《毕业论文工业XCT用闪烁晶体性能的MCNP》由会员分享，可在线阅读，更多相关《毕业论文工业XCT用闪烁晶体性能的MCNP（32页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、 摘要 摘 要工业X-CT虽在原理上与医学X-CT相类似，但在系统结构设计和对X射线探测及扫描方式等方面二者却存在极大的差异，其系统结构设计将因被检测对象的不同而进行个性化的设计，因而对闪烁晶体的尺寸难于做到统一的标准尺寸，且晶体中还掺入了对人体有剧毒的杂质Tl和Cd等元素，这样对系统结构设计及人为操作方面带来困难。基此，针对工业X-CT系统中如何实现对X射线的高效探测问题，本论文采用蒙特卡罗方法，模拟研究了CsI(T1)、NaI(T1)、CdWO4 闪烁晶体与X射线作用后，其在能量分布、全能峰效率及闪烁体转换效率方面的性能。研究结果发现，CsI（Tl）闪烁晶体在全能峰效率，闪烁体转换效率，光
2、特性及易于加工等方面，综合性能最优，它可以作为工业X-CT系统中对X射线高效探测的理想选择，当CsI(T1)晶体长度为1.5cm时，X射线能量为220keV时，探测器的全能峰效率高达62.3%，转换效率高达74.3%。这一结果可以给X-CT系统结构设计及操作方面带来重大参考价值。关键词：工业X-CT； 闪烁晶体； MCNPI ABSTRACT ABSTRACTIndustrial X-CT is similar with the medical X-CT in principle, but there are great differences between system architect
3、ure design and X-ray detection and scanning,besides,the system design will be designed personalizely due to different detected object, and thus the size of scintillation crystals cant achieve a uniform standard , and the crystal mixed with impurities such as Tl and Cd elements are also highly toxic
4、to humans.Thus,it brings difficult to system architecture design and man-caused operational. Based on this, this paper takes Monte Carlo method for how to achieve efficient detection of X-ray problem in industrial X-CT system,and simulate energy distribution, the peak efficiency all-round performanc
5、e of CsI (Tl), NaI (T1), CdWO4 scintillation crysta after they acted with the role of X-ray.The results showed that, CsI (T1) scintillation crystal has optical properties in the all-round peak efficiency, scintillator conversion efficiency, and easy processing, etc. It can be used as ideal for X-ray
6、 high efficiency probe in industrial X-CT system. when the crystal length is1.5cm,and X-ray energy 220keV, the detector efficiency reached as high as 62.3% and all-round peak conversion efficiency as high as 74.3%. This result can bring great reference value of X-CT system design and operation of si
7、gnificant aspects.Key words: Industrial X-CT; scintillation crystal; MCNPII 目录 目 录绪 论11工业X-CT21.1射线与物质的相互作用21.1.1光电效应21.1.2康普顿效应31.1.3电子对效应31.2工业X-CT的结构和原理31.2.1工业X-CT基本原理41.2.2工业X-CT的结构工作原理51.3工业X-CT的新发展62闪烁晶体的性能72.1闪烁晶体的种类72.2闪烁晶体的物理特性72.2.1物理性能82.2.2全能峰效率82.2.3转换效率83蒙特卡罗方法与MCNP程序93.1蒙特卡罗方法模拟原理93.
