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康普顿成像精度影响机制与提升方法

张迎增  
【摘要】:随着核技术在国民经济以及国家安全中的作用日益重要,防止核扩散面临着逐渐严峻的形式。有效的核查作为保障相关方履行义务的手段其重要作用不言而喻。其中对相关方核材料特别是核武器的核查是维持均势、保障世界和平的必要手段。核查时本底环境复杂,同时考虑到政治因素,实际允许使用的核查技术是受限的,必须考虑敏感信息与探测精度的平衡。康普顿相机由于其信噪比高以及仅对7放射源轮廓成像的性质在其中具有广阔的应用前景。本论文研究工作的主要目的是通过深入了解康普顿相机的成像机理,系统分析影响其成像精度的因素,研究其成像性能与规律,针对复杂场景探测研究康普顿相机对宽范围、多能放射源探测的性质,并简单评估其在屏蔽材料对称属性方面的探测性能,为国防科技特别是军控核查提供技术储备。首先介绍康普顿相机的物理原理以及主流成像算法,结合康普顿相机成像精度评价指标,采用理论计算分析与蒙卡模拟结合的方式系统地研究了探测器能量分辨率、探测器位置分辨率、康普顿散射时多普勒展宽效应对成像精度的影响,首次系统分析了γ射线相干散射对其成像精度的影响。结合这些研究成果初步整理出不同应用场景下康普顿相机的选型与布局设计准则,为后续研究奠定了理论基础。其次,使用蒙卡方法系统研究了康普顿相机中的固有规律。根据γ射线单探测器作用规律提出探测器材料选型与厚度优化的准则;从康普顿散射比例最高以及多普勒效应最小方面考虑,选定Si作为第一探测器材料;结合相邻作用间距分布以及逃逸事件比例确定1-5mm厚度的Si适宜用于系统搭建。使用模拟数据重点研究了理想事件中逃逸事件比例以及全沉积事件中理想事件的比例,分析了全沉积中各类事件比例规律及其对成像性能的影响。然后结合探测器真实位置分辨与能量分辨特征,确立了能量阈、位置阈筛选准则,系统分析了不同卡阈对效率的影响程度。针对传统中心位置深度方法在大尺寸探测器时成像异常现象,我们结合γ射线在探测器中的作用深度分布,提出了平均作用深度以及随机作用深度两种算法,结果表明与传统中心位置法相比,这两种算法在散射光子平均作用深度小于探测器中心深度时对成像性能的改善是明显的,且在高能情况下随机作用深度算法效果略好于平均作用深度算法。最后针对核材料探测场景,我们以Steve Fetter核弹头模型为代表,首先研究了出射γ谱不同特征射线出射来源,之后根据出射能谱定义了等效点源模型EPM,应用此模型研究了康普顿相机对屏蔽的多能放射源成像时高能射线对低能射线的影响,明确了此类分析的方法与步骤,结果表明受影响程度与特征射线能量高低、强度等有关。最后通过分步模拟对球形、半球形Steve Fetter核弹头模型进行了成像探测,结果表明康普顿相机在不泄露内部敏感信息的情况下可以获得明显对称与非对称放射性材料的对称性。综上所述,本文系统地研究康普顿相机成像机理与成像算法,结合模拟详细分析了影响其效率与精度的各种因素,详尽分析了康普顿相机中7射线输运规律,提出了平均作用深度以及随机作用深度两种算法改善了成像精度,研究了屏蔽的多能放射源康普顿成像时评估高能对低能成像影响程度,评估了康普顿相机在屏蔽核材料探测特别是材料对称属性探测方面的性能,为核材料探测特别是军控核查提供技术储备。


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