（机械设计及理论专业论文）便携式康普顿背散射成像仪研究.pdf

澌讧土学硬士学位论文 康普顿背散射( c o m p t o nb a c k s c a t t e r i n g ) 技术是一种新型的无损检测技术。 其突出的优点是：射线源与检测器可置于被检测物体的同一侧，能够解决透射式 c t 所无法解决的一些无损检测问题。但该技术存在一些不足之处，主要是背散射 信号微弱，检测困难。而目前世界上对康普顿背散射的应用研究基本上限于高能 c t ，装置的体积大、重量重，无法应用于需要便携式的场合；同时康普顿背散射 技术的应用尚缺乏成熟的理论指导。 本文的主要内容包括： 1 综合国内外的有关文献，对康普顿背散射技术的研究现状进行评述。详细 地阐述了康普顿背散射的概念，系统地阐述了y 射线康普顿背散射技术的应用理论 基础。 2 针对墙体检测这个实际问题，在必要的理论分析计算基础上。提出了康普 顿背散射成像仪的总体设计方案。其主要内容包括入射源的选择，散射粒子的理论 计算，发现异物的最低条件计算以及系统的一些重要参数的确定，主要包括：，放 射源的选择，散射角的确定，后准直器的形状与尺寸，前准直器的尺寸，前准直孔 的大小，检测器的种类与型号，检测器的效率等。 3 根据需要自行设计了一种新型的安全的源容器。其特点是工作的各准直孔 径位置和安全位置可通过计算机控制自动进行切换，使用灵活、方便、安全，以满 足我们多种检测的需要。针对所选择的辐射源和该源容器作辐射安全的检测、分析 和评估，包括源容器的包装的达标情况，以及当源容器处于工作状态时辐射工作人 员的累积剂量情况。制订了源容器的操作规范及管理措施。 4 进行了康普顿背散射成像仪的探测采传系统设计。介绍了闪烁计数管探测 器的工作原理。提出了考核该系统性能的重要指标及考核的具体方法。主要内容包 括：探测器g d b 坪曲线的考核，探测器能量分辨率的考核，探测器探测效率的考 核，高压稳定性考核，电压变化与道位关系的考核，多道能量的标定，模数变换器 输出稳定性考核，甑别器阈值稳定性的考核，软硬件卡阈一致性的考核，本底谱的 考核，探测采传系统电子学噪声考核，电磁兼容性的考核，接地电阻考核和预热时 间的选定。 j 晰讧土| ，乓士学佳论文 5 进行了康普顿背散射成像仪的自动控制系统设计。明确指出了该子系统的 控制对象，阐述了控制的原理，根据工作要求确定电机及驱动模块的型号。论述了 该系统的性能特点与技术指标。 6 进行了康普顿背散射成像仪的应用软件设计。指明了本应用软件的功能， 主要是控制三维扫描运动和源的工作位置、数据采集和处理以及文件管理和帮助 等；给出了程序结构模块，从中列出了软件所含的主要目录；给出了几个主要的程 序模块的界面，简要说明了界面中各操作对象的含义。 7 研制成功了具有自主知识产权的便携式康普顿背散射成像仪，经实验及现 场试用，其性能达到设计目标的要求，该仪器在工程、军事、公安、海关等领域中 有较广阔的应用前景。 关键词无损检测；康普顿背散射；，射线；便携式； 淅扛土学硬士学位论文 a b s t r a c t c o m p t o nb a c k s c a t t e r i n gi san e wt y p eo f n o n - d e s t r u c t i v ei n s p e c t i o nt e c h n o l o g y i t s b e s ta d v a n t a g ei st h a tt h er a d i a t i o ns o u r e ea n dt h ed e t e c t o rc a nb e p o s i t i o n e di nt h es a m e o n es i d eo f t h e o b j e c tb e i n gi n s p e c t e d i tc a nr e s o l v es o m ed i f f i c u l t i e so f n o n d e s t r u c t i v e i n s p e c t i o nt h a tt i c t c a n td o m a i n l yi t sd i s a d v a n t a g ei st h a tt h eb a c k - s c a t t e r i n gb e a m i sv e r yw e a k ，t h a tt h es i g n a l - t o - n o i s er a t i oi sl o w e r r e c e n t l yt h er e s e a r c ho f c o m p t o n b a c k s c a t t e r i n gi nt h ew o r l di sb e l o n g e dt oh i g he n e r g yc t 1 1 1 ed e v i c ei sv e r yb i g m u c h h e a v y , i s n ts u i t a b l et ot h ep o r t a b l eu s e i nt