ICF大陣列中子能譜儀記錄系統(tǒng)-Indico課件

2023/10/16康普頓相機(jī)GEANT4模擬和圖像重建初步研究報(bào)告人:丁長驥袁永剛毛本將姜志剛楊朝文單位：四川大學(xué)中國工程物理研究院2023/10/16康普頓相機(jī)利用康普頓散射原理，測得γ光子散射前后的能量和發(fā)生散射的位置，通過重建，得到放射源位置信息的一種γ相機(jī)康普頓相機(jī)應(yīng)用廣泛特殊核材料結(jié)構(gòu)分析醫(yī)學(xué)成像應(yīng)用放射性物質(zhì)空間重建放射性核素示蹤（重點(diǎn)應(yīng)用，例如海關(guān)檢測，核設(shè)施退役）2023/10/16上世紀(jì)70年代，R.W.Todd首次提出了康普頓相機(jī)的概念，但當(dāng)時(shí)由于探測器材料和電子學(xué)數(shù)據(jù)采集技術(shù)的限制，該技術(shù)并未得到發(fā)展。同時(shí)期，能對(duì)放射性物質(zhì)進(jìn)行二維定位的單孔和編碼孔成像技術(shù)得到了較好發(fā)展。相比單孔，編碼孔優(yōu)點(diǎn)：1.可三維成像2.成像效率有提高、位置分辨率可達(dá)幾百??m

3.視野面積更大4.體積小，重量輕不足：1.成本高2.運(yùn)算量大，耗時(shí)2023/10/16康普頓相機(jī)的最近發(fā)展隨著新材料和數(shù)字化信號(hào)采集技術(shù)的發(fā)展，康普頓相機(jī)逐漸又成為了研究的熱點(diǎn)。2007年，利弗莫爾實(shí)驗(yàn)室成功開發(fā)出一款康普頓相機(jī)（SPEIR）材料：兩塊陣列式Ge探測材料成像能量范圍：150keV——4MeV重建算法：最大似然法（MaximumLikelihood）SPEIR系統(tǒng)采用制冷方式，成本較高2023/10/16探頭部分陣列式Ge探測器（兩層探測器直徑分別為70mm、100mm）實(shí)物圖2023/10/16之后Michiaki開展了基于GEM探測技術(shù)應(yīng)用為康普頓相機(jī)的技術(shù)，但相比之下，其成像能量范圍和效率都低于SPEIR。HeeSeo采用了NaI大吸收體材料進(jìn)一步提高了成像效率。Mitsutaka采用Si作為散射材料，CdTe作為吸收材料。NaI吸收體材料Si散射材料CdTe吸收材料2023/10/16國內(nèi)對(duì)于康普頓散射研究集中在做材料的無損檢測，對(duì)于該類型的γ相機(jī)研究成果很少。近代物理所與日本九州大學(xué)、日本理化學(xué)研究所合作對(duì)康普頓相機(jī)成像進(jìn)行了蒙特卡羅模擬，做出一套2個(gè)多單元平面高純鍺探測器的康普頓成像裝置，進(jìn)行了初步成像。外國目前研究成果，集中于相機(jī)的醫(yī)學(xué)，放射源成像等應(yīng)用以及對(duì)康普頓相機(jī)的蒙特卡羅模擬，改進(jìn)相機(jī)參數(shù)。國內(nèi)研究2023/10/16康普頓相機(jī)成像原理

