反应堆宇宙线缪子成像蒙特卡罗模拟研究

宇宙线缪子成像可对第二代反应堆压水堆(PWR)堆芯进行成像,即使在严重核事故下,常规方法无法监测时,仍可探知堆芯状态,了解堆芯情况。论文基于PWR主要结构参数建立详细的模拟模型,通过Geant4程序进行模拟,对反应堆堆芯进行图像重建,并对图像进行降噪处理。研究结果表明,宇宙线缪子可对堆芯高Z材料成像,核燃料轮廓清晰可见,利用大角度宇宙线缪子对PWR堆芯进行成像、对堆芯状态进行监控的方法可行。若要实现这种方法,使用多个8 m×8 m的大面积位置灵敏探测器,在3个月内可以实现。     

X光发散度对多切片扫描相干衍射成像质量的影响

扫描相干衍射成像(Ptychography)技术目前已得到大范围的应用,获得了巨大成功。基于Ptychography的三维成像技术也得到了快速发展,在生物和材料领域的研究中得到了成功应用。常规的Ptychography三维成像技术仍是基于多角度投影的计算机断层成像技术,具有成像效率低、辐照剂量大的缺点。最近出现的多切片三维Ptychography成像方法,为高效低剂量的三维成像技术开辟了新的道路。为了进一步改善多切片方法的重建效率和图像质量,本文在优化迭代算法中驰豫系数的基础上,通过模拟计算系统地研究了入射X射线的发散度对多切片方法重建效果的影响。结果表明:入射X射线的发散度越高(数值孔径越高),多切片方法图像迭代重建的收敛越快,图像的重建质量也更好;而选择较小的入射X光发散度则不利于三维成像的高质量重建。该结论对于相关成像实验中聚焦光学的选择和设置具有重要的指导意义,如选择聚焦尺寸更小的波带片或较低的入射X射线能量,将更有希望获得好的多切片成像质量。     

同步辐射X射线光斑信息对扫描相干衍射成像的影晌

本文采用拓展重叠关联迭代引擎算法,系统地模拟研究了x射线光斑尺寸、扫描点数及波前形貌对扫描相干衍射成像重建图像质量的影响。结果表明,在实际入射光斑尺寸不易确定时,算法中初始猜测光斑尺寸可以由模拟入射光斑最大光强值的1％对应边界确定。对物体进行扫描时,入射光斑个数大于7×7且重叠度优于70％可以重建出较好的图像。入射光斑的振幅和位相分布对重建图像质量也有着显著影响。     

大面积MRPC宇宙线缪子成像原型装置的研制

大面积位置灵敏探测器阵列是宇宙线缪子散射成像系统的关键部分。研发了适用于研制的73.6 cm×73.6 cm大面积二维读出位置灵敏MRPC探测器上的双精细复用读出电子学,构建了一个包括上下2组、每组各3块大面积MRPC的宇宙线缪子散射成像原型实验装置。该装置通过上下两块塑料闪烁体进行触发,实验数据经过处理后能重建缪子径迹,采用PoCA图像重建算法,获得了散射成像实验图像,结果与蒙特卡罗理论模拟结果相一致,为进一步研究宇宙线缪子成像物理机制、成像算法等提供了良好的实验平台。     

基于MURA编码孔成像测量Pu部件对称性的数值模拟分析

通过分析MURA编码孔成像技术的原理,实现了MLEM重建算法的源物体图像重建。使用数值模拟方法,分析了413keV单能γ面源的MURA编码板成像全过程,通过对比分析重建源物体分布与实际源物体分布,验证了重建算法及程序的正确性。并通过MNCP程序模拟假想的Pu部件模型,在编码孔成像过程中,像平面上射线投影强度分布、直接重建及简单扣本底重建源物体分布,从而论证了MURA编码孔成像测量Pu部件对称性的可行性。数值模拟结果表明,编码孔成像测量Pu部件对称性与小孔成像相比,在保护敏感信息和提高射线利用效率方面,具备一定的优势。     

