技术领域
粒子治疗,核技术,医学成像,蒙特卡洛技术。
背景技术
由于瞬发伽马是射程验证最有前景的方法,它得以广泛的研究。世界各地的研究组研发了不同的伽马相机,有的可以测量一维的束流射程,有的也可以用来三维成像。有些还进行了临床验证测试。
同时蒙特卡洛方法是研究粒子相互作用的有力工具,新的理论方法或者结构设计都可以用蒙特卡洛程序进行模拟验证。
瞬发伽马光谱还可以用来测量人体组织的元素,但这方面的研究还很少,对碳元素和氧元素的初步研究发现具有很好的线性关系。由于氢元素的中子俘获辐射造成的非线性难题,鲜有对氢元素的研究。
氢原子核的中子俘获辐射
本发明系统研究了不同元素的光谱组成,从理论上推出了组织密度和元素重建的新算法,解决了氢元素的非线性问题。并验证了三种常见碳氢氧不同组合材料的元素组成和密度,它们是聚甲基丙烯酸甲酯,戊二醇和乙二醇,分子结构如图1所示。
发明内容
聚甲基丙烯酸甲酯的缩写是PMMA,它的分子式是C5H8O2,当具有一定能量的质子或离子轰击一个PMMA分子,得到伽马光谱
氢原子核的中子俘获辐射有部分的中子是碳元素产生的,有部分是氧元素产生的,因此方程(2)进一步分解成方程(3)的形式。其中的系数表达式如方程(4)和(5)所示。
其中
当样品中有M摩尔的分子,则元素的摩尔含量为:M
其中对应的系数方程变为(8)和(9)。
由于光谱是连续性的,为了得到数值解,我们取其中的一些特征峰来求解方程(7),特征峰如图2所示。因此需要对(7a)进行离散化,得到矩阵方程 (10),优化目标是min(Am-B)。
其中
进一步通过测量束流的射程R,得到体积,还可以求解样品的密度。
V=S*R (14)。
如果样品中还有别的元素比如钙,则重复碳和氧的分析,如果增加的元素可以发生中子俘获反应,则重复氢的非线性分析。
算法验证
这里将通过通过一系列蒙特卡洛仿真实验来验证上述算法。用150MeV 的质子轰击一个细长的靶体,长度要比高能量的射程大,一般18cm,半径为2cm。然后用虚拟探测器测量从靶体中出射的所有伽马光子,能量从0-10MeV,能量分辨设置为0.01MeV。如图4所示。
为得到单质的摩尔谱,先用质子轰击一系列碳氢材料组合,得到伽马光谱如图5所示,再除以射程内分子的摩尔数,得到碳元素的摩尔谱,如图6所示。
再用质子轰击一系列氢氧材料组合,得到伽马光子谱如图7所示,再除以射程内分子的摩尔数,得到氧元素的摩尔谱,如图8所示。
从图6和图8的摩尔谱中提取氢的中子俘获辐射伽马峰2.23MeV的摩尔计数,如图9所示,它随着氢含量的增加而非线性增加,然后当氢超过10-12又开始减少。因此可以认为氢含量是2.23MeV光子的增强剂。体现在方程(4)和 (5)的
最后用质子轰击样品材料聚甲基丙烯酸甲酯,戊二醇和乙二醇,得到相应的伽马光谱和特征峰,如图10所示。这里把特征峰按能量分成几组:全能段包含1.5~7MeV的特征峰;低能段包含1.5~4MeV的特征峰;高能段包含4~7MeV 的特征峰;中高能段包含2~7MeV的特征峰。通过求解方程(10),每一组都可以求得元素相应的摩尔含量。
三种样品求解的结果汇总到表1-表3中。可以看到中高能段求得的碳氧比和真实值偏差较小。因此建议用中高能段的特征峰来求解。
表1聚甲基丙烯酸甲酯的碳氧含量
表2戊二醇的碳氧含量
表3乙二醇的碳氧含量
通过求解方程(13)和(15)可以得到氢含量以及样品密度。如表4所示。氢含量由于其非线性难题,最后的偏差还是稍大,但对于氢含量较低的分子,结果符合的比较好。对于三个样品材料,求解的密度都符合的比较好。
表4氢含量求解
用重建算法重新绘制伽马光谱,如图11和图12所示。在各个特征峰处符合的都比较好。因此验证本发明的重建算法的有效性。
说明书附图
图1是分子结构图
图2是原理图
图3是PMMA峰值点图
图4是实验几何设置图
图5是碳氢材料组合的伽马光谱图
图6是碳氢材料组合的每摩尔伽马光谱图
图7是氢氧材料组合的伽马光谱图
图8是氢氧材料组合的每摩尔伽马光谱图
图9是氢2.23MeV计数的非线性图
图10是样品材料的伽马光谱以及特征峰图
图11是重建算法得到的伽马光谱0-4MeV图
图12是重建算法得到的伽马光谱4-7MeV图。
机译: 脉冲中子产生的瞬发伽马发射测量系统,用于表面缺陷检测和分析
机译: 使用元素光谱仪校正中子伽马密度
机译: 利用基于Frame的迭代最大似然重建算法的装置,系统和方法在光谱CT中