h es a m et i m e ，u pt on o w t h e r ei s n ta c o m p l e t ea p p l i c a t i o nt h e o r yo f c o m p t o nb a c k - s c a t t e r i n g t h em a i nc o n t e n t so f t h et h e s i sa r ca sf o l l o w s ： 1 s y n t h e t i c a l l y e v a l u a t et h el a t e s t a p p l i c a t i o n c a s eo fc o m p t o nb a c k - s c a t t e r i n g a c c o r d i n gt ot h ep a p e r sa th o m e a n da b o a r d d e s c r i b et h ec o n c e p ta n dt h ea p p l i c a t i o n t h e o r yo f c o m p t o nb a c k - s c a t t e r i n gi nd e t a i l 2 d os o m en e c e s s a r yc a l c u l a t i o n sa n dd e c i d eo nt h eg e n e r a ls c h e m eo fc o m p t o n b a c k s c a t t e r i n gi m a g i n gs c a n n e rt ot h er e a lw a l li n s p e c t i o n i n c l u d et h es e l e c t i o no f r a d i o a c t i v es o u r c e ，t h ec a l c u l a t i o no f c o m p t o nb a c k - s c a t t e r i n gb e a m ，t h ec a l c u l a t i o no f t h eb a s i cc o n d i t i o no f f i n d i n go u tt h ed i f f e r e n tm a t e r i a l sa n dt h ed e t e r m i n a t i o no f s o m e i m p o r t a n tp a r a m e t e r sa sw e l l 3 d e s i g nan e w k i n do fs a f es h i e l d i n gc o n t a i n e ro fr a d i o a c t i v es o u r c e i t sf e a t u r ei s t h a tt h ew o r kp o s i t i o no fa l lp r e c o l l i m a t o r sh o l e sc a nb es e l e c t e da n d p u ti n t ot h eu s e b y t h ec o m p u t e r a u t o m a t i c a l l y 4 d e s i g nt h es y s t e mo f d e t e c t i o na n dd a t aa c q u i s i t i o na n dt r a n s m i s s i o no f c o m p t o n b a c k - s c a t t e r i n gi m a g i n gs c a n n e r , p r o v i d es o m ei m p o r t a n ti n d e x e sa n d m e t h o d st h a ta r e u s e dt oa s s e s st h i ss y s t e m 5 d e s i g nt h es c a n n i n gn l o v e m e n tc o n t r o lu n i to fc o m p t o nb a c k s c a t t e r i n gi m a g i n g s c a n n e r , m a i n l yp o m o u tt h ec o n t r o lt a r g e t sc l e a r l y , d e s c r i b et h ec o n t r o lp r i n c i p l e ，e t c d i s c u s st h ef e a t u r e sa n dt e c h n i c a li n d e x e so f t h i su n i t 6 d e s i g nt h es o f t w a r eo fc o m p t o nb a c k - s c a t t e r i n