CN103901052A - 一种sgs与tgs联合测量装置及准直器优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种SGS与TGS联合测量装置及准直器的优化方法，该装置包括探测系统、铅屏蔽体、准直器、样品测量平台和投射屏蔽体，其中，所述探测系统固定在测量台架上，探测器安装在所述铅屏蔽体中；所述准直器包括SGS准直器模块或TGS准直器模块中的一种，均安装在所述铅屏蔽体上；所述样品测量平台在准直器与投射屏蔽体之间，测量时，将样品放置在所述样品测量平台上；在测量时，所述TGS准直器与SGS准直器能够切换；所述TGS准直器与SGS准直器通过蒙特卡罗模拟方法进行优化设计，确定形状。本发明结合SGS与TGS各自测量要求，通过蒙特卡罗模拟方法，兼容SGS与TGS测量要求，能够满足SGS与TGS测量要求的联合装置；并且可在两种测量模式中切换。

Description

一种SGS与TGS联合测量装置及准直器优化方法

技术领域

本发明涉及核材料非破坏性分析(Non-Destructive Assay-NDA)技术领域，尤其涉及一种SGS与TGS联合测量装置。

背景技术

分段式γ扫描技术（Segmented Gamma-ray Scanner，SGS）与层析γ扫描测量技术(Tomographic Gamma Scanning，TGS作为重要的NDA技术，已经广泛应用于于核保障、核安保、国内核材料管制以及放射性废物分类检验等领域。SGS是为了测量核燃料循环过程中产生的非均匀中、低密度的核废料中的铀、超铀核素及其裂变产物质量而开发的NDA技术之一。SGS装置主要由探测系统、铅屏蔽体、准直器、样品旋转平台和透射源等部分组成，SGS分析技术是针对常规的γ能谱定量测量方法面临的样品吸收校正和非均匀性校正两大难题而引入的测量分析技术。SGS技术采用样品“旋转测量”模式，通过对样品“透射测量+自发射测量”的方法，实现感兴趣核素的测量。

SGS技术在测量上采取径向旋转，轴向分段、逐段扫描测量的方式对被测非均匀样品进行分段“均匀化”处理。这样的均匀化处理不仅对“测量对象基体分布进行均匀化处理，同时也对物料分布进行了均匀化处理。在这样的测量模式下，非均匀的被测样品变成了“层均匀化”，在很大程度上解决了上述测量对象基体与物料非均匀分布校正问题。

TGS与SGS技术相类似，都是采用高纯锗γ探测器对物件所含放射性核素发射的伽玛射线进行测量，同时还对一外置透射源穿过物件的伽玛射线-透射射线进行测量。物件自发射线的测量是整个测量的基础，而透射射线的测量用来对自发射线在被测物件内的衰减进行校。TGS技术将发射CT(ECT)和透射CT(TCT)技术巧妙的结合起来，通过分别进行发射测量和透射测量，解决了γ射线能谱测量中由于样品介质不均匀分布而引起的射线衰减校正不准确的问题，从而大大提高了非均匀样品中非均匀分布的放射性核素测量的准确度。

TGS对被测物件进行三维立体扫描，即不仅对被测物件进行轴向分段扫描，而且对每一层进行两个相互垂直的水平方向的扫描(双探测器通常采用的扫描模式)或一个水平方向扫描加一个旋转扫描(单探测器通常采用的扫描模式)。这样，实际上是将被测物件分割成若干较小单元的立体方柱，每个单元小立体方柱被当作一个均匀介质体；通过对物件进行低分辨率γ层析透射扫描和发射扫描，得到物件内介质密度和放射性核素分布的粗略图像，介质密度图像被用来对发射图像进行点-点对应(point to point)的衰减校正。换句话说，TGS技术所采用的γ射线衰减校正是基于衰减介质和放射性核素的实际分布的，对非均匀介质及放射性核素非均匀分布的物件，其放射性核素测量的准确性得到很大的提高。这一技术适用于中低密度非均匀介质中非均匀分布放射性核素的测量，其弱点是测量时间较长，测量费用高。

