用于提高康普顿相机探测效率的新型环状吸收体几何设计.pdf
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1、59(2)230Journalof BeijingNormalUniversity(NaturalScience)2023-04北京师范大自然科学版用于提高康普顿相机探测效率的新型环状吸收体几何设计杨皓1,2)袁子泉1,2)薛东阳1,2)江建勇1+(1)北京师范大学核科学与技术学院,北京,10 0 8 7 5;2)北京师范大学物理学系,北京,10 0 8 7 5)摘要康普顿相机成像技术在许多领域都有重要应用.通过Geant4蒙特卡罗模拟和实验,本文提出了一种新型高灵敏度环状吸收体结构康普顿相机,并对比了该结构康普顿相机与传统双层面结构康普顿相机的探测效率和角度分辨率.模拟中,双层面结构康普顿相
2、机散射体和吸收体均包含8 8 的Ce:Gd(Al,Ga),O12(G A G G)闪烁体探测器。散射体探测器单元尺寸为10 mm10mm5mm,吸收体探测单元尺寸为10 mm10mm10mm.新型环状吸收体结构康普顿相机散射体与双层面结构康普顿相机散射体相同,吸收体探测器单元分布在一个内半径51.5mm、外半径约7 3.9 mm的环状结构上,总探测单元数与双层面结构康普顿相机吸收体探测器数相同,每个探测器单元尺寸为10 mm10mm10mm.模拟和实验结果显示,在角度分辨率相当甚至更优的情况下,新型环状吸收体结构康普顿相机的探测效率显著优于双层面结构康普顿相机,当散射体和吸收体距离 114mm
3、时,探测效率提高幅度超过1倍.关键词康普顿相机;滤波反投影;Geant4模拟;蒙特卡罗模拟中图分类号TL812+.1D0I:10.12202/j.0476-0301.20222480引言康普顿相机是一种射线成像技术 I-2,依据康普顿散射原理 3 来判断人射射线的方向,具有电子准直4的成像特点如图1所示,传统的双层面结构康普顿相机由2个位置灵敏的探测器阵列组成,分别是散射体探测器(以下简称散射体)和吸收体探测器(以下简称吸收体).一次有效的符合探测如下:能量为E,的光子人射到散射体上并与散射体发生康普顿散射,位置灵敏的散射体记录下康普顿散射位置r与沉积能量E,散Er,Ea1r,Es吸收体散射体
4、图1康普顿相机成像原理示意射光子逃出散射体、人射到吸收体上并与之发生相互作用,位置灵敏的吸收体探测器记录下作用位置r.和沉积能量E.由能量守恒定律和动量守恒定律得到散射角w的计算式为m.c?E,cOS W=1(1)E,(E,-E.)式中m.c?=511keV.可确定放射源位于一个顶点为s=r,轴线方向为t=ra-r,且半顶角为w的圆锥面上,如图1所示。将多次有效的符合探测进行反投影,得到放射源的分布情况。康普顿相机成像技术在许多领域都有重要应用 5-6 。例如,Watanabe等 7 开发了可以搭载于卫星并进行宇宙发展过程研究的康普顿相机.Harayama等 8 和Jiang等 9 将康普顿成
5、像技术应用到日本福岛核泄漏事故造成的核污染的成像。此外,加拿大的研究团队开发了用于放射性物质的安全调查 10 、放射性事故补救 和实现快速定位辐射源 12 的康普顿相机;欧洲的研究团队开发了可用于安全、医疗等领域113的便携式康普顿相机 14.相对于利用机械准直对放射*国家自然科学基金资助项目(12 10 50 18);北京市科技新星计划资助项目(Z211100002121129);北京师范大学引进人才经费资助项目(312232104)十通信作者:江建勇,副教授.研究方向:辐射探测与成像.E-mail:j i a n y o n g b n u.e d u.c n收稿日期:2 0 2 2-10
