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H3D谱仪应用
康普顿散射成像与编码孔成像
页面更新时间:2019-09-05

从科学原理上面讲,主要的辐射成像技术有两种:基于准直器编码孔)的成像和康普顿成像。

准直器(编码孔)成像的原理是通过已知屏蔽(铅或者钨)在探测器上的影子来做图像重建。重建过程很简单,想象一个张厚纸上面开一个小孔放在灯下,纸板下面的地上就会产生一个亮点。亮点和小孔的连线就能重建出来灯的方向。这个例子里面灯是放射源,纸板是准直器,地面是探测器,这个重建过程就是小孔成像。后来因为要增加探测效率,天文观测的工作人员设计出来了编码孔(就是一堆编排好的小孔阵列)。准直器成像的优势是低能(300keV以下)点源分辨率高(精度和康普顿差不多)。分辨率是能分辨出两个完全一样源的最小角距离。

编码孔成像劣势也很明显:

1. 因为要通过影子来成像,而准直器只能覆盖一个特定的方向,造成了准直器成像无法覆盖全方向。如同上面例子里面纸板的大小就决定了重建的方向的范围,如果另外一盏灯在纸板覆盖外面,地上就没有影子,无法重建。因为不是所有方向同时成像,编码孔或者小孔成像在搜源的时候要对不同角度做多次测量以免漏源。增加了对工作人员的辐射剂量。

2. 编码孔对面源成像容易出现错图。源的面积越大,出错率越高。核电站里面绝大多数都是面源。小孔没有这个问题。

3. 编码成像效率很低,因为除了一个小孔外光子都被准直器挡住了。

4. 编码孔很难对高能(例如Co60)同位素成像。编码孔成像的原理是要求准直器的屏蔽要对光子完全挡住,而高能光子的击穿能力很高。如果用一个厚度低的编码孔,大量光子击穿编码孔,无法成像。反过来如果用一个很厚的编码孔,能把大多数光子挡住,但是可成像的角度变小。下面的左图是厚度低的时候的成像视场。上下两个源是视场的最大值。右图是相同的视场但是编码孔加厚,这样以前能成像的角度现在也被加厚的准直器挡住(虚线)导致无法成像,可成像的视场缩小成蓝色实线范围。这个成像角度变小的问题可以用增大编码孔间距来解决,但是编码孔间距变大,成像分辨率就会降低。另一个编码孔无法对高能光子成像的原因是准直器加厚后在很多方向屏蔽厚度不够(如下右图中红线),高能光子能够击穿,造成成像结果错误。再用上面的比方,如果纸板厚度不均匀,有些地方能够透光,地上的影子就不是一个小点,而是一些点,这些错误的点和小孔的连线就产生了错误的成像结果。

5. 编码孔低能同位素成像会被高能同位素干扰。例如同时存在Cs-137和Co-60源。Cs-137的能峰会在Co-60的康普顿平台上。康普顿平台的产生机理是Co-60产生的光子穿过准直器后和探测器发生康普顿散射(部分能量吸收),散射后能量变低的光子没有和探测器发生第二次作用就直接飞出探测器。因为这些光子已经通过准直器的开口,这些康普顿平台数据成像的结果就是Co-60的方向。Co-60存在的时候,在Cs-137的能量窗口里面有一部分是Cs-137的光子,还有一些是Co-60的康普顿平台,这两种数据无法分开。这就导致在Cs-137能量窗口里面会产生Co-60的错像。

第二种是康普顿成像。康普顿成像是基于物理上康普顿散射的成像方法。光子(伽马射线)和探测器里面静止的电子碰撞后会把一部分能量和动量传给电子。碰撞后能量减少的光子会改一个方向继续移动直到下一次和探测器发生作用。这个过程就是康普顿散射。我们的三维半导体探测器可以通过测量散射后电子的位置和携带的电量准确的测量出此光子碰撞的三维位置和失去的能量。通过失去能量的测量我们可以得出这个伽马射线的能量(测量多个伽马射线后可得到能谱)。通过物理计算(能量和动量守恒),光子失去的能量和改变的角度(散射角)有一个一一对应的换算公式。我们通过这个(康普顿)公式就可以反推出放射源的准确方向。因为我们知道每一次散射的能量,我们可以对每一个能量或者同位素分别成像(例如我们可以只挑选662keV的光子对铯-137成像,同时只用1170keV和1333keV的光子对钴-60成像)。这样我们可以对多个同位素同时分别成像,并且不同同位素的成像之间没有干扰。另一个重要的特性是因为我们的成像原理只需要三维探测器晶体,不需要小孔或者编码孔,各个方向的射线都能同时成像,成像的范围是4PI,没有死角。

因为康普顿成像需要通过光子和探测发生作用的准确三维坐标和能量信息进行计算。H3D之前的位置灵敏探测器都只能二维读出,所以传统上的康普顿相机都是用两层探测器(下左图)来实现,第三个维度的信息用两个探测器间的固定距离来得到。这种两层的探测器总体积大,而且只能前后成像,和探测器层平行方向的成像效率非常低(左下图虚线)因为光子需要在第一个探测器里散射,而且还必须在另一个探测器里发生第二次作用(散射或者光电吸收)。H3D的技术是用一块单独大晶体直接读出三维坐标(下右图),各向成像效率均匀。另外因为我们的探测器(CZT)的体积大,密度大,原子序数高,对高能光子的探测和成像效率高。和编码孔相反,康普顿平台数据成像结果各项均匀,对同时存在的能峰干扰很小,所以不同同位素同时成像互相没有干扰。

不管是哪一种成像方法,能量分辨率都非常关键。分辨率越高,成像能量窗口就越小,使用的错误光子(例如高能或者环境散射的连续能谱)就越少,成像质量越好。

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