但上述两种测量技术往往单独使用，不能够对多种介质进行测量。

鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本创作。

发明内容

本发明的目的在于提供一种SGS与TGS联合测量装置，用以克服上述技术缺陷。

为实现上述目的，本发明提供一种SGS与TGS联合测量装置，该联合测量装置包括探测系统、铅屏蔽体、准直器、样品测量平台和投射屏蔽体，其中，

所述探测系统固定在测量台架上，探测器安装在所述铅屏蔽体中；所述准直器包括SGS准直器模块或TGS准直器模块中的一种，均安装在所述铅屏蔽体上；所述样品测量平台在准直器与投射屏蔽体之间，测量时，将样品放置在所述样品测量平台上；所述SGS准直器将样品轴向旋转与垂直上升测量，以及TGS准直器将样品轴向旋转、平移与垂直上升测量要求的样品测量平台；在测量时，所述TGS准直器与SGS准直器能够切换；

所述TGS准直器与SGS准直器通过蒙特卡罗模拟方法进行优化设计，确定形状。

进一步，所述TGS准直器对样品透射测量，计算每个体素的线衰减系数;自发射测量，计算每个体素衰减校正系数；利用蒙特卡罗模拟方法建立衰减校正因子物理模型，针对特定测量对象，计算出当前层样品与临层样品的效率比；根据特定的分块尺寸，调节TGS准直器结构；当邻层探测效率与当前层效率之比小于30%时，满足要求的TGS准直器；

所述SGS准直器，基于蒙特卡罗算法，跟踪模拟样品中对于物料发射的特定能量射线在特定准直条件下在样品中输运过程，获取经过校正后物料发射γ射线总计数率的统计估计；跟踪模拟蒙特卡罗方法在探测器及其屏蔽准直体中对于特定能量γ射线的输运过程，获取探测效率；通过蒙特卡罗模拟方法，针对特定测量对象与测量系统，按SGS准直器特定分层测量要求，SGS准直器满足串扰小于40%，符合SGS准直器测量要求。

进一步，所述TGS准直器，根据下述透射方程计算每个体素衰减校正系数：

$P_i=C_i/C_{\max }=e^{-\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{T}_{\mathrm{ik}}{\mathrm{\μ}}_k}$

其中：

C_i表示有样品存在时探测器在第i个扫描测量位置测得透射源的γ光子计数率；

C_max表示透射源的γ射线未被样品吸收衰减时探测器测得的γ光子计数率；

T_ik是M×N维介质线衰减厚度矩阵T的矩阵元，表示探测器在第i个透射测量位置，被测到的透射源的γ射线经过第k个体素的线衰减厚度，μ_k是第k个体素的线衰减系数；

将上式进行对数转换得：

$\ln \left(p_i\right)=-\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{T}_{\mathrm{ik}}{\mathrm{\μ}}_k$

令V_i=-ln(P_i)得：

$V_i=\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{T}_{\mathrm{ik}}{\mathrm{\μ}}_k$

解此透射测量方程，可解得第k个体素的线衰减系数μ_k的值。

进一步，所述TGS准直器自发射测量样品，各个体素的发射测量问题用下面的线性方程来描述：

$D_i=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{E}_{\mathrm{ij}}\·S_j$

其中：

D_i表示第i个测量位置，测到样品中所有体素发射的γ射线的计数率；

E_ij是第j个体素放射源对探测器在第i个扫描测量位置的探测效率；

S_j表示第j个体素放射源的源强；

E_ij通过S_j的值通过解方程来求得，整个样品总的放射性活度由各个体素放射性活度求和得到；

经过吸收衰减校正后的发射γ测量问题用下面的线性方程来描述：

$D_i=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{F}_{\mathrm{ij}}\·S_j$

F_ij=E_ij×A_ij

A_ij=Π_kexp(-T_ijk·μ_k)

其中：

F_ij表示经过自吸收衰减校正后的效率矩阵元，称为衰减校正效率矩阵元；

A_ij表示探测器在第i个扫描测量位置，第j个体素发射的γ射线被介质吸收衰减的因子；

T_ijk表示探测器在第i个扫描测量位置，测到第j个体素发射的γ射线在到达探测器之前所经过的路径上被第k个体素吸收衰减的线衰减厚度；

μ_k表示第k个体素的线衰减系数，通过透射扫描测量来求得。

进一步，所述SGS准直器确定γ射线出射位置;按照平均自由程原则，确定γ射线在样品中下一次与样品发生散射的位置；直至γ射线离开探测器系统；

通过对大量γ射线的跟踪模拟确定能谱的发射γ射线经过样品散射吸收后能谱变化和强度变化的统计估计，得到经过样品吸收后能量没有发生变化的γ射线份额。

进一步，

所述SGS准直器根据蒙特卡罗模拟方法的计算衰减校正因子物理模型，依靠随机抽样来模拟TGS发射测量的实际情况，将在第i个测量位置第j个有源体素发射的探测器所张立体角内每一条γ射线穿越空间第k个体素的径迹长度都计算出来，然后按如下公式计算衰减校正系数：

