CN103901052B - 一种sgs与tgs联合测量装置及准直器优化方法 - Google Patents

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CN103901052B CN201410102454.XA CN201410102454A CN103901052B CN 103901052 B CN103901052 B CN 103901052B CN 201410102454 A CN201410102454 A CN 201410102454A CN 103901052 B CN103901052 B CN 103901052B
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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

-种SGS与TGS联合测量装置及准直器优化方法
技术领域
[0001] 本发明设及核材料非破坏性分析(Non-DestructiveAssay-NDA)技术领域,尤其 设及一种SGS与TGS联合测量装置。
背景技术
[0002] 分段式丫扫描技术(SegmentedGamma-rayScanner,SG巧与层析丫扫描测量技 术(TomographicGammaScanning,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W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轴、超轴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。
[0003] 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。运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。在运样的测量模式下,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。
[0004] TGS与SGS技术相类似,都是采用高纯错丫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巧CT)和透射CTaCT)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。
[00化]TGS对被测物件进行立维立体扫描,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)。运样,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(pointtopoint)的衰减校 正。换句话说,TGS技术所采用的丫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。运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。
[0006] 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。
[0007] 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
[000引本发明的目的在于提供一种SGS与TGS联合测量装置,用W克服上述技术缺陷。
[0009] 为实现上述目的,本发明提供一种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,
[0010] 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;该联合测量装 置具有实现所述SGS准直器将样品轴向旋转与垂直上升测量,W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;
[0011] 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;
[0012] 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邻层样品的探测效率比;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探测效率之比小于30%时,TGS准直器满足要求;
[0013] 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丫射线总计数率的 统计估计;基于蒙特卡罗方法,跟踪模拟在探测器及其屏蔽准直体中对于特定能量丫射 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。
[0014] 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:
[0015]
Figure CN103901052BD00071
[0016] 其中:
[0017] 。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丫光子计数率;
[0018] Cm。、表示透射源的丫射线未被样品吸收衰减时探测器测得的丫光子计数率;
[0019] Tik是MXN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,被测到的透射源的丫射线经过第k个体素的线衰减厚度,μ,是第k个体素的线衰减系 数;
[0020] 将上式进行对数转换得:
Figure CN103901052BD00072
[0024] 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。
[00巧]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:
[0026]
Figure CN103901052BD00081
[0027]其中:
[0028] Di表示第i个测量位置,测到样品中所有体素发射的丫射线的计数率;
[0029] Ei,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;
[0030]Sj表示第j个体素放射源的源强;
[00川 E。通过S,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;
[0032] 经过吸收衰减校正后的发射丫测量问题用下面的线性方程来描述:
Figure CN103901052BD00082
[0036]其中:
[0037]Fii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;
[0038] Ai,表示探测器在第i个扫描测量位置,第j个体素发射的丫射线被介质吸收衰 减的因子;
[0039]Ti,k表示探测器在第i个扫描测量位置,测到第j个体素发射的丫射线在到达探 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;
[0040] μk表示第k个体素的线衰减系数,通过透射扫描测量来求得。
[0041] 进一步,所述SGS准直器确定丫射线出射位置;按照平均自由程原则,确定丫射 线在样品中下一次与样品发生散射的位置;直至丫射线离开探测器系统;
[0042] 通过对大量丫射线的跟踪模拟给出确定能谱的发射丫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。
[0043] 进一步,所述TGS准直器根据蒙特卡罗模拟方法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丫射线穿越空间第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:
[0044]
Figure CN103901052BD00083
[0045] 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丫光子数;
[0046]Xi,ki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1条 丫射线穿越空间第k个体素的径迹长度;
[0047] μk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。
[0048] 本发明还提供一种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 直器根据样品邻层探测效率与当前层探测效率之比进行分层;
[0049] 该优化的具体过程为:
[0050] 步骤a,TGS准直器对样品透射测量,该具体过程为:
[0051] 步骤al,TGS准直器透射测量,计算每个体素的线衰减系数;
[0052] 步骤a2,TGS准直器自发射测量,计算每个体素衰减校正系数;
[0053] 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邻层样品的探测效率比;
[0054] 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,TGS准直器满足要求; 阳化日]所述SGS准直器的优化过程为:
[0056] 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丫射线总计数率的统计估计;
[0057] 步骤e,基于蒙特卡罗算法,跟踪模拟在探测器及其屏蔽准直体中对于特定能量 丫射线的输运过程,获取探测效率;