6、-0 1231杨皓等:用高康普顿相机探测效率的新型环状吸收体几何设计第2 期源进行成像的伽马相机,康普顿相机灵敏度高,可探测能量范围大,视野更广。通常情况下,无论是核泄漏的放射源成像还是放射性物质的安全监测,乃至空间辐射成像,康普顿相机的成像目标总是在一定距离以外(几米到几十米,或者更远).对于远场辐射源的成像,成像效率 15 至关重要.在文献 9 中,研究者们提出,康普顿相机可以在计数率模式下先粗略地对探测区域进行扫描,一旦发现可疑情况,再转换成成像模式并对相机正前方区域进行成像.因此,提高康普顿相机对正前方区域的成像效率,对远场辐射源的探测与成像有重要的意义。在目前应用最广的双层面结构康普
7、顿相机的基础上,本文提出一种新型环状吸收体结构康普顿相机。基于Geant416模拟和实验,对比了新型环状吸收体结构康普顿相机与双层面结构康普顿相机的探测效率和角度分辨率。1材料和方法定义康普顿相机的探测效率n7=100%,(2)N式中:n为进行一次成像得到的有效符合事件数目;N为辐射源发射的总光子数.辐射源发出光子在散射体上发生康普顿散射,散射光子逃出散射体后按照一定的角度分布继续飞行。通过将有限的吸收探测器单元放置在散射光子出现概率更高的角度,将提高康普顿相机的探测效率。在吸收体所在平面定义探测效率面密度n(x,y;Ax,Ay)p(x,y)=lim(3)Ax0,Ay0N式中n(x,y;x,A
8、 y)为一次成像在吸收体S=(x,y)IxE(x,x+x),y E(y,y+A y)内的有效符合事件数.康普顿相机的探测效率为密度函数p(x,y)在吸收体探测器分布区域S内的积分n(s)=J,p(x,)dxdy=.n(4)康普顿相机的角度分辨率通常用测量的角分辨率(angular resolution measure,A RM)分布表示,ARM定义为ARM=WE-WG,(5)式中:We为式(1)中的散射角;Wc定义为cosWG=St康普顿相机的角分辨率用ARM分布的半高宽(fullwidth half maximum,FWHM)表示.1.1基于Geant4的p(x,y)分布模拟以Ce:Gd,(
9、Al,Ga),O12(GAGG)17-18晶体具有高光能产额、低弛豫时间、高密度的物理特点和不易潮解的化学特点.图2-a是一个双层面结构康普顿相机,散射体和吸收体均包含88的GAGG闪烁体探测器.其中散射体探测器单元尺寸为10 mm10mm5mm,吸收体探测单元尺寸为10 mm10 mm10mm.为了得到p(x,y)分布,设计如图2-b所示康普顿相机结构,其中散射体与图2-a的散射体相同,吸收体探测单元尺寸为10 mm10mmx10mm,单元数为6 0 0 x600.模拟综合考虑探测器能量分辨率与空间分辨率,以及多普勒展宽效应。模拟中,辐射源为坐标(0,0,10 0 0)mm的点状辐射源(假设
10、散射体中心(0,0,0)mm),单能光子能量为356 keV.GAGG闪烁体探测器的能量分辨率(FWHM)在36 5keV处为7.0%.符合探测时间窗10 ns.ab辐射源吸收体散射体吸收体散射体图2普通双层面结构康普顿相机(a);大吸收体平面探测结构(b)1.2王环状吸收体结构探测器大吸收体平面的模拟结果显示,吸收体平面中p(x,y)更高的位置呈一个圆环状(2.1节有更详细的结果展示).为了得到更高的符合探测效率,将有限的吸收体探测器单元摆放在上述位置,设计了图3所示的新型环状吸收体结构康普顿相机.基于Geant4模拟,对比了新型结构的康普顿相机(图3)与普通双层平面结构康普顿相机(图2-a
11、)的探测效率和角分辨率等重要指标。吸收体散射体图3新型结构康普顿相机在Geant4模拟中,2 种结构康普顿相机的散射体相同,均为8 8 的GAGG闪烁体探测器阵列,每个探测器单元尺寸为10 mm10mm5mm.在新型环状吸收体结构康普顿相机中,吸收体探测器单元分布在一232第59 卷北京师范大自然科学版)个内半径51.5mm、外半径约7 3.9 mm的环状结构上,总探测单元数与双层面结构康普顿相机吸收体探测器数相同,均为6 4个,每个探测器单元尺寸为10 mmx10mm10mm.其余模拟设置不变.1.3实验验证E实验分别搭建了如图4所示的双层平面结构康普顿相机和环状吸收体结构康普顿相机,并对2