gi m a g i n gs c a r m e r ，p o i n to u tt h e f u n c t i o n so ft h i ss o f t w a r e g i v eo u tt h ep r o g r a mm o d u l e si nw h i c ht h ed i r e c t o r ya n d i i i 浙讧文学碛士学位论文 c o n t e n t so ft h i ss o f t w a r ei si n c l u d e d g i v eo u tt h ei n t e r f a c e so ft h em a i np r o g r a m m o d u l e sa n dd e s c r i b et h em e a n i n g so f o p e r a t i n ge l e m e n t so nt h e s ep r o g r a mi n t e r f a c e s b r i e f l y 7 a c c o r d i n gt o t h ea p p l i c a t i o nt h e o r yo fc o m p t o nb a c k - s c a t t e r i n gt h a tt h ew r i t e rh a d r e s e a r c h e d ，h ed e v e l o p e da n dp r o d u c e di t sp o r t a b l ea p p l i c a t i o nd e v i c e ss u c c e s s f u l l y a f t e r t h ee x p e r i m e n ta n do n - t h e s p o ta p p l i c a t i o n , i t se f f i c i e n c yi si t sg o o da se v e nb e t t e rt h a n t h ed e s i g ni n d e x e s i tc o u l db ew i d e l yu s e di nt h ea r e a ss u c ha st h ee n g i n e e r i n g ，t h e m i l i t a r y , t h ep o l i c ea n d t h ec u s t o m s k e y w o r d s ：n d t ；c o m p t o n b a c k s c a t t e r s c a n n e r ；7 r a y ；p o r t a b l e 晰缸土学顷士学位论文 第一章绪论 【内容提要】本章介绍了课题的背景：根据国内外的有关文献对康普顿背散射技 术的研究现状作了评述：详细地阐述了康普顿背散射的概念及其理论，并介绍了与 本课题相关的核物理学基础知识；说明了选题的意义，指出了本文研究的主要内容。 1 1 课题的背景 透射式c t 是一种很好的无损检测技术。它的检测信号比较强，检测效果比较 好，应用技术成熟，因而已被广泛地应用到许多领域中。但是透射式c t 也有缺陷， 就是辐射源和探测采传系统必须分别置于被检对象的两侧。在某些场合下，它的应 用就不太方便了。例如，在无损条件下，要检测或评价一座高楼的混泥土墙壁中钢 筋的密度是否符合既定的质量标准( 为叙述方便以下简称墙体问题) 。由于在高空 不便将辐射源或探测采传系统置于室外，所以从空间条件来说，透射式c t 就难以 解决这个问题了。又如，地下管道的在线检测，公路质量的检测或评价等。若用透 射式c t 来解决，就必须掘地、挖洞，把辐射源或探测采传系统放到地下管道或公 路施工层的下面。类似地，在军事、公安、海关等特殊领域中，有时由于受条件的 限制，辐射源和探测采传系统需置于被检对象的同一侧。事实上，即使在机械等工 业领域中也存在着许多问题例如大、薄、轻、多层、几何形状复杂的被检物体，对 于这些类似的问题，透射式c t 和其它常规检测技术难以完成。 从理论上讲，康普顿背散射技术能解决诸如此类的问题等。康普顿背散射是指 散射光子出射角度大于9 0 0 的康普顿散射，它作为一种新的无损检测手段，其中一 个优点就是辐射源和探测采传系统布置灵活，可置于被检对象的同一侧。大型的被 检对象射线不能穿透，此法应当特别适用。 1 2 康普顿背散射技术的研究现状 虽然康普顿背散射技术有其独特的优势，但也有缺点：康普顿背散射信号本来 就很弱，随着检测深度的增加，散射粒子的每秒计数率越来越少。例如单个检测器 每秒只能检测到十几个背散射粒子，因而量子噪声相当大；其次，多次散射产生许 多杂散噪声也会叠加在上面使信噪比变坏；再则，来自射线源的本底信号也带着很 晰讧土学硕士学位论文 多噪声。因此，最后的信噪比相当差。由于这个原因。康普顿背散射技术的应用远 不及透射式c t 的广泛。 作者因解决实际问题的需要，于八十年代末起开始关注康普顿背散射技术的研 究进展情况。