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高能闪光照相中,对图像质量影响最大、也是最不确定的因素是高能X射线与系统器件作用产生的散射分布。不同照相系统的散射分布不同以及散射分布的极不均匀性,极大地影响了对客体信息的准确提取。因此,开展散射的研究,准确确定系统的散射分布及影响因素并进行相应处理,是准确提取闪光照相系统客体信息的前提。
本文首先分析了X射线与物质的相互作用,了解了闪光照相系统散射的成因;针对FTO的闪光照相系统,利用解析法分析了高密度客体的散射规律,给出了系统直散比的公式及其参量依赖关系,并得到了散射对光程的影响因子和散射扣除的理论公式。然后,以FTO的3米闪光照相系统为计算模型,利用粒子输运的Monte-Carlo数值模拟方法从散射的分析和处理两方面对高能闪光照相系统的散射进行了研究。分析了闪光照相系统中各参数,包括光源参数、主准直角、客体光程、后保护器参数和记录面相对后保护器的距离对散射的影响,并对客体和后保护器引起的散射进行了MC分层模拟,确定了散射的主要来源;对闪光照相中的降散射器件和散射扣除器件进行了较系统的MC模拟,确定了相应的优化参量。另外,对闪光照相后保护器的散射进行了实验测量并与模拟计算结果进行了比较和分析,以检验解析和模拟结果的正确性。
通过研究,得到如下结论:1.后保护器参数的选择对散射的影响很大。模拟和实验结果表明,在研究范围内,同种材料构成的后保护器,其厚度越大,系统的散射分布越不均匀;系统散射照射量随着后保护器厚度的增加逐渐增大而直散比逐渐减小;在保持X光子在后保护器的轴向光程不变时,线吸收系数越大的材料构成的后保护器对散射的贡献越小;对于单后保护器照相系统和含客体照相系统,针对后保护器的散射分布的模拟结果与实验结果一致。
2.同样照相布局下,对于不同材料构成的结构相同的客体,小光程客体照相系统的直散比要好于大光程客体照相系统的直散比;总质量不变大小相同而结构不同的客体,它们的散射分布形状近似相同。
3.准直角对散射照射量的影响非常大,系统散射照射量随准直角增大而增大,分布也越来越不均匀;随着记录平面与后保护器距离的增大,散射分布越均匀,散射照射量也随之降低,系统直散比增大;光源参数对系统直散比的影响很小,可以忽略。
4.分层分析的结果表明:后保护器对散射贡献最大,是系统散射的主要来源;FTO产生的散射主要由外层和边缘引起的。从后保护器产生的散射X光到记录平面的衰减光程差别很小,后保护器各层散射比例主要由照射到后保护器上的总照射量分布决定。
5.散射扣除器件多孔准直器的性能与准直孔半径、准直器厚度和孔数直接相关。减小多孔准直器孔半径和增加多孔准直器的厚度均能有效改善多孔准直器性能。
6.台阶准直器和陡坡准直器均是比较好的降散射器件,均能有效降低客体边缘和后保护器产生的散射。附加准直器设计简单,可以针对不同系统灵活设计,既不损失客体信息又能降低散射,同时又可以降低对接收系统动态范围的要求。造价极高的多孔精细网栅是一个非常好的降散射器件,能大大降低系统的散射照射量,计算结果表明降散射因子可以达到102的量级,而且对系统直穿照射量的影响不大,极大地提高了系统的直散比。
本文从解析法、Monte-Carlo数值模拟方法和实验方法三个方面系统地研究了闪光照相系统的散射,并有如下创新点:1.详细分析了后保护器参数选择对散射的影响,为优化后保护器设计以降低散射提供了理论基础;
2.研究了照相客体材料及尺寸变化对系统散射的影响,为动态客体照相系统的散射研究提供了依据;
3.对散射源客体和后保护器进行了分层分析,有助于开展降散射技术的研究;4.首次对后保护器产生的散射进行了实验测量,为进一步准确确定散射奠定了基础;
5.对降散射器件多孔精细网栅进行了参量优化设计和应用的解析分析和数值模拟,为今后的应用提供了理论支持。
闪光照相数值模拟研究是一项非常重要而且复杂的工作,而闪光照相数值模拟技术的主要目的就是针对具体照相系统准确确定系统的散射。本次研究具体分析了闪光照相系统的散射形成、影响因素以及处理方法等,为今后闪光照相系统进一步的数值模拟和实验研究工作提供了有效的方法和有用的结论。