CN108445029A - 提高康普顿散射成像性能的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种提高康普顿散射成像性能的方法，包括如下步骤：检测环境中所有真实存在的射线源的光电峰；依据康普顿散射原理得到所述射线源发出的所有射线的定向数据；依据康普顿散射原理得到各所述射线在探测器内部两点反应位置上沉积的总能量；将各所述射线在探测器内部两点反应位置上沉积的总能量与所述光电峰的能量进行比对，保留在探测器内部两点反应位置上沉积的总能量与任一所述光电峰的能量相符的所述射线的定向数据；依据保留的所述射线的定向数据得到所述射线源的位置信息。本发明通过将康普顿散射成像与射线源的核素识别功能结合，依据二者可以校正去除康普顿散射成像中错误的结果，从而显著提高康普顿散射成像的角度定向精度。
Description
技术领域
本发明属于核辐射探测及核技术应用领域，特别是涉及一种提高康普顿散射成像性能的方法。
背景技术
在核辐射探测领域，射线源的测试、定量、识别及定位是主要功能需求，广泛应用于核电、环保、安保及应急等市场。为了在射线源识别的基础上同时获取射线源的位置，通常使用小孔成像的伽马相机，或使用康普顿散射原理的康普顿相机等获取。
康普顿相机的康普顿散射成像原理通过探测器内部的光子散射原理，对两点反应事例如图1所示，射线源发出的射线的入射方向可以被投影到一个圆锥面投影上，圆锥面投影3的中心轴4通过两个反应位置(即图1中的射线在探测器内部第一反应位置1及射线在探测器内部第二反应位置2，需要说明的是，上述两点反应事例与所述射线在探测器内部第一反应位置1及所述射线在探测器内部第二反应位置2一一对应)确定，可以用如下公式计算出所述圆锥面投影3的圆锥角：
其中，E0为所述射线源发出的射线的初始能量，E1为所述射线在探测器内部第一反应位置1沉积的能量，meC2为电子质量。
对于大多数应用来说，所述射线源发出的射线的初始能量是未知的，需要把所述射线在探测器内部两个反应位置上沉积的能量相加当作初始能量。而这种情况只有在所述射线在探测器内部第二反应位置2上的反应是光电吸收，并沉积了所有的剩余能量时才有效。而对于所述射线在探测器内部第二反应位置2只是康普顿散射的情况，现有应用中并不能识别，不能将所述射线在探测器内部第二反应位置2是光电吸收还是康普顿散射区分开来。当所述射线在探测器内部第二反应位置2是康普顿散射时，如果将所述射线在探测器内部两个反应位置上沉积的能量相加作为初始能量，上述公式将给出错误的圆锥角，这样就会降低康普顿散射角的分辨率，从而影响康普顿散射成像的角度定向精度。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种提高康普顿散射成像性能的方法，用于解决现有技术中利用康普顿散射原理定向射线源的射线入射方向时，把两点事例中有光电吸收和单纯的散射两种情况，都当做是光电吸收反应而导致的给出错误的定向结构，使角度定向精度较低的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种提高康普顿散射成像性能的方法，所述提高康普顿散射成像性能的方法包括如下步骤：
检测环境中所有真实存在的射线源的光电峰；
依据康普顿散射原理得到所述射线源发出的所有射线的定向数据；
依据康普顿散射原理得到各所述射线在探测器内部两点反应位置上沉积的总能量；
将各所述射线在探测器内部两点反应位置上沉积的总能量与所述光电峰的能量进行比对，保留在探测器内部两点反应位置上沉积的总能量与任一所述光电峰的能量相符的所述射线的定向数据；
依据保留的所述射线的定向数据得到所述射线源的位置信息。
作为本发明的一种优选方案，检测环境中所有真实存在的射线源的光电峰的同时依据康普顿散射原理得到所述射线源发出的所有射线的定向数据。
作为本发明的一种优选方案，检测环境中所有真实存在的射线源的光电峰包括如下步骤：
设定一预设标准，所述预设标准包括预设总计数及总计数与本底计数的预设差值中的至少一者；
