一种数值计算的放射线测量仿真方法及系统与流程

本发明涉及放射线测量仿真技术领域，特别是涉及一种数值计算的放射线测量仿真方法及系统。

背景技术：

放射线与人类的生活息息相关，广泛应用于国防军事、医疗卫生、环境保护等领域。由于放射线是看不见摸不着的，因此放射线测量是人类认识射线和利用射线的基本工具。放射线测量内容包括活度测量、能量测量和能谱测量，测量类型包括绝对测量和相对测量，测量目的有定性测量、定量测量、定位测量等；按测量射线的种类有α射线、β射线和γ射线测量；按照测量系统的模式分为：模拟单道测量和计算机多道测量。放射测量是核医学应用的基础。

由于放射线测量必须用到放射源，而放射源受到国家环保、公安、卫生等部门的严格管控，许多学校没有放射源的使用资质，因此根本无法开展放射线相关的实验教学。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种数值计算的放射线测量仿真方法及系统，规避掉放射源的使用资质，开展批量化的操作性放射测量实验教学。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种数值计算的放射线测量仿真方法，包括以下步骤：

(1)构建放射源模型、射线探测灵敏物质模型、射线测量电子学系统场景结构模型、射线测量电子学部件模型和射线与晶体探测灵敏物质相互作用模型；

(2)基于所述放射源模型、射线测量电子学系统场景结构模型、射线测量电子学部件模型和射线与晶体探测灵敏物质相互作用模型构建射线在探测器中的能量沉积计算数学模型，将计算得到的能量沉积转化成电脉冲信号并经电子学模拟处理和记录显示，完成所述射线的测量信号的模拟采集和记录显示。

所述步骤(1)中构建的放射源模型为点源模型、面源模型、未知源模型、混合源和本底模型中的一种或几种，包括放射源结构、尺寸、活度、能量、半衰期、本底活度和能量分布中的一种或几种。

所述步骤(1)中构建的射线探测灵敏物质模型包括探测灵敏物质类型、探测灵敏物质等效原子序数、灵敏物质尺寸、反射层和源探距中的一种或几种。

所述步骤(1)中构建的射线与晶体探测灵敏物质相互作用模型是指射线进入探测器灵敏物质后，根据由射线能量和灵敏物质参数计算的各种效应作用截面，随机性的与灵敏物质发生不同的相互作用，计算其产生的次级射线与灵敏物质再随机性的发生多次的不同相互作用，被物质吸收，计算最终沉积在物质中的射线能量；其中，沉积的能量计算成荧光光子数后，再经光电倍增管计算成输出电脉冲幅度；每次相互作用中，都会有一定比例的射线或次级射线不与物质发生作用，逃出灵敏物质，则射线的全部能量或部分将不会被沉积下来，导致输出脉冲的幅度有统计性差异。

所述射线在探测器中的能量沉积计算数学模型实现过程包括：

(a)随机入射到探测灵敏物质内随机位置的一个伽马射线事件，计算其随机运动距离，当随机运动距离大于晶体尺寸时，伽马射线穿出，即没有被探测到，本次计数将作为计算探测效率的数据被存储；本次入射事件结束；

当随机运动距离小于晶体尺寸时，说明射线与灵敏物质发生了某种相互作用；根据所述效应作用截面计算该作用的可能类型；当发生光电效应时，则入射射线消失，损失一部分电子结合能后打出一个电子，沉积能量＝(入射射线能量-电子结合能)，能量沉积会产生一个幅度与沉积能量成正比的电脉冲，电脉冲最后形成光电峰；本次入射事件结束；

当发生康普顿效应时，入射射线损失一部分电子结合能后打出电子，自身变成散射线，散射线相当于一次新的射线入射事件，再次开始与灵敏物质的相互作用计算；最终沉积能量＝(入射射线能量-电子结合能-出射的散射线能量)，能量沉积会产生一个幅度与沉积能量成正比的电脉冲，电脉冲最后形成康普顿峰；本次入射事件结束；

当发生电子对效应时，入射射线消失，产生一对正负电子，正电子湮灭后，产生能量为0.511mev的两个伽马光子；这两个伽马光子相当于两个同时入射的伽马射线，重复与灵敏物质的相互作用计算；最终沉积能量＝(入射射线能量-电子结合能-单/双逃逸湮灭光子的能量)，能量沉积会产生一个幅度与沉积能量成正比的电脉冲，电脉冲最后形成单/双逃逸峰；本次入射事件结束；

