多针孔成像近地太空核爆X射线测量方法研究

根据X射线多针孔成像的原理,搭建了地面模拟成像装置进行X射线成像实验,获得了像素能量沉积(灰度值)与X射线强度、像素位置与入射角之间的关系,验证了采用多针孔成像技术探测近地太空核爆的可行性,为今后采用编码孔成像技术探测近地太空核爆提供基础。     

星载核爆X射线探测技术进展

卫星有效载荷对核爆炸的探测是实现国土及全球核爆监测的最佳手段，核爆传感器也可为空间科学研究积累数据。而星载X射线探测的途径，可较理想地实现对近地太空核爆的探测、识别、定位与确定核爆炸的当量。主要介绍利用X射线探测太空核爆在国外的发展历史及现状，并且预测了今后的发展趋势。     

关于天基探测近地核爆瞬发辐射的思考

分析探讨了利用瞬发辐射天基探测核爆炸(包括空间核爆和近地核爆)的可行性,概略估算了近地核爆某些瞬发辐射粒子(含X,γ射线及中子等)自爆点垂直传播至同步探测卫星处的传输总衰减倍数A及相应的辐射厚度B和物理衰减因子Aph等.得出结果:利用γ射线与中子可探测高于10km的核爆;利用10keV X射线可探测高于40km的核爆炸,利用1keV X射线可探测高于80km的核爆炸.     

星载核爆脉冲γ射线及中子监测技术的进展

卫星有效载荷对大气层和太空核爆实施探测、定位和识别是各核大国争相研究的前沿课题.回顾了美国主要监测卫星对核爆脉冲γ射线及中子监测的早期技术,包括天基系统构成、辐射探测器和探测方法,对未来大气层和太空核爆监测技术和装备进行了展望和设想,以期为相关领域的研究提供一定参考.     

编码孔技术用于X射线前向散射的成像

简要介绍了编码孔成像技术的概念和原理,并通过蒙特卡罗程序的模拟结果,说明这种成像技术可以用于X射线前向散射的成像,而且成像效果较为理想。     

射线半影编码孔点扩散函数锐度展宽模拟评估

阐述了射线半影编码成像系统点扩散函数锐度展宽与一般系统点扩散函数半高宽的区别与联系,确立了半影编码成像系统锐度展宽概念,建立了半影编码孔成像系统蒙特卡罗模型。计算获得了0.662、1.25、2.45、5.0、10.0、14.06MeV等一系列能量点的γ射线与中子在半影编码成像系统点扩散函数,并按照定义算出γ射线与中子各能量系统点扩散函数的锐度展宽;得到γ射线和中子能量与半影编码成像系统锐度展宽函数关系,分析了半影编码成像系统点扩散函数锐度展宽的原因,为今后编码孔设计的改进提供理论依据。     

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。     

增强光中子成像空间分辨率的方法研究

X射线和中子联合成像能够极大的提升针对不同种类违禁材料的鉴别能力。光中子源具有中子产额高,系统稳定性好,既是X射线源又是中子源的优点,其不足之处在于中子探测会受到X射线脉冲的干扰,而为了避免这种干扰采用慢化中子延时错开X射线脉冲的解决办法又将带来新的问题,即中子探测空间分辨率的恶化。本文提出了一种新颖的探测慢化后光中子的方法,能够极大地提升光中子探测的空间分辨率,并设计了一套光中子成像原型系统,通过模拟手段评估了系统的各项参数性能,获得了理想的模拟成像结果,验证了方法的可行性。     

IP板对中/高能X/γ射线响应特性研究

为了实验得到IP板对中/高能X/γ射线的响应,基于X射线装置和~(137)Cs、~(60)Co放射源研究了IP板对40keV~1.33 MeV范围内的X/γ射线的响应。利用IP板的物理模型和蒙特卡罗方法对IP板的响应进行了计算和模拟,两者的结果与实验结果符合较好。基于X/γ射线在IP板感光层中的沉积效率,研究了IP板对X/γ射线沉积的灵敏度响应,理论计算结果与实验结果亦符合较好。本文研究结果为将IP板应用于中/高能X/γ射线测量提供了数据支撑和技术基础。     

基于X射线相干衍射成像的元素分布成像

基于上海光源软X射线谱学显微线站的特点和相干X射线衍射成像(CDI)技术,对软X射线相干衍射成像方法的一个重要应用:元素分布成像及含量分析进行了模拟研究。推导了CDI相比双能分析算法并进行了理论模拟,估算了能够分辨的最小物质含量,并分析了CDI实验噪声等因素对元素分布成像的影响。所得结果可对软X射线CDI的实际应用提供理论指导。     

基于LaBr3(Ce)晶体耦合SiPM阵列的可变角分辨率伽玛相机的设计与研制

编码孔径成像技术由于探测效率高、信噪比高、角分辨率好、成像质量稳定可靠等优点而广泛应用于核安全、核设施的去污及退役的测量、核医学等领域。建立通过改变编码准直器和探测器之间距离进而实现可变角分辨的伽玛成像系统。整个成像系统主要由编码准直器、位置灵敏探测(position sensitive detector, PSD)、数据采集卡以及图像重建系统组成。该成像系统的编码准直器采用修正均匀冗余阵列(modified uniformly redundant array, MURA)编码方式,为了保障对较高能量射线的探测能力,编码准直器的材料采用含钨量90%的钨铜合金,PSD通过LaBr₃(Ce)晶体耦合SiPM阵列组成,重建算法采用的是直接互卷积算法,快速高效。测试结果显示,整个位置灵敏探测器的平均能量分辨率为4.96%(662 keV);该辐射成像系统可以准确地对Am-241、Cs-137、Co-60进行清晰成像,并通过改变编码准直器和探测器之间的距离成功分辨出两个Cs-137点源的位置。     

