文摘

用x - ct检测系统是目前工业根据测试对象的特点,设计和测试对象确定用x - ct检测系统结构、工业x射线探测器/传感器属性,扫描模式,等等。所以没有统一标准的闪烁晶体探测器的几何尺寸。此外,闪烁晶体通常与一些剧毒杂质元素混合,如Tl和Cd。因此,它是必不可少的建立工程实践的指导方针来模拟不同的闪烁晶体的x射线检测性能。本文主要关注如何实现高效x射线检测用x - ct检测系统在工业蒙特卡罗(MC)方法研究x射线能量离散特征,完整的能量最高效率,和一些闪烁晶体转换效率(例如,CsI (Tl)奈(Tl)和CdWO₄)在x射线与这些闪烁晶体。我们的实验结果表明,CsI (Tl)闪烁晶体转换效率的优点,光谱匹配,制造工艺,和全能量最高效率;这是一个理想的选择对高效x射线检测在工业系统。

1。介绍

用x - ct检测)工业x射线计算机断层扫描(系统是一种先进的无损测量技术;它已广泛应用于航空航天、武器、冶金、机械、电力、地质等(1- - - - - -5]。x射线探测器用x - ct检测系统/传感器是工业的重要组成部分,这决定了x射线检测数据采集的效率。CT图像质量依赖于x射线探测效率(6];因此,如何实现高效的x射线检测用x - ct检测研究领域是工业的关键技术。

用x - ct检测系统中,在当前工业x射线检测方法是通过闪烁将x射线光子转换成可见光光子晶体或屏幕(例如,CsI (Tl)奈(Tl)和CdWO₄)[7- - - - - -9)首先,然后将光信号转化为电信号的光电转换设备(例如,光电倍增管(PMT),光电二极管(PD)和电荷耦合装置(CCD)) (10- - - - - -13]。为了提高分辨率和信噪比(信噪比)的CT图像,必须选择适当的闪烁晶体的厚度(14- - - - - -16]。如果闪烁晶体的厚度太厚,它将影响CT图像的分辨率。与此同时,如果闪烁晶体的厚度太薄,它将减少闪烁晶体的发光效率,决定了CT图像的信噪比。

如何选择适当的闪烁晶体的厚度取决于用x - ct检测系统的工业设计。一般来说,用x - ct检测系统是由工业设计、测试对象,和测试对象的直径范围从几毫米到几百毫米;测试对象的密度范围从几公斤/米³到几百公斤/米³。因此,x射线能量和探测距离是不同的对不同的工业系统;很难做出一个统一标准的闪烁晶体的几何尺寸。不同的闪烁晶体有不同的x射线检测的性质,和一些闪烁晶体已经混入杂质元素(铊(Tl)或镉(Cd))这是对人们的健康有害,特别是CsI (Tl)奈(Tl)和CdWO₄。

为了研究如何保持足够的x射线能量沉积在CsI (Tl)奈(Tl)和CdWO₄闪烁晶体和更多的x射线光子转换成可见光光子获得高空间分辨率的CT图像用x - CT检测系统中,工业是一个合理的方案来模拟CsI的光子性质(Tl)奈(Tl)和CdWO₄闪烁晶体使用蒙特卡罗(MC)方法(17- - - - - -26]。蒙特卡罗(MC)方法是随机技术,可用于核物理分析x射线光子之间的相互作用和闪烁晶体。

2。材料和方法

有几个用x - ct检测系统在工业x射线检测模式根据不同的数据采集模式,主要包括线性阵列探测器阵列探测器和区域。一般来说,x射线检测模式基于CsI (Tl)奈(Tl),或CdWO₄闪烁晶体阵列探测器采用线性阵列探测器或区域用x - ct检测系统在工业(10- - - - - -13),一个典型的x射线检测模型如图1,主要包含x射线源,准直器,闪烁晶体探测器等等。

当x射线光子和闪烁晶体相互作用,由于光电效应,康普顿散射,电子对效应,可以表示为x射线衰减特征 在哪里是x射线线性衰减系数,电子密度,是一个拟合参数,是有效原子序数,x射线光子能量,是克莱因仁科函数产生电子的康普顿散射截面。最后x射线光子转换成可见光光子探测到后端光电设备。当x射线光子能量小于1兆电子伏,它将容易发生光电效应和康普顿散射。如果发生光电效应,光电设备将直接记录集体诉讼。如果发生康普顿散射情况,拟声唱法光子计算补偿事件光子,然后光电设备将记录集体指控是入射光子。x射线光子和闪烁晶体之间的交互模式是随机的,但发生概率取决于交互截面。

一般来说,使用的闪烁晶体阵列探测器用x - ct检测系统采用气缸的工业设计(27,28]。在蒙特卡洛模拟研究中,我们假设x射线源的能量是单色和可调,x射线束x射线穿过后平行光束准直器面前,闪烁晶体的直径是0.3厘米,和缸的长度可以改变,如图2。然后我们研究了光子的性质CsI (Tl)奈(Tl)和CdWO₄闪烁晶体与不同能量x射线光子,我们假设探测器对象距离是100厘米,和x射线源对象距离也在我们的模拟100厘米。在我们的研究中,光子产生的x射线源的数量是500万;光子的截止条件包括能源截止和截止位置,这意味着在我们的模拟程序不会跟踪这些粒子如果光子的能量小于0.001兆电子伏,我们也不会跟踪这些粒子如果光子逃离闪烁晶体。荧光光子的截止条件是切断长度,这意味着在我们的模拟程序将荧光光束如果荧光传输距离超过150毫米。