可以认为，近来世界上对康普顿背散射的应用研究基本上属限于高能 c t ，装置的体积大、重量重，无法应用于需要便携式的场合，实用性不强。九十 年代初，美国p h i l i p s 公司c o m s e a m1 6 0 x 射线康普顿背散射扫描机是世界上第一 台实用的康普顿背散射样机，它是用来对飞机内部复合材料进行无损检测。 受其影响和鼓舞国内也开始了对康普顿背散射技术的实用研究，苏州兰博高科 技企业集团在解决同侧金属探伤问题如地下金属管道的在线检测做了有益的探索。 由于缺乏成熟的康普顿背散射技术应用理论的指导，康普顿背散射的实用技术尚未 成熟，没有可借鉴的经验，兰博集团的教授和工程技术人员在康普顿背散射理论上 作了大量的研究，在应用上作了艰苦的探索，最后取得了很大的进展，成功地研制 出l b d l 0 1 型c b s 扫描仪( c o m p t o n b a c k s e a t t e rs c a n n i n g ) 。此举，进一步证实了 康普顿背散射理论在实用上的可行性。 墙体问题和同侧金属探伤虽有许多相似之处，但也存在一些差别。例如，墙体 较厚，一般有2 8 公分，这样光子入射和出射的深度较深；此外，墙面较大，要求 仪器有较快的扫描速度。这些问题都影响系统的参数，甚至相差悬殊。如l b d l 0 1 型c b s 扫描仪的辐射源是”7 0 ，从辐射源的活度考虑，在墙体问题中它就不一定 合适。因此墙体问题尚需做进一步的研究工作。 1 3 原子核物理学基础知识 1 3 1 原子核结构 世界上任何物质都是由分子、原子所组成，原子是由原予核及核外电子所组成。 在1 9 3 2 年中子被发现后，使我们进一步知道原子核是由质子和中子相结合而成( 质 子和中子也因此统称为核子) 。 不同元素的原子核中的中子数和质子数不同。质子数z 叫核的原子序数。中 子数n 和质子数z 的和用a 表示，即 a = z + n 2 晰讧土学j 羹士学位论文 a 叫核的质量数，因为核的质量几乎就等于a 乘以一个核子的质量。原子核通常 用；j 表示，其中z 表示该核所属化学元素的符号。由于各元素的原子序数z 是 一定的，所以也常不写z 的值，如写成”d ，2 ”u 等。 同一元素的原子的核中的质子数是相同的，但中子数可能不同。质子数相同而 中子数不同的核叫同位数，取在周期表中位置相同之意。如碳的同位素有3 c ，9 c ，”c ，”c ，1 4 c ，2 0 c 等。天然存在的各元素中各同位素的多少是不 一样的，各种同位素所占比例叫各该同位素的天然丰度。例如在碳的同位素中，”c 的天然丰度为9 8 9 0 ，1 3 c 的为1 1 0 ，而“c 的只是1 3 1 0 - 1 0 。许多同位素是 不稳定的，经过或长或短的时间要衰落变成其他的核。因此，许多同位素，包括 z 9 2 的各种核都是天然不存在的，只能在实验室中通过核反应人工地制造出来。 1 3 2 放射性和衰变定律 在一个原子核里，质子和中子的相对数目并不是可以成任意比例的。一般说来， 在原子序数( z ) 较小的稳定性核素中，中子数差不多等于质子数，或略多一些， 在z 较大的核素中，中子数比质子数多，z 很大时，中子数比质子多5 0 左右。 原予核中如果含有过多的中子或过多的质子，或者在核子数目是确定的情况下，核 处于激发态而不是基态，那么核的行为也与原子相似，往往会辐射出光子或者粒子， 从而迁到能量较低的另一状态。 放射性是不稳定核自发地发射出一些射线而本身变为新核的现象，这种核的转 变也称做放射性衰变( 或蜕变) 。自然界中本身具有放射特性的核素称为天然放射 性核素。而因人为给予外力致使某种核素具有这种特性的称为人工放射性核素。放 射性是1 8 9 6 年贝可勒尔( h b e c q u e r e l ) 发现的，他当时观察到铀盐发射出的射线 能透过不透明的纸使其中的照相底片感光。其后卢瑟福和他的合作者把已发现的射 线分成口，夕和y 三种。再后人们就发现口射线就是口粒子，即氮核( 4 h e ) 流， 射线是电子流，射线是光子流。下面列出几个放射性衰变的例子： “肋斗2 ”r n + 口 3 晰红文学硕士学位论文 6 0 c b 斗。m + + 5 。 式中5 。是反电子中微子的符号。以上衰变例子中原来的核称母核，生成的新核叫 子核。 天然的放射性元素的原子序数z 都大于8 l ，它们都分属三个放射系。 所有放射性核的衰变速率都跟它们的化学和物理环境无关，所有衰变都遵守同 样的统计规律：在时间d f 内衰变的核的数目一d 和d f 开始时放射性核的数目 以及d f 成正比。因此可以得到 - - d n = a n d t( 1 一1 ) 式中常量a 叫衰变常量。衰变常量也就是一个放射性核单位时间内衰变的概率。 ( 1 - - 1 ) 式积分之后，就可得到 j v ( t ) = n o e “ ( 1 2 ) 式中“是在r = 0 时放射性核的数目。 由( 1 一1 ) 式可知，从t = 0 开始，一d 个放射性核的生存时间为，所以所 有放射性核的平均寿命为 r = 击f ，( 制，= 击f ，2 n d t = f 扩盛 积分结果是 f ：一1 ( 1 - - 3 ) a 实际上讨论衰变速率时常不用五和f ，而用半衰期。