双能CT技术在小尺寸青铜器病害诊断中的应用研究

双能计算机断层成像(CT)技术具有同时对物质结构和成分进行重建的能力,已被广泛应用于医疗、工业等领域。本文将双能CT技术引入至文物保护中,选取两种小尺寸青铜器腐蚀病害(密闭中空物体内表面病害和实心物体内部病害)作为研究对象。研究结果表明,重建结果的相对误差在10%以内,初步验证该方法可为文物保护人员更进一步了解病害腐蚀情况、制定有效的文物修复方案提供依据。     

基于伴随粒子的快中子成像系统角分辨研究

不同于传统的快中子成像系统,采用伴随粒子成像技术无需机械准直即可消除大部分γ射线和散射中子的干扰,实现对厚重物体的高对比度成像。角分辨是影响系统成像质量的一项重要参数。通过理论分析,研究了入射离子的初始动量、靶点尺寸和探测器空间分辨等多个因素对系统角分辨的影响。利用基于GEANT4的模拟程序,计算了不同参数下被标记中子出射角分布的二维图像。分析及模拟结果表明,靶点直径和α探测器空间分辨率是影响角分辨的重要因素。为满足系统角分辨小于1°的设计目标,入射离子的初始动量变化范围应较小,靶点直径应小于1 mm,同时α探测器的空间分辨率应小于0.5 mm。     

基于伴随粒子的快中子成像系统角分辨研究

不同于传统的快中子成像系统,采用伴随粒子成像技术无需机械准直即可消除大部分γ射线和散射中子的干扰,实现对厚重物体的高对比度成像。角分辨是影响系统成像质量的一项重要参数。通过理论分析,研究了入射离子的初始动量、靶点尺寸和探测器空间分辨等多个因素对系统角分辨的影响。利用基于GEANT4的模拟程序,计算了不同参数下被标记中子出射角分布的二维图像。分析及模拟结果表明,靶点直径和α探测器空间分辨率是影响角分辨的重要因素。为满足系统角分辨小于1°的设计目标,入射离子的初始动量变化范围应较小,靶点直径应小于1 mm,同时α探测器的空间分辨率应小于0.5 mm。     

均匀介质中γ成像三维图像重建

将γ相机的小孔成像模型类比成平行束模型,在代数重建法(ART)的基础上,加入衰减补偿,实现了均匀介质γ成像的三维图像重建。对比加入衰减补偿和未加入衰减补偿所重建放射源的位置和强度分布,得出介质对γ相机成像三维图像重建的影响:屏蔽介质只会影响重建后放射源的强度分布,不会影响放射源的位置分布。通过MC模拟数据的重建结果表明,本方案是切实可行的。     

高能工业CT用4MeV加速器的研制

X射线CT检测技术通过投影重建方法获取被检测物体的数字图像,解决了传统X射线透视成像中影像重叠、密度分辨率低等缺点。ICT（工业CT）是一种重要的无损检测工具,能紧密、准确地再现物体内部的三维立体结构,能定量地提供物体内部的物理、力学特性,如缺陷的位置及尺寸、密度的变化,异型结构的形状及精确尺寸,物体内部的杂质及分布等。     

A novel 4D resolution imaging method for low and medium atomic number objects at the centimeter scale by coincidence detection technique of cosmic-ray muon and its secondary particles

The muon radiography imaging technique for high-atomic-number objects(Z) and large-volume objects via muon transmission imaging and muon multiple scattering imaging remains a popular topic in the field of radiation detection imaging. However, few imaging studies have been reported on low and medium Z objects at the centimeter scale. This paper presents an imaging system that consists of three layers of a position-sensitive detector and four plastic scintillation detectors. It acquires data by co...     