检测环境中所有存在的射线源的光电峰，达到所述预设标准的所述光电峰即为真实存在的射线源的光电峰。
作为本发明的一种优选方案，所述射线在探测器内部两点反应位置上沉积的总能量落入一所述光电峰对应的能量值范围之内，即为所述射线在探测器内部两点反应位置上沉积的总能量与所述光电峰的能量相符。
作为本发明的一种优选方案，所述射线在探测器内部两点反应位置上沉积的总能量落入一所述光电峰高度的十分之一对应的能量值范围之内，即为所述射线在探测器内部两点反应位置上沉积的总能量与所述光电峰的能量相符。
作为本发明的一种优选方案，依据康普顿散射原理得到所述射线源发出的所有射线的定向数据的具体方法为：依据康普顿散射原理的两点反应事例将所有所述射线的入射方向投影至一具有特定圆锥角的圆锥面投影上，所述圆锥面投影即为所述射线的定向数据；其中，所述两点事例与射线在探测器内部两点反应位置一一对应，且所述圆锥面投影的中心轴由所述射线在探测器内部两点反应位置确定。
作为本发明的一种优选方案，依据保留的所述射线的定向数据得到所述射线源的位置信息的具体方法为：依据得到的各所述射线的圆锥面投影的底面圆环得到所述射线源的位置信息。
作为本发明的一种优选方案，各所述射线的圆锥面投影的底面圆环叠加最密集的点即为所述射线源的位置。
作为本发明的一种优选方案，检测环境中所有真实存在的射线源的光电峰之后，还包括如下步骤：确定所述光电峰的能量，将所述光电峰的能量与放射性核元素的能量进行比对，以确定所述射线源的核元素。
如上所述，本发明的提高康普顿散射成像性能的方法，具有以下有益效果：本发明通过将康普顿散射成像与射线源的核素识别功能结合，依据二者可以校正去除康普顿散射成像中错误的结果，从而显著提高康普顿散射成像的角度定向精度。
附图说明
图1显示为现有技术中的康普顿散射原理示意图。
图2显示为本发明实提供的提高康普顿散射成像性能的方法的流程图。
图3显示为本发明提供的提高康普顿散射成像性能的方法中射线源为Cs-137662keV伽马射线的能谱图。
图4显示为本发明提供的提高康普顿散射成像性能的方法中依据多个反应事例得到的圆锥面投影的底面圆环定位射线源位置的示意图。
图5显示为本发明提供的提高康普顿散射成像性能的方法能够提升康普顿散射角度分辨能力的示意图；其中，曲线①为未区分射线在探测器内部第二反应位置是康普顿散射事例及光电反应事例得到的射线源可能存在的角度范围曲线，曲线②为仅保留射线在探测器内部第二反应位置是光电反应事例得到的射线源可能存在的角度范围曲线。
元件标号说明
1 射线在探测器内部第一反应位置
2 射线在探测器内部第二反应位置
3 圆锥面投影
4 圆锥面投影的中心轴
5 射线在探测器内部第二反应位置是光电吸收的圆锥面投影的底面圆环
6 射线在探测器内部第二反应位置是康普顿散射的圆锥面投影的底面圆环
7 射线源的真实位置
S1～S5 步骤1)～步骤5)
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图2至图5。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。
请参阅图2，本发明提供一种提高康普顿散射成像性能的方法，所述提高康普顿散射成像性能的方法包括如下步骤：
1)检测环境中所有真实存在的射线源的光电峰；
2)依据康普顿散射原理得到所述射线源发出的所有射线的定向数据；
3)依据康普顿散射原理得到各所述射线在探测器内部两点反应位置上沉积的总能量；
4)将各所述射线在探测器内部两点反应位置上沉积的总能量与所述光电峰的能量进行比对，保留在探测器内部两点反应位置上沉积的总能量与任一所述光电峰的能量相符的所述射线的定向数据；
5)依据保留的所述射线的定向数据得到所述射线源的位置信息。
在步骤1)中，请参阅图2中的S1步骤及图3，检测环境中所有真实存在的射线源的光电峰。
作为示例，可以采用任意一种可以检测射线源的光电峰的设备对环境中的射线源进行检测，优选地，本实施中，采用康普顿相机对环境中存在的所有射线源进行检测，以得到所有射线源的光电峰。