一种放射性核的半衰期是 它的给定样品中的核衰变一半所用去的时间，半衰期用r v ：表示。由此定义，根据 ( 1 2 ) 式可知 n a 2 = n o e 。t ”p 于是有 t u 2 = ( 1 n 2 ) r = 0 6 9 3 r = 0 6 9 3 五 ( 1 - - 4 ) 不同的放射性核的半衰期不同，而且差别可以很大，从微秒( 甚至更小) 到万 亿年( 甚至更长) 都有。 在使用放射性同位素时，常用到活度这个量，一个放射性样品的活度是指它每 4 浙讧土学西士学位论文 秒钟衰变的次数。以爿o ) 表示活度，再利用( 1 - 2 ) 式可得 一警= 砜e = 肌= 厶e 4 ( 1 - - 5 ) 式中a = 五。是起始活度。由此式可知，活度与衰变常量以及当时的放射性核的 数目成正比。因此，活度和放射性核数以相同的指数速率减小。对于给定的n ， 半衰期越短，则起始活度越大而活度减小得越快。 活度的国际单位是贝可【勒尔】，符号是b q 。1 b q = l s 一。 活度的常用单位是居里，符号为c i 。其分数单位有毫居( m c i ) 和微居( c i ) 。 它最初是用l g 的镭的活度定义的，该定义为 1 c i = 3 7 0 x1 0 ”b q ( 1 6 ) 放射现象一方面为我们提供了原予核内部运动的许多重要的信息，对它的研究 是获悉原子核内部状况的重要途径之一。另一方面它又在工、农、医很多领域展现 了广泛的实际应用的前景。 l - 3 3 原予核衰变的种类 1 口衰变 口衰变是4 h e 核从核内逃逸的现象。由于4 h e 的结合能特别大，所以在核内 两个质子和两个中子就极有可能形成一个单独的单位口粒子。t 2 粒子带2 e 正 电荷。口粒子的量能一般分布在4 9 m e v 范围内。同一口放射源可以放射出不同 能量的t 2 粒子。 口衰变的同时常常有，射线发出，衰变，这意味着由衰变产生的子核是处 于激发态。由于可以假定母核在衰变前都处于基态，此口能谱说明子核可能( 至少 在短时间内) 处于一定的激发态。于是当子核从这些激发态衰变回基态时，就会 发射出一系列能量不同的y 射线，实验证明了这一点。 2 衰变 早先口衰变只是指核放出电子( 一) 的衰变，现在所有涉及电子和正电子( 卢+ ) 5 晰讧土学碛士学位论文 的核转变过程都叫做口衰变。实际的例子有 6 0 c b n i + p 一+ u 。 2 2 口j 2 2 n e + f l + + 址 2 2 口+ 口一- - , ”n e + o e 由于核中并没有单个的电子或正电子，所以上述衰变实质上是核中的中子和质子相 互变换的结果。上面三个衰变分别对应于下述变换： 玎j p + 声一+ p f p n + 8 + u | p + 9 一_ r l + u c 上面最后一个变换式的反应称做电子捕获( e c ) 。e c 经常伴随x 光发射。 另一种涉及电子的过程叫内转换，这里不再叙述。 口衰变所放出的电子的能谱是连续曲线，不像口能谱那样是线状谱。 最后，关于卢衰变还应该指出的是，它和口衰变一样，也常伴随着，射线的产 生。 3 ，衰变 根据现代的概念，核过程中，辐射( 放出光子) 的发生是在电磁力的作用下， 核从一个状态跃迁到另一状态的结果。这与原子跃迁时产生光子辐射完全一样。由 于核能大于原子的能量，所以核过程发出的光子的能量要大得多，这样的光子称为 ，射线。 当原子核发生口，口衰变时，往往衰变到子核的激发态。处于激发态的原子核是 不稳定的，它可以通过发射y 光子跃迁到基态( 或低激发态) 。由于核能级间隔较 大，因此跃迁时发出光子的能量较大。核内放出，光子的能量一般在1 0k e v 1 0 m e v 的范围内，而原子内放出光子的能量在e v k e v 之间。 ，射线是波长很短的电磁波，波长范围一般在o 0 2 1 0 _ 3 肋l 之间。 6 晰讧大学硕士学位论文 1 3 4x 射线 x 射线是1 8 9 5 年伦琴( w k r o n t g e n ) 发现的( 伦琴在实验室作阴极射线实验 时发现的一种尚未为人们所知的新射线，它的本质一时还不得而知，故取名为“x ” 射线) 。它是一种电磁波，波长范围一般在l 0 1 n m 之间。 x 射线一般用高速电子轰击靶的方法产生。x 射线谱一般分为两部分：连续谱 和线状谱。 x 射线连续谱是电子和靶原子非弹性碰撞的结果，这种产生x 射线的方式叫轫 致辐射。入射电子经历第一次碰撞都会损失一部分能量，这能量就以光子的形式发 射出去。由于每个电子可能经历多次碰撞，每一次碰撞损失的能量又可能大小不同， 所以就辐射出各种能量不同的光子而形成连续谱。韧致辐射只和入射电子的动能有 关与靶材料无关。 x 射线线状谱( 有的书上称特征谱或标识谱) 只能和可见光谱一样，是原子能 级跃迁的结果。但是由于x 射线光子能量比可见光光子能量大得多，所以不可能 是原子中外层电子能级跃迁的结果，但可以用内层电子在不同壳层问的跃迁来说 明。标识辐射只取决于靶材料的化学元素。 1 3 5 同步辐射 任何带电粒子在加速时都会产生辐射，电动力学的计算表明带电粒子在圆周运 动时产生的辐射比直线加速运动时要强得多。