γ光子成像检测技术的散射问题解决方法技术

本发明专利技术公开了一种γ光子成像检测技术的散射问题解决方法，属于γ光子散射校正解决方法技术领域。该方法包括以下步骤，步骤一，根据探测器记录的γ光子能量大小，确定γ光子对发生单次散射的散射角大小；步骤二，确定散射角大小后，散射点分别与探测器对的连线即为γ光子对的运行轨迹；步骤三，γ光子对沿其运动轨迹的衰减即为γ光子对的单次散射数目，以一定的比例因子将这部分散射的γ光子数目从原始γ光子对数目中扣除，达到γ光子散射校正的目的。本发明专利技术通过一个具体光子成像检测实验验证了γ光子散射校正解决方法的有效性，实验计算得到γ光子单次散射比例为59.23%，这与仿真平台显示的60%相吻合。

Solution of Scattering Problem in Gamma Photon Imaging Detection Technology

The invention discloses a solution to the scattering problem of gamma photon imaging detection technology, which belongs to the technical field of gamma photon scattering correction method. The method includes the following steps: first, according to the energy of gamma photon recorded by the detector, the scattering angle of gamma photon to single scattering is determined; second, after determining the scattering angle, the lines connecting the scattering points to the detector pairs are the trajectories of gamma photon pairs; third, the trajectories of gamma photon pairs along their trajectories. The attenuation is the number of single scattering of gamma photon pairs. The number of scattered gamma photons is deducted from the number of original gamma photons with a certain proportion factor to achieve the purpose of gamma photon scattering correction. The method is validated by a specific photon imaging detection experiment. The single scattering ratio of gamma photons is 59.23%, which is consistent with 60% of the simulation platform display.

