【摘要】：隨著核工業(yè)的迅速發(fā)展,放射性核廢物大量產(chǎn)生,層析γ掃描技術(shù)(Tomographic gamma scanning,TGS)作為目前先進(jìn)的γ射線無損分析技術(shù)之一,能夠?qū)ν把b核廢物中放射性核素進(jìn)行準(zhǔn)確的定性和定量分析。TGS掃描過程包括透射測量和發(fā)射測量兩部分,其中透射測量重建出的線衰減系數(shù)分布圖像,是后續(xù)發(fā)射測量重建活度分布圖像的基礎(chǔ),因此如何提高透射圖像重建的精確度是改進(jìn)整個TGS技術(shù)的有效途徑,也是TGS中一個關(guān)鍵技術(shù)難點。本論文針對TGS關(guān)鍵技術(shù)之一的透射測量圖像重建進(jìn)行研究。針對傳統(tǒng)迭代重建算法中迭代初值的選取問題,采用3種基于不同求解模型和優(yōu)化條件的非迭代類方法:反投影算法(Back projection technique,BPT)、Tikhonov正則化算法和非最小最優(yōu)化方法(Non-minimization optimization,NMO),結(jié)合TGS透射圖像重建方程,對傳統(tǒng)迭代算法:極大似然期望最大化法(Maximum likelihood expectation maximization,MLEM)進(jìn)行優(yōu)化,建立了3種改進(jìn)型迭代重建算法:BPT-MLEM、NMO-MLEM和Tikhonov-MLEM。為了驗證算法改進(jìn)的有效性,本文開展了TGS透射測量模擬實驗和實驗測試。首先采用蒙特卡洛模擬程序MCNP建立透射源為~(60)Co和~(137)Cs的透射測量模型,對非均勻填充的單層5×5體素開展旋轉(zhuǎn)掃描測量,并采用3種改進(jìn)型迭代重建算法和傳統(tǒng)MLEM算法進(jìn)行相應(yīng)透射圖像重建。重建結(jié)果表明本文提出的3種初值改進(jìn)算法適用于TGS透射圖像重建,能夠準(zhǔn)確還原體素的線衰減系數(shù)值;且相比傳統(tǒng)MLEM算法(重建誤差范圍5.52%~23.90%),初值優(yōu)化技術(shù)下的3種改進(jìn)算法能夠有效提高重建精度(BPT-MLEM重建誤差范圍3.27%~20.56%,Tikhonov-MLEM重建誤差范圍0.57%~17.28%,NMO-MLEM重建誤差范圍1.97%~10.78%);3種優(yōu)化技術(shù)中,NMO的改進(jìn)效果最明顯,BPT改進(jìn)效果相對最差。在此基礎(chǔ)上,基于TGS測量系統(tǒng)開展透射測量實驗測試,將提出的改進(jìn)算法和傳統(tǒng)算法用于透射圖像重建,并引入圖像質(zhì)量評價參數(shù)用于重建效果評價。重建結(jié)果顯示:相同重建算法下的重建圖像精度隨著透射能量的增加而提高;其次,相比傳統(tǒng)算法,改進(jìn)算法重建出的透射圖像與樣品真實分布情況更為吻合,有效減少了重建圖像中的偽影和誤差,圖像評價參數(shù)結(jié)果也表明初值優(yōu)化技術(shù)能夠有效提高M(jìn)LEM迭代算法的重建精度;三種優(yōu)化技術(shù)對傳統(tǒng)MLEM算法重建準(zhǔn)確性的改進(jìn)效果:NMO-MLEM最好,Tikhonov-MLEM其次,BPT-MLEM最差,與模擬重建結(jié)果一致。證明了初值優(yōu)化技術(shù)適用于TGS透射圖像重建技術(shù),能夠有效提高M(jìn)LEM迭代算法的重建圖像質(zhì)量和精度,為快速、準(zhǔn)確的線衰減系數(shù)分布重建提供了新的依據(jù)和途徑。
【圖文】：

圖 1-1 研究方法技術(shù)路線具體實施流程如下：①采用在求解圖像重建離散問題中應(yīng)用廣泛的 3 種非迭代類優(yōu)化求解模型：非最小最優(yōu)化方法、基于最小二乘準(zhǔn)則的 Tikhonov 正則化算法和 BPT 反投影技術(shù)，與 TGS 透射測量模型結(jié)合起來，對 TGS 透射方程進(jìn)行優(yōu)化求解，將得到的圖像值結(jié)果作為傳統(tǒng)迭代算法 MLEM 迭代步驟中的迭代初值，，得到 3 種基于初值優(yōu)化原理的改進(jìn)型迭代重建算法：NMO-MLEM、BPT-MLEM、Tikhonov-MLEM。②為了驗證初值優(yōu)化技術(shù)和 3 種改進(jìn)方法的有效性，利用基于蒙特卡洛方法的軟件 MCNP 進(jìn)行 TGS 透射掃描測量的模擬實驗；在探測器精細(xì)建模的基礎(chǔ)上開展單層非均勻填充介質(zhì)樣品的旋轉(zhuǎn)掃描測量，得到投影數(shù)據(jù)，并通過直接透射測量模擬實驗獲取填充材料在相應(yīng)透射特征能量下的線衰減系數(shù)參考值。將 3種改進(jìn)方法和傳統(tǒng) MLEM 算法用于透射圖像重建，通過比較和分析樣品線衰減系數(shù)重建值與參考值的相對誤差，以及引入相應(yīng)圖像評價參數(shù)用于重建質(zhì)量準(zhǔn)確

圖 2-1 γ射束在非均勻物質(zhì)中的衰減選取足夠小時可近似認(rèn)為每一柵格內(nèi)的物質(zhì)是質(zhì)時的強度 可表示為：柵格數(shù)。而在 TGS 透射測量過程中原理與上述收介質(zhì)發(fā)生衰減，其衰減規(guī)律符合式(2-2)，可為介質(zhì)被劃分的體素網(wǎng)格總數(shù)， 為每個體素體素時的徑跡長度。將上式兩邊取負(fù)自然對數(shù)ln ln GS 透射測量得到的是透射γ射線在經(jīng)過介質(zhì)材
【學(xué)位授予單位】：成都理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TL941;TP391.41

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本文編號：2633058