核輻射劑量場實(shí)時(shí)成像測量系統(tǒng)的研究

1、核輻射劑量場實(shí)時(shí)成像測量系統(tǒng)的研究本文利用閃爍體的吸收發(fā)光特點(diǎn)，并結(jié)合計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)，提出了對(duì)核輻射劑量場分布進(jìn)行實(shí)時(shí)成像測量的新方法陣列式吸收發(fā)光CT法，研制出閃爍光纖陣列構(gòu)成的核探測器及其伺服控系統(tǒng).采用高靈敏度的電荷耦合器件(CCD)拾取探測器產(chǎn)生的微弱閃爍光信號(hào)，并用定點(diǎn)采集的方法對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)的快速采集.在圖像重建方法上，提出了迭代濾波反投影重建方法和利用非完全投影進(jìn)行數(shù)據(jù)修復(fù)，對(duì)獲取的投影數(shù)據(jù)進(jìn)行變換和處理.通過選擇濾波函數(shù)及其適當(dāng)?shù)膮?shù)，獲得最佳濾波效果，以重建劑量場的二維場分布，從而建立了核輻照劑量場的實(shí)時(shí)、高精度的成像測量系統(tǒng).實(shí)驗(yàn)及模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果均很好地證實(shí)了，該測量

2、方法的可行性和測量系統(tǒng)工作的可靠性.關(guān)鍵詞:核輻射劑量場；閃爍體；斷層掃描；迭代濾波反投影；圖像重建The Study on Real-Time Radiography System in Dose FieldSHENG Jin-hua(China Academy of Telecommunications Technology,Beijing 100083,China)YIN Ze-jie(Department of Modern Physics,University of Science and Technology of China,Hefei 230027,China)Abstract

3、:By the comprehensive analysis of existing mcasuring methods,a new method is proposed in the paper to measure the nuclear radiation dose field with array absorption-emission computed tomography.The detector based on scintillation optical fiber array and its servo-control system are designed.The weak

4、 optical signal is measured by Charge Coupled Devices (CCD) and the formed visual signal is quickly sampled with the method of testing fixed signed points.The reconstruction method of iterative filter back projection and the data renovation based on noncomplete projection are proposed to reconstruct

5、 dose field much more accurately.The filter function is also an important factor in the image reconstruction.The Butterworth filter function is chosen.By adjusting its parameters,we have obtained optimum result.Finally,all the experimentation show that the methods proposed in paper are proper and wh

6、ole measuring system is advanced and feasible.Key words:nuclear radiation dose field;scintillation;computed tomography;iterative filter back projection;image reconstruction一、引言輻射劑量學(xué)是試圖探討射線能量的傳遞及生物組織對(duì)其能量的吸收，并用實(shí)驗(yàn)的方法測定輻射量值.從早期使用X射線起，人們就開始采用感光膠片進(jìn)行劑量測定，以后發(fā)展了量熱劑量學(xué)、化學(xué)劑量學(xué)以及利用熱釋光現(xiàn)象的劑量測定技術(shù).近年來，又研制出電離室探測器和微型半導(dǎo)

7、體探測器.但從目前國內(nèi)外所采用的劑量測量方法和儀器來看，各有許多不足之處，如都不能進(jìn)行劑量場的強(qiáng)度分布及形態(tài)的實(shí)時(shí)測量；一些方法還需要另外的數(shù)據(jù)讀出設(shè)備，致使無法現(xiàn)場獲取結(jié)果；大多也僅能進(jìn)行點(diǎn)測量，且材料的一致性差；除感光膠片法外，其他空間分辨都較差.因此，現(xiàn)在尚無能夠比較好地適合用于劑量場的強(qiáng)度分布及形態(tài)的實(shí)時(shí)測量系統(tǒng).對(duì)于劑量場的測量，包括束流的總強(qiáng)度及其橫截面上的強(qiáng)度分布及形態(tài)的實(shí)時(shí)成像測量，目前在國內(nèi)外沿屬空白(未見報(bào)道).而對(duì)刀、x刀、醫(yī)學(xué)射線加速器等這些對(duì)射線有一定匯聚要求的輻照源的射線匯聚束斑空間形狀的強(qiáng)度分布的實(shí)時(shí)成像測量，具有特別重要和迫切的實(shí)用價(jià)值.三、系統(tǒng)構(gòu)成整個(gè)系統(tǒng)分為

8、四個(gè)部分：前端探測系統(tǒng)、機(jī)械旋轉(zhuǎn)掃描系統(tǒng)、定點(diǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理及圖像重建系統(tǒng)，見圖1.圖1系統(tǒng)總體框圖1.前端探測系統(tǒng)由纖芯是閃爍材料構(gòu)成的光纖能適應(yīng)E5kev的X射線、射線及其它射線的輻照探測.但直到現(xiàn)在，獲得的主要研究成果是涉及在高能粒子物理中的應(yīng)用5，6.閃爍光纖對(duì)帶電粒子比x射線和射線靈敏，這是由于光纖纖芯的直徑較x射線或射線與其作用產(chǎn)生次級(jí)電子的有效射程相比太小，一般僅很少部分能量沉積在光纖纖芯中，以產(chǎn)生閃爍光.而在所涉及測量的能量范圍內(nèi)，主要作用機(jī)制是康普頓效應(yīng)，這是由于構(gòu)成光纖的材料是低Z所決定的，因此光電效應(yīng)和電子對(duì)效應(yīng)都相對(duì)較弱7.根據(jù)刀及其它劑量場和其與閃爍體相互作用的特點(diǎn)，我們提出了陣列式吸收發(fā)光CT測量方法，并據(jù)此構(gòu)造前端探測器.探測器設(shè)計(jì)為：由若干個(gè)一定長度的特種閃爍光纖水平緊密放置構(gòu)成一平面光纖陣列，其一端端面覆蓋反射層，以提高其輸出光響應(yīng)，另一端可耦合至光接收器(CCD).所設(shè)計(jì)的陣列式閃爍探測器與光接收器CCD，通過光導(dǎo)光纖連一成體，并將其加固，構(gòu)成前端探測系統(tǒng).探測器在劑量場中，將所吸收的輻射能轉(zhuǎn)換成光能，經(jīng)線積分后，再通過光導(dǎo)光纖引出.并在光接收器的光敏區(qū)形成了按一定間隔排列的光束，從而將劑量場強(qiáng)度信號(hào)轉(zhuǎn)換成視頻電信號(hào).由塑料閃爍光纖陣列構(gòu)成的探測器，具有如下