基于SOM神经网络和均值漂移算法的DOI-PET探测器泛场图像晶体识别

正电子发射断层扫描(PET)是一种功能性核医学成像设备,已广泛应用于临床检验和临床前研究。其核心探测器主要采用闪烁晶体阵列耦合光电器件阵列的模块化设计。该类型探测器需要对其泛场图像进行分割,制作晶体位置查找表。本文开发了一种针对双层错位的DOI-PET探测器的泛场图像晶体响应中心自动识别和分割算法。基于奇异值分解和均值漂移的算法实现顶层晶体中心的识别;基于自组织映射(SOM)神经网络的算法和均值漂移实现底层晶体中心的识别;采用基于欧氏距离的算法,实现了泛场图像晶体单元的分割。将本文所开发的算法用于整环(48张)PET泛场图像,晶体模块中心识别的准确率为99.34%,完成分割整张泛场图像的平均耗时为101 s。测试结果表明,本文所开发的泛场图像晶体响应中心自动识别和分割算法适用于双层错位的DOI-PET探测器,算法鲁棒性强、准确率高、运算速度快。     

用于校准192Ir医用源的阱型电离室

研制了一种用于校准医用¹⁹²Ir源的阱型电离室。该电离室的灵敏体积约为271cm³，在极化电压约为300V时，电离室的离子收集效率约为99.96%，总位置灵敏度变化小于0.3%。该阱型电离室对¹⁹²Ir的响应因子为0.230nA/GBq，其相对合成不确定度为1.5%，与IAEA校准过的阱型电离室比对，在不确定度范围内一致。     

一种用于Hp(3)测量的电离室性能评价

人眼晶体易受辐照损伤,为直接测量人眼晶体的个人剂量当量Hp(3),通过自研的一种人体头颅模型,在眼球部位嵌入球形电离室,开展辐射环境中Hp(3)的准确性评价。首先在GB/T 12162.1标准中规定的S-Cs辐射质条件下对该仪器进行校准,再利用该校准因子在不同能量和入射角条件下测量,获得相应的能量和入射角修正因子k(E,α),同时对其本底电流和极化效应进行测量,最后探讨该电离室测量值准确性的影响因素。结果表明,Hp(3)电离室的校准因子NH=1.19 μSv/pC;在未进行能量和入射角修正情况下,测得其在33 keV~1.25 MeV能量范围内响应相对误差为-0.9%~12.6%,-60°~60°入射角范围内的响应相对误差为-7.9%~0%。通过不确定度评定,得到其校准因子的相对扩展不确定度为5.6%（k=2）;能量和入射角已知、未知时,Hp(3)测量值的相对扩展不确定度分别为9.4%（k=2）和18%（k=2）。对于能量和入射角未知情况下的辐射场,在不确定度范围内可直接利用该电离室测量得到辐射场的Hp(3)。本研究可为眼晶体个人剂量当量的准确测量提供参考。     

MC模拟碘化钠探测器能量响应及其优化设计

碘化钠探测器对不同能量的γ射线存在不同的能量响应,为了使其测量γ辐射剂量的准确度达到要求,需要对碘化钠探测器进行能响补偿。本项目利用MCNP软件,模拟尺寸为Φ30 mm×20mm的碘化钠晶体在不同铅屏蔽体模型下的能量响应;通过比较不同模型下能量响应的标准偏差,选出最佳铅屏蔽体的形状和尺寸。模拟得出铅屏蔽体的尺寸在4 mm厚度,小孔半径r为6.7 mm(暴露面积20%)时,碘化钠晶体的能量响应最好。通过实验验证,理论数据与实验数据基本一致。     

用于校准192Ir医用源的阱型电离室

研制了一种用于校准医用192Ir源的阱型电离室。该电离室的灵敏体积约为271 cm3,在极化电压为300 V时,电离室的离子收集效率约为99.96%,总位置灵敏度变化小于0.3%。该阱型电离室对192Ir的响应因子为0.230 nA/GBq,其相对合成不确定度为1.5%,与IAEA校准过的阱型电离室比对,在不确定度范围内一致。     