12、 种相机的符合探测效率和角分辨率进行了对比.2 种相机的散射体均为8 8 的GAGG闪烁体阵列,散射体探测单元尺寸为10 mm10mm5mm.双层平面结构康普顿相机的吸收体为8 x8的GAGG闪烁体阵列,晶体尺寸为10 mm10mmx10mm;为简化实验设计,环状吸收体结构康普顿相机的吸收体采用镂空正方形的类环状结构.内侧镂空区域6 0 mmx60mm,总探测单元数与双层面结构康普顿相机吸收体探测器数相同,均为6 4个,晶体尺寸为10 mm10mmx10 mm.a普通康普顿相机10 mm10 mm10 mmb新型环状吸收体康普顿相机10 mm10mm10mmGAGGGAGG94124mm10
13、mm10 mmx5 mm10mm10mm5mmGAGGGAGG图4实验用相机结构实验中,先后用2 个相机对同一放射点源133Ba进行成像.放射源放置在具体散射体10 0 0 mm处的正前方,强度为1MBq.其余参数与模拟设置一致.1.4图像重建开发了一个基于滤波反投影法 19-2 0 的图像重建软件,并在OpenCL21框架下利用GPU实现了图像重建的并行加速。进行图像重建的过程中,用到的变量和函数在球坐标系中定义如下:人射光子量s,散射光子矢量t,以及重建矢量s;辐射源的分布记作f(s),投影结果记作g(t),重建得到的辐射源分布记作f(s).理想条件下,康普顿散射的投影函数为1Stk(s,
14、t;w)h(cos w)s(6)OS2元式中h(cos w)为Klein-Nishima公式 2 2 ,表示康普顿散射的微分截面.当散射角为w时,辐射源f(s)经探测得到g(t;w)=J,f(s)k(s,t;w)ds.(7)将8 函数用勒让德多项式P,(x)展开,同时对g(t;w)也进行球谐函数展开,展开到第nmax项,应用滤波反投影方法 2 3 得到散射角处于有限的范围内(W1,W2)的重建图像f(s),即cOsW2f(s)d(cos w)f.kl(t,s;w)g(t;w),(8)cosWi式中2n+1Ws.tk(t,s;w)=P,P,(cos),(9)4元H,sn=0coswiH.=d(c
15、os w)h(cosw)P,(cos w),(10)cosW2式中W,是滤波函数,常用的滤波函数主要有High-Pass24、Sh e p p-Lo g a n、Bu t t e r w o r t h、H a mmi n g 等 2 5.本文展示的重建图像使用了High-Pass与Shepp-Logan2种滤波器,其表达式为High-Pass:W,=n,(11)2nmaxn元Shepp-Logan:W,sin(12)元nmax2结果2.1散射光子角度分布通过改变图2-b中散射体和吸收体平面之间的垂直距离d(9 0 16 0 m m),记录不同垂直距离时有效符合事件数目在吸收体平面位置分布n(
16、x,y),绘制了不同距离下吸收体平面探测效率密度p(x,y)分布,如图5所示.从图5可以得到,当2 层探测器间距d90mm(与散射体本身尺寸相当)时,散射光子与吸收体上发生相互作用概率较高的探测器呈环状分布。取图5中y=0的各个吸收体平面探测效率密度p(x,y)截面,得到图6 所示的截面。233杨皓等:用于提高康普顿相机探测效率的新型环状吸收体几何设计第2 期90mm100mm110 mm120mm2501250-125-250uu/130mm140mm150mm160mm2501250-125-250-250-1250125250-250-1250125250-250-1250125250-
17、250-1250125250 x/mm00.51.01.52.02.53.0p(x,0)/10-10图5不同探测器间距的p(x,y)分布垂直距离d/mm4.0903.51001103.0120o1-0L/ox)d2.51301402.01501601.51.00.50-300-200-1000100200300 x/mm图6图5 中y=0的截面2.2蒙特卡罗模拟结果图7 对比了新型环状吸收体结构康普顿相机和普通双层面结构康普顿相机的探测效率新型环状吸收体结构康普顿相机的探测效率显著优于普通双层面结构康普顿相机.当2 层探测器垂直距离d120mm时,相对探测效率提升超过6 倍.2.0一新型环状吸
