基于点源空间效率函数的层析γ扫描体素效率刻度方法技术

本发明专利技术公开了一种解决已有方法通用性差、工作量大、计算繁冗的层析γ扫描体素效率刻度方法。该方法首先采用MCNP程序计算在TGS系统探测空间和多个γ射线能量下的离散点源效率，结合所提出的点源空间效率函数模型，采用多元非线性回归拟合方法，建立效率刻度函数。其次根据实际核废物桶体素划分方式确定各体素中心位置坐标，通过TGS发射测量获取γ射线能量。最后将体素中心位置坐标和γ射线能量带入效率刻度函数，快速、准确的计算各个体素的效率。采用该方法在探测系统不变的情况下，对于探测区域内的任意核废物桶位置、断层个数、体素划分方式及体素个数，均可快速、准确实现体素效率刻度，使刻度实现过程通用化、简单快捷化，且效率刻度工作量小。

【技术实现步骤摘要】
基于点源空间效率函数的层析γ扫描体素效率刻度方法
本专利技术涉及在核废物桶层析γ扫描分析过程中，一种基于点源空间效率函数的体素效率刻度的方法。
技术介绍
在核废物桶γ无损检测分析中，层析γ扫描技术(TomographicGammaScanning，TGS)是将CT成像理论应用到非均匀核废物桶无损检测技术中，实现了桶内介质线衰减系数的三维成像、放射性核素含量分布的三维成像，能够分析出放射性核素的种类、含量、位置信息。TGS技术是目前公认的最先进的检测技术之一。TGS技术实现核废物桶的检测分析，分为透射测量和发射测量两个部分，通过透射测量重建桶内介质线衰减系数分布图像，通过发射测量重建桶内放射性核素活度分布图像。在透射测量中，先将核废物桶纵向分为若干断层，再将每一断层划分为若干体素，通过准直后的γ射线束对每一断层进行透射扫描，结合被检测桶的平移和旋转，最终完成核废物桶的TGS检测。根据γ射线衰减定律，窄束γ射线在物质中的衰减规律：Ii＝I0·exp(-μx)式中，I0为原始射线强度，Ii为经过物质衰减后的射线强度，μ为线衰减系数，x为衰减距离。因此，核废物桶TGS透射测量的过程，可以描述为：令Ii/I0＝Pi，定义Vi＝-ln(Pi)，则有：式中，I0为未放置核废物桶时的探测器计数率，Ii为放置核废物桶时的探测器计数率，μj为第j个体素的线衰减系数，xij为在第i次测量位置时γ射线穿过第j个体素的径迹长度。通过求解TGS透射测量方程，重建不同γ射线能量的线衰减系数分布图像(TGS透射图像)。通过重建的透射图像，对桶内核素自发γ射线在体素中的线衰减系数进行校正。在TGS发射测量中，关闭透射源，以同样的扫描方式，测量核废物桶中的放射性核素，获取放射性核素种类和特征峰计数。根据放射性样品活度计算：式中，A为放射性活度，n为探测器计数率，ε为探测效率，f为γ射线发射率分支比。因此，TGS发射测量的过程，可以描述为：Fij＝εijDij式中，ni表示第i个测量位置测到样品中所有体素发射的γ射线的计数率；Fij表示表示经过自吸收衰减校正后的效率矩阵元；Aj表示第j个体素放射源的活度；εij是探测器在第i个扫描测量位置对第j个体素的探测效率；Dij表示探测器在第i个扫描测量位置第j个体素发射的γ射线被介质吸收衰减的因子；μk为第k个体素的线衰减系数；xijk表示探测器在第i个扫描测量位置测到第j个体素发射的γ射线在到达探测器之前所经过的路径上被第k个体素吸收衰减的线衰减厚度。通过求解TGS发射测量方程，重建桶内核素活度分布图像(TGS发射图像)，进而获取桶内核素总活度。在核废物桶TGS检测中，为了求解上述TGS发射测量方程，那么必须要先进行体素效率刻度，计算探测器在第i个扫描测量位置对第j个体素的探测效率εij，体素效率计算的准确性直接影响核素活度分布图像重建的准确性。常见的体素效率刻度方法有三种：(1)、应用最为广泛的是蒙特卡罗模拟方法，该方法根据固定的探测系统尺寸和体素划分方式，建立物理模型，直接计算探测器对各个体素发射特征γ射线的探测效率。(2)实验刻度方法，根据固定的探测系统尺寸和体素划分方式，将实验标准源置于体素所处的各个位置，通过实验测量得到体素探测效率。(3)建立探测效率数据库方法，该方法通常采用蒙特卡罗模拟，根据固定的探测系统尺寸和体素划分方式，建立物理模型，对常见的多种γ核素进行模拟，计算探测系统对各个体素发射常见特征γ射线的探测效率，建立不同体素划分方式下多种特征能量γ射线的探测效率数据库，根据实际发射测量所得核素种类，调用相应的探测效率值。常见的蒙特卡罗模拟方法，只能在TGS发射测量完毕后，根据出射的γ射线能量，再进行针对性的体素探测效率计算，该方法往往在体素划分方式确定情况下，针对单一核素或者少数几种核素进行探测效率计算，具有滞后性，且不具备快速简便性。实验效率刻度方法，受到实验源的限制，仅能对已有的实验标准源进行探测效率测量，效率刻度的范围较窄。建立探测效率数据库的方法，理论上是一种比较完备的方法，然而由于核废物桶内的核素种类多样性，在体素效率实际计算中，工作量巨大，时间成本高，该方法的实用性受到了局限。常见的三种方法都受到整个系统固定尺寸和体素效率划分方式的局限，一旦TGS系统探测部分与桶的相对位置发生变化，或者体素划分方式发生变化，效率刻度就得重新再做一遍，均不具备灵活通用性。同时，当重建的TGS图像空间分辨率较高时，体素尺寸被划分很细，单个断层具有上千个体素，传统方法将带来巨大的工作量大，在实际应用中不具可行性。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种通用性强，工作量小，简便快捷，准确度高的核废物桶层析γ扫描体素效率刻度方法。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：提出了一种基于点源空间效率函数的层析γ扫描体素效率刻度的方法，包括以下步骤：1)建立探测系统点源空间效率函数；采用探测器对γ点源的探测效率进行测量，建立点源空间效率函数模型为分段函数如下：当γ射线能量E<0.122MeV时：当γ射线能量E≥0.122MeV时：式中，ε(x,y,z,E,ai)为点源效率，(x,y,z)为点源坐标位置，ai(i＝1,2,…,10)为函数参数；2)多元非线性回归拟合方法确定函数参数；根据实际层析γ扫描探测系统的可探测区域范围，分别选定x、y、z的取值范围，均取离散点，γ射线能量选取范围：低能段范围0.01-0.122MeV，中高能段范围0.122-1.408MeV，γ射线能量同样取离散点；通过MCNP程序建立探测系统物理模型，在探测区域内的各个离散点位置处，计算探测系统对点源发射多个离散能量γ射线的探测效率；基于步骤1)中所提出的点源空间效率函数和步骤2)中得到的离散点源探测效率值，采用多元非线性回归拟合方法，使用Matlab，获取函数参数ai(i＝1,2,…,10)；3)根据体素划分方式确定各体素中心位置；根据核废物桶体素划分方式，包括两种方式：在直角坐标体系中，将体素划分为正方体形状；在极坐标体系中，将体素划分为扇形体形状；每种划分方式均采用以下步骤确定各体素中心位置：先将桶进行纵向分为若干断层，每个断层在分为若干体素；在所建立的探测系统坐标系里面，根据各个体素在探测空间中的划分顺序，确定各体素中心位置为(x,y,z)；4)体素效率计算；采用细小网格体素划分，此时体素尺寸非常小，体素效率等效于体素中心点的效率，采用点源空间效率函数计算体素中心点效率，根据TGS发射测量，获取桶内出射γ射线的能量E；将步骤3)中各个体素中心所处的坐标(x,y,z)、步骤4)中桶内出射γ射线能量E、步骤2)中函数参数ai带入步骤1)中建立的效率函数，计算得到探测系统对各个体素的探测效率。进一步的，在步骤2)中基于步骤1)中所提出的点源空间效率函数和步骤2)中得到的离散点源探测效率值，采用多元非线性回归拟合方法，使用Matlab，获取函数参数ai(i＝1,2,…,10)。本专利技术的有益效果是：本专利技术所述的基于点源空间效率函数确定层析γ扫描体素效率刻度的方法，具有以下优点：1、该方法通过建立点源空间效率函数实现细小体素效率计算，具有较高的准确性。根据所处探测空间位置和多个能量处的离散点源效率，结合所提本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于点源空间效率函数的层析γ扫描体素效率刻度方法，其特征在于，包括以下步骤：1)建立探测系统点源空间效率函数；采用探测器对γ点源的探测效率进行测量，建立点源空间效率函数模型为分段函数如下：当γ射线能量E