CAFNA(R), coded aperture fast neutron analysis forcontraband detection: preliminary results

We have developed a near field coded aperture imaging system for use with fast neutron techniques as a tool for the detection of contraband and hidden explosives through nuclear elemental analysis. The technique relies on the prompt gamma rays produced by fast neutron interactions with the object being examined. The position of the nuclear elements is determined by the location of the gamma emitters. For existing fast neutron techniques, in pulsed fast neutron analysis (PFNA), neutrons are used with very low efficiency; in fast neutron analysis (FNA), the sensitivity for detection of the signature gamma rays is very low. For the coded aperture fast neutron analysis (CAFNA ^(R)) we have developed, the efficiency for both using the probing fast neutrons and detecting the prompt gamma rays is high     

X射线源针孔成像系统优化设计研究

为提高X射线源针孔成像系统的性能,对成像能区为10~100 keV的X射线源针孔成像系统进行了优化设计研究。综合应用了理论分析和蒙特卡罗模拟的方法,首先根据X射线波长、准直器角响应和X射线穿透效应对针孔成像的不同影响结果设计了可有效控制成像分辨率和成像面积变化的船底型准直器,随后用蒙特卡罗方法对使用该准直器的针孔成像系统进行了模拟验证。结果表明,对于100 keV以下的X射线,经船底型准直器后,成像的空间分辨率和亮斑亮度较稳定,能得到相对准确的X射线源定位、定量信息。     

Pinhole collimator design for nuclear survey system

A conventional knife-edge collimator, which is widely used in gamma camera for medical diagnosis, is not suitable for nuclear imaging system because many scattering radiations near the pinhole aperture happen and blur image. A new pinhole collimator, which shapes a channeled aperture for reducing image degradation induced by the scattering radiations, is introduced and its characteristics are analyzed by Monte Carlo simulation. Resolutions defined as the full-width at half-maximum (FWHM) of point spread function and efficiencies are calculated about several pinhole diameters from 4 to 8 mm and channel heights from 2 to 10 mm. For this calculation, we assumed that ¹³⁷Cs radiation sources with 662 keV mono-energies enter into our designed collimator at the 1 m distance from the detector plane. The efficiencies and resolutions of the channeled collimator are compared with those of the conventional collimator. By comparison results, it is verified that the new collimator takes advantage more than the conventional collimator. The optimum channel height and diameter of the pinhole collimator from simulation results are also proposed and designed. We finally acquired nuclear image mounting this collimator in the nuclear survey system.     

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。     

屏蔽电缆X射线辐照非线性效应模拟

本文分析了X射线辐照电缆的物理过程,建立了电缆介质层辐射感应电导率(RIC)和间隙效应计算模型,采用有限元方法模拟了电缆X射线辐照非线性效应,给出了诺顿等效电流源(NCD)的非线性响应规律。模拟结果表明,仅考虑RIC效应时,随着X射线注量的增加,NCD幅度存在明显的饱和现象,波形宽度逐渐变窄;仅考虑间隙效应时,NCD幅度近似正比于间隙宽度;当同时考虑两种效应时,间隙效应将会大幅抵消RIC对NCD的影响。因此,在预估核爆环境下屏蔽电缆的X射线辐照响应时,需综合考虑RIC和间隙非线性效应的影响。     

安全壳卸压排放气体在线辐射监测仪的理论设计

针对核电厂事故条件下卸压排气过程中的放射性气体成分及气体监测要求,对核电厂安全壳卸压排放气体放射性活度探测装置进行了理论设计。并利用MCNP对探测装置进行了模拟计算,结果表明：在选择合理的测量准直器、屏蔽方案条件下,该装置可实现安全壳卸压排放气体放射性活度监测。最后通过实验验证表明,模拟计算结果真实可靠,可为核电厂卸压排气放射性监测设备的研制提供重要的理论支持和参考。     

双光束白光干涉系统的理论模拟与实验研究

为了实现一般性样品的自由电子激光三维成像,搭建了一套用于上海软X射线自由电子激光装置的双光束单脉冲三维成像装置。计划利用可见光对该成像装置进行离线时空对准,利用自由电子激光对其进行在线时空对准。为了保证离线对准的顺利实现,需要搭建一套基于双光束白光干涉原理的离线对准系统。本文设计了一套双光束白光干涉系统,并结合波动光学原理和MATLAB软件对其进行了离线对准原理的理论模拟验证。随后搭建了该套系统,并成功对该系统进行了时空对准调试与验证,时间对准调节精度达48.1 fs。经简单改进后,该系统可作为自由电子激光三维成像装置的离线对准系统,用于其离线对准调节。     

线缆X射线瞬态响应的电路模型计算

建立了同轴电缆和腔体内带保护层导线、裸导线X射线瞬态辐照响应的电路计算模型,该模型考虑了X射线辐照线缆时电子的运动规律及瞬态响应的产生机理,适用于瞬态响应的规律研究和工程预估。结合实例,介绍了计算模型中电流源、电容参数的物理意义及其计算方法,采用该模型计算了同轴屏蔽电缆的X射线瞬态响应,并与数值计算结果进行了比较。结果表明,电容的计算是采用电路模型计算响应的关键,采用衰减法计算的电子射程更适合计算电容。