18、收体结构康普顿相机一普通双层面结构康普顿相机1.51.00.5090100110120130140 150 160d/mm图7 2 种康普顿相机探测效率的模拟比较图8 表示新型康普顿相机探测效率的提升幅度,p(x,y)较高的环形区域内外半径随着2 层探测器距离增大均不断增大,而模拟中的环形吸收体内外半径是固定的.在散射体与吸收体距离为16 0 mm时,环形吸收体与p(x,y)较高的环形区域重合度降低,从而导致探测效率提升幅度下降。1512963090100110120130 140150 160d/mm图8新型康普顿相机探测效率的提高通过对模拟数据进行图像重建,得到了2 种不同结构康普顿相机的
19、重建图像.图像重建中,考虑了探测器尺寸、探测器能量分辨率以及多普勒效应对图像角分辨率的影响.重建中勒让德展开的最大自由度nmax=50,重建使用的有效符合事件为10 万个,使用了高通滤波器.得到了如图9 所示的重建图像。图10 比较了新型环状吸收体结构康普顿相机和普通双层面结构康普顿相机的角度分辨率。2 种相机的角分辨率结果没有显著差别。2.3实验结果改变图4中散射体和吸收体平面之间的垂直距离d(9 4 12 4m m),记录不同垂直距离下,234第5 9 卷北京师范大自然科学版)a普通康普顿相机90 mm100 mm110 mm120 mm2501250-125-250uu/130 mm14
20、0 mm150 mm160 mm2501250-125-250-250-1250125250-250-1250125250-250-1250125250-250-1250125250 x/mm00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0p(x,0)/10-6b新型环状吸收体康普顿相机90 mm100mm110mm120mm2501250-125-250u/130mm140mm150mm160 mm2501250-125-250-250-1250125250-250-1250125250-250-1250125250-250-1250125250 x/mm00.10.20.30
21、.40.50.60.70.80.91.0p(x,0)/106图9不同间距的滤波反投影图像7.6一新型环状吸收体结构康普顿相机7.4一普通双层面结构康普顿相机7.27.06.86.66.46.290100110120130140150160d/mm图102种不同结构的康普顿相机的角度分辨率随着2 层探测器距离变化的变化2个相机的有效符合事件数目,不同垂直距离下数据采集时间均为30 min,结果如图11所示。图11-a表明,在不同间隔距离下,环状吸收体康普顿相机探测到的符合事件数均显著高于传统的双层面结构;图11-b表明随着距离增加,环状探测器探测效率提高越明显,当2 板间距 114mm时,探测效
22、率提高超过10 0%.对实际收集到的数据进行图像重建,得到了2 种不同结构康普顿相机的重建图像.重建中勒让德展开的最大自由度nmax=50,使用了Shepp-Logan滤波器.得到了如图12 所示的重建图像。图13比较了新型环状吸收体结构康普顿相机和普通双层面结构康普顿相机的角度分辨率。2 种相机的角度分辨率结果没有显著差别.3讨论基于Geant4的p(x,y)分布模拟的结果显示吸收体235杨皓等:用于提高康普顿相机探测效率的新型环状吸收体几何设计第2 期20200一新型环状吸收体康普顿相机ab18一普通康普顿相机1616014121201088064402009410411412494104
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