PET成像中核素及组织差异对正电子分布影响的Geant4模拟

以肝脏和乳腺组织为例,使用蒙特卡罗软件Geant4模拟了在均匀核素体源内外部组织不同的情况下,其正电子分布(对应于PET成像中的病变尺寸)与核素分布(代表病理学病变尺寸)的差异.模拟结果表明,对于高能正电子核素探测到的小病灶,病理学上的病灶尺寸可能要比之小得多.此外,相比于乳腺组织,体源为高密度组织(钙化乳腺组织)时,正电子扩散程度得到了明显减弱.因此,在图像校正中应适当考虑肿瘤病变组织生理性质对正电子分布的影响.体源模型的建立为还原病理学病灶尺寸提供了一种新的校正方法.

压水堆一回路反冲质子反应源项GEANT4模拟

在核反应堆一回路系统中,裂变中子产生的反冲质子通过电离、多次散射以及韧致辐射后,与冷却剂中的^(16)O、^(18)O和^(11)B反应生成具有β^+放射性的^(13)N、^(18)F和^(11)C等核素,采用符合测量方法可以探测这些核素从而推断一回路水的泄漏情况。采用GEANT4程序对秦山二期压水堆全堆芯进行建模及源抽样描述,编制C++工具自动生成GEANT4计算所需的中子源分布,实现了G4-NONU功能以及GEANT4程序中中子固定源的输运计算。充分考虑反冲质子电离、多次散射以及韧致辐射等因素,计算了压水堆一回路水中由质子反应产生的^(13)N、^(18)F以及^(11)C等核素的产生率、浓度以及活度,拓展了反应堆源项计算工具。

降能片对^(12)C^(6+)束流影响的Geant4模拟

利用Geant4模拟每核子能量在80~360 MeV内碳离子束(12 C6+)穿过靶质量厚度为0.5~4.0g/cm2的有机玻璃、铝、铜和铅后的角度歧离值和能量歧离值,并对比单能碳离子束直接进入水中和经降能片后再进入水中的Bragg峰.模拟结果表明:碳离子束的能量越高、降能片的质量厚度和原子序数越小,碳离子束经过降能片后的角度歧离和能量歧离值越小,其Bragg峰所受影响也越小.即若仅考虑角度歧离和能量歧离,则低原子序数的材料更适合做降能片.

X射线谱的Geant4模拟及其滤波效应研究

一直以来,X射线谱的准确测量十分困难,而传统的能谱仿真方法无法全面的考虑射线产生过程中的所有物理过程,因而无法准确的模拟射线,因此采用蒙特卡罗软件Geant4来仿真X射线。为了验证该方法的可靠性,分别比较了120、140、150 k V电压下模拟得出的能谱和实验得出的能谱。此外,为了研究能谱的滤波效应,设置铝片为滤波片,得出了滤波后的能谱图及铝片的衰减曲线,并与实验得到的衰减曲线进行了比较。结果表明,同一电压下,两种能谱在韧致辐射谱范围内几乎是一致的,而且铝片的衰减曲线也是相当一致,说明Geant4模拟X射线是十分可行的。

基于Geant4模拟的康普顿散射研究

在暗物质直接探测实验当中,高能gamma射线是重要的本底来源之一.高能光子由于康普顿散射的原因会在高纯锗探测器中会产生低能本底.CDMSlite实验中发现低能区域的康普顿能谱存在康普顿台阶,脉冲近似(Impulse Approximation,IA)理论解释了台阶出现的原因是原子中电子处于束缚状态,它使用散射函数来描述电子的束缚效应.为了探究这些台阶与散射函数以及入射能量之间的关系,我们使用Geant4程序对康普顿散射中的康普顿台阶进行了研究.研究发现随着初始光子能量增高,K壳层与L壳层的康普顿台阶会变得越来越平缓,直至斜率趋近于零.

电子在水中产生Cherenkov辐射的Geant4模拟

用Geant4模拟能量分别为0.5,1.0,1.5,2.0,2.5 MeV入射电子在水中的Cherenkov辐射角和辐射光谱,分析电子产生Cherenkov辐射光子数与初级电子和次级电子的关系,并模拟Cherenkov辐射光在水中传输不同距离的吸收情况.结果表明:电子在水中产生的Cherenkov辐射角随入射电子能量的增加而增大;在Cherenkov辐射光传播过程中,水介质对紫外波段辐射光的吸收较大.

