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线阵列探测器性能模拟与设计

作　者: 代志力
导　师: 黎明；陈浩
学　校: 中国工程物理研究院
专　业: 核技术及应用
关键词: 线阵列探侧器闪烁晶体 MCNP模拟文件处理脚本数字系统硬件设计
分类号: O572.212
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

探测器是辐射成像系统中的关键器件之一,探测器性能的优劣和成像系统的最终指标关系密切,因此在进行成像系统设计时关于探测器的设计是非常关键的内容。探测器的种类繁多,本文针对目前工业CT所使用的线阵列探测器,对探测器所使用的材料(主要是闪烁晶体材料)进行了调研与分析,对探测器的物理机制进行了理论分析,为接下来的模拟计算提供了理论上的依据。利用蒙特卡罗模拟程序MCNP对探测器材料的几个性能,主要包括：晶体材料的粒子探测效率、能量沉积率、有效沉积因子等,进行了模拟,然后从理论上对这些模拟结果做出了合理的解释。最后模拟的结果表明：1.闪烁晶体材料的有效原子序数越高,其性能越好。2.对于一定能量的X射线,探测器的粒子探测效率和能量沉积率随晶体长度的增加而增加。当长度增加到一定的值以后,粒子探测效率和能量沉积率将达到最大值。有效沉积因子随长度的增加变化不大。3.对于一定长度的闪烁晶体,其粒子探测效率随入射X射线的能量的增加而减少。有效沉积因子随X射线能量的增加而增加。能量沉积率随X射线能量的增加先增加,然后减少。利用脚本软件对MCNP的输入、输出文件进行优化,提高了模拟计算的效率。利用电子设计自动化技术(Electronic Design Automation, EDA),引入光电二极管、AD转换芯片等电子元件,实现探测器模块的功能化。在探测器模块内部用硬件编程的方法设计其时序,使得模块能够正常地工作。并设计了一个校正模块,用于探测器响应校正。最后通过示波器验证了各个时序的正确性,利用实验的方法验证了校正算法的正确性。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-7
第一章绪论  7-11
  1.1 论文工作背景  7-8
  1.2 探测器国内外发展现状  8-10
  1.3 论文主要内容  10-11
第二章探测器性能理论分析  11-24
  2.1 辐射成像系统简介  11-12
  2.2 探测器相关理论  12-23
    2.2.1 探测器的种类和特点  12-13
    2.2.2 闪烁体材料概述  13-14
    2.2.3 闪烁晶体的选择  14-19
      2.2.3.1 卤化物闪烁体  14-18
      2.2.3.2 氧化物闪烁晶体  18-19
    2.2.4 探测器的物理机制  19-23
      2.2.4.1 光电效应  19-20
      2.2.4.2 康普顿效应  20-22
      2.2.4.3 电子对效应  22-23
  2.3 本章小结  23-24
第三章探测器性能模拟计算  24-40
  3.1 蒙特卡罗方法介绍  24
  3.2 MonteCarlo计算程序  24-25
  3.3 MCNP计算程序简介  25-26
  3.4 MCNP模拟计算  26-34
    3.4.1 晶体的粒子探测效率随晶体长度变化的关系  27-28
    3.4.2 晶体的能量沉积率随晶体长度变化的关系  28-29
    3.4.3 晶体的有效沉积因子随晶体长度变化的关系  29-30
    3.4.4 关于晶体长度变化模拟结果的分析  30
    3.4.5 CdwO4晶体性能与入射光子能量变化的关系  30-31
    3.4.6 Nal晶体性能与入射光子能量变化的关系  31-32
    3.4.7 CS工晶体性能与入射光子能量变化的关系  32-33
    3.4.8 关于入射光子能量变化模拟结果的分析  33-34
  3.5 MCNP输入、输出文件处理  34-39
    3.5.1 批处理文件的编写  34-36
    3.5.2 脚本文件编写  36-39
  3.6 本章小结  39-40
第四章探测器的模块化设计及测试  40-56
  4.1 数字系统硬件设计概述  40
    4.1.1 传统的系统硬件设计方法  40
    4.1.2 利用硬件描述语言的硬件电路设计方法  40
  4.2 探测器模块设计  40-45
    4.2.1 闪烁体、光电二级管模块  40-43
    4.2.2 AD转换芯片  43-44
    4.2.3 探测器数据采集系统设计方案  44-45
  4.3 探测器响应校正  45-49
    4.3.1 探测器像元校正方案  46
    4.3.2 校正模块设计  46-49
  4.4 探测器性能验证  49-55
    4.4.1 X-card模块调试  50-53
    4.4.2 AD转换芯片控制时序  53-54
    4.4.3 探测器响应校正算法验证  54-55
  4.5 本章小结  55-56
第五章结束语  56-57
致谢  57-58
参考文献  58-59

线阵列探测器性能模拟与设计

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