晶体高剂量率线性响应范围的测定

分析了脉冲辐射场参数诊断中常用的两种无机晶体PbWO4和CeF3在高剂量率照射下的线性响应特性。实验中利用数字化示波器同时记录下同规格的晶体在前、后不同位置上的响应波形,根据二者的李萨如图形来判断较高剂量率下晶体的光输出是否非线性。同时用热释光剂量片测量对应每个脉冲的入射γ射线强度,并根据示波器监测到的脉冲波形参数,推算出晶体受照剂量率的大小。实验结果表明,PbWO4晶体在辐射强度为60EeV/(cm2·s)、CeF3晶体在辐射强度为0.8EeV/(cm2·s)时光输出仍为线性,能够满足目前的使用要求。     

能量响应修正法现场校准固定式γ剂量仪

为解决大范围布放式探测器校准的难题,以便携式X射线为校准源,采用能量响应修正法对固定式γ剂量仪现场校准方法进行研究。在实验室对待校准同类型剂量仪进行了高能区和低能区的能量响应测试,结合蒙特卡罗模拟获取了剂量仪器能量响应曲线;在待标仪器现场,采用替代法对剂量仪器进行校准,通过已得到的能量响应曲线对校准系数进行修正,以获得最终的校准系数。比对实验结果表明,现场校准系数与实验室校准系数误差在5%以内,该方法提高了固定式γ剂量仪测量准确性,对于辐射安全管理和辐射环境评价具有重要意义。     

基于FPGA的PET晶体位置映射图数据采集的算法研究

PET晶体位置映射图数据采集是PET数据采集和图像重建系统的重要组成部分。采用Xilinx公司推出的快速可编程门阵列(FPGA)开发环境System Generator for DSP系统设计工具进行平板PET晶体位置映射图数据采集的算法研究;在Lyrtech VHS-ADC开发平台上进行软硬件协同仿真与验证,在开发设计上可大幅度地缩短开发周期,节约成本。实验结果:PET晶体位置映射图白色散点清晰,易于分割,满足PET数据采集系统的要求。     

DRS4在PET上的应用研究

利用8+1通道DRS4采集板作为PMT的电子学读出和数据采集系统,由H8500耦合La Br3晶体阵列以及XP20D0耦合La Br3晶体条组合成的探测器对22Na 511 ke Vγ射线进行了测试。经波形数字化处理后,单个La Br3晶体条FWHM为3.42%,DRS4系统获得La Br3晶体阵列位置映射图散点清晰,一维位置谱峰Sigma值小于CAMAC系统。实验表明:DRS4满足PET数据采集系统要求,可大幅消减电子学的规模和功耗,有利于PET系统的小型化和降低搭建成本。     

一种新型溴化铈闪烁体探测器性能研究

闪烁探测器在射线能量与时间的探测中发挥着重要作用。针对国产新型溴化铈（CeBr₃）闪烁晶体，本文建立实验系统和方法对其关键性能指标进行了测试，具体包括：建立了快符合时间分辨系统测量装置，测试得到新型闪烁探测器对于⁶⁰Co源的时间分辨率为142 ps；建立了单光子计数法测量装置，测试得到溴化铈晶体的衰减时间为16.8 ns，上升时间为0.18 ns；建立了相对光输出测量装置，测试得到其相对于同规格NaI(Tl)闪烁体探测器对于661.66 keV射线的光输出为161%；同时针对其能量响应性能进行了测试，测得对于661.66 keV射线其能量分辨率为4.7%。将国产新型溴化铈闪烁晶体的性能测试结果与国际上同类晶体以及氟化钡、溴化镧、碘化钠等常用无机闪烁体的性能进行了比较，对其应用前景进行了探讨。     

ΔE-E望远镜在~9C碎裂反应上的应用

为研究9 C的晕核结构,一套ΔE-E望远镜探测器应用在兰州放射性次级束流线(RIBLL)上进行的9 C碎裂反应实验中,用来测量反应中产生的碎片。为解决ΔE-E望远镜中硅条的干扰问题及硅条和CsI的能量刻度,利用硅条的感应信号对重离子在硅条上产生的饱和信号进行能量刻度,并通过模拟程序与事例得到的刻度点对CsI(Tl)晶体进行能量刻度。同时使用在硅条和CsI(Tl)晶体上的位置信息对反应物径迹进行重建,从而得到同一离子在硅条与CsI(Tl)晶体上信号的符合,并得到了最终的有效物理事件。     