$A_{\mathrm{ij}}=\frac{1}{N}\underset{l=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\exp \left[\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(-x_{\mathrm{ijkl}}{\mathrm{\μ}}_k)\right]$

式中，N为第j个体素发射源在探测器对该体素所张立体角内发射的γ光子数；

X_ijkl为探测器在第i个测量位置，第j个体素的发射源，在立体角内发射的第l条γ射线穿越空间第k个体素的径迹长度；

μ_k为立体角内的γ射线穿越空间第k个体素的介质线衰减系数。

本发明还提供一种SGS与TGS准直器的优化方法，将SGS与TGS联合同一装置中，TGS准直器根据上层体素与当前层体素探测效率之比进行分块；SGS准直器根据样品临层探测效率与当前层效率之比进行分层；

该优化的具体过程为：

步骤a,TGS准直器对样品透射测量与自发测量；该具体过程为：

步骤a1,TGS准直器透射测量，计算每个体素的线衰减系数;

步骤a2,TGS准直器自发射测量，计算每个体素衰减校正系数；

步骤b,利用蒙特卡罗模拟方法建立衰减校正因子物理模型，针对特定测量对象，计算出当前层样品与临层样品的效率比；

步骤c,根据特定的分块尺寸，调节TGS准直器结构；当邻层探测效率与当前层效率之比小于30%时，满足要求的TGS准直器；

所述SGS准直器的优化过程为：

步骤d,基于蒙特卡罗算法，跟踪模拟样品中对于物料发射的特定能量射线在特定准直条件下在样品中输运过程，获取经过校正后物料发射γ射线总计数率的统计估计；

步骤e，跟踪模拟蒙特卡罗方法在探测器及其屏蔽准直体中对于特定能量γ射线的输运过程，获取探测效率；

步骤f,通过蒙特卡罗模拟方法，针对特定测量对象与测量系统，按SGS准直器特定分层测量要求，SGS准直器满足串扰小于40%，符合SGS准直器测量要求。

进一步，上述步骤a1具体过程为：

在物品外外加一个透射源，通过物体在透射源与探测器间运动测量，计算出衰减系数分布图;

透射方程可表示为：

$P_i=C_i/C_{\max }=e^{-\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{T}_{\mathrm{ik}}{\mathrm{\μ}}_k}---\left(1\right)$

其中：

C_i表示有样品存在时探测器在第i个扫描测量位置测得透射源的γ光子计数率；

C_max表示透射源的γ射线未被样品吸收衰减时探测器测得的γ光子计数率；

T_ik是M×N维介质线衰减厚度矩阵T的矩阵元，表示探测器在第i个透射测量位置，被测到的透射源的γ射线经过第k个体素的线衰减厚度，μ_k是第k个体素的线衰减系数；

将上式进行对数转换得：

$\ln \left(p_i\right)=-\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{T}_{\mathrm{ik}}{\mathrm{\μ}}_k$

令V_i=-ln(P_i)得：

$V_i=\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{T}_{\mathrm{ik}}{\mathrm{\μ}}_k$

解此透射测量方程，可解得μ_k的值。

进一步，上述步骤b具体过程为：

步骤d1,确定γ射线出射位置;由于SGS假设物料在样品中是均匀分布的，因此γ射线的出射位置是按照均匀分布的抽样模型抽样确定的；

步骤d2，按照平均自由程原则，按照公式：

P=-lnξ/Σ_T

确定γ射线在样品中下一次与样品发生散射的位置；

其中，P为当前γ射线具体输运距离，ξ为（0，1）均匀分布随机数，Σ_T为样品对于γ射线的宏观总截面；Σ_T也可以称作样品对γ射线的线吸收系数，或称γ射线在样品中的线衰减系数，用μ_L表示；

步骤d3，重复步骤d2直至γ射线离开探测器系统。

进一步，上述步骤e具体过程为：

步骤e1,确定γ射线入射位置;要考虑到实际探测器具有复杂的结构对于γ射线输运的影响;

步骤e2,按照平均自由程原则，确定γ射线在探测器系统中下一次发生散射的位置;

步骤e3,按照探测器系统中不同介质的特性，确定γ射线与介质的作用类型;