作为示例，检测环境中所有真实存在的射线源的光电峰的同时依据康普顿散射原理得到所述射线源发出的所有射线的定向数据。具体的，依据康普顿散射原理检测环境中所有真实存在的射线源的光电峰包括如下步骤：
1-1)设定一预设标准(即设定一置信水平)，所述预设标准包括光电峰内的预设总计数及总计数与本底计数的预设差值中的至少一者，优选地，本实施例中，所述预设标准为光电峰内的预设总计数；
1-2)检测环境中所有存在的射线源的光电峰，达到所述预设标准的所述光电峰即为真实存在的射线源的光电峰。
具体的，可以检测环境中存在的一射线源的光电峰，将检测到的光电峰与所述预设标准进行比对，当达到所述预设标准时则判定该射线源的光电峰是真实存在的，即与这个预设标准的能量对应的射线源是存在的；依次类推，检测出环境中所有真实存在的射线源。
需要说明的是，得到真实存在的射线源的光电峰后，可以依据光电峰确定真实存在的射线源的能量。
由于在检测过程中，检测系统(譬如，康普顿相机)有噪声，当环境中的射线源太弱，计数不多，在噪声水平上下时，无法判断检测到的光电峰的计数是否是射线源引起的计数(有可能是噪声引起的)；只有检测到的光电峰的计数高出噪声本底计数一定水平(即上述的预设标准)时，才能判定这个光电峰是由射线源引起的。因此，通过设定所述预设标准，可以有效排除一些噪声等其他因素的干扰。
如图3所示，图3为检测到的Cs-137 662keV伽马射线射线源的能谱图的示意。
需要说明的是，检测环境中所有真实存在的射线源的光电峰之后，还包括如下步骤：确定所述光电峰的能量，将所述光电峰的能量与放射性核元素的能量进行比对，以确定所述射线源的核元素，从而完成核元素的识别的功能。放射性核元素的能量可以通过查找现有已知的放射性元素的信息库等方法得知，此处不做限定。
在步骤2)中，请参阅图2中的S2步骤，依据康普顿散射原理得到所述射线源发出的所有射线的定向数据。
作为示例，依据康普顿散射原理得到所述射线源发出的所有射线的定向数据的具体方法为：依据康普顿散射原理的两点反应事例将所有所述射线的入射方向投影至一具有特定圆锥角的圆锥面投影上，所述圆锥面投影即为所述射线的定向数据；其中，所述两点事例与射线在探测器内部两点反应位置一一对应，且所述圆锥面投影的中心轴由所述射线在探测器内部两点反应位置确定。具体的，两点反应事例的确定、射线在探测器内部第一反应位置的获取、射线在探测器内部第二反应位置的获取以及依据康普顿散射原理的两点反应事例将所有所述射线的入射方向投影至一具有特定圆锥角的圆锥面投影上的具体方法为本领域技术人员所知晓，此处不再累述。
以两点反应示例为例，依据康普顿散射原理的两点反应事例得到的圆锥面投影的圆锥角的公式如下：
其中，E0为所述射线源发出的射线的初始能量，E1为所述射线在探测器内部第一反应位置1沉积的能量，meC2为电子质量。
需要说明的是，可以在检测环境中所有真实存在的射线源的光电峰的同时依据康普顿散射原理得到所述射线源发出的所有射线的定向数据；也可以先检测环境中所有真实存在的射线源的光电峰，再依据康普顿散射原理得到所述射线源发出的所有射线的定向数据；还可以先依据康普顿散射原理得到所述射线源发出的所有射线的定向数据，再检测环境中所有真实存在的射线源的光电峰。
在步骤3)中，请参阅图2中的S3步骤，依据康普顿散射原理得到各所述射线在探测器内部两点反应位置上沉积的总能量。
作为示例，通过将所述射线在探测器内部第一反应位置沉积的能量E1与所述射线在探测器内部第二反应位置沉积的能量E2相加和得到所述射线在探测器内部两点反应位置上沉积的总能量E0。需要说明的是，所述射线在探测器内部第一反应位置沉积的能量E1及所述射线在探测器内部第二反应位置沉积的能量E2的获取方法为本领域人员所知晓，此处不再累述。
在步骤4)中，请参阅图2中的S4步骤，将各所述射线在探测器内部两点反应位置上沉积的总能量与所述光电峰的能量进行比对，保留在探测器内部两点反应位置上沉积的总能量与任一所述光电峰的能量相符的所述射线的定向数据。