正比计数器测量气体核素活度中小幅度脉冲漏计数修正的Geant4模拟研究

采用内充气正比计数管进行放射性气体核素活度绝对测量的方法中,对小幅度脉冲计数损失进行合理修正是准确获得活度测量结果的关键。本工作以3种典型的放射性气体核素37 Ar、3H和85 Kr为例,利用Geant4蒙特卡罗模拟软件,对气体核素活度绝对测量过程中阈值以下漏计数损失修正进行了研究。结果表明:在核素37 Ar活度测量中,小脉冲漏计数主要为电子俘获过程释放的X射线所产生的“壁效应”计数损失,可通过计数率-气压倒数外推的方式进行修正;核素3H衰变释放的β射线能量较低,小脉冲漏计数主要来自于β射线的低能端,可在低计数阈值条件下采用能谱外推的方式予以修正;核素85 Kr测量过程中,计数损失主要来源于高能β射线产生的“壁效应”损失,需依次采用β能谱外推和气压外推的方式进行修正。采用以上方法,可消除小幅度脉冲损失产生的影响。

GEANT程序在空间粒子探测器优化设计中的应用

在众多的蒙特卡罗模拟程序中,介绍了其中的一种程序--GEANT程序.首先对蒙特卡罗方法 的产生和基本思想作了解释,对GEANT程序的主要模块和基本结构以及粒子在程序中的传输过程作了描 述.在程序中,GEANT程序应用了先进的ZEBRA存储管理器,使各个模块之间的联系更为方便.在空间 粒子探测中,利用GEANT程序,可以计算空间粒子在探测器中的能量损失,在不同材料中的射程以及产生 的次级粒子的数量,最后利用GEANT程序可以模拟出各种粒子在不同材料中的LET值,本文还进一步表 明了蒙特卡罗方法对空间粒子探测的重要意义.

基于Geant4的能谱滤波分离虚拟平台研究

为更加真实地刻画现代工业中各种复杂物质的结构特性,运用蒙特卡罗虚拟仿真技术,基于光子计数探测器的能谱分离成像思想,提出一种基于Geant4的能谱滤波分离虚拟平台构建方案,即运用Geant4模拟X射线CT成像系统,并通过在射线发射端添加滤波片实现能谱分离,获得具有窄谱特性的不同能段的能谱,从而得到近似单能的递变能量投影序列,完成虚拟平台的搭建。此外,为进一步说明该虚拟平台的可行性,该文还仿真模拟传统多能CT的投影过程,并将二者的结果进行比较分析。研究结果表明:该虚拟平台能较为准确地构建能谱滤波分离的多谱CT过程,从而更为快速、准确地实现成分复杂的物质识别及区分。

针孔相机全场X射线荧光成像的模拟研究

为解决全场X射线荧光(XRF)成像中针孔形状和尺寸的选取问题,采用Geant4软件,模拟了6种不同类型针孔和4种不同的针孔孔径,分析了这些参数对点扩散函数和调制传递函数的影响;模拟了不同能量X射线荧光平面源的成像过程,并用均值滤波和Richardson迭代法对图像进行处理,分析了图像处理的效果。模拟结果表明:对于能量小于20 keV的荧光X射线,双锥孔结合直孔模型的点扩散函数尖锐性和等晕性更好,调制传递函数的截止频率更大,空间分辨更好,更适合做全场XRF成像的针孔;均值滤波结合Richardson迭代法的图像处理算法对全场XRF图像处理的效果较好。

水下切伦科夫光光斑的蒙特卡罗模拟

分别采用分出截面法和积累因子法计算了水下放射性源透过一次屏蔽体的中子与γ射线的剂量场分布,并在这些分布条件下,利用Geant4软件γ射线在穿越二次屏蔽体后继而穿越后续水层,计算出在3m水层中产生的切伦科夫(Cherenkov)光通量分布和光谱分布。以纯水为传播介质,在考虑Cherenkov光在不同水层中传播所造成的几何衰减和水层吸收等因素后,由计算获得了Cherenkov光光斑大小和强度分布。

GEANT4接续计算方法以及在GRH系统优化设计中的应用

遗传算法调用GEANT4优化设计方法应用于气体切伦科夫探测器GRH(Gamma Reaction History)系统设计过程可有效提高探测器指标,然而GEANT4程序计算耗时。本文研究了GEANT4程序的接续计算方法,采用函数拟合方式和文件读入的方式进行了接续计算源描述,采用文件读入的方式接续计算结果与直接计算结果吻合良好,效率相差1.4%,时间谱半高宽相差2.1%。采用接续计算方法使得整体优化时间下降50%以上,提高了计算效率。该接续计算方法也可应用于其他采用GEANT4直接模拟收敛困难的计算问题。

使用betaSim模拟β粒子检验相对论的动量-动能关系实验

基于Geant4软件包开发了模拟利用粒子检验相对论动量-动能关系实验的软件betaSim.该软件还可以模拟在实验装置的出射窗及探测器之间加不同厚度的铝片的条件下获得的能谱.学生可以通过分析betaSim模拟的能谱,加深对实验的理解,并学习Genat4软件及提高数据处理能力.