【技术实现步骤摘要】
γ光子成像检测技术的散射问题解决方法
本专利技术涉及一种γ光子成像检测技术的散射问题解决方法，属于γ光子散射校正解决方法

技术介绍
在高端装备制造领域，高精度动力系统、液压驱动系统其内部通常具有较为复杂的腔体结构，腔体结构完整性的离线检测以及运行载体溶剂在腔体中运行状态的在线检测，对优化高端设备复杂件的制造工艺和产品质量具有重要意义。以发动机为例，发动机在高温，高压，高速等恶劣的使用环境下工作，同时承受复杂的交变载荷和环境介质的腐蚀和氧化等作用，因此材料的表面或内部在重复疲劳载荷后产生一种或多种类型的缺陷，例如孔洞、裂纹等。如何离线检查发动机腔体的缺陷是工业测试领域的一个关键问题。增材加工(3D打印)技术在高端装备腔体复杂件加工过程中，如何实时监控其加工工艺及评估其加工高端装备腔体复杂件的完整性是目前增材加工在大众化过程中面临的问题。放射性核素衰变和正电子湮灭的过程是一种自然规律，它不受外界环境和待测复杂件材料的影响。一旦工作介质被适当的放射性核素均匀标记，通过捕获由正电子湮没产生的γ光子来进行高端装备复杂件的离线测试和在线检测。正电子湮没和γ光子3D成像技术目前比较成熟的应用是正电子发射断层扫描(PET)装置，其检测原理如图1所示。HabibZaidi提出PET/CT可以替代PET来提高PET的空间分辨率，MartinSJudenhofer提出较PET/CT，新技术PET/MRI可以获得更高的空间分辨率。但是基于正电子湮没的γ光子3D成像技术在工业无损检测领域还没有人研究过它的应用，美国爱达荷州立大学的SelimFA利用光子诱导正电子湮没(PIPA)方法，采用高能射线照射待测复杂件，使复杂件内部直接产生正电子，结合多普勒展宽谱分析方法进行测试研究。亥姆霍兹研究中心的A.Wagner开发了一种无损正电子湮没寿命谱的新方法，其特征在于进行空间寿命分布的三维层析重建。然而，工业领域使用的γ光子3D成像检测方法仍然局限于实验室理论分析阶段，检测精度远远不能满足要求。将γ光子3D成像方法引入工业领域需要解决的一个主要问题是，与医学领域中的低密度生物体相比，高端装备复杂件通常由高密度的金属和/或合金制成，对于这样的高端装备复杂件，能量为511KeV的γ光子穿透待测复杂件事，可能会因为康普顿效应而发生散射符合事件，从而使γ光子对的运行轨迹由直线变为折线，如图2所示，因此需要精确的γ光子散射校正来构建其内腔的高分辨率3D图像。目前γ光子散射校正方法主要有以下四种：一是在探测器环设置多个能量窗口，将能量为400KeV-511KeV的γ光子记为未发生散射事件，其它能量范围的γ光子则记为发生散射事件；二是将探测器环采集的原始γ光子数据进行图像重建，重建图像中的低频部分所对应的γ光子数据即为γ光子散射符合事件，将低频图像对应的γ光子数据记为γ光子散射符合事件；三是将线源测得的峰值作为卷积核，利用卷积或反卷积方法估计散射γ光子的分布；四是将实验过程的中γ光子散射信息通过严格的MonteCarlo程序模拟估计出来，从root数据中人工筛选出散射的γ光子。上述现存的γ光子散射校正方法都存在散射校正精度低、收敛速度慢、人为设定参数等缺点。
技术实现思路
针对基于正电子湮没的γ光子3D成像检测方法中的γ光子散射校正问题，本专利技术提出了一种γ光子成像检测技术的散射问题解决方法，从空间几何角度分析发生散射的γ光子对的运动轨迹，根据探测器记录的γ光子对能量大小，准确计算出散射的γ光子对数目。本专利技术为解决其技术问题采用如下技术方案：一种γ光子成像检测技术的散射问题解决方法，包括以下步骤：步骤一，根据探测器记录的γ光子能量大小，确定γ光子对发生单次散射的散射角大小；步骤二，确定散射角大小后，散射点分别与探测器对的连线即为γ光子对的运行轨迹；步骤三，γ光子对沿其运动轨迹的衰减即为γ光子对的单次散射数目，以一定的比例因子将这部分散射的γ光子数目从原始γ光子对数目中扣除。步骤一的具体过程如下：正电子湮没产生的γ光子对能量为511KeV，由公式511/E′＝2-cos(θ)，其中：E′为探测到的光子能量，只要γ光子击中探测器，其能量大小即确定，进而该对γ光子发生单次散射的散射角度θ大小即确定。