步骤e4,继续跟踪入射γ射线或γ射线与介质相互作用产生的次级粒子直至其能量低于跟踪阈值或从模拟系统中逃逸。

与现有技术相比较本发明的有益效果在于：本发明结合SGS与TGS各自测量要求，通过蒙特卡罗模拟方法，对特定测量对象与测量系统，针对SGS特定分层与TGS分块测量要求，能够满足SGS与TGS测量要求的联合装置；兼容SGS与TGS测量要求，并且可在两种测量模式中切换；本发明根据蒙特卡罗模拟方法确定的SGS与TGS准直器能够满足测量需求；本发明中SGS占40%，TGS占60%。

附图说明

图1为本发明SGS与TGS联合装置的正视结构图；

图2a为本发明TGS准直器的优化方法的流程图；

图2b为本发明SGS准直器的优化方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。

本发明结合SGS与TGS准直器各自测量要求，通过蒙特卡罗模拟方法，针对特定测量对象与测量系统，针对SGS特定分层与TGS分块测量要求，可以满足SGS与TGS测量要求的联合装置。

请参阅图1所示，其为本发明SGS与TGS联合装置的正视结构图，该联合测量装置包括探测系统1、铅屏蔽体2、准直器3、样品测量平台4和投射屏蔽体5，其中，所述探测系统1固定在测量台架上，探测器安装在所述铅屏蔽体2中，所述准直器3包括SGS准直器模块或TGS准直器模块；所述SGS准直器模块、TGS准直器模块安装在所述铅屏蔽体2上，安装方式可以通过内嵌式，也可以通过外挂式进行安装。样品测量平台4在准直器3与投射屏蔽体5之间，测量时，将样品放置在所述样品测量平台4上。

所述铅屏蔽体2可兼容SGS与TGS准直器测量要求并可安装、拆卸的探测系统屏蔽体模块。本装置具有可实现SGS准直器将样品轴向旋转与垂直上升测量，以及TGS准直器将样品轴向旋转、平移与垂直上升测量要求的样品测量平台；所样品测量平台通过电机进行控制，满足SGS与TGS准直器测量要求。

本装置在进行测量时，首先根据待测的测量对象与不同的分块化测量方式，选择合适的TGS与SGS准直器测量模式和准直器；将选好的准直器安装在铅屏蔽体2上，进行测量。在使用过程中，可将TGS与SGS准直器进行切换，如需SGS测量模式，将探测系统准直器切换为SGS准直器；如需TGS测量模式，将探测系统准直器切换为TGS准直器。

本装置具有SGS和TGS准直器两种测量模式，根据测量时间与准确度要求不同，选择不同的测量模式；在测量时，运用蒙特卡罗模拟方法对TGS与SGS特定分层与分块测量的算法。TGS准直器根据上层体素与当前层体素探测效率之比进行分块；SGS准直器根据样品临层探测效率与当前层效率之比进行分层。

本发明TGS准直器对应的优化过程为：

步骤a,TGS准直器对样品透射测量与自发测量；

在测量过程中，所述TGS准直器分析样品算法建在对样品透射测量与自发测量立的基础上；该具体过程为：

步骤a1,TGS准直器透射测量，计算每个体素的线衰减系数：

透射扫描得到的是物体内部衰减系数分布情况，采用CT原理，在物品外外加一个透射源，通过物体在透射源与探测器间运动测量，计算出衰减系数分布图;

透射方程可表示为：

$P_i=C_i/C_{\max }=e^{-\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{T}_{\mathrm{ik}}{\mathrm{\μ}}_k}---\left(1\right)$

其中：

C_i表示有样品存在时探测器在第i个扫描测量位置测得透射源的γ光子计数率；

C_max表示透射源的γ射线未被样品吸收衰减时探测器测得的γ光子计数率；

T_ik是M×N维介质线衰减厚度矩阵T的矩阵元。它表示探测器在第i个透射测量位置，被测到的透射源的γ射线经过第k个体素的线衰减厚度，μ_k是第k个体素的线衰减系数。

将上式进行对数转换得：

$\ln \left(p_i\right)=-\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{T}_{\mathrm{ik}}{\mathrm{\μ}}_k---\left(2\right)$

令V_i=-ln(P_i)得：

$V_i=\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{T}_{\mathrm{ik}}{\mathrm{\μ}}_k---\left(3\right)$