宇宙线缪子散射成像模拟与算法研究

本文验证了基于Micromegas探测器的宇宙线缪子散射成像系统进行快速核材料检测的可行性,并对实验室宇宙线缪子成像系统原型进行参数估算。基于Geant4程序开发了用于模拟宇宙线缪子物理过程、传输径迹及Micromegas探测器响应的模拟程序。在模拟数据的基础上,实现并改进了两种主要的宇宙线缪子散射成像算法。根据模拟和成像结果,1 m×1 m成像系统可在10 min内检测到被重元素屏蔽的核材料。10 cm×10 cm成像系统的缪子事例触发率为0.16 s^-1,要获得较为清晰的成像结果,要求探测器位置分辨率达到300 μm,探测器增益为1 000时实际测量事例至少需要20 h。     

MV级EPID成像中靶材料与厚度的优化选择

MV级电子射野成像系统(EPID)产生的图像相对于kV级对比度差,其中靶的材料和尺寸是一重要因素。采用Monte-Carlo软件包Geant4程序对6MV医用直线加速器进行模拟,对MV级EPID成像中靶材料与厚度进行优化选择。计算结果表明,低原子序数的薄靶有利于改善成像质量,在无均整器的情况下,3mm厚的Cu靶或10mm厚的Al靶更适用于6MV的电子射野成像系统。     

See inside: The development of a cosmic ray muon imaging system to aid the clean up of the UK’s nuclear waste legacy

In recent years the use of non-intrusive and non-invasive imaging techniques to safely interrogate non-nuclear (industrial) storage vessels or process units has seen a significant increase. The nature of material found within active ‘legacy waste’ storage vessels and other radiation shielded vessels coupled with the distinct lack of access makes representative sampling or visual inspection of the vessel extremely problematic and in some cases impossible. However, until recently, the radiation shielding which is commonplace on all nuclear sites has rendered existing remote non-intrusive imaging techniques useless. This is due to the limiting penetrative power of X-rays and gamma-rays as well as lack of access for other semi-invasive techniques such as electrical and acoustic imaging. Cosmic ray muon based imaging systems have great potential. This is because muons have very high energies (up to 10¹² GeV) and therefore, offer a superior penetrative power which provides a means to ‘peer through’ objects which otherwise would be inaccessible. Such objects may include lead lined silo or vessels as well as various intermediate material transport modules. Because muons only show detectable interactions with high atomic number material they also offer a means to detect the quantity and location of heavy metal elements and their associated compounds. In this work the first attempts at two-dimensional muon attenuation mapping are described. More specifically multiple plane prototype muon detection system has been used to image the resultant attenuation maps for a number of lead phantoms. This opens up possibilities for the collation of muon trajectory data which in turn can be used to track muon events both entering and leaving the object of interest allowing attenuation based image processing. It is believed that future work in this area will serve to significantly improve both the coverage area and the spatial resolution of the system though improved detector technology providing a powerful tool for the rendering of either large or dense objects.     

基于康普顿成像系统的碳离子治疗剂量监测研究

为实现碳离子治疗的精准放疗,精确监测患者体内的三维剂量分布,本文设计一种双层康普顿成像系统和简单反投影算法,利用Geant4仿真软件优化探测系统的结构,评估探测系统的探测效率、成像性能,分析200 MeV/μ的碳离子束轰击有机玻璃（PMMA）靶的三维剂量分布。此外,还使用四对像素1.5 mm×1.5 mm×10.0 mm、12×12阵列型的硅酸钇镥（LYSO）晶体对直径约为3 mm的²²Na点源进行康普顿成像实验,并对影响三维剂量监测精度因素进行分析。结果表明,对于0.847 MeV的γ点源,重建图像在横截面上半高宽（FWHM）增加至2.38 mm、冠状面上扩展至7.02 mm。康普顿成像系统通过探测碳离子束轰击PMMA靶产生的4.439 MeV瞬发γ射线,重建的三维剂量分布与真实三维剂量分布偏差为9.3%。利用LYSO康普顿成像系统样机的²²Na点源成像实验,得到半高宽为4.05 mm的重建图像,验证了康普顿成像方法的实用性。     

