康普頓成像精度影響機(jī)制與提升方法

發(fā)布時(shí)間：2020-07-16 21:12

【摘要】：隨著核技術(shù)在國民經(jīng)濟(jì)以及國家安全中的作用日益重要,防止核擴(kuò)散面臨著逐漸嚴(yán)峻的形式。有效的核查作為保障相關(guān)方履行義務(wù)的手段其重要作用不言而喻。其中對相關(guān)方核材料特別是核武器的核查是維持均勢、保障世界和平的必要手段。核查時(shí)本底環(huán)境復(fù)雜,同時(shí)考慮到政治因素,實(shí)際允許使用的核查技術(shù)是受限的,必須考慮敏感信息與探測精度的平衡。康普頓相機(jī)由于其信噪比高以及僅對7放射源輪廓成像的性質(zhì)在其中具有廣闊的應(yīng)用前景。本論文研究工作的主要目的是通過深入了解康普頓相機(jī)的成像機(jī)理,系統(tǒng)分析影響其成像精度的因素,研究其成像性能與規(guī)律,針對復(fù)雜場景探測研究康普頓相機(jī)對寬范圍、多能放射源探測的性質(zhì),并簡單評估其在屏蔽材料對稱屬性方面的探測性能,為國防科技特別是軍控核查提供技術(shù)儲(chǔ)備。首先介紹康普頓相機(jī)的物理原理以及主流成像算法,結(jié)合康普頓相機(jī)成像精度評價(jià)指標(biāo),采用理論計(jì)算分析與蒙卡模擬結(jié)合的方式系統(tǒng)地研究了探測器能量分辨率、探測器位置分辨率、康普頓散射時(shí)多普勒展寬效應(yīng)對成像精度的影響,首次系統(tǒng)分析了γ射線相干散射對其成像精度的影響。結(jié)合這些研究成果初步整理出不同應(yīng)用場景下康普頓相機(jī)的選型與布局設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,為后續(xù)研究奠定了理論基礎(chǔ)。其次,使用蒙卡方法系統(tǒng)研究了康普頓相機(jī)中的固有規(guī)律。根據(jù)γ射線單探測器作用規(guī)律提出探測器材料選型與厚度優(yōu)化的準(zhǔn)則;從康普頓散射比例最高以及多普勒效應(yīng)最小方面考慮,選定Si作為第一探測器材料;結(jié)合相鄰作用間距分布以及逃逸事件比例確定1-5mm厚度的Si適宜用于系統(tǒng)搭建。使用模擬數(shù)據(jù)重點(diǎn)研究了理想事件中逃逸事件比例以及全沉積事件中理想事件的比例,分析了全沉積中各類事件比例規(guī)律及其對成像性能的影響。然后結(jié)合探測器真實(shí)位置分辨與能量分辨特征,確立了能量閾、位置閾篩選準(zhǔn)則,系統(tǒng)分析了不同卡閾對效率的影響程度。針對傳統(tǒng)中心位置深度方法在大尺寸探測器時(shí)成像異�，F(xiàn)象,我們結(jié)合γ射線在探測器中的作用深度分布,提出了平均作用深度以及隨機(jī)作用深度兩種算法,結(jié)果表明與傳統(tǒng)中心位置法相比,這兩種算法在散射光子平均作用深度小于探測器中心深度時(shí)對成像性能的改善是明顯的,且在高能情況下隨機(jī)作用深度算法效果略好于平均作用深度算法。最后針對核材料探測場景,我們以Steve Fetter核彈頭模型為代表,首先研究了出射γ譜不同特征射線出射來源,之后根據(jù)出射能譜定義了等效點(diǎn)源模型EPM,應(yīng)用此模型研究了康普頓相機(jī)對屏蔽的多能放射源成像時(shí)高能射線對低能射線的影響,明確了此類分析的方法與步驟,結(jié)果表明受影響程度與特征射線能量高低、強(qiáng)度等有關(guān)。最后通過分步模擬對球形、半球形Steve Fetter核彈頭模型進(jìn)行了成像探測,結(jié)果表明康普頓相機(jī)在不泄露內(nèi)部敏感信息的情況下可以獲得明顯對稱與非對稱放射性材料的對稱性。綜上所述,本文系統(tǒng)地研究康普頓相機(jī)成像機(jī)理與成像算法,結(jié)合模擬詳細(xì)分析了影響其效率與精度的各種因素,詳盡分析了康普頓相機(jī)中7射線輸運(yùn)規(guī)律,提出了平均作用深度以及隨機(jī)作用深度兩種算法改善了成像精度,研究了屏蔽的多能放射源康普頓成像時(shí)評估高能對低能成像影響程度,評估了康普頓相機(jī)在屏蔽核材料探測特別是材料對稱屬性探測方面的性能,為核材料探測特別是軍控核查提供技術(shù)儲(chǔ)備。
【學(xué)位授予單位】：中國工程物理研究院
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TL81
【圖文】：