【技术特征摘要】
1.基于点源空间效率函数的层析γ扫描体素效率刻度方法，其特征在于，包括以下步骤：1)建立探测系统点源空间效率函数；采用探测器对γ点源的探测效率进行测量，建立点源空间效率函数模型为分段函数如下：当γ射线能量E<0.122MeV时：当γ射线能量E≥0.122MeV时：式中，ε(x,y,z,E,ai)为点源效率，(x,y,z)为点源坐标位置，ai(i＝1,2,…,10)为函数参数；2)多元非线性回归拟合方法确定函数参数；根据实际层析γ扫描探测系统的可探测区域范围，分别选定x、y、z的取值范围，均取离散点，γ射线能量选取范围：低能段范围0.01-0.122MeV，中高能段范围0.122-1.408MeV，γ射线能量同样取离散点；通过MCNP程序建立探测系统物理模型，在探测区域内的各个离散点位置处，计算探测系统对点源发射多个离散能量γ射线的探测效率；基于步骤1)中所提出的点源空间效率函数和步骤2)中得到的离散点源探测效率值，采用多元非线性回归拟合方法，获取函数参数ai(i＝1,2,…,10)；3)根据体素划分方式...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑洪龙，庹先国，石睿，李怀良，王琦标，邓超，李志刚，何艾静，刘威，王叶蔺，
申请(专利权)人：四川理工学院，西南科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51