具体的，将一射线在探测器内部两点反应位置上沉积的总能量E0与已经确定的所述光电峰进行比对，若所述射线在探测器内部两点反应位置上沉积的总能量E0与已经确定的某一个光电峰的能量相符，就说明所述射线在探测器内的两点事例是一次康普顿散射再加一次光电吸收作用，即所述射线在探测器内部第一反应位置的反应是一次康普顿散射，在探测器内部第二反应位置的反应是一次光电吸收，所述射线的定向数据保留；若所述射线在探测器内部两点应位置上沉积的总能量E0与已经确定的任意一个光电峰的能量均不相符，就说明所述射线在探测器内的两点事例是两个康普顿散射，即所述射线在探测器内部第一反应位置及在探测器内部第二反应位置的反应均为康普顿散射，所述射线的定向数据舍弃，即此时所述射线的定向数据为错误数据予以去除。
需要说明的是，由于探测得到的射线源的光电峰并不是能量值显示的一条能量线，而是有一定展宽的能量峰，这是叠加了噪声、统计涨落等因素的综合结果；所以只要所述射线在探测器内部两点反应位置上沉积的总能量E0落入一所述光电峰对应的能量值范围之内，即认定所述射线在探测器内部两点反应位置上沉积的总能量与所述光电峰的能量相符；优选地，只要所述射线在探测器内部两点反应位置上沉积的总能量E0落入一所述光电峰预设的能量值范围之内，即认定所述射线在探测器内部两点反应位置上沉积的总能量与所述光电峰的能量相符；更为优选地，本实施例中，所述射线在探测器内部两点反应位置上沉积的总能量落入一所述光电峰高度的十分之一对应的能量值范围之内，即认定所述射线在探测器内部两点反应位置上沉积的总能量与所述光电峰的能量相符。当然，在其他示例中，所述射线在探测器内部两点反应位置上沉积的总能量E0落入一所述光电峰预设的能量值范围可以根据实际需要进行设置，此处不做限定。
在步骤5)中，请参阅图2中的S5及图4及图5，依据保留的所述射线的定向数据得到所述射线源的位置信息。
作为示例，依据保留的所述射线的定向数据得到所述射线源的位置信息的具体方法为：依据得到的各所述射线的圆锥面投影的底面圆环得到所述射线源的位置信息。
具体的，由于一个所述射线源会发出无数个射线被探测器探测到，依据康普顿散射原理，每个所述射线即可得到一个具有一定圆锥角的圆锥面投影，所述圆锥面投影的圆锥角体现了对应射线可能的入射方向。因此，一个所述射线源可以得到无所个所述圆锥面投影。
作为示例，若干个所述圆锥面投影的底面圆环会相互叠加在一起，其中，各所述射线的圆锥面投影的底面圆环叠加最密集的点即为所述射线源的位置。如图4所示，图4以所述射线源的射线得到四个圆锥面投影的底面圆环作为示例，其中，图4中右上侧的圆环(即图4中虚线圆环)为射线在探测器内部第二反应位置是康普顿散射的圆锥面投影的底面圆环6，所述射线在探测器内部第二反应位置是康普顿散射的圆锥面投影的底面圆环6为需要舍弃的底面圆环，其余三个圆环为射线在探测器内部第二反应位置是光电吸收的圆锥面投影的底面圆环5，依据所述射线在探测器内部第二反应位置是光电吸收的圆锥面投影的底面圆环5的叠加即可得到所述射线源的真实位置，即图4中三个所述射线在探测器内部第二反应位置是光电吸收的圆锥面投影的底面圆环5叠加在一起的位置即为所述射线源的真实位置7。
需要说明的是，图4仅以所述射线源的射线得到四个圆锥面投影的底面圆环作为示例，在实际应用中，所述射线源有无数条射线，可以得到无数个圆锥面投影，舍弃与任意光电峰的能量均不相符的射线得到的圆锥面投影后，保留的所述射线得到的圆锥面投影的底面圆环叠加最密集的点即为所述射线源的位置。
请参阅图5，图5中曲线①为未区分射线在探测器内部第二反应位置是康普顿散射事例及光电反应事例得到的射线源可能存在的角度范围曲线，即采用现有技术得到的射线源可能存在的角度范围曲线，曲线②为仅保留射线在探测器内部第二反应位置是光电反应事例得到的射线源可能存在的角度范围曲线，即采用本发明的提高康普顿散射成像性能的方法得到的射线源可能存在的角度范围曲线。由图5可知，如若采用现有技术得到的射线源存在的角度会跨越一个比较宽的角度范围，而采用本发明的提高康普顿散射成像性能的方法得到的射线源存在的角度会被精确定位置一个很小宽度的角度范围，相较于现有技术，本发明显著提高康普顿散射成像的角度定向精度。