解此透射测量方程，可解得μ_k的值。

本发明也可用CT成像采用的迭代法来解决TGS准直器的透射测量，如ART算法、SART算法、或者是智能单粒子联合迭代算法，该过程为：

首先对样品中各体素的线衰减系数任意赋予一个初值

然后利用测量值p_i进行反复迭代，便可计算出测量样品的各体素的线衰减系数μ_k。

步骤a2,TGS准直器自发射测量，计算每个体素衰减校正系数；

在发射测量中，当被测样品没有吸收衰减时，样品中各个体素的发射测量问题可以用下面的线性方程来描述：

$D_i=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{E}_{\mathrm{ij}}\·S_j---\left(4\right)$

其中：

D_i表示第i个测量位置，测到样品中所有体素发射的γ射线的计数率；

E_ij是第j个体素放射源对探测器在第i个扫描测量位置的探测效率；

S_j表示第j个体素放射源的源强。

E_ij通过S_j的值通过解方程来求得，整个样品总的放射性活度由各个体素放射性活度求和得到。

当被测样品存在吸收衰减时，方程必须进行修正。因为各个体素发射的γ射线穿过介质要被吸收衰减，测量结果必须对γ射线的吸收衰减损失进行校正。经过吸收衰减校正后的发射γ测量问题可以用下面的线性方程来描述。

$D_i=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{F}_{\mathrm{ij}}\·S_j---\left(5\right)$

F_ij=E_ij×A_ij     （6）

A_ij=Π_kexp(-T_ijk·μ_k)     （7）

其中：

F_ij表示经过自吸收衰减校正后的效率矩阵元，称为衰减校正效率矩阵元；

A_ij表示探测器在第i个扫描测量位置，第j个体素发射的γ射线被介质吸收衰减的因子；

T_ijk表示探测器在第i个扫描测量位置，测到第j个体素发射的γ射线在到达探测器之前所经过的路径上被第k个体素吸收衰减的线衰减厚度；

μ_k表示第k个体素的线衰减系数，可通过透射扫描测量来求得。

步骤b,利用蒙特卡罗模拟方法建立衰减校正因子物理模型，针对特定测量对象，计算出当前层样品与临层样品的效率比；

蒙特卡罗模拟方法的计算衰减校正因子物理模型，依靠随机抽样来模拟TGS发射测量的实际情况，将在第i个测量位置第j个有源体素发射的探测器所张立体角内每一条γ射线穿越空间第k个体素的径迹长度都计算出来，然后按如下公式计算衰减校正系数：

$A_{\mathrm{ij}}=\frac{1}{N}\underset{l=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\exp \left[\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(-x_{\mathrm{ijkl}}{\mathrm{\μ}}_k)\right]---\left(8\right)$

式中，N为第j个体素发射源在探测器对该体素所张立体角内发射的γ光子数；

X_ijkl为探测器在第i个测量位置，第j个体素的发射源，在立体角内发射的第l条γ射线穿越空间第k个体素的径迹长度。

μ_k为立体角内的γ射线穿越空间第k个体素的介质线衰减系数。

步骤c,根据特定的分块尺寸，调节TGS准直器结构，如开口高度与宽度。当邻层探测效率与当前层效率之比小于30%时，即设计出满足要求的TGS准直器。

其中，Δ为串扰。

本发明SGS准直器对应的优化过程为：

步骤d,基于蒙特卡罗算法，跟踪模拟样品中对于物料发射的特定能量射线在特定准直条件下在样品中输运过程，获取经过校正后物料发射γ射线总计数率的统计估计；

具体按照这样如下步骤实现：

步骤d1,确定γ射线出射位置;由于SGS假设物料在样品中是均匀分布的，因此γ射线的出射位置是按照均匀分布的抽样模型抽样确定的。

步骤d2，按照平均自由程原则，按照公式：

P=-lnξ/Σ_T     （9）

确定γ射线在样品中下一次与样品发生散射的位置。

其中，P为当前γ射线具体输运距离，ξ为（0，1）均匀分布随机数，Σ_T为样品对于γ射线的宏观总截面；Σ_T也可以称作样品对γ射线的线吸收系数，或称γ射线在样品中的线衰减系数，用μ_L表示。

步骤d3，重复步骤d2直至γ射线离开探测器系统。

按照上述步骤，通过对大量γ射线的跟踪模拟可以给出确定能谱的发射γ射线经过样品散射吸收后能谱变化和强度变化的统计估计，在本发明中，只需得到经过样品吸收后能量没有发生变化的γ射线份额。即对经过校正后物料发射γ射线总计数率的统计估计。