一个电荷为p ，以速度v c 在半径 为r 的圆形轨道上运动的粒子，辐射功率为 p 。三窑( 乓) 3r m c 式中e 和m 是粒子的能量和质量。虽然在理论上早就预言了这种辐射，但一直到 1 9 4 7 年在电子同步加速器上被人们观察到，并因而称它为同步辐射。1 9 6 3 年，美 国国家标准局的研究人员首次使用同步辐射作为光源来研究气体的吸收光谱，并获 得了重要的研究成果，这引起了把同步辐射作为新光源的巨大兴趣。开始，同步辐 射只是高能物理的副产品，随着需要及加速器技术的成熟，现在已建造了许多能量 范围在1 8 g e v 的电子储存环作为专用同步辐射光源，我国北京高能物理所的 7 晰讧文学碛士学位论文 1 5 2 8 g e v 的电子储存环是兼用的同步辐射光源，中国科学技术大学同步辐射国 家实验室的8 0 0 m e v 电子储存环是专用同步辐射光源。 同步辐射光源具有许多优异的特性。例如，它的光谱范围宽，通常可用波长在 1 0 3 0 0 1n m ，覆盖了从红外光到x 光波段。因此同步辐射是独特的紫外及x 光 源。 同步辐射的设备较大，例如合肥电子储存环的轨道曲率半径为2 2 m ，不适宜 于作便携设备的光源。 1 3 6 x 、r t 线和物质的相互作用 x 、，射线和物质的相互作用的主要形式为光电效应，康普顿效应和电子对效 应。 光电效应：当一个光子和原子相碰撞时，将它的能量全部交给某一轨道电子， 使它脱离原子、光予则被吸收，这种现象称为光电效应，由于这种作用放出来的电 子称光电子。k 层和l 层电子发生光电效应的几率最大。 康普顿效应：当具有能量为h o 的光子与原子内一个轨道电子相互作用时，光 子交给轨道电子部分能量后，其频率发生改变并与入射方向戎9 角散射，获得足够 能量的轨道电子与光子入射方向成口方向射出，此种效应称为康普顿效应。有关康 普顿效应的的详细内容请见后面的章节。 电子对效应：在原子核场或原子的电子场中，一个光子转化成一对正、负电子， 这就是电子对效应。在原子核场中产生电子对效应时，要求入射光子的能量 h v 2 m e 2 。 上述三种主要过程发生的几率与光子能量h o 、吸收能量的原子序数z 有关， 如图1 1 所示。图中曲线上每一点意味着同样的z 和光子能量 u ，两种相邻效 应的发生几率相等。从图中可以看出，当光子能量在o 8 4 m e v 之间时，对原子 序数为任何值的物质，康普顿效应都占优势，一般她说，对于低原子序数的物质， 康普顿效应在很宽的能量范围内占优势，对于中等原子序数的物质，在低能时光电 效应占优势：在高能时电子对效应占优势。在光子能量在1 0 m e v 以上，并且与它 作用物质的原子序数为任何值时，在上述三种主要相互作用过程中，光子效应、康 8 晰讧土学嘎士学位论文 普顿效应的几率随着光子能量增加而降低，电子对效应的几率却随着光子能量的增 加而增大，相对于前两种过程占优势。 图l - lx 、，射线三种主要相互作用与光子能量、 吸收物质原子序数的关系【6 】 1 4 康普顿背散射 1 4 1 康普顿背散射的概念 前已指出康普顿背散射是指散射光子出射角度大于9 0 0 的康普顿散射。康普顿 散射本质上就是康普顿散射，因此这里阐明康普顿散射的概念。 1 9 2 3 年康普顿( a h c o m p t o n ) 及其后不久吴有训研究了x 射线通过物质时 向各方向散射的现象。他们在实验中发现，在散射的x 射线中，除了有波长与原 射线相同的成分外( 瑞利散射) ，还有波长较长的成分。这种有波长改变的散射称 为康普顿散射( 或称康普顿效应) ，这种散射也可以用光子理论加以圆满的解释。 康普顿散射的实验装置的简图如图l 一2 所示。x 射线管r 发射波长为厶的x 射线，经光栏后变成狭窄的射线柬投射到发射物质b 上，用检测器测量散射光在 各方向上的波长及其强度。 9 浙讧太考碛士学佳论文 图1 2x 射线散射实验【l 】 根据光予理论，x 射线的散射是单个光子和单个电子发生弹性碰撞的结果。对 于这种碰撞的分析计算如下。 在固体如各种金属中，有许多和原子核联系较弱的电子可以看作自由电子。由 于这些电子的热运动平均动能( 约百分之几电子伏特) 和入射的x 射线光子的能 量( 1 0 4 1 0 5 e v ) 比起来可以略去不计，因而这些电子在碰撞前，可以看作是静 止的。一个电子的静止能量为m 。c 2 ，动量为零。设入射光的频率为u o ，它的一个 光子就具有能量 ，动量墨生p 。再设弹性碰撞后，电子的能量变为m c 2 ，动量 变为朋v ：散射光子的能量为厅u ，动量为丝p ，散射角为妒。这里和e 分别为在 碰撞前和碰撞后的光子运动方向上的单位矢量( 图1 3 ) 。按照能量和动量守恒定 律，应该有 1 z + 州o c 2 = h v + 删c 2 ( 1 7 ) 和h v o = 堑p + m v ( 1 - - 8 ) 考虑到反冲电子的速度可胄揪，撕：m d 挥。由上述两个式子可解得 a ：a 一厶：鱼一( 1 一c 。