层析γ射线扫描能谱三维成像方法研究

随着核能与核技术在工业、农业、军事、科教、医学等领域的广泛应用，全球现已累积生产、储存了大量的裂变核材料、放射性废物，而且还在逐年大量地增加，已成为威胁人类生存、影响环境清洁、严重时可能影响人类后代的长久利益，阻碍核事业发展的一大隐患；国际恐怖主义活动频繁，对世界和平与稳定构成了严重威胁。本项目在现有研究技术基础上，提出将用于鉴别放射性核素种类的能谱分析技术与用于测定放射性活度空间分布的强度成像技术结合起来，建立层析γ射线扫描能谱三维成像实验平台，确定被测空间内放射性核素的种类，以及每种放射性核素活度的三维空间分布情况；实现在复杂能谱成分、海量能谱数据情况下快速、准确地确定感兴趣的核素种类和分布；协调能谱分析能力与重建时间的矛盾，减少各种环境本底的影响，建立能够适应高强度、复杂本底环境的实用的系统设计方案；提高其对各种复杂检测条件的适应能力，对大尺度对象感兴趣区域进行精确三维观察。

在核废料桶最终贮藏之前，为了符合安全要求，必须获得桶内放射性物质的信息，基于透射和发射的层析γ射线扫描成像TGS是当前最先进的无损检测技术之一，通过TGS测量，可以获得桶内放射性核素的成分、活度和分布。TGS测量需要对核废物桶扫描两次，一次为透射测量，一次为发射测量，透射测量结果将用于发射测量图像重建时的衰减校正，除了衰减校正之外，发射重建还需要探测效率校正。.针对非均匀介质及放射性核素非均匀分布的物体，提出层析γ射线扫描成像TGS系统结构及扫描方式优化，通过透射式重建每个单元的线性衰减系数，用于发射式射线衰减的校正，其放射性核素含量的测量准确性得到很大的提高。采用蒙特卡罗方法，根据外置放射源、实验样品、探测器、机械扫描方式等因素，模拟多个粒子的可能行为，获取各种情况下的仿真数据，开展重建算法研究。.采用标准化的电动平移台、电动升降台、电动旋转台、手动升降台等光学部件搭建层析γ射线扫描实验平台，计算机可以通过控制器实现对扫描平台的编程控制。采用基于FPGA与USB2.0的数字化多道的设计，对γ射线能谱数据进行采集，输入的γ射线核脉冲信号经过信号调理电路和AD转换之后进入FPGA处理，然后通过USB2.0接口传送给上位机进行处理。.由于扫描时间、探测器数量的限制，当前TGS透射重建图像的体素尺寸往往比较大，较大体素的内部物质分布不均匀，产生部分容积效应，当体素内部不均匀时，从不同方向、不同位置穿过该体素的射线，其衰减会相差很大。在压缩感知算法的基础上，提出利用全变差最小化的方法，通过使用比通常透射图像重建时更准确的物理模型，在使用同样数量测量数据的情况下，提出了透射图像的精细网格重建算法，减小部分容积效应，并讨论了不同的扫描方式对该算法的影响。.当前的TGS发射重建算法是将衰减校正系数作为准确值来考虑的，但由于透射测量以及重建的误差，衰减校正系数存在偏差。提出基于等效噪声模型的发射图像重建方法，将衰减校正系数误差引入了发射图像重建的考虑范围之内，利用数值模拟的方法确定了透射图像的噪声分布，并以此得到衰减校正系数的噪声分布，将该噪声映射到发射测量的测量数据上，作为发射重建时反投影的权重。