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《中国原子能科学研究院》 2003年
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层析γ扫描(TGS)重建技术的研究

张全虎  
【摘要】: 层析γ扫描(Tomographic Gamma Scanner-TGS)技术是无损分析(Non-Destructive Assay-NDA)技术中最先进的分析技术之一。它是专用于准确定量测量中、高密度非均匀分布介质中的放射性核素及其含量,是核设施中可回收物以及核废物测量分析的主要方法之一。 二十世纪八十年代后期,由于核保障和核废物管理处置的需求,许多发达国家投入大量的人力、物力和财力,开始了TGS技术的探索、研究和开发。从最初的TGS基本原理,TGS图像重建技术,一直到TGS原型装置的开发,都进行了系统的、全面的研究。到目前为止,国外TGS技术已基本成熟,而且已研制生产出各种类型的TGS仪器,成功应用于中、高密度非均匀样品放射性核素及其含量的准确测量分析。然而,TGS技术是涉及原子核物理、核辐射测量、辐射成像、图像处理、机械设计、自动控制、计算机技术等多门学科和技术的一项综合性高新技术。所以,从提出TGS这一物理思想到现在的二十多年的时间里,国外对TGS技术的研究始终是一个热门课题。根据我国核保障技术的发展和需求,本研究工作率先在国内提出并开始进行了TGS技术的研究。本文在充分调研和分析了国外1990年到现在有关TGS技术的信息资料和大量论文报告的基础上,针对TGS技术研究中的探测效率刻度、透射测量图像重建计算和发射测量图像快速重建计算三个关键技术进行了如下三方面的研究。 1.关于TGS探测效率刻度问题,它与常规γ能谱测量一样,探测效率的刻度是一项必须要做的最基本的重要工作。探测效率刻度的准确与否是直接影响测量结果准确度的关键因素。TGS测量与常规γ能谱测量不一样的是:探测效率的刻度极为困难。对于10×10×16体素组成的TGS样品,探测效率矩阵元的数量级约为10~7。对于如此庞大的探测效率矩阵,如果象常规γ能谱刻度一样采用实验方法刻度,几乎是不可能的,也是不现实的。本文研究了MC(Monte Carlo)技术刻度TGS探测效率的方法,应用先进的MC软件MCNP4B,以3×3×3体素组成的样品模型,计算了TGS实验装置所有972个探测效率的矩阵元。用~(60)Co核素标准样品,以实验刻度的方法研究了TGS装置的探测效率矩阵。将MC模拟计算的探测效率与实验得到的探测效率进行了比较,两者相对偏差小于5%。表明了用MCNP4B方法刻度TGS探测效率的可行性和可靠性。 中国原子能科学研究院博士学位论文 2.关于TGS透射测量问题,它与一般的CT测量相比,在原理上相类似。但是 TGS有其自身的特点和要求。CT装置用的是阵列式线形探测器。测出的线衰减系数 是相对的,成像要求高分辨。TGS装置用的是同轴大体积HPGe探测器。测出的线衰 减系数是绝对值,成像只要求低分辨。然而,TGS有CT测量所没有的发射测量和图 像重建的问题。它要求准确定量分析样品中的放射性活度。因此,TGS测量的图像 重建计算不能简单地搬用CT所采用的图像重建技术。本文根据TGS上述特点和要 求,分别从神经网络和MC模拟两种不同的技术,提出了两种TGS透射测量图像重 建的新算法:神经网络TGS透射测量图像重建算法和MC统计迭代透射测量图像重 建算法。 在神经网络图像重建中,把TGS透射测量图像重建看成是图像识别、参数估计 信息处理问题。本文将信息处理的全新手段—神经网络应用于TGS图像重建,提 出了神经网络重建TGS透射图像算法。本文阐述了神经网络重建TGS透射图像的基 本原理。对体素尺寸为scmxscm巧cm的3x3体素组成的样品模型,在计算机上,模 拟计算得到神经网络“学习”所需要的训练样本。采用径向基函数神经网络,对线衰 减系数不同的取值范围(1000多组模拟方案),以MArLAB软件为研究平台,用计 算机模拟方法研究了径向基函数神经网络重建介质线衰减系数的算法。重建计算结果 表明,线衰减系数在一定的范围内,重建值和预置值的相对偏差均小于3%。从研究 结果来看,神经网络适合于解决TGS透射图像介质线衰减系数的重建,而且具有速 度快,误差小等特点。神经网络在TGS透射图像重建计算中的初步应用,为TGS技 术的研究和发展开辟了一条新的途径。 在MC统计迭代重建TGS透射测量图像研究中,本文针对TGS用的大体积HPG。 探测器对透射源有大圆锥形立体角的特有情况,根据MC粒子输运理论,推导出了TGS 测量样品透射率的公式: 艺,*exp(艺(一x,产,))l ‘,_k=l 托 1一N0艺润 一一 只 提出并采用等效衰减的方法,将圆锥形立体角内的所有y射线穿过某个体素介质的衰 减等效于一个粒子穿过该体素介质的衰减,从而推导出了圆锥形立体角内所有Y射线 中国原子能科学研究院博士学位论文 穿越一个体素介质的等效线衰减厚度的数学表达式: 乓=一 巧 艺(二*exp(一x,产,))l 在计算方法上,本文将TGS透射测量图像重建计算分割为两部分。一部分是假 设HPGe探测效率在二维空间分布是均匀的。将与介质线衰减系数p有关的计算采用 数值模拟算法。另一部分是考虑HPGe探测效率在二维空间实际是不均匀的情况,采 用MC模拟效率刻度的计算方法,计算出HPGe探测效率的二维空间分布函数。再将 探测器效率二维空间分布函数对数
【学位授予单位】:中国原子能科学研究院
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2003
【分类号】:TH878

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