s 伊) ( 1 - - 9 ) l o 晰仁土学硕士学位论文 h o p c p 0 图l 一3光子与静止的自由电子的碰撞分析矢量图【2 】 式中五和厶分别表示散射光和入射光的波长。此式称为康普顿散射公式。式中m 生o c 具有波长的量纲，称为电子的康普顿波长，以t 表示。将 ，c ，m 。的值代入可算出 丸= 2 4 3 x i 0 刁r m 康普顿散射公式( 1 - 9 ) 式的推导如下； 将( 1 - - s ) 式改写为 彤，：垃一丝。 矶2 = + ( 钟z 等e 由于p o - e = c o s ，所以由上式可得 m 2 v 2 c 2 = h 2 u 2 + 2 0 2 2 h 2 0 0 0 c o s 妒 ( 1 - - 1 0 ) 将( 1 - - 7 ) 式改写为 m c 2 = h ( o o u ) + 埘o c 2 将此式平方，再减去( 1 1 0 ) 式，并将m 2 换写成搠；( 1 - - v 2 c 2 ) ，化简后即可得 晰仁土学硕士学位论文 三一三：上( 1 一c 。妒) u o om o c 将u 换用波长五表示，即得( 1 - - 9 ) 式。 卜 i 口 j 专 、 们。 1 1 , - o 0 7 i ，n m 心 、 j 1 l 9 0 毒 3 - - 0 0 , 1 1 1 n m j u r 、 、 o 且砌，辩n蚶钿抽 图l 一4 康普顿做的x 射线 散射结果【2 】 从上述分析可知，入射光子和电子碰撞时，把一部分能量传给了电子。因而光 子能量减少，频率降低，波长变长。波长偏移五和散射角妒的关系( 1 - 9 ) 式也 1 2 浙讧土学碛士学位论文 与实验结果定量地符合( 图l - - 4 ) 。( 1 - - 9 ) 式还表明，波长的偏移五与散射物质 以及入射x 射线的波长九无关，两只与散射角9 有关。这规律也已为实验证实。 此外，在散射线中还观察到有与波长相同的射线。这可解释如下：散射物质中 还有许多被原子核束缚得很紧的电子，光子与它们的碰撞应看做是光子和整个原子 的碰撞。由于原子的质量远大于光子的质量，所以在弹性碰撞中光子的能量几乎没 有改变，因而散射光子的能量仍为 ，它的波长也就和入射线的波长相同。这种 波长不变的散射叫瑞利散射，它也可以用经典电磁理论解释。 康普顿散射的理论和实验完全相符，曾在量子论的发展中起过重要的作用。它 不仅有力地证明了光具有二象性，而且还证明了光子和微观粒子的作用过程也是严 格遵守动量守恒定律和能量守恒定律的。 应该指出，康普顿散射只有在入射波的波长与电子的康普顿波长可以比拟时， 才是显著的。例如入射波波长2 0 = 4 0 0 r i m 时，在伊= 万的方向上，散射波波长偏移 a 2 = 4 8 1 0 。n m ，a ：t o = 1 0 。这种情况下，很难观察到康普顿散射。当入射 波波长厶= o 0 5 r i m ，妒= 万时，虽然波长的偏移仍是m = 4 8 1 0 一n m ，但 a 屈z1 0 ，这时就能比较明显地观察到康普顿散射了。这也就是选用x 射线观 察康普顿散射的原因。 在光电效应中，入射光是可见光或紫外线，所以康普顿效应不显著。 现在说明一个理论问题。上面指出，光子和自由电子碰撞时，“把一部分能量 传给了电子”。这就意味着在碰撞过程中，光子分裂了。这是否和爱因斯坦提出的 光子“永不分裂”相矛盾呢? 不是的。上面的分析是就光子和电子碰撞的全过程说 的。量子力学的分析指出：康普顿散射是一个“二步过程”，而且这二步又可以采 取两种可能的方式。一种方式是自由电子先整体吸收入射光子，然后再放出一个散 射光子( 先吸后放) ：另一种方式是自由电子先放出一个散射光子，然后再吸收入 射光子( 先放后吸) 。每一步中光子都是“以完整的单元产生或吸收的”。无论哪一 种方式，所经历的时间都是非常短的。这样的二过程可以用“费恩曼图”表示( 图 l - 5 ) 。值得注意的是，两步中的每一步都遵守动量守恒定律，全过程自然也满足 动量守恒定律。但是每一步并不遵守能量守恒定律，只是全过程总地满足能量守恒 1 3 浙江土学硬士季位论文 定律。这种对能量守恒定律的违反，在量子力学理论中是允许的( 不确定关系) 。 ( a ) ( b ) 图l 一5 康普顿散射二步过程费恩曼m 2 】 ( a ) 先吸后放；( b ) 先放后吸 电子 入射光子 实验结果还表明散射物质的原子量越小，散射光中波长变大的散射线强度越 大，康普顿效应越显著；散射物质的原子量越大，波长变大的散射线相对较弱。吴 有训以各种不同元素为散射物质，在同一散射角测量各种波长的散射光强度。图l 一6 是所得实验结果。以银原予发射的波长为0 5 6 2 6 7a 的x 射线为入射光，p 表 示入射光和不改变波长的散射光，m 表示改变波长的康普顿散射光，可以看到各 种不同元素都具有相同的峰值位置，而且m 线与p 线间隔，即散射光与入射光的 波长差五，与( 1 - 9 ) 式计算值相同，这一间隔与散射物质无关仅与散射角有关。 1 4 冲 巾 肿k ， 一 ：电一毛i舭 影 晰讧土学硕士学位论文 a 令冬爪。? a 。 。，j 一一加仍、：i s 太瓜。i? 、仓僚。k h 。一；。胁。上，玲。公b ：j ： 火l从) 咚。