于控制探测单元的动作的控制单元以及用于对数据进行计算和处理的计算单元。

其中，探测单元包括γ射线探测器、用于对外界干扰进行屏蔽的屏蔽体、用于对射线进行准直的准直器、用于获取待测点与成像装置的距离的激光测距仪、用于拍摄待测区域的现场照片的工业相机以及用于对来自γ射线探测器的探测信号进行处理的多道分析器。γ射线探测器部分采用高灵敏度、高分辨率的单像元γ探测器，选用直径1英寸×1英寸的溴化镧(labr3)晶体。溴化镧晶体与碘化钠晶体相比具有密度高、能量分辨率高、发光衰减时间快等优点。选择钨合金作为屏蔽体的材料。使用蒙卡模拟计算软件，计算得出屏蔽体的适宜厚度，屏蔽体的最厚部分为2.5厘米，使得从准直器内的准直孔入射的射线数与从非准直孔入射到晶体射线数的比值为100∶1。准直器采用的材质同样为钨合金。设计中考虑到现场拆卸的灵活性和准直孔径的大小等两个方面，准直孔的前部设置有旋拧用的凹槽，能够方便地通过扳手或类似硬币的片材对准直器进行旋拧操作，准直器通过连接螺纹固定到扫描仪上，使得准直其可以用手旋拧数圈即可安装或拆下。在此可以设计多种尺寸的准直孔，比如2度、4度或8度的准直孔。

激光测距仪选用的是测量精度高、环境适应性好的瑞士产激光测距仪。工业相机采用的是国产维视相机，其支持usb传输，数据传输快且方便处理。多道分析器采用的amptek的dp5多道分析器，其为目前最先进的小型化高性能数字多道分析器(mca)。该多道分析器集成了线性放大器和mca两大功能，线性度好、采传数据方便。

根据本发明的γ射线三维成像装置的控制单元包括用于生成指令的控制器、用于接收来自所述控制器的指令并发出脉冲控制信号的运动控制卡以及用于根据所述脉冲控制信号驱动电机旋转以带动云台运动的电机驱动器。控制器通过usb接口发送指令给运动控制卡，运动控制卡根据指令转换成相应的脉冲数发给电机驱动器，电机驱动器带动旋转云台上的电机进行旋转。由于在扫描过程中旋转云台的旋转的误差会给整个系统造成很大的误差，因此旋转云台的定位精度要求很高，需要采用定位精度能够达到5‰的光学旋转云台。

根据本发明的γ射线三维成像装置的计算单元包括对来自探测单元的信息进行处理并向控制单元发出控制指令的现场处理计算机以及与现场处理计算机通信连接的远程控制计算机。现场计算机收集探测系统发来的各种信息，并对控制系统发出指令，控制转台转到不同的空间位置。工控机选用的为嵌入式电脑，长期运行稳定性好，接口丰富，运算速度快。远程控制计算机通过网线与现场计算机相连，控制其操作，降低工作人员在现场可能受到的辐射。

以下对根据本发明的利用二维扫描仪进行二维扫描的成像过程进行简要说明。

在现场测量开始后，利用工业相机拍摄现场照片，软件锁定扫描范围，并发出坐标指令给运动控制卡，运动控制卡控制云台旋转至指定位置。探测器labr3晶体周围被钨屏蔽包围，只有通过准直器内的准直孔进来的射线能够射到晶体上。也就是说，labr3晶体接收到的仅仅是空间中某一特定角度射来的射线。射线射到晶体上发出荧光，经过小型光电倍增管放大成电信号，传送至前置放大器。前置放大器将信号放大后传送至多道分析器，在多道分析器中进行脉冲成型、放大、模数转换等操作，最终将脉冲信号转化为能谱信息传送至现场处理计算机或远程控制计算机。在得到该空间点的射线强度信息的同时，激光测距仪测出该点与探测器的距离传送至现场处理计算机和/或远程控制计算机。距离信息与能谱信息作为同一组数据存储在数据库中。

以下参照附图2对二维扫描过程作以说明。将相机的可视范围划分成n×m个待测区，通过二维云台带动探测器对每个待测区域进行连续定点扫描并采集数据。单点测量完毕，计算机发出指令进行下一点的测量，所有点测量完成后计算机根据测量数据经过插值拟合给出一个二维的热点图，该热点图与之前照下的照片合并给出现场效果图。这里的热点指的是检测到的存在放射源的位置点。由于对每个点都记录了能谱信息，软件会根据事先设定好的能量窗，给出核素信息。进一步结合该点的距离信息，推算出该点的实际剂量率值。

以下结合附图对利用根据本发明的γ射线三维成像装置的扫描成像过程作以说明。

将第一扫描仪10和第二扫描仪20成90度设置，也就是使两个扫描仪的扫描中心线互相垂直，见图2。可以利用通过激光水平仪射出的两条垂直的光束对第一扫描仪10和第二扫描仪20进行定位。把其中一台扫描仪定义为0度扫描仪，比如可以将第一扫描仪10定位为0度扫描仪，将与其相垂直的扫描仪定义为90度扫描仪，此时将第二扫描仪20定义为90度扫描仪。两个扫描仪扫描范围的重叠部分为实际的测量区域。