[0058] 步骤t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。
[0059] 进一步,上述步骤al具体过程为:
[0060] 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;
[0061] 透射方程可表示为: 闺]
Figure CN103901052BD00091
(1 ) 阳06引其中:
[0064]。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丫光子计数率; 阳0化]Cm。、表示透射源的丫射线未被样品吸收衰减时探测器测得的丫光子计数率;
[0066] Tik是MXN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,被测到的透射源的丫射线经过第k个体素的线衰减厚度,μ,是第k个体素的线衰减系 数;
[0067] 将上式进行对数转换得:
Figure CN103901052BD00092
[0071] 解此透射测量方程,可解得μk的值。
[0072] 进一步,上述步骤d具体过程为:
[0073] 步骤dl,确定丫射线出射位置;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;
[0074] 步骤d2,按照平均自由程原则,按照公式:
[00巧]p = -In ξ / Στ
[0076] 确定丫射线在样品中下一次与样品发生散射的位置;
[0077] 其中,Ρ为当前丫射线具体输运距离,ξ为(0,1)均匀分布随机数,St为样品对 于丫射线的宏观总截面;Στ也可W称作样品对丫射线的线吸收系数,或称丫射线在样品 中的线衰减系数,用表示;
[0078] 步骤d3,重复步骤d2直至丫射线离开探测器系统。
[00巧]进一步,上述步骤e具体过程为:
[0080] 步骤el,确定丫射线入射位置;要考虑到实际探测器具有复杂的结构对于丫射 线输运的影响;
[0081] 步骤e2,按照平均自由程原则,确定丫射线在探测器系统中下一次发生散射的位 置;
[0082] 步骤e3,按照探测器系统中不同介质的特性,确定丫射线与介质的作用类型;
[0083] 步骤e4,继续跟踪入射丫射线或丫射线与介质相互作用产生的次级粒子直至其 能量低于跟踪阔值或从模拟系统中逃逸。
[0084] 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
[00化]图1为本发明SGS与TGS联合装置的正视结构图;
[0086] 图2a为本发明TGS准直器的优化方法的流程图;
[0087] 图化为本发明SGS准直器的优化方法的流程图。
具体实施方式
[008引 W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。
[0089] 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W满足SGS与TGS测量要求 的联合装置。
[0090] 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W通过内嵌式,也可W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。
[0091] 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,W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。
[0092] 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。
[0093] 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。
[0094] 本发明TGS准直器对应的优化过程为:
[00巧]步骤a,TGS准直器对样品透射测量与自发测量;
[0096] 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:
[0097] 步骤al,TGS准直器透射测量,计算每个体素的线衰减系数:
[009引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;
[0099] 透射方程可表示为: 阳100]
Figure CN103901052BD00111
… 阳101] 其中: 阳102]。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丫光子计数率;阳103] Cm。、表示透射源的丫射线未被样品吸收衰减时探测器测得的丫光子计数率;
[0104] Tik是MXN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,被测到的透射源的丫射线经过第k个体素的线衰减厚度,μ,是第k个体素的线衰减 系数。
[01化]将上式进行对数转换得:
Figure CN103901052BD00112
[0109] 解此透射测量方程,可解得μ k的值。
[0110] 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: 阳111] 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Pi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yk。
[0112]步骤a2,TGS准直器自发射测量,计算每个体素衰减校正系数;
[0113] 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 W用下面的线性方程来描述:
[0114]
Figure CN103901052BD00121
(4) 阳11引其中:
[0116] Di表示第i个测量位置,测到样品中所有体素发射的丫射线的计数率;
[0117] Ei,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;
[0118] Sj表示第j个体素放射源的源强。
[0119] Ei,通过S,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。
[0120] 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丫射线穿 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 正后的发射丫测量问题可W用下面的线性方程来描述。
[0121]
Figure CN103901052BD00122
(扫) 阳122] Fij=EuXAii (6) 阳12引Aij= Π k expHVik · Wk) (7) 阳124] 其中:
[01巧]Fii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;
[01%] Ai,表示探测器在第i个扫描测量位置,第j个体素发射的丫射线被介质吸收衰 减的因子;
[0127] Ti,k表示探测器在第i个扫描测量位置,测到第j个体素发射的丫射线在到达探 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;
[0128] μk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。
[0129] 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;
[0130] 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 丫射线穿越空间第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:
[0131]
Figure CN103901052BD00123
(沒): 阳132] 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丫光子数;
[013引 Xi,ki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1条 丫射线穿越空间第k个体素的径迹长度。 阳134] μk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。
[013引步骤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。 阳136]
Figure CN103901052BD00131
阳137] 其中,A为串扰。
[0138] 本发明SGS准直器对应的优化过程为:
[0139] 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丫射线总计数率的统计估计;
[0140] 具体按照运样如下步骤实现: 阳141] 步骤dl,确定丫射线出射位置;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。 阳142] 步骤d2,按照平均自由程原则,按照公式: 阳 14引 Ρ= -1ηξ/Στ巧)
[0144] 确定丫射线在样品中下一次与样品发生散射的位置。
[0145] 其中,Ρ为当前丫射线具体输运距离,ξ为(0,1)均匀分布随机数,Σ巧样品对 于丫射线的宏观总截面;Στ也可W称作样品对丫射线的线吸收系数,或称丫射线在样品 中的线衰减系数,用表示。 阳146] 步骤d3,重复步骤d2直至丫射线离开探测器系统。 阳147] 按照上述步骤,通过对大量丫射线的跟踪模拟可W给出确定能谱的发射丫射线 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丫射线份额。即对经过校正后物料发射丫射线总计数率的统计 估计。