γ-γ符合测量系统的新型前端读出电路研制

研制了一种新型前端读出电路，用于重离子治癌装置中符合测量原型系统的研究和测试。电路主要包括能量链、时间链和数据处理单元。能量链由截止频率7 MHz的抗混叠滤波器和模数转换器(ADC)组成，形成波形采样电路；时间链由高速比较器构成的定时甄别电路和时间数字转换器（TDC）组成；数据处理单元基于现场可编程门阵列(FPGA)设计实现。电路的线性度优于0.8%，噪声小于0.8 mV（RMS）。配合LaBr3单晶体条测试，能量分辨为4.5%（FWHM），在与LYSO晶体阵列配合测试时，位置映射散点图清晰。该前端读出电路性能优于CAMAC系统，具有较好的实际应用前景。     

Study of PET Detector Performance with Varying SiPM Parameters and Readout Schemes

The spatial resolution performance characteristics of a monolithic crystal PET detector utilizing a sensor on the entrance surface (SES) design is reported. To facilitate this design, we propose to utilize a 2D silicon photomultiplier (SiPM) array device. Using a multi-step simulation process, we investigated the performance of a monolithic crystal PET detector with different data readout schemes and different SiPM parameters. The detector simulated was a 49.2mm by 49.2mm by 15mm LYSO crystal readout by a 12 by 12 array of 3.8mm by 3.8mm SiPM elements. A statistics based positioning (SBP) method was used for event positioning and depth of interaction (DOI) decoding. Although individual channel readout provided better spatial resolution, row-column summing is proposed to reduce the number of readout channels. The SiPM parameters investigated include photon detection efficiency (PDE) and gain variability between different channels; PDE and gain instability; and dark count noise. Of the variables investigated, the PDE shift of -3.2±0.7% and gain shift of -4±0.9% between detector testing and detector calibration had the most obvious impact on the detector performance, since it not only degraded the spatial resolution but also led to bias in positioning, especially at the edges of the crystal. The dark count noise also had an impact on the intrinsic spatial resolution. No data normalization is required for PDE variability of up to 12% FWHM and gain variability of up to 15% FWHM between SiPM channels. Based upon these results, a row-column summing readout scheme without data normalization will be used. Further, we plan to cool our detectors below room temperature to reduce dark count noise and to actively control the temperature of the SiPMs to reduce drifts in PDE and gain.     

束流漂移对硅条探测器阵列测量的影响

为研究束流漂移对结构紧凑、覆盖立体角较大的硅条探测器阵列测量的影响，利用蒙特卡罗方法，模拟了不同方向、不同大小的束流漂移对熔合蒸发残余核α衰变和卢瑟福散射角分布的影响，表明束流漂移距离小于3.0 mm时，探测器阵列的对称性能将计数误差控制在10%以下。开展了25 MeV和40 MeV ⁶Li+²⁰⁹Bi体系的实验测量，利用监视器数据研究了束流漂移的情况，结果表明，所有轮次的束流漂移均未超过3.0 mm。对束流漂移进行修正后，用3种不同的立体角刻度方法得到了弹性散射角分布，感兴趣的40 MeV数据与文献数据基本一致。     

热中子诱发239Pu裂变初级裂变产物质量分布测量

原子核裂变是最复杂的物理过程之一,至今仍缺乏可以统一描述裂变前和裂变后过程的理论。中子诱发239Pu裂变产额数据是重要的核数据,完整的初级裂变产物质量分布数据有助于完善裂变理论模型并提高产额评价数据的质量。本文研制了初级裂变产物鉴别谱仪（FFIS）,通过屏栅电离室和微通道板时间探测器分别测量裂变碎片的动能和飞行时间,基于动能 速度关联的方法直接获得碎片放中子后的质量分布,在BNCT医院中子照射器（IHNI 1）上开展了热中子诱发239Pu裂变初级裂变产物的质量分布测量。测量结果表明,对轻峰碎片质量分辨约为1 amu,对重峰碎片质量分辨约为15 amu。239Pu(nth,f)初级裂变产物质量分布的精确测量可为裂变产额理论计算和评价提供重要的实验数据。     