接着，利用扫描仪自带的测距仪测量第一扫描仪10和第二扫描仪20分别到激光水平仪的距离a、b，进而可以得出两个扫描仪之间的距离c和夹角β3、β4，见图3。

随后，利用两台扫描仪同时对扫描范围内的射线信息进行扫描(为了便于说明，此处只讨论单点放射源的情况)。扫描结束后得到两幅热点分布图像，如图4所示。从第一扫描仪10的热点图中可以得出热点相对于扫描仪的垂直夹角α1和水平夹角β1，从第二扫描仪20的热点图中可以得出热点相对于扫描仪的垂直夹角α2和水平夹角β2。

然后，通过这两组角度信息以及两个扫描仪之间的相互位置，确定放射源在空间的位置。具体推导如下：

图3中β3、β4、c均为已知信息，α1和β1分别为热点相对于第一扫描仪10的检测点的垂直夹角和水平夹角，α2和β2分别为热点相对于第二扫描仪20的检测点的垂直夹角和水平夹角。d为放射源与第一扫描仪10的水平投影距离，r为放射源与第一扫描仪10的空间距离，如图5所示。

其中：

最终放射源的位置可以在以两个扫描仪的扫描中心线的交点位置为原点的坐标系中表示出来。

两台扫描仪扫描后得出放射源相对于第一扫描仪10的垂直夹角α1和水平夹角β1，以及放射源相对于第二扫描仪20的垂直夹角α2和水平夹角β2。由公式(1)算出r值，并可算出放射源在以两个扫描仪的扫描中心线的交点位置为原点的坐标系中的空间坐标(x，y，z)。如图3所示，在此假设第一扫描仪10的位置是(0，y1)，则放射源的坐标(x，y，z)为(r*cosα1*sinβ1，r*cosα1*cosβ1-y1，r*sinα1)。

然后，将一个扫描截面上的热点图通过计算与另一扫描截面上的热点图相融合形成三维视图。以第一扫描仪10与第二扫描仪20的扫描中心线的交点为零点建立坐标系，第一扫描仪10的位置显示在图中x’轴的零点位置，以距离为坐标值，在空间中作出放射源在平行于x’-z’平面的热点分布图。第二扫描仪20的位置显示在图中y’轴的零点位置，作出放射源在平行于y’-z’平面的热点分布图。由此两个热点截面就能够较好地进行空间融合。

以下对探测空间中出现两个或两个以上放射源的情况进行说明，在此情况下将采用排除算法进行解决。如果探测空间中出现两个放射源，则在每个二维热点图中会出现两个热点，如图6所示。这样在图像融合过程中会遇到问题，即第一扫描仪10中的热点图中的第1号热点对应的是第二扫描仪20中的热点图的哪个热点，是第1’号热点还是第2’号热点？由于无法预知放射源距离每台扫描仪的距离，所以无法得知该点位于图像中的位置的高低。

由图7可知对于第一扫描仪10(a点)的位置可以扫描出两个热点的角度坐标(β1a，α1a)、(β2a，α2a)，对于第二扫描仪20也可得出两组坐标(β1b，α1b)、(β2b，α2b)。每组坐标实际上所表示的是空间中一条经过扫描仪的指向热点的射线。对于同一放射源来说，从两个扫描仪射出的热点射线在空间中必然相交的。经排列后有两种可能，即(β1a，α1a)与(β1b，α1b)相交，或者(β1a，α1a)与(β2b，α2b)相交。现在假设放射源1、放射源2、第一扫描仪10的点a以及90扫描仪的点b四点在空间中不是共面的，通过计算(β1a，α1a)与(β1b，α1b)两异面直线之间的距离以及(β1a，α1a)与(β2b，α2b)两异面直线之间的距离，则可以判断那组直线是相交的。考虑到测量误差，取距离最短的那组作为相交直线，即这两条直线的角坐标对应于同一放射源。在实际工作中，如果遇到四点共面的情况，只要将一台扫描仪前后挪动一下，即可使其不再共面。这种方法在三点源的情况下也做了验证，同样取得了良好的成像效果。

根据本发明的γ射线三维成像装置通过两台二维扫描成像仪同时对现场进行扫描，从而得到不同视角上的二维射线强度分布图，根据三角定位法，通过图像处理技术，可以让测量者精确地得到放射源的距离及角度，并通过坐标系转换将一个扫描截面的热点图像叠加到另一个扫描截面上，最终得出基于测量点视角的放射源空间的定位图。由此可以精确地确定放射源的空间位置，为放射物质的后续处理提供基本保障。

对于本发明的实施例，还需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。