[0148] 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丫射线 的输运过程;获取探测效率; 阳149] 具体步骤为:
[0150] 步骤el,确定丫射线入射位置;要考虑到实际探测器具有复杂的结构对于丫射 线输运的影响。 阳151] 步骤e2,按照平均自由程原则,按照公式(8)确定丫射线在探测器系统中下一次 发生散射的位置。 阳152] 步骤e3,按照探测器系统中不同介质的特性,确定丫射线与介质的作用类型。通 常需要考虑Ξ种作用过程:光电效应、电子对效应和康普顿散射。对于本文设及的问题,只 需要光电效应和康普顿散射。 阳153] 步骤e4,继续跟踪入射丫射线或丫射线与介质相互作用产生的次级粒子直至其 能量低于跟踪阔值或从模拟系统中逃逸。
[0154] 按照上述步骤,通过对大量入射丫射线的跟踪模拟入射丫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。运就是样品中物 料发射一个特定能量丫射线而被探测器系统探测到的概率,即探测效率。
[01巧]理论上可设计一个理想的SGS准直器,使探测器获取的丫能谱信息只来自于探测 器准直器张口对应的当前层。在运种情况下,获取的得到的特征丫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: 阳156] kAX = B (10) 阳157] 其中,k为计数率质量转换因子,对特定核素的特征丫射线而言是一常数;A为当 前层探测效率(假定已进行自吸收校正);B为特征丫射线计数率的测量值;X为当前层物 料含量。
[0158] 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; 阳159]
Figure CN103901052BD00141
(11)
[0160] 其中屯为对样品第i层发射的特征丫射线计数率的测量值,来自于实验测量; 曰1,,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;为所求样品第i分层分量。 阳161] 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(Ξ对角)。
[0162] 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。
[0163] 当串扰小于40%时,方程组可W解出准确解。串扰公式如下:
[0164]
Figure CN103901052BD00142
阳1化]其中,Δ为串扰。
[0166] 步骤t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。
[0167] 准直器满足串扰小于40%的设计指标。
[0168] W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 (9)

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;该联合测量装置 具有实现所述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; 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邻层样品的探测效率比;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探测效率之比小于30%时,TGS准直器满足要求; 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;基于蒙特卡罗方法,跟踪模拟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。
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,根 据下述透射方程计算每个体素衰减校正系数:
Figure CN103901052BC00021
其中: (^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_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; Tlk是MXΝ维介质线衰减厚度矩阵Τ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:
Figure CN103901052BC00022
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。
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:
Figure CN103901052BC00031
其中: Di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; Eg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,表示第j个体素放射源的源强; Eg通过S ,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:
Figure CN103901052BC00032
其中: 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; 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; T1]k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。
4. 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,得到经过样品吸收后能量没有发生变化的γ射线份额。
5. 根据权利要求1或4所述的SGS与TGS联合测量装置,其特征在于, 所述TGS准直器根据蒙特卡罗模拟方法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:
Figure CN103901052BC00033
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; X1]kl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1条γ 射线穿越空间第k个体素的径迹长度; μk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。
6. -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准直器根据样品邻 层探测效率与当前层探测效率之比进行分层; 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al,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 出当前层样品与邻层样品的探测效率比; 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,TGS准直器满足要求; 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,基于蒙特卡罗算法,跟踪模拟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。
7. 根据权利要求6所述的SGS与TGS准直器的优化方法,其特征在于,上述步骤al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:
Figure CN103901052BC00041
其中: (^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_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; Tlk是MXΝ维介质线衰减厚度矩阵Τ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,μk是第k个体素的线衰减系数; 将上式进行对数转换得:
Figure CN103901052BC00042
令 Vi= -ln(p i)得:
Figure CN103901052BC00043
解此透射测量方程,可解得μ k的值。
8. 根据权利要求6或7所述的SGS与TGS准直器的优化方法,其特征在于,上述步骤d 具体过程为: 步骤dl,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:
Figure CN103901052BC00051
确定γ射线在样品中下一次与样品发生散射的位置; 其中,Ρ为当前γ射线具体输运距离,ξ为(〇,1)均匀分布随机数,ςτ为样品对于γ射线的宏观总截面;ΣΤ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h表示; 步骤d3,重复步骤d2直至γ射线离开探测器系统。
9.根据权利要求8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el,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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