(b)如此不断重复步骤(a)的判断计算，直至按照测量活度×测量时间×几何因子的所有射线入射事件都完成计算后，计算停止。

所述步骤(1)中构建的射线测量电子学系统场景结构模型为射线电子学测量系统的2d或3d场景结构建模，包括放射源、探头、主放、单道、率表、定标器、adc多道、高压电源和防护材料；其中，每个部件的连线接口、拨码开关、电源开关、旋钮、数码显示管、液晶屏都设计成热点，能够进行操作、切换或刷新显示，其中，热点操作调节的参数信息会分别发送到所述射线测量电子学部件模型和放射源模型中。

所述步骤(1)中构建的射线测量电子学部件模型包括光电倍增管、前放、主放、单道、率表、定标器、adc多道和高压电源；其中，光电倍增管的参数包括高压电源、倍增极数量和倍增比例；前放的参数包括放大倍数和信号输出能力；高压电源的参数包括输出高压值；主放的参数包括放大倍数粗调、放大倍数细调、积分时间和微分时间；单道的参数包括下阈、上阈、道宽和动/自动调节模式选择；率表的参数包括量程和时间常数；定标器的参数包括噪声电压、自检/工作模式选择、测量时间和自动/半自动计数模式选择；adc多道的参数包括道数和噪声阈值；电脉冲信号经射线测量电子学部件参数进行信号处理，包括：光电倍增管进行放大、前放进行放大和射极跟随输出、主放进行波形整形和放大、单道进行幅度甄别、adc多道进行幅度数字化后，再经记录显示，包括：率表通过指针实时偏转粗略显示、定标器通过数码管显示、多道经过计算机软件界面显示。

所述步骤(1)中还包括构建防护材料模型的步骤，所述步骤(2)中还包括基于所述放射源模型和防护材料模型构建射线经防护材料后的衰减计算模型的步骤。

所述防护材料模型包括防护材料种类、防护材料原子序数或等效原子序数、防护材料密度和防护材料厚度中的一种或几种；所述射线经防护材料后的衰减计算模型为计算放射源放出一种或几种能量的放射线后，经过防护材料衰减后穿出的射线强度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种数值计算的放射线测量仿真系统，包括：模型构建模块，用于构建放射源模型、射线探测灵敏物质模型、射线测量电子学系统场景结构模型、射线测量电子学部件模型和射线与晶体探测灵敏物质相互作用模型；能量沉积计算模块，用于基于所述放射源模型、射线测量电子学系统场景结构模型、射线测量电子学部件模型和射线与晶体探测灵敏物质相互作用模型计算射线在探测器中的沉积的能量；模拟处理和显示模块，用于将计算得到的沉积的能量转化成电脉冲信号，并进行电子学模拟处理和记录显示。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明规避掉放射源的使用资质，不需要硬件(硬件单台价格在20万左右)，不受制于硬件，避免实际实验中对师生和环境造成放射性危害的风险，帮助医学影像技术、生物医学工程、环境保护、核技术等专业开展批量化的操作性放射测量实验教学，实现低成本批量化的实验操作与培训。

附图说明

图1是本发明第一实施方式的流程图；

图2是本发明第一实施方式中能量沉积计算数学模型的流程图；

图3-图9是本发明第一实施方式的试验效果图；

图10是本发明第二实施方式的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明的实施方式涉及一种数值计算的放射线测量仿真方法，包括以下步骤：构建放射源模型、射线探测灵敏物质模型、射线测量电子学系统场景结构模型、射线测量电子学部件模型和射线与晶体探测灵敏物质相互作用模型；基于所述放射源模型、射线测量电子学系统场景结构模型、射线测量电子学部件模型和射线与晶体探测灵敏物质相互作用模型构建射线在探测器中的能量沉积计算数学模型，将计算得到的能量沉积转化成电脉冲信号并经电子学模拟处理和记录显示，完成所述射线的测量信号的模拟采集和记录显示。

如图1所示，本实施方式以γ射线为例，其数值计算的放射线(γ射线)测量仿真方法包括步骤：

步骤1中，根据不同测量需求构建的放射源模型。放射源模型，包括已知源，包括cs137，co60，am241等，源种类确定后，其伽马射线能量(hc/λ)就确定了。如cs137，其能量为0.662mev；co60，其伽马射线能量分别为1.17mev和1.33mev，比例为1：1；还需要设置电源、面源、活度等；面源尺寸将用来计算几何因子；也可以设置未知源，未知源包含能量未知源、活度未知源和能量活度均未知源，其能量和活度值均在一定范围内随机赋值。也可构建混合源，同时包含两种或多种已知源的组合作为放射源；还需要构建本底模型，本底可设置为活度较低，能量连续分布的放射源。

