【摘要】：隨著核工業(yè)的迅速發(fā)展,放射性核廢物大量產生,層析γ掃描技術(Tomographic gamma scanning,TGS)作為目前先進的γ射線無損分析技術之一,能夠對桶裝核廢物中放射性核素進行準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,因此如何提高透射圖像重建的精確度是改進整個TGS技術的有效途徑,也是TGS中一個關鍵技術難點。本論文針對TGS關鍵技術之一的透射測量圖像重建進行研究。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)進行優(yōu)化,建立了3種改進型迭代重建算法:BPT-MLEM、NMO-MLEM和Tikhonov-MLEM。為了驗證算法改進的有效性,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體素開展旋轉掃描測量,并采用3種改進型迭代重建算法和傳統(tǒng)MLEM算法進行相應透射圖像重建。重建結果表明本文提出的3種初值改進算法適用于TGS透射圖像重建,能夠準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)化技術下的3種改進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)化技術中,NMO的改進效果最明顯,BPT改進效果相對最差。在此基礎上,基于TGS測量系統(tǒng)開展透射測量實驗測試,將提出的改進算法和傳統(tǒng)算法用于透射圖像重建,并引入圖像質量評價參數(shù)用于重建效果評價。重建結果顯示: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)結果也表明初值優(yōu)化技術能夠有效提高MLEM迭代算法的重建精度;三種優(yōu)化技術對傳統(tǒng)MLEM算法重建準確性的改進效果:NMO-MLEM最好,Tikhonov-MLEM其次,BPT-MLEM最差,與模擬重建結果一致。證明了初值優(yōu)化技術適用于TGS透射圖像重建技術,能夠有效提高MLEM迭代算法的重建圖像質量和精度,為快速、準確的線衰減系數(shù)分布重建提供了新的依據和途徑。
【圖文】：

圖 1-1 研究方法技術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、基于最小二乘準則的 Tikhonov 正則化算法和 BPT 反投影技術，與 TGS 透射測量模型結合起來，對 TGS 透射方程進行優(yōu)化求解，將得到的圖像值結果作為傳統(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)化技術和 3 種改進方法的有效性，利用基于蒙特卡洛方法的軟件 MCNP 進行 TGS 透射掃描測量的模擬實驗；在探測器精細建模的基礎上開展單層非均勻填充介質樣品的旋轉掃描測量，得到投影數(shù)據，并通過直接透射測量模擬實驗獲取填充材料在相應透射特征能量下的線衰減系數(shù)參考值。將 3種改進方法和傳統(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，以及引入相應圖像評價參數(shù)用于重建質量準確

圖 2-1 γ射束在非均勻物質中的衰減選取足夠小時可近似認為每一柵格內的物質是質時的強度 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發(fā)生衰減，其衰減規(guī)律符合式(2-2)，可為介質被劃分的體素網格總數(shù)， 為每個體素體素時的徑跡長度。將上式兩邊取負自然對數(shù)ln ln GS 透射測量得到的是透射γ射線在經過介質材
【學位授予單位】：成都理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TL941;TP391.41

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本文編號：2633058