大孔径厚针孔成像数值模拟研究

为解决cm级尺寸射线源的空间分布诊断,本文提出大孔径厚针孔成像方法。采用Geant4软件编写蒙特卡罗程序模拟5、10和15 mm大孔径厚针孔的成像过程,采用Matlab软件实现逆滤波、Wiener滤波和Lucy-Richardson复原算法,以均方根误差σ作为复原效果评判标准,优化了Wiener滤波信噪比参数和Lucy-Richardson算法迭代次数参数。将复原算法应用于不同孔径厚针孔的图像复原,发现理想逆滤波算法会引起噪声放大;Wiener滤波算法图像复原解存在较严重的伪影;Lucy-Richardson算法可获得清晰的复原图像。结合Lucy-Richardson算法的5、10、15 mm大孔径厚针孔成像获取的图像的σ是0.5 mm孔径传统针孔成像结果的1.15、1.21、1.26倍。结果表明,结合图像复原算法的大孔径厚针孔成像技术能获得与传统针孔成像接近的源图像测量结果,初步验证了该方法具有可行性。     

基于SART算法的CL硬化伪影校正方法研究

X射线薄板层析成像(CL)系统是一种针对板状构件的新型断层成像系统,该系统中存在射束硬化现象。本工作研究了一种基于SART算法的硬化伪影校正算法（SART-BHC算法）,通过对该算法的研究及对CL系统矩阵的计算,使该方法能应用于CL中。通过模拟与实验相结合的方式,利用蒙特卡罗方法获得CL投影的模拟数据,在实际CL中获得实验数据,然后利用SART-BHC与FPB算法对两种数据分别重建。结果表明,SART-BHC算法可应用于CL中,不需要任何先验知识,能很好地校正硬化伪影,并对层间混叠有抑制作用。     

基于天然μ子散射特征评估铀板内水平狭缝宽度的方法

针对经典μ子成像方法用于特殊对象结构探测的技术难点,提出了一种通过直接比较对象发生结构变化前后μ子散射特征的差异来进行形变类型和尺度判定的新思路,称为正向参比法。相比于经典的逆向反演法,该方法在原理上对于初始结构已知的特殊核对象的结构变化探测更有优势。从初步模拟结果来看,在合理的天然μ子通量下,该方法可实现铀板内亚毫米尺度水平狭缝的存在及其尺度的准确判定。     

高能~(56)Fe离子入射屏蔽材料的次级粒子模拟分析

空间辐射环境下的高能重离子入射屏蔽材料会产生大量次级粒子,为研究屏蔽材料产生的次级粒子对太空舱内辐射环境的影响,本文使用基于蒙特卡罗方法的Geant4软件模拟空间高能~(56)Fe离子入射铝、碳、聚乙烯、水4种屏蔽材料,分析透射屏蔽体的初级粒子及由屏蔽材料产生的次级电子、次级中子、次级质子和次级γ的能谱以及水吸收体中的能量沉积和深度剂量分布。分析产生的次级重粒子类型和能量,比较4种屏蔽材料对高能Fe离子的屏蔽性能。结果表明,聚乙烯材料对高能重离子的屏蔽性能最好,但同时产生的次级重粒子的能量最大,约为铝材料产生次级重粒子能量的4倍。屏蔽体产生所有次级粒子中,次级质子和原子序数为22-26的次级重粒子贡献最大。     

3D strain imaging in sub-micrometer crystals using cross-reciprocal space measurements: Numerical feasibility and experimental methodology

Direct inversion of coherent X-ray diffraction patterns is a powerful method to image strains in individual crystals with a high spatial resolution, less than 10 nm. The possibility to invert the diffraction pattern is in principle ensured by the oversampling of the measurement. In addition, the resolution of the reconstructed object requires the measurement of the intensity distribution as far as possible in reciprocal space. Thus, fulfilling the oversampling and resolution constraints, in 3D, implies very long acquisition times, hardly compatible with the stability of the X-ray synchrotron source or sample. To overcome this problem, we present a method based on partial crossed intensity measurements: it consists in two irregularly spaced intensity measurements taken in two orthogonal directions. This paper demonstrates that partial crossed intensity measurements are in principle sufficient to reconstruct 2D objects using a phase retrieval algorithm. We also describe how such measurements can be achieved in practice for 3D imaging. 3D intensity measurements taken in two orthogonal directions for a 111 Bragg peak of a sub-micrometer Au grain are shown.