步骤三的具体计算过程如下：假设A、B为探测器环的一对探测器，A用来记录同一个正电子湮没事件中未发生散射的γ光子，B用来记录同一个正电子湮没事件中发生散射的γ光子，f为核素活度在内腔中的分布函数，μ为复杂件的衰减系数.S为γ光子散射点，假设A、B距离为d，散射角为θ，探测器A、B的截面尺寸为mxn，则γ光子沿轨迹CA、SB运行，并被探测器A、B记录的概率可计算出，并分别记为PCA和PSB，γ光子在S邻域内发生散射的概率记为PS,γ光子在视角α内被探测器A记录的概率记为Pα，发生散射的γ光子在视角β内被探测器B记录的概率记为Pβ，建立Ψ-Φ-r极坐标系，则f＝f(Ψ,Φ,r)，μ＝μ(Ψ,Φ,r)，记ξ(A,B)为探测器A、B记录以θ为散射角的γ光子单次散射符合事件数目：其中：Ψ为极坐标角度，Φ为另一极坐标角度，r为极坐标半径，为微分散射截面，h为该对探测器的距离，l为光子运行路径，将(2)代入(1)，即可得到发生单次散射的γ光子数：本专利技术的有益效果如下：本专利技术提出的γ光子散射校正方法，提高了检测精度。该方法从空间几何角度分析散射的γ光子运动轨迹，根据探测器记录的γ光子能量信息，准确计算出发生散射的γ光子数目，并将这部分散射的γ光子从采集的原始γ光子数据中剔除，提高了γ光子成像检测技术的检测准确性。附图说明图1为光子成像检测方法示意图，其中：1、γ光子探测器环，2、高端装备复杂件，3、实验载物台。图2为γ光子真实符合事件和单次散射符合事件示意图，其中：4、γ光子探测器，5、正电子，6、响应线(LOR)。图3为散射的γ光子运动轨迹示意图。图4高端装备复杂件内腔结构示意图，其中：7、内腔直径，8、螺距，9、螺旋直径。图5为实验仿真平台——GATE。具体实施方式下面结合附图对本专利技术创造做进一步详细说明。目前，工业领域具有内腔结构的复杂件其腔体通常较为复杂且位于复杂件一定深度的位置，特别在航空领域，通常复杂件外表面附着一层致密陶瓷基，这样的结构设计使常规无损检测方法失去其检测意义，而以正电子湮没和γ光子探测为理论基础，提出的基于γ光子3D成像检测技术则很好地解决复杂件的检测任务，同时γ光子极强的穿透能力及其呈电中性的特性，决定了该检测技术并不会受检测对象材质、内腔结构、周围电场、磁场等因素变化的影响。但是工业领域具有内腔结构的复杂件其材质密度较生物体相比要大得多，γ光子在穿透复杂件到达LYSO探测器环时，记录到的γ光子散射符合事件的比例约占总γ光子符合事件的30％～70％，这会严重影响γ光子3D成像精度。实验时核素β+衰变产生正电子，正电子湮没产生一对能量为511KeV、方向互成180°的γ光子，这对γ光子形成一条响应线(LOR)，然而，γ光子对从产生到被探测器对记录的过程中，由于康普顿散射等因素影响，其运动轨迹由直线变为折线，称为散射的γ光子对，为保证光子成像检测技术的检测结果准确性，这部分散射的γ光子对在图像重建前要从实验数据中剔除的。发生散射的γ光子对绝本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种γ光子成像检测技术的散射问题解决方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，根据探测器记录的γ光子能量大小，确定γ光子对发生单次散射的散射角大小；步骤二，确定散射角大小后，散射点分别与探测器对的连线即为γ光子对的运行轨迹；步骤三，γ光子对沿其运动轨迹的衰减即为γ光子对的单次散射数目，以一定的比例因子将这部分散射的γ光子数目从原始γ光子对数目中扣除。

【技术特征摘要】
1.一种γ光子成像检测技术的散射问题解决方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，根据探测器记录的γ光子能量大小，确定γ光子对发生单次散射的散射角大小；步骤二，确定散射角大小后，散射点分别与探测器对的连线即为γ光子对的运行轨迹；步骤三，γ光子对沿其运动轨迹的衰减即为γ光子对的单次散射数目，以一定的比例因子将这部分散射的γ光子数目从原始γ光子对数目中扣除。2.根据权利要求1所述的γ光子成像检测技术的散射问题解决方法，其特征在于，步骤一的具体过程如下：正电子湮没产生的γ光子对能量为511KeV，由公式511/E′＝2-cos(θ)，其中：E′为探测到的光子能量，只要γ光子击中探测器，其能量大小即确定，进而该对γ光子发生单次散射的散射角度θ大小即确定。3.根据权利要求1所述的γ光子成像检测技术的散射问题解决方法，其特征在于，步骤三的具体计算过程如下：假设A、B为探测器环的一对探测器，A用来记录同一个正电子湮没事件中未发生散射的γ光子，B用来记录同一个正电子湮没事件中发生散射的γ光子，f为核素活度在内...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖辉，赵敏，刘兼唐，姚敏，郭瑞鹏，徐君，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32