3所示。结果和讨论

在我们的模拟中,我们关注光子闪烁探测器的属性。有必要设计x射线检测的物理和数学模型,然后利用蒙特卡罗软件(EGS)分析特征x射线光子之间的相互作用和闪烁晶体(17- - - - - -26]。在本文中,我们研究三个闪烁晶体CsI (Tl)奈(Tl)和CdWO₄;三个闪烁晶体的物理性质如表所示1。

3.1。能源的特点

我们模拟x射线能量歧离特征三个闪烁晶体CsI (Tl)后,奈(Tl)和CdWO₄与x射线入射光子。我们假设x射线入射光子的能量是450 KeV和闪烁晶体的长度是1.5厘米。x射线能量歧离特征的仿真结果如图所示3;从图3我们可以看到x射线能量歧离特征是相似的后三个闪烁晶体与x射线入射光子,和生存450 KeV光子的数量远远超过其他能源光子数。然而,这三个闪烁晶体CsI (Tl),奈(Tl)和CdWO₄有不同的光子性质;450年之后KeV x射线入射光子与CsI (Tl)奈(Tl)和CdWO₄的生存与CdWO 450 KeV光子相互作用₄不仅仅是数字的生存450 KeV光子与其他两个闪烁晶体(CsI (Tl)和奈(Tl)),和生存的数量450 KeV光子与CsI (Tl)不仅仅是生存450 KeV光子的数量与奈(Tl)。

3.2。满能量最高效率

在满能量峰值效率的蒙特卡罗模拟研究中,我们假设CsI的长度(Tl)奈(Tl)和CdWO₄闪烁晶体是0.3厘米,0.5厘米,1.0厘米,1.5厘米,分别和x射线源能量120 KeV 160 KeV 220 KeV 320 KeV,和450 KeV,分别;图4仿真结果显示满能量的峰值效率。

从图4,我们可以看到满能量峰值效率的三个闪烁探测器与x射线能量的增加迅速降低。当x射线入射光子的能量与三个闪烁探测器相同,CdWO₄闪烁探测器满能量峰值最高效率,奈(Tl)闪烁探测器满能量最低最高效率。三个闪烁探测器有不同的满能量峰值效率由于不同的三个闪烁晶体的物理性质。特别是,CsI (Tl)晶体后与x射线光子,可见发射光谱的峰值波长540 nm,很容易匹配CCD器件的光谱响应,这是有利于提高CT图像的信噪比。

3.3。闪烁晶体转换效率

模拟三个闪烁晶体转换效率使用蒙特卡罗方法,我们假设CsI的长度(Tl)奈(Tl)和CdWO₄闪烁晶体是0.3厘米,0.5厘米,1.0厘米,1.5厘米,分别和x射线源能量120 KeV 160 KeV 220 KeV 320 KeV,和450 KeV,分别。仿真结果如图所示5。

从图5的转换效率,我们可以看到三个闪烁晶体逐渐减少x射线光子能量增加不管闪烁晶体的类型和长度,和CdWO₄转换效率最高。当晶体的长度是1.5厘米和1.0厘米x射线光子的能量是120 KeV, CdWO的转换效率₄可能达到近100%。与相同的能量入射光子,CsI (Tl)的转换效率低于CdWO₄,奈(Tl)的转换效率是最低的。然而,CdWO的折射率₄闪烁晶体只有2.3影响可见光传播闪烁晶体,和平均波长的可见光发射光谱是480海里不容易匹配CCD器件的光谱响应。

4所示。结论

用x - ct检测系统在工业,有必要进行个性化设计,因为不同的测试对象。没有统一标准的几何尺寸闪烁晶体,晶体是混合着一些剧毒杂质元素,如Tl和Cd。因此,它是必不可少的建立指导方针的工程实践模拟x射线检测性能不同的闪烁晶体使用蒙特卡罗方法。

在本文中,我们研究x射线闪烁晶体的检测性能,CsI (Tl)奈(Tl)和CdWO₄使用蒙特卡罗方法;实验结果表明,CdWO₄闪烁晶体表现出良好的性能在满能量峰值效率和闪烁转换效率,可广泛应用于高能(上图2兆电子伏)x射线检测用x - ct检测系统的工业。奈(Tl)闪烁晶体满能量效率和峰值闪烁转换效率较低,而且很容易潮解,所以奈(Tl)闪烁晶体不适合用x - ct检测系统在工业x射线检测。满能量峰值效率和转换效率的CsI (Tl)晶体比奈(Tl)闪烁晶体,和CsI (Tl)闪烁晶体的优点nondeliquescence和制造过程,这是一个利益对x射线检测和探测器结构设计在工业系统。在我们的模拟研究中,CsI (Tl)闪烁晶体采用油缸设计,其直径是0.3厘米。当CsI (Tl)闪烁晶体的长度是1.5厘米,x射线光子的能量是220 KeV,满能量峰值效率可以达到79.6%,转换效率可以达到85%。因此,CsI (Tl)作为闪烁晶体是一种理想的选择对高效x射线检测在工业系统。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是由中国国家自然科学基金(没有。61171157也没有。61201346)和基础研究基金为中央大学(没有。CDJZR14125501)。