步骤e，跟踪模拟蒙特卡罗方法在探测器及其屏蔽准直体中对于特定能量γ射线的输运过程;获取探测效率；

具体步骤为：

步骤e1,确定γ射线入射位置;要考虑到实际探测器具有复杂的结构对于γ射线输运的影响。

步骤e2,按照平均自由程原则，按照公式（8）确定γ射线在探测器系统中下一次发生散射的位置。

步骤e3,按照探测器系统中不同介质的特性，确定γ射线与介质的作用类型。通常需要考虑三种作用过程：光电效应、电子对效应和康普顿散射。对于本文涉及的问题，只需要光电效应和康普顿散射。

步骤e4,继续跟踪入射γ射线或γ射线与介质相互作用产生的次级粒子直至其能量低于跟踪阈值或从模拟系统中逃逸。

按照上述步骤，通过对大量入射γ射线的跟踪模拟入射γ射线在探测器敏感晶体中所形成的沉积能量谱的统计估计。而在本发明中，只需得到物料发射的特定能量γ射线,再探测器晶体中发生光电效应将能量全部沉积在其中的全能峰份额。这就是样品中物料发射一个特定能量γ射线而被探测器系统探测到的概率，即探测效率。

理论上可设计一个理想的SGS准直器，使探测器获取的γ能谱信息只来自于探测器准直器张口对应的当前层。在这种情况下，获取的得到的特征γ射线全能峰净计数率与当前层物料含量具有如下对应关系：

kAX=B     （10）

其中，k为计数率质量转换因子，对特定核素的特征γ射线而言是一常数；A为当前层探测效率（假定已进行自吸收校正）；B为特征γ射线计数率的测量值；X为当前层物料含量。

对于现实的准直器，很难保证探测器记录的射线仅来自于探测器准直器张口对应的当前层，通常考虑上、下一个或多个临近层射线对当前层探测器计数的影响。一般称上、下临近层对当前层探测器计数的影响为串扰；

$k\left(\begin{array}{cccccc}{a}_{\mathrm{1,1}}& a_{\mathrm{1,2}}& \·\·\·& a_{1,j}& \·\·\·& a_{1,n}\\ a_{\mathrm{2,1}}& a_{\mathrm{1,2}}& \·\·\·& a_{2,j}& \·\·\·& a_{2,n}\\ \·\·\·& \·\·\·& \·\·\·& \·\·\·& \·\·\·& \·\·\·\\ a_{i,1}& a_{i,2}& \·\·\·& a_{i,j}& \·\·\·& a_{i,n}\\ \·\·\·& \·\·\·& \·\·\·& \·\·\·& \·\·\·& \·\·\·\\ a_{n,1}& a_{n,2}& \·\·\·& a_{n,j}& \·\·\·& a_{n,n}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{x}_1\\ x_2\\ \·\·\·\\ x_j\\ \·\·\·\\ x_n\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{b}_1\\ b_2\\ \·\·\·\\ b_j\\ \·\·\·\\ b_n\end{array}\right)$

其中：b_i为对样品第i层发射的特征γ射线计数率的测量值，来自于实验测量；a_i,j为样品第j层相对于探测器准直器开口位于第i层时的探测效率，来自于蒙特卡罗模拟计算；x_i为所求样品第i分层分量。

在实际测量分析中，一般只考虑有限层数的层间串扰，因此方程组（11）中的系数矩阵A实际上是一个有限带宽的对角矩阵（三对角）。

当分层过细、当前层探测效率与临近层探测效率差别不大时，方程组（11）演变为病态的刚性方程，求解方程组引入的误差逐渐变得显著、方程组解析解严重失真。

当串扰小于40%时，方程组可以解出准确解。串扰公式如下：

其中，Δ为串扰。

步骤f,通过蒙特卡罗模拟方法，针对特定测量对象与测量系统，按SGS准直器特定分层测量要求，设计符合SGS准直器测量要求的准直器。

准直器满足串扰小于40%的设计指标。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，对发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种SGS与TGS联合测量装置，其特征在于，该联合测量装置包括探测系统、铅屏蔽体、准直器、样品测量平台和投射屏蔽体，其中，

所述探测系统固定在测量台架上，探测器安装在所述铅屏蔽体中；所述准直器包括SGS准直器模块或TGS准直器模块中的一种，均安装在所述铅屏蔽体上；所述样品测量平台在准直器与投射屏蔽体之间，测量时，将样品放置在所述样品测量平台上；所述SGS准直器将样品轴向旋转与垂直上升测量，以及TGS准直器将样品轴向旋转、平移与垂直上升测量要求的样品测量平台；在测量时，所述TGS准直器与SGS准直器能够切换；

