一种基于3D扫描的活动估计方法，适用于复杂的源-探测器几何结构

《Applied Radiation and Isotopes》：A 3D scan–driven method for activity estimation under complex source–detector geometries

基于三维扫描的伽马射线效率校准方法通过建模复杂几何实现高精度活动估算。该研究提出利用三维激光扫描系统获取源-探测器完整几何信息，并集成蒙特卡洛模拟进行效率校准，解决了传统方法依赖几何简化导致的误差问题。实验表明，该方法在涡轮状和喷淋头状参考材料中产生的偏差不超过±15%，优于商业软件。分隔符

　　

Jihye Lee|Seungryong Cho|Jiseok Kim|Hyeonggon Kim|Young-su Kim

韩国科学技术院核与量子工程系，大田市，大韩民国

摘要

在伽马射线光谱测量中，对于形状不规则的放射源和偏离轴线的设置，使用几何形状匹配的认证参考材料进行效率校准往往不切实际。为此，已经开发了半经验性的效率校准软件包；然而，由于这些工具依赖于简化的假设和用户定义的参数，它们在处理复杂的源-探测器几何结构时存在局限性，从而导致活性估计出现显著偏差。本研究提出了一种基于三维扫描仪的方法，该方法直接模拟完整的源-探测器几何结构，并将其相对位置纳入蒙特卡洛模拟中进行效率校准。该框架能够在不依赖几何简化的情况下，对复杂几何结构进行精确的活性估计。通过使用制造的淋浴头形和涡轮形参考材料进行了实验验证，结果与使用商业效率转换软件得到的结果进行了比较。所提出的方法复现的认证活性值偏差最大为±15%，而商业软件的偏差则取决于假设的模型尺寸。这一结果凸显了所提出方法在非标准化测量条件下对形状不规则材料进行可靠原位伽马光谱测量的潜力。

引言

伽马光谱测量的应用范围已经扩展到涵盖各种多样化的放射性材料（Moens等人，1981年；Barba-Lobo，2025年）。在传统的伽马光谱测量中，通常通过在与参考材料相同的源-探测器几何结构（例如相对位置、距离和方向（标准ISO 20042:2019）下测量认证参考材料（CRM）来确定检测效率。然而，在实践中，对于形状不规则或复杂的材料（如退役的放射性废物、回收金属以及含有天然放射性物质（NORM）的消费品），重现用于CRM校准的源-探测器几何结构往往是不可行的——因为这些材料无法一致地定位以进行测量（Done等人，2016年；Ahmed，2019年）。

源-探测器几何结构的变化会显著影响检测效率，从而直接影响伽马光谱测量中放射性的准确性（Thabet等人，2025年）。例如，将源到探测器的距离从30厘米增加到60厘米，所有能量范围内的检测效率可能会降低60%以上（Na等人，2023年）。偏离轴线——定义为探测器旋转轴的距离——也被证明会导致检测效率的额外偏差（标准ISO 20042:2019）。这些几何因素是放射性分析中的主要不确定性来源。

已经开发了几种方法来量化或纠正由源-探测器几何结构变化引起的误差（Jovanovi?等人，1997年；Bronson，2003年；Menaa等人，2011年；Thabet等人，2020年；Thabet等人，2025年）。一种方法是手动计算体积源的每个点与探测器之间的有效立体角，然后应用适当的校正因子（Badawi等人，2013年；Badawi等人，2014年；Thabet等人，2020年）。此外，还开发了基于有效立体角的数值方法来推导效率（Badawi，2012年；Badawi等人，2012年；Badawi等人，2014年；Thabet等人，2020年；Thabet等人，2025年）。然而，这种方法只有在已知源和探测器之间的确切相对位置时才能应用。另外，还开发了商业软件包，如In Situ Object Counting System ISOCS（Mirion，美国）和ANGLE（Ortec，美国），这些软件包结合了探测器特性和半经验性效率转换来考虑几何变化（Jovanovi?等人，1997年；Ahmed，2019年）。然而，由于相关的不确定性是基于用户定义的参数范围计算的，这种方法受到源-探测器配置和参数值的影响（Badawi等人，2017年）。

为了克服现有效率校准方法的局限性，本研究引入了一种基于三维（3D）扫描仪的方法，该方法直接模拟整个源-探测器几何结构，提取精确的相对位置信息，并将这些数据整合到蒙特卡洛模拟中以估计检测效率。该框架能够在不依赖简化几何近似的情况下，对复杂或形状不规则的源进行放射性计算。该方法使用具有复杂几何结构的制造参考材料进行了实验验证，并将其性能与传统的软件方法进行了比较。本研究的目的是为不同和复杂的源-探测器几何结构建立更准确、更可靠的放射性测量框架。

部分内容摘录

系统设置

在本研究中，使用了一种臂式3D激光扫描系统（RS5激光扫描仪，配备Absolute Arm 7轴，见图1）来获取源-探测器配置的几何信息。扫描系统的规格总结在表1中。

用于效率校准和活性测量的源-探测器几何结构建模

所提出的方法包括扫描整个源-探测器几何结构，提取源和探测器之间的相对空间关系，并将源和探测器的模型整合到蒙特卡洛模拟中

使用制造的复杂形状源的实验结果

图7显示了整个源-探测器几何结构的3D扫描数据结果。扫描数据成功捕捉到了源模型和探测器的前窗，包括它们之间的相对位置信息。

如图8所示，通过确定轴向量和顶心坐标来估计同轴HPGe探测器的位置。由于HPGe探测器的屏蔽支撑部分是打开的，因此整个端盖不可见。

结论

伽马光谱测量传统上依赖于标准化的辐射测量条件和参考材料来确定检测效率。然而，当无法或难以重现精确的源-探测器几何结构时，传统的伽马光谱测量将面临挑战。为了解决这一限制，本研究提出了一种基于三维扫描仪的方法，以准确确定源-探测器几何结构，从而进行效率校准和放射性估计。

CRediT作者贡献声明

Jihye Lee：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、可视化、验证、软件、方法论、概念化。Jiseok Kim：撰写——审稿与编辑、监督、资源提供。Seungryong Cho：撰写——审稿与编辑、监督、资源提供、概念化。Young-su Kim：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、资金获取、正式分析、概念化。Hyeonggon Kim：资源提供、调查

未引用的参考文献

Thabet等人，2025a；Thabet等人，2025b；Thabet等人，2025c；国际标准化组织，2019年。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了韩国核安全基金会（KoFONS）通过核安全委员会（NSSC）提供的财政资源（编号RS-2024-00401177）以及韩国政府（科学技术信息通信部）资助的韩国国家研究基金会（NRF）的资助（编号RS-2025-02363041）的支持。