综上所述，本发明提供一种提高康普顿散射成像性能的方法，所述提高康普顿散射成像性能的方法包括如下步骤：检测环境中所有真实存在的射线源的光电峰；依据康普顿散射原理得到所述射线源发出的所有射线的定向数据；依据康普顿散射原理得到各所述射线在探测器内部两点反应位置上沉积的总能量；将各所述射线在探测器内部两点反应位置上沉积的总能量与所述光电峰的能量进行比对，保留在探测器内部两点反应位置上沉积的总能量与任一所述光电峰的能量相符的所述射线的定向数据；依据保留的所述射线的定向数据得到所述射线源的位置信息。本发明通过将康普顿散射成像与射线源的核素识别功能结合，依据二者可以校正去除康普顿散射成像中错误的结果，从而显著提高康普顿散射成像的角度定向精度。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (9)
1.一种提高康普顿散射成像性能的方法，其特征在于，所述提高康普顿散射成像性能的方法包括如下步骤：
检测环境中所有真实存在的射线源的光电峰；
依据康普顿散射原理得到所述射线源发出的所有射线的定向数据；
依据康普顿散射原理得到各所述射线在探测器内部两点反应位置上沉积的总能量；
将各所述射线在探测器内部两点反应位置上沉积的总能量与所述光电峰的能量进行比对，保留在探测器内部两点反应位置上沉积的总能量与任一所述光电峰的能量相符的所述射线的定向数据；
依据保留的所述射线的定向数据得到所述射线源的位置信息。
2.根据权利要求1所述的提高康普顿散射成像性能的方法，其特征在于，检测环境中所有真实存在的射线源的光电峰的同时依据康普顿散射原理得到所述射线源发出的所有射线的定向数据。
3.根据权利要求1所述的提高康普顿散射成像性能的方法，其特征在于，检测环境中所有真实存在的射线源的光电峰包括如下步骤：
设定一预设标准，所述预设标准包括预设总计数及总计数与本底计数的预设差值中的至少一者；
检测环境中所有存在的射线源的光电峰，达到所述预设标准的所述光电峰即为真实存在的射线源的光电峰。
4.根据权利要求1所述的提高康普顿散射成像性能的方法，其特征在于，所述射线在探测器内部两点反应位置上沉积的总能量落入一所述光电峰对应的能量值范围之内，即为所述射线在探测器内部两点反应位置上沉积的总能量与所述光电峰的能量相符。
5.根据权利要求1所述的提高康普顿散射成像性能的方法，其特征在于，所述射线在探测器内部两点反应位置上沉积的总能量落入一所述光电峰高度的十分之一对应的能量值范围之内，即为所述射线在探测器内部两点反应位置上沉积的总能量与所述光电峰的能量相符。
6.根据权利要求1所述的提高康普顿散射成像性能的方法，其特征在于，依据康普顿散射原理得到所述射线源发出的所有射线的定向数据的具体方法为：依据康普顿散射原理的两点反应事例将所有所述射线的入射方向投影至一具有特定圆锥角的圆锥面投影上，所述圆锥面投影即为所述射线的定向数据；其中，所述两点事例与射线在探测器内部两点反应位置一一对应，且所述圆锥面投影的中心轴由所述射线在探测器内部两点反应位置确定。
7.根据权利要求6所述的提高康普顿散射成像性能的方法，其特征在于，依据保留的所述射线的定向数据得到所述射线源的位置信息的具体方法为：依据得到的各所述射线的圆锥面投影的底面圆环得到所述射线源的位置信息。
8.根据权利要求7所述的提高康普顿散射成像性能的方法，其特征在于，各所述射线的圆锥面投影的底面圆环叠加最密集的点即为所述射线源的位置。
9.根据权利要求1所述的提高康普顿散射成像性能的方法，其特征在于，检测环境中所有真实存在的射线源的光电峰之后，还包括如下步骤：确定所述光电峰的能量，将所述光电峰的能量与放射性核元素的能量进行比对，以确定所述射线源的核元素。
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