所述TGS准直器与SGS准直器通过蒙特卡罗模拟方法进行优化设计，确定形状。

2.根据权利要求1所述的SGS与TGS联合测量装置，其特征在于，所述TGS准直器对样品透射测量，计算每个体素的线衰减系数;自发射测量，计算每个体素衰减校正系数；利用蒙特卡罗模拟方法建立衰减校正因子物理模型，针对特定测量对象，计算出当前层样品与临层样品的效率比；根据特定的分块尺寸，调节TGS准直器结构；当邻层探测效率与当前层效率之比小于30%时，满足要求的TGS准直器；

所述SGS准直器，基于蒙特卡罗算法，跟踪模拟样品中对于物料发射的特定能量射线在特定准直条件下在样品中输运过程，获取经过校正后物料发射γ射线总计数率的统计估计；跟踪模拟蒙特卡罗方法在探测器及其屏蔽准直体中对于特定能量γ射线的输运过程，获取探测效率；通过蒙特卡罗模拟方法，针对特定测量对象与测量系统，按SGS准直器特定分层测量要求，SGS准直器满足串扰小于40%，符合SGS准直器测量要求。

3.根据权利要求2所述的SGS与TGS联合测量装置，其特征在于，所述TGS准直器，根据下述透射方程计算每个体素衰减校正系数：

$P_i=C_i/C_{\max }=e^{-\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{T}_{\mathrm{ik}}{\mathrm{\μ}}_k}$

其中：

C_i表示有样品存在时探测器在第i个扫描测量位置测得透射源的γ光子计数率；

C_max表示透射源的γ射线未被样品吸收衰减时探测器测得的γ光子计数率；

T_ik是M×N维介质线衰减厚度矩阵T的矩阵元，表示探测器在第i个透射测量位置，被测到的透射源的γ射线经过第k个体素的线衰减厚度，μ_k是第k个体素的线衰减系数；

将上式进行对数转换得：

$\ln \left(p_i\right)=-\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{T}_{\mathrm{ik}}{\mathrm{\μ}}_k$

令V_i=-ln(P_i)得：

$V_i=\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{T}_{\mathrm{ik}}{\mathrm{\μ}}_k$

解此透射测量方程，可解得第k个体素的线衰减系数μk的值。

4.根据权利要求3所述的SGS与TGS联合测量装置，其特征在于，所述TGS准直器自发射测量样品，各个体素的发射测量问题用下面的线性方程来描述：

$D_i=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{E}_{\mathrm{ij}}\·S_j$

其中：

D_i表示第i个测量位置，测到样品中所有体素发射的γ射线的计数率；

E_ij是第j个体素放射源对探测器在第i个扫描测量位置的探测效率；

S_j表示第j个体素放射源的源强；

E_ij通过S_j的值通过解方程来求得，整个样品总的放射性活度由各个体素放射性活度求和得到；

经过吸收衰减校正后的发射γ测量问题用下面的线性方程来描述：

$D_i=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{F}_{\mathrm{ij}}\·S_j$

F_ij=E_ij×A_ij

A_ij=Π_kexp(-T_ijk·μ_k)

其中：

F_ij表示经过自吸收衰减校正后的效率矩阵元，称为衰减校正效率矩阵元；

A_ij表示探测器在第i个扫描测量位置，第j个体素发射的γ射线被介质吸收衰减的因子；

T_ijk表示探测器在第i个扫描测量位置，测到第j个体素发射的γ射线在到达探测器之前所经过的路径上被第k个体素吸收衰减的线衰减厚度；

μ_k表示第k个体素的线衰减系数，通过透射扫描测量来求得。

5.根据权利要求2所述的SGS与TGS联合测量装置，其特征在于，所述SGS准直器确定γ射线出射位置;按照平均自由程原则，确定γ射线在样品中下一次与样品发生散射的位置；直至γ射线离开探测器系统；

通过对大量γ射线的跟踪模拟确定能谱的发射γ射线经过样品散射吸收后能谱变化和强度变化的统计估计，得到经过样品吸收后能量没有发生变化的γ射线份额。

6.根据权利要求2或5所述的SGS与TGS联合测量装置，其特征在于，

所述SGS准直器根据蒙特卡罗模拟方法的计算衰减校正因子物理模型，依靠随机抽样来模拟TGS发射测量的实际情况，将在第i个测量位置第j个有源体素发射的探测器所张立体角内每一条γ射线穿越空间第k个体素的径迹长度都计算出来，然后按如下公式计算衰减校正系数：