激光等离子体加速电子与固体靶相互作用产生相对论正电子的模拟计算

通过理论分析,建立了激光等离子体加速电子与固体靶相互作用产生相对论正电子的物理模型,以及Geant4模拟程序.以100 Me V量级的激光等离子体加速电子束参数为输入,模拟研究了不同靶材和靶厚条件下正电子束的产额、能量、角分布等主要物理参数.结果表明:金靶和钽靶是较优秀的电子—正电子转换靶材;对于相同的金属靶材面密度,正电子产额与原子序数Z的四次方成正比,与原子质量数A的平方成反比,即Ne+∝(Z2/A)2;对于不同的靶材,正电子产额有Ne+∝d2,其中d为靶材厚度,但仍存在一个最佳靶厚度.与利用拍瓦、皮秒激光束与固体靶相互作用产生正电子束的方案相比,利用本方案有望获得更高能量以及更小角发散的相对论正电子束,其流强可达107/shot.

基于Geant4低本底液闪谱仪屏蔽与反符合设计

本文设计了一种较已有低本底液闪谱仪结构更为简单的低本底液闪谱仪,即在谱仪外围布置铅铜屏蔽体,以屏蔽墙体中放射性核素衰变释放出的γ射线,同时采用反符合技术以减少宇宙射线μ子引起的液闪谱仪本底计数.采用Geant4模拟计算了不同厚度的铅铜屏蔽体对墙体发出的γ射线的屏蔽效果,得到了几乎可以屏蔽所有γ射线的屏蔽体最优尺寸.此外,还采用Geant4模拟计算了反符合技术中,闪烁瓶的几种不同摆放方式和反符合闪烁瓶的几种不同尺寸的设计下,反符合技术减少宇宙射线μ子引起的液闪谱仪本底计数的份额,给出了较无反符合设计时μ子引起的液闪谱仪本底计数能减少99%的一种简单高效的反符合设计方案.

TMSR白光中子源能量分辨率函数的模拟研究

白光中子源及飞行时间谱仪的能量分辨率函数描述了谱仪装置测量中子能量的分辨率与所测中子的能量之间的函数关系。能量分辨率函数用于中子共振截面测量实验数据分析,对确定共振峰参数至关重要。本工作利用Geant4蒙特卡罗工具包构建了TMSR白光中子源的中子产生靶系统模型,模拟了中子在靶系统内由产生到溢出靶系统的整个物理过程,获得了不同能群中子从产生到溢出的时间分布。基于RPI能量分辨率函数形式,对时间分布进行拟合分析,获得了一套合适的参数,用于确定TMSR白光中子源飞行时间谱仪的中子能量分辨率函数。

裂变材料中子-伽马脉冲形状甄别几何条件影响的模拟分析

快中子多重性分析技术是当前核材料衡算领域的热门研究方向。针对中子伽马脉冲形状甄别的效果在探测距离很近时明显变差的实验现象展开了研究。使用GEANT4工具箱模拟了液体闪烁体探测器测量裂变中子伽马的粒子输运过程,并基于计算机模拟数据分析了使用BC-501A液体闪烁体探测器测量裂变中子时,裂变物质与探测器的距离(几何效率)对中子-伽马甄别效果的影响。分析的结果与实验现象相符,表明在基于液体闪烁体探测器的核材料属性测量中,若单个探头的探测效率较高,裂变中子伽马脉冲叠加会严重影响甄别结果和测量计数。

中子对碲锌镉辐照损伤模拟研究

碲锌镉探测器长期暴露于辐射环境下时,会形成不同程度的辐照损伤,影响器件性能甚至失效,极大缩短探测器在辐射场中的服役时限.本文首先利用Geant4程序包对能量为1.00—14.00 MeV的中子在碲锌镉中的输运过程进行模拟,获取初级离位原子的信息,进而结合级联碰撞模型,对不同能量的中子在碲锌镉材料中造成的辐照损伤进行模拟计算.计算结果表明初级离位原子能量大部分位于低能端,并随着入射中子能量升高,初级离位原子的种类更加丰富,能量也逐渐增大;中子辐照碲锌镉材料时非电离能损沿着深度方向均匀分布,且非电离能损随着入射中子能量的增加呈现先增大后减小的趋势;辐照损伤量—原子离位次数(dpa)的计算结果表明, dpa也随入射中子能量升高呈先增大后减小的趋势,进一步分析可知随着入射中子能量增大,非弹性散射成为造成材料内部离位损伤的主要因素.

WCDA动态范围扩展系统快速模拟研究

现代物理学中,超高能γ天文已成为天体物理学的主要分支之一。针对超高能宇宙线事例模拟的困难,本文进行了WCDA动态范围扩展系统快速模拟的研究,主要包括对光子数薄化处理和参数化模拟两种方法。这两种方法可以运用到WCDA动态范围扩展系统中,用来快速高效模拟高能量宇宙线事例在探测器上的响应。

基于Geant4的联合模型神经网络法解析γ能谱

利用Geant4模拟软件及MATLAB计算软件,开展多人工神经网络模型定量分析低计数率核素的研究,分析了包含五个不同类型网络的BP神经网络模型对国控环境监测站NaI(Tl)探测器模拟能谱的识别能力。实验结果表明:多网络模型的使用有利于提高低计数核素的识别准确度,能够有效识别未知核素的存在与否。