步骤2中，构建构建防护材料模型，包括材料的种类和厚度。种类包括但不限于pb，cu，al等。种类构建后，相应的材料密度ρ、有效原子序数z均可查阅资料给出。厚度默认为1mm，可以选择多层材料来模拟材料厚度d。默认厚度不限于1mm。

步骤3中，计算放射源经防护材料后的输出强度，根据a＝a0exp(-d.k.z⁴.λ³/ρ)。a0为放射源出射射线强度；d为防护材料厚度；z为防护材料原子序数；λ为射线能量；ρ为防护材料密度。

步骤4中，构建探测器灵敏物质模型，包括灵敏物质种类、灵敏物质尺寸(φ*h)、反射层、源探距(l)；不同的灵敏物质，其有效原子系数z,密度ρ不同。根据放射源尺寸、源探距l以及灵敏物质尺寸，可以计算得到探测几何因子ω。将步骤3中的放射源经防护材料后的输出强度a乘以ω，可以得到放射源放出的射线入射到灵敏物质内的射线数量。

步骤5中，构建入射射线与灵敏物质发生的相互作用计算模型，计算每次射线入射事件的能量沉积：随机位置入射的射线与灵敏物质在随机位置发生多次随机相互作用或者不发生作用直接出射，入射射线能量-出射的散射射线或湮灭射线-电离能后，得到的是该次入射射线在灵敏物质中沉积的能量，该能量正比于灵敏物质输出荧光光子的数目，正比于光电倍增管输出的电脉冲的幅度。该模型实现了射线模拟探测并将射线入射事件转换成一个电脉冲信号输出。

其可以分为以下5个分步骤：

分步骤1：随机入射到探测灵敏物质内随机位置的一个伽马射线事件，计算其随机运动距离，当距离大于晶体尺寸时，射线穿出，即没有被探测到，本次计数将作为计算探测效率的数据被存储；本次入射事件结束。

分步骤2：开始启动下一次随机射线入射事件，计算其随机运动距离，当距离小于晶体尺寸时，说明射线与灵敏物质发生了某种相互作用。根据相互作用截面计算，该作用的可能类型；一定概率下，发生光电效应，则入射射线消失，损失一部分电子结合能后打出一个电子，沉积能量＝(入射射线能量-电子结合能)，能量沉积会产生一个幅度与沉积能量成正比的电脉冲，类似的电脉冲最后形成光电峰；本次入射事件结束；

分步骤3：重新开始启动下一次随机射线入射事件，计算其随机运动距离，当距离小于晶体尺寸时，说明射线与灵敏物质发生了某种相互作用。根据相互作用截面计算，该作用的可能类型；一定概率下，发生康普顿效应，入射射线损失一部分电子结合能后打出电子，自身变成散射线，散射线相当于一次新的射线入射事件，再次开始与灵敏物质的相互作用计算。最终沉积能量＝(入射射线能量-电子结合能-出射的散射线能量)，能量沉积会产生一个幅度与沉积能量成正比的电脉冲，类似的电脉冲最后形成康普顿峰；本次入射事件结束；

分步骤4：重新开始启动下一次随机射线入射事件，计算其随机运动距离，当距离小于晶体尺寸时，说明射线与灵敏物质发生了某种相互作用。根据相互作用截面计算，该作用的可能类型；一定概率下，发生电子对效应，入射射线消失，产生一对正负电子，正电子湮灭后，产生能量为0.511mev的两个伽马光子。这两个伽马光子相当于两个同时入射的伽马射线，重复与灵敏物质的相互作用计算模型，一个或两个光子可能没有发生作用而逃逸出晶体。最终沉积能量＝(入射射线能量-电子结合能-单/双逃逸湮灭光子的能量)，能量沉积会产生一个幅度与沉积能量成正比的电脉冲，类似的电脉冲最后形成单/双逃逸峰；本次入射事件结束；

分步骤5：如此不断重复判断计算，直至按照测量活度×测量时间×几何因子×防护材料衰减比例的所有射线入射事件都完成计算后，计算停止。

步骤6中，构建射线测量电子学系统场景结构模型，将放射源、探头、主放、单道、率表、定标器、adc多道、高压电源、防护材料等；每个部件的连线接口、拨码开关、电源开关、旋钮、数码显示管、液晶屏等都设计成热点，可进行操作、切换或刷新显示。在放射源柜里点选不同放射源种类后，探头下方的放射源铅罐内的源自动更换。在防护材料柜里，鼠标点击某种材料一次后，一层该防护材料放置在放射源铅罐的上面。鼠标点击铅罐上的材料，则可撤回一层该材料。