在康普頓散射中推導(dǎo)出的散射光子能量由下式?jīng)Q定2023/10/16

2023/10/16很多放射性核素都會(huì)放出能量在0.2-3MeV的γ射線，使用康普頓散射原理實(shí)現(xiàn)的康普頓相機(jī)，通過γ在散射探測器，和吸收探測器之間的能量沉積，空間作用位置，得到放射源所在曲面，通過多次探測事件，得到放射源的位置，從而得到放射源的二、三維圖像?？灯疹D相機(jī)圖像重建2023/10/16研究目標(biāo)本課題擬利用通過通過對(duì)康普頓相機(jī)的GEANT4模擬康普頓相機(jī)所得到的空間和能譜信息，對(duì)放射源進(jìn)行二維，三維的圖像重建，建立一套實(shí)現(xiàn)康普頓相機(jī)對(duì)放射源的二維，三維重建的算法。實(shí)現(xiàn)在噪聲環(huán)境下，研究康普頓相機(jī)對(duì)放射源成像的精確性，同時(shí)優(yōu)化成像運(yùn)算時(shí)間。對(duì)散射體材料結(jié)構(gòu)、相機(jī)成像效率、角分辨率關(guān)系、吸收體材料、散射體與吸收體位置關(guān)系與相機(jī)成像效率和角分辨率關(guān)系等進(jìn)行研究。2023/10/16康普頓相機(jī)圖像重建反投影（backprojection）：在成像的二維平面或三維空間內(nèi)，計(jì)算每個(gè)像素或體素相對(duì)與每次事件得到的圓錐面的角距離或線距離，從而得到每個(gè)像素、體素對(duì)應(yīng)的權(quán)重。經(jīng)過多次事件，得到每個(gè)像素、體素的所有疊加的權(quán)重，經(jīng)過閾值篩選，得到放射源所在位置。2023/10/16對(duì)成像空間：

定義探測器能量誤差上下限：E_inf，E_sup。通過康普頓散射公式計(jì)算能量沉積，再得到平均的能量沉積的誤差E_error。計(jì)算得到其角誤差Dtheta。在每次事件中，計(jì)算每個(gè)體素對(duì)于的圓錐面的角距離或線距離，都可以得到其權(quán)重W，找出權(quán)重最大的體素，進(jìn)行簡單成像。2023/10/16基于極大似然法（MaximumLikelihoodExpectationMaximization）的放射性物質(zhì)成像算法：在康普頓散射成像中，反投影算法相對(duì)簡單，但誤差較大，之后發(fā)展出基于反投影的極大似然算法，用以改進(jìn)重建質(zhì)量。通過迭代，與迭代前的圖像進(jìn)行比較，將兩者比較后優(yōu)化。

基本公式：2023/10/16

2023/10/16文獻(xiàn)中得到重建圖像：沒經(jīng)過極大似然算法處理經(jīng)過極大似然算法處理2023/10/16康普頓相機(jī)GEANT4模擬理想的陣列形式的探測器理想的兩層探測器作為陣列形式，可以準(zhǔn)確得到每個(gè)??光子的能量損失、位置信息。2023/10/16實(shí)際的康普頓相機(jī)為了近似得到陣列形式的探測器，每層探測器為兩層條狀的探測系統(tǒng)2023/10/16GEANT4模擬的康普頓相機(jī)結(jié)構(gòu)

2023/10/16康普頓相機(jī)點(diǎn)源的模擬得到每個(gè)光子在兩個(gè)探測器之間的作用位置、散射角和能量沉積，稱之為一次事件。通過對(duì)沉積能量和作用位置的篩選，得到符合我們要求的事件：

??光子在第一層探測器發(fā)生康普頓散射，在第二層探測器沉積完所有能量。2023/10/16在對(duì)康普頓相機(jī)的圖像重建中對(duì)于數(shù)據(jù)的獲取是由列表形式儲(chǔ)存和讀出：散射探測器

吸收探測器

因此GEANT4模擬篩選得到的數(shù)據(jù)也通過棧類型的列表形式儲(chǔ)存和讀取，速度較快也很方便。2023/10/16模擬結(jié)果：2023/10/16LMEM是由醫(yī)學(xué)成像技術(shù)發(fā)展而來，所以在對(duì)于康普頓相機(jī)成像之中，需要一定改進(jìn)。同時(shí)背景本底中對(duì)放射源重建干擾很大，LMEM算法中對(duì)于同時(shí)存在強(qiáng)弱源的情況下，容易將弱源當(dāng)作背景而忽略。存在問題：GEANT4模擬中，對(duì)于??光子的康普頓散射沒有考慮多普勒效應(yīng)和電子本