射线检测中的仿真技术发展

　　1　射线检测仿真的原理

　　射线通过物体的衰减可用下式进行描述

　　式中　N(E)———经物体到达探测器成像单元的光子数

　　N0(E)———对应于能量E每单位立体角度射线发出的光子数

　　ΔΩ———对应的射线源立体角角度

　　μi(E)———第i种材料对应于射线能量E的线吸收系数

　　xi———通过第i种材料的距离

　　式中没有考虑光子在物体内部的散射,也没有考虑在探测器中的散射,而这些都将使实际射线图像的质量下降。

　　X射线由一系列以光速传播的光子组成,光子在透过物质时,与物质中的壳层电子撞击而发生能量转化,光子的大部分甚至全部能量被受撞电子吸收。吸收光子能量的电子沿不同方向以不同速度运动而成为自由电子,它们与被透照物质的原子碰撞,又产生低能的散射X射线。这些相互作用主要表现为光电效应、康普顿效应和电子对的生成,三种过程的发生具有一定的随机性^[1]。

　　利用随机理论,可对检测中的射线的散射进行分析,应用较多的就是蒙特卡罗(Monte-Carlo)模拟。如果在系统模拟过程中,随机变动(或随机数)对过程的进行起着重要作用,这种模拟即称为蒙特卡罗模拟。1945年前后,由J.Von.Neumann和S.M.Vlam首先提出这一概念,称为“使用随机数处理确定性数学问题的方法”。

　　综合文献来看,对射线检测的计算机仿真大致可分为两个层次,其一为确定性模拟,其二为考虑随机散射的模拟。前者通过CAD模型对检测物体进行建模,依据光线跟踪技术与射线衰减理论,从而得到理想探测器成像的射线图像;后者考虑了成像过程中电子与光子的相互作用、散射等因素的影响,得到的图像与实际图像更趋一致。

　　2　射线检测仿真软件系统

　　所谓射线检测的仿真指利用计算机软件来模仿实际的射线检测系统,以得到和实际检测系统相同的结果。目前开发的用于射线检测仿真的软件系统主要集中在欧美一些国家。

　　XRSIM是美国国家工业标准技术局所支持的基金项目,由Iowa州立大学的无损评估中心研制,该系统可允许用户定义和修改很多参数,包括检测对象的位置和方向、胶片和射线管参数等。BAM是德国的一个仿真系统,初期系统只支持用体素描述的对象,新版本可支持各种CAD软件定义的实体模型,其中的噪声通过高斯白噪声进行仿真。由英国宇航局和法国LETI-CEA参与开发的RADI-CAD是一个欧洲各国共同开发的工程项目,支持由BRL-CAD软件包设计的CAD模型,另一个版本是SINDBAD,主要针对工业中的单个零件进行仿真。CIVA是法国原子能委员会(CEA)开发的一套软件,最初用于多种检测(超声、涡流和射线检测)数据的识别与处理,现在可实现这些检测系统的仿真计算。用于蒙特卡罗模拟的软件包有美国的ITS,EGS和MCNP(Los Alamos国家实验室)等和瑞士的GEANT,这些可对高能粒子进行模拟。