$A_{\mathrm{ij}}=\frac{1}{N}\underset{l=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\exp \left[\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(-x_{\mathrm{ijkl}}{\mathrm{\μ}}_k)\right]$

式中，N为第j个体素发射源在探测器对该体素所张立体角内发射的γ光子数；

X_ijkl为探测器在第i个测量位置，第j个体素的发射源，在立体角内发射的第l条γ射线穿越空间第k个体素的径迹长度；

μ_k为立体角内的γ射线穿越空间第k个体素的介质线衰减系数。

7.一种SGS与TGS准直器的优化方法，其特征在于，将SGS与TGS准直器联合同一装置中，TGS准直器根据上层体素与当前层体素探测效率之比进行分块；SGS准直器根据样品临层探测效率与当前层效率之比进行分层；

该优化的具体过程为：

步骤a,TGS准直器对样品透射测量，该具体过程为：

步骤a1,TGS准直器透射测量，计算每个体素的线衰减系数;

步骤a2,TGS准直器自发射测量，计算每个体素衰减校正系数；

步骤b,利用蒙特卡罗模拟方法建立衰减校正因子物理模型，针对特定测量对象，计算出当前层样品与临层样品的效率比；

步骤c,根据特定的分块尺寸，调节TGS准直器结构；当邻层探测效率与当前层效率之比小于30%时，满足要求的TGS准直器；

所述SGS准直器的优化过程为：

步骤d,基于蒙特卡罗算法，跟踪模拟样品中对于物料发射的特定能量射线在特定准直条件下在样品中输运过程，获取经过校正后物料发射γ射线总计数率的统计估计；

步骤e，跟踪模拟蒙特卡罗方法在探测器及其屏蔽准直体中对于特定能量γ射线的输运过程，获取探测效率；

步骤f,通过蒙特卡罗模拟方法，针对特定测量对象与测量系统，按SGS准直器特定分层测量要求，SGS准直器满足串扰小于40%，符合SGS准直器测量要求。

8.根据权利要求7所述的SGS与TGS准直器的优化方法，其特征在于，上述步骤a1具体过程为：

在物品外外加一个透射源，通过物体在透射源与探测器间运动测量，计算出衰减系数分布图;

透射方程可表示为：

$P_i=C_i/C_{\max }=e^{-\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{T}_{\mathrm{ik}}{\mathrm{\μ}}_k}---\left(1\right)$

其中：

C_i表示有样品存在时探测器在第i个扫描测量位置测得透射源的γ光子计数率；

C_max表示透射源的γ射线未被样品吸收衰减时探测器测得的γ光子计数率；

T_ik是M×N维介质线衰减厚度矩阵T的矩阵元，表示探测器在第i个透射测量位置，被测到的透射源的γ射线经过第k个体素的线衰减厚度，μ_k是第k个体素的线衰减系数；

将上式进行对数转换得：

$\ln \left(p_i\right)=-\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{T}_{\mathrm{ik}}{\mathrm{\μ}}_k$

令V_i=-ln(P_i)得：

$V_i=\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{T}_{\mathrm{ik}}{\mathrm{\μ}}_k$

解此透射测量方程，可解得μ_k的值。

9.根据权利要求7或8所述的SGS与TGS准直器的优化方法，其特征在于，上述步骤b具体过程为：

步骤d1,确定γ射线出射位置;由于SGS假设物料在样品中是均匀分布的，因此γ射线的出射位置是按照均匀分布的抽样模型抽样确定的；

步骤d2，按照平均自由程原则，按照公式：

P=-lnξ/Σ_T

确定γ射线在样品中下一次与样品发生散射的位置；

其中，P为当前γ射线具体输运距离，ξ为（0，1）均匀分布随机数，Σ_T为样品对于γ射线的宏观总截面；Σ_T也可以称作样品对γ射线的线吸收系数，或称γ射线在样品中的线衰减系数，用μ_L表示；

步骤d3，重复步骤d2直至γ射线离开探测器系统。

10.根据权利要求9所述的SGS与TGS准直器的优化方法，其特征在于，上述步骤e具体过程为：

步骤e1,确定γ射线入射位置;要考虑到实际探测器具有复杂的结构对于γ射线输运的影响;

步骤e2,按照平均自由程原则，确定γ射线在探测器系统中下一次发生散射的位置;

步骤e3,按照探测器系统中不同介质的特性，确定γ射线与介质的作用类型;

步骤e4,继续跟踪入射γ射线或γ射线与介质相互作用产生的次级粒子直至其能量低于跟踪阈值或从模拟系统中逃逸。

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