脉冲X射线衍射法测量冲击加载下的晶格形变量

脉冲X射线衍射可实现冲击加载下材料晶格形变量的在线测量。在建立晶格形变量的脉冲X射线衍射测量模型的基础上,分析了撞击倾斜及晶体宏观位移对衍射测量结果的影响。确定了影响晶格形变量测量的晶体样品宏观位移及衍射峰读出等因素的不确定度来源,建立了各种因素综合影响下的不确定度分析方法。给出了轻气炮驱动的平面冲击加载实验中LiF(100)晶体的脉冲X射线衍射测量结果,实验获得了晶体处于3.65 GPa和2.33 GPa两个不同冲击压缩状态下的动态衍射峰。经计算得到的晶格形变量与材料宏观雨贡纽关系吻合,并从晶格层面上证实了LiF晶体在冲击塑性形变时晶格处于各向同性的压缩状态。     

抗辐射加固高压NMOS器件的单粒子烧毁效应研究

由于施加高栅极工作电压,使得器件容易发生重离子辐射损伤效应,其中,重大的重离子辐射损伤效应是单粒子栅穿效应（SEGR）和单粒子烧毁效应（SEB）。本文介绍了抗辐射加固高压SOI NMOS器件的单粒子烧毁效应。基于抗辐射加固版图和p型离子注入工艺,对高压器件进行抗辐射加固,提高器件的抗单粒子烧毁能力,并根据电路中器件的电特性规范,设计和选择关键器件参数。通过仿真和实验结果研究了单粒子烧毁效应。实验结果表明,抗辐射加固器件在单粒子辐照情况下,实现了24 V的高漏极工作电压,线性能量传输（LET）阈值为835 MeV·cm2/mg。     

基于连续晶体的高性价比小型伽玛相机模块的设计

研究一种基于连续闪烁晶体配合位置灵敏光电倍增管(PSPMT)设计高分辨率小型伽玛相机模块的新方案。采用蒙特卡罗方法研究了压缩效应及内在空间分辨率与晶体参数的关系,进一步改进PSPMT的读出电路与定位方法,开发基于局域重心法的读出电子学电路,最后进行了成像实验测试。结果表明,基于局域重心法的读出电子学电路能够有效抑制晶体的压缩效应,晶体的空间分辨率和压缩效应都随着晶体厚度的减少而得到改善。因此,这种设计方案是可行的,其内在空间分辨率能够达到1?2mm,比采用晶体阵列有更好的性价比。     

多气隙阻性板室探测器位置分辨性能的模拟研究

多气隙阻性板室（MRPC）具有效率高、时间分辨优异、性价比高以及便于大面积制造的优点，成为缪子成像技术径迹探测器的良好选择。提高MRPC的位置分辨能力，是近年来的研究重点。本文使用ANSYS Maxwell计算了MRPC的三维静电权场，在此基础上研究了在相同MRPC结构下，读出板背面接地、读出条间距以及宽度占比对MRPC位置分辨能力的影响，同时给出了改善MRPC位置分辨性能的设计建议是读出条间距1 mm、宽度占比50%~60%。     

基于多种探测算法结果分级融合的PET探测器晶体查找表建立算法

高分辨率是现代正电子发射型断层显像仪(Positron Emission Tomography,PET)设备最重要的技术指标之一,高分辨率PET探测器通常由海量闪烁晶体组成,这使得探测器校准时,晶体查找表建立的工作量大幅增加,从而对相关自动化算法的鲁棒性提出了更高的要求。目前,晶体阵列的矫正主要依赖固定放射源对探测器晶体阵列成像得到的光子二维位置直方图。高分辨率PET探测器的晶体阵列中晶体个数增多,尺寸变小,导致二维位置直方图信噪比下降,且非线性形变更加复杂,使已有的晶体查找表建立算法都无法得到理想的自动化效率。在测试了多种前沿的晶体查找表建立算法后发现,某些算法的结果之间有很强的互补性,可以通过将多种算法结果相融合的方法得到优于单一探测算法的结果。因此提出了一种基于多种探测算法结果分级融合的晶体查找表建立算法,在实现过程中选取了三种互补性较强的晶体探测方法,分级融合其结果,大幅度降低了二维位置直方图上晶体分割的出错概率,获得了鲁棒的结果。