8、2蒙特卡罗方法的解题步骤103.3基于蒙特卡罗方法的MCNP程序113.3.1MCNP程序的发展113.3.2MCNP程序的特点123.3.3MCNP的应用状况134MCNP模型的建立与程序模拟154.1MCNP模拟的空间布置154.2闪烁晶体性能MCNP模拟164.2.1能量分布的MCNP模拟164.2.2全能峰效率的MCNP模拟164.2.3闪烁体转换效率的MCNP模拟19结 论22致 谢23参考文献24附录125附录226附录327IV 绪论 绪 论工业X-CT（X-ray Computed Tomography）是工业计算机析成像技术的简称，它是一种先进的无损检测手段，可广泛用于航空、
9、航天、军事、冶金、机械、石油、电力、地质等领域内的无损检测与无损评价。在工业X-CT系统中，如何对X射线进行高效的探测，则是工业X-CT系统获取高质量CT的关键。目前，在工业X-CT系统中，国内国外对X射线的探测，均是首先通过CsI(T1)、NaI(T1)、CdWO4和GOS (Gd2O2S) 稀土等闪烁晶体或闪烁晶体屏将X射线转换成可见光，而后利用光电转换器件如PMT（Photomultiplier Tube）、PD（Photodiode）或CCD（Charge Coupled Device）等，将光信号转换成易于处理的电信号。为使CT图像有既要高的空间分辨率（或几何分辨率）又要使CT图像信
10、号具有足够的信噪比，就需要对闪烁晶体的尺寸或闪烁屏的厚度进行合理的选取。这是因为，闪烁晶体的尺寸太大或闪烁晶体屏的厚度太厚，将直接影响CT图像的空间分辨率；但是，如果闪烁晶体的尺寸太小或闪烁晶体屏的厚度太薄，又将直接影响闪烁晶体或屏的发光效率，进而影响CT图像信号的信噪比。尤其是，一方面，工业X-CT系统虽在原理上与医用X-CT相类似，但在系统结构设计和对X射线探测及扫描方式等不同于医用X-CT，它检测的工件或零部件十分复杂，被检测的尺寸直径从几个mm到几百个mm,密度从几kg/m3到几十kg/m3 ，这就决定了工业X-CT是非标产品，其设计将因被检测对象的不同而进行个性化的设计，故对X射线的
11、能量及其探测要求也不尽相同，因而其对CsI(T1)、NaI(T1)、CdWO4晶体尺寸也难于做到统一的尺寸标准。另一方面，CsI(T1)、NaI(T1)、CdWO4闪烁晶体对X射线的探测性能也未尽相同，且还参入了对人体有剧毒的杂质T1和Cd等元素。为使X射线在CsI(T1)、NaI(T1)、CdWO4 闪烁晶体中既有足够的能量沉积，让更多的X射线转换成可见光（提高信噪比），又要使工业X-CT系统的CT图像获得较高的空间（或几何）分辨率，基此，采用MCNP方法，模拟研究CsI(T1)、NaI(T1)、CdWO4 闪烁晶体探测X射线的性能进行比较研究，则是解决问题的一个可选的方案。本论文中第一章对
12、射线与物质的相互作用以及工业X-CT的基本结构与原理做了详细的阐述，使本课题的研究工作有了充分的理论支持；第二章对闪烁晶体的性能进行了说明，为本论文的性能模拟理工理论基础；第三章对蒙特卡洛方法和MCNP程序进行了详细的介绍，使本课题的研究工作有了基本的模拟方法和程序技术支持；第四章对模型的建立和模拟过程进行了详细的介绍，同时对模拟结果进行了分析与研究，使本课题的研究具有一定的实际意义；第五章是本论文最后的结论部分，是对本课题模拟结果的总结，同时对在本课题模拟过程中出现的问题不足以及未来的改进方向进行了介绍。22 工业X-CT 1 工业X-CT工业X-CT是一种先进的无损检测手段，在工业X-CT
13、系统中，首先通过CsI(T1)、NaI(T1)、CdWO4和GOS (Gd2O2S) 稀土等闪烁晶体或闪烁晶体屏经过光电效应、康普顿效应及电子对效应等将X射线转换成可见光，而后利用光电转换器件如PMT、PD或CCD等，将光信号转换成易于处理的电信号1。1.1 射线与物质的相互作用射线、韧致辐射、湮没辐射和特征射线等，虽然它们的起源不一、能量大小不等，但都属于电磁辐射。电磁辐射与物质相互作用的机制、与这些电磁辐射的起源是无关的，只与它们的能量有关。射线与物质的相互作用和带电粒子与物质的相互作用有着显著的不同。光子不带电，它不像带电粒子那样直接与靶物质原子、电子发生库伦碰撞而使之电离或激发，或者与
14、靶原子核发生碰撞导致弹性碰撞能量损失或辐射损失，因而不能像带电粒子那样用阻止本领dE/dx和射程来描述光子在物质中的行为。带电粒子主要通过连续的与物质原子的核外电子的许多次非弹性碰撞逐渐损失能量的，每一次碰撞中所转移的能量很小。而光子与物质相互作用时，发生一次相互作用就导致损失其大部分或全部能量。光子不是完全消失就是大角度散射掉。光子可以通过与物质的相互作用被间接探测到。这些作用过程产生带电的次级粒子，随后在探测器的灵敏体积内通过电离过程被记录下来。射线与物质相互作用，可以有多种方式。当射线能量在30MeV以下时，在所有的相互作用中最主要的有三种方式：光电效应、康普顿效应和电子对效应。还有一些其它的相互作用方式，如：相干散射、光致核反应和核共振反应等。1.1.1 光电效应射线与靶物质原子的束缚电子作用时，光子把全部能量转移给某个束缚电子，使之发射出去，而光子本身消失掉，这种过程称为光电效应。光电效应中发射出去的电子叫做光电子。原子吸收了光子的全部能量，其中一部分消耗于光电子脱离原子核束缚所需的能量即电离能，另一部分就作为光电子的动能。所以，释放