步骤7中，构建射线测量电子学部件数学模型，将光电倍增管、前放、主放、单道、率表、定标器、adc多道、高压电源等部件模型。光电倍增管模型包括高压电源、倍增极数量、倍增比例等参数；前放模型包括放大倍数和信号输出能力；高压电源包括输出高压值；主放模型包括放大倍数粗调、放大倍数细调、积分时间、微分时间等；单道模型包括下阈、上阈、道宽、手动/自动调节模式选择等；率表模型包括量程、时间常数；定标器模型包括噪声电压、自检/工作模式选择、测量时间、自动/半自动计数模式选择等；adc多道模型包括道数、噪声阈值等；具体的，单道模块，设置为半自动模式时，每个阈值测量结束后，需要手动调节下阈，才可继续下一次测量。设置为自动模式时，每个阈值测量结束后，系统自动增加下阈。定标器模块，设置为自检时，输出计数为内部晶振的时钟计数，每秒钟显示数为32768；设置为工作时，显示为射线测量测量计数。

步骤8中，电脉冲模拟处理，将电脉冲信号经射线测量电子学部件参数进行信号处理，包括：光电倍增管进行放大、前放进行放大和射极跟随输出、主放进行波形整形和放大、单道进行幅度甄别、adc多道进行幅度数字化。根据真机调节和操作功能，本步骤需要构建各种自动/半自动、调节等功能模型。

步骤9中，射线测量数据的记录显示，将经处理后的电脉冲信号转化成射线测量结果后记录显示,包括：率表通过指针实时偏转粗略显示、定标器通过数码管显示、多道经过计算机软件界面显示。根据真机显示和操作功能，本步骤需要构建各种半自动/自动、工作/自检、示波器显示、数码显示、表头偏转显示、计算机界面显示等功能模型。

本实施方式可以应用于放射线测量技术的配套虚拟实验实训平台，可开展本底测量、不同放射源在不同晶体尺寸下的能谱测量、能量测量、活度测量、比铅活度和半价层测量、不同材料防护性能测量评价等实验项目，也可用于放射测量仪器开发和测试校准；未知放射源能谱图比对等。图3-图9是本发明第一实施方式的各种试验效果图，其中，图3为co60的多道能谱实验效果图；图4为cs137的多道能谱实验效果图；图5为相对活度测量效果图；图6为分别放置0、3、6、9、12、15、18、21mmpb后的实验效果图；图7为4nci的cs137和8nci的co60混合源多道能谱测量实验效果图；图8为co60分别在1英寸、2英寸、3英寸下的能谱响应图；图9为2mev伽马射线在2英寸*2英寸晶体中的模拟计算能谱图(可以看到逃逸峰)。

本发明的第二实施方式涉及一种数值计算的放射线测量仿真系统，如图10所示，包括：模型构建模块用于构建各个模型；能量沉积计算模块，用于基于构建的各个模型计算射线在探测器中的沉积的能量；模拟处理和显示模块，用于将计算得到的沉积的能量转化成电脉冲信号，并进行电子学模拟处理和记录显示。

其中，模型构建模块包括放射源模型构建子模块、防护材料模型构建子模块、射线探测灵敏物质模型构建子模块、射线测量电子学系统场景结构模型构建子模块、射线测量电子学部件模型构建子模块和射线与晶体探测灵敏物质相互作用模型构建子模块。

整个系统还包括射线经防护材料后的衰减计算模型模块，其基于放射源模型和防护材料模型进行构建。

模拟处理和显示模块包括：电子学模拟处理模块，用于将计算得到的沉积的能量转化成电脉冲信号；电子学模拟记录显示模块，用于测量信号的显示记录和后处理。

该数值计算的放射线测量仿真系统以数值模拟为内核，配以适当的场景外衣，从而实现感性认知到理性分析的教学实验结合。场景外衣部分可开展测量系统的连线训练，加强对测量部件的功能了解。数值模拟内核，则通过对放射源、测量系统以及射线与物质的相互作用的物理数学建模后，模拟随机放射线产生、随机相互作用产生转化成电子脉冲信号，再经过电子学系统的处理后计数，实现类真机的放射测量实验操作。场景模块和数值模块之间是连通的，场景模块的操作可影响实验结果。

起点商标作为专业知识产权交易平台，可以帮助大家解决很多问题，如果大家想要了解更多知产交易信息请点击 【在线咨询】或添加微信 【19522093243】与客服一对一沟通，为大家解决相关问题。

此文章来源于网络,如有侵权,请联系删除