印叫t v ?爪。冬龟h 外。，兰。从一 ，。个。俸。j a i止：。“ 图1 6 各种元素的康普顿散射【3 】 由图l 一6 可以看到，对于“，b e ，b ，c 等轻元素，p 峰很低，m 峰很高， 表示对原子量小的物质改变波长的康普顿散射强。随着原子量的增大，p 峰逐渐增 高，m 峰逐渐降低，对于c r ，f e ，n i ，c u 等较重元素，m 峰已明显小于p 峰。这 是由于随着原子量增大，原子中束缚紧的电子数增多，光子与原子中束缚很紧的电 子碰撞，光子将与整个原子交换能量，由于原子质量比光子大得多，按照碰撞理论 光子不会明显地改变能量，因而散射光的频率也不会显著地改变，所以波长几乎不 变的p 散射比例增大，波长改变的康普顿散射减弱。 1 4 2 康普顿背散射的应用 综上所述，康普顿散射的特点是： 波长的偏移，乏与散射物质以及入射x 或，射线的波长厶无关，而只与散射角 妒有关。据此，无论入射波波长大小如何变化及无论被检物质的密度大小如何 变化，我们都可选择一个固定方向的位置布置探测器用来接收散射光子。 康普顿散射只有在入射波的波长与电子的康普顿波长可以比拟时，才是显著 1 5 浙讧土学磺士季佳论文 的。据此入射波应当选择x 或，射线。 物质的原子量越小，散射光中波长变大的散射线强度越大，康普顿效应越显著； 散射物质的原子量越大，波长变大的散射线相对较弱。据此，根据接收到的散 射光子的强度可以断定被检物质的性质( 原子量或密度) 。 也就是说，康普顿散射是x 或，射线光子与物质原子中结合能比该光子能量 小得多的( 非束缚的或束缚不紧的) 的“自由”电子相互作用的主要过程。其结果 是光予以减小的能量、以某个角度散射，入射与散射的能量差传递给电子作为其反 冲动能。被检物或目标物中给定体元散射的光子数依赖于遇到的“自由”电子数， 而该电子数是原子序数或物质质量密度的函数。记录目标物中各个不同区域散射的 光子数。就可得到对比度与原子序数或密度变化相关的图像。 c b s 的基本原理是：依据x 或，射线与物质相互作用的康普顿散射效应。在 被检物质的单侧并于某特定的散射角处，依次测量其内部的各不同位置所对应的康 普顿散射光子数，求出被检物质中的电子密度分布，经过一定数据处理或“重建”， 得出被检物质三维密度分布图像。 c b s 的装置：主要由辐射源( x 或，辐射源等) ，基于能谱测量的探测采传系 统，扫描运动机械，扫描运动自动控制，计算机和图解与显示等子系统组成。 c b s 技术广泛应用于钢铁、石油、化工、电子、电力、航空、航天、汽车、 建筑等工业领域及国防军事、公安、安全、海关等重要领域。 1 5 选题的意义及本文的研究内容 1 5 1 选题的意义 理论意义：国内外对康普顿背散射技术的研究还很少，尤其是对它的实用技术 作全面研究的相当的少。此外，在实用上，康普顿背散射技术还涉及到其它的一些 知识，而这些知识内容都只能散见于一些书本中。因而作者较为系统地阐述了康普 顿背散射理论基础及与其相关的一些内容；对实用中的各个系统作较为详细的论述 和研究，开发了实用装置，并做了大量的实验。通过实验证实了我们能够利用康普 顿背散射技术检测物体内部的一些信息如各点物质的密度等，特别适用于辐射源和 探测采传系统须置于被检物体的同一侧的无损检测场合。本文的研究工作为康普顿 1 6 晰恤土学啧士学位论文 背散射技术的应用提供理论依据和指导。 应用价值；通过研究和实验，利用康普顿背散射技术方便、有效地解决了实际 工作中存在的一些无损探测、评价难题。例如墙体问题，由于康普顿背散射技术可 以让辐射源和探测采传系统置于墙体的同一侧，即室内，因而应用非常方便。又如 对于一些问题例如大、薄、轻、多层、几何形状复杂的物体检测，透射式c t 和其 它常规检测技术难以完成，而康普顿背散射技术就特别适用。 1 5 2 本文的研究内容 本文的研究思路是：首先阐述康普顿背散射技术的概念及理论，然后针对具体 的问题即墙体问题，拟定用康普顿技术解决的总体方案，接着各章分别详细地研究 总体方案中的各个子系统。进而依据这些理论研究，开发了实用装置，并进行实验 及结果的分析。 本文的主要内容如下： 综合国内外的有关文献，对康普顿背散射技术的研究现状进行评述。详细 地阐述了康普顿背散射的概念及理论，系统地阐述了，射线康普顿背散射 技术的应用理论基础。 针对墙体检测这个实际问题，在必要的理论分析计算基础上，提出了康普 顿背散射成像仪的总体设计方案。其主要内容包括入射源的选择，散射粒 子的理论计算，发现异物的最低条件计算以及系统的一些重要参数的确 定。 根据需要自行设计一种新型的安全的源容器。针对所选择的辐射源和该源 容器作辐射安全的检测、分析和评估。包括源容器的包装的达标情况等。 进行了康普顿背散射成像仪的探测采传系统设计。详细提出了考核该系统 性能的一些重要指标及考核的具体方法。 进行了康普顿背散射成像仪的自动控制系统设计。明确指出了该子系统的 控制对象，阐述了控制的原理，根据工作要求确定电机及驱动模块的型号。 论述了该系统的性能特点与技术指标。 进行了康普顿背散射成像仪的应用软件设计。 研制了该技术的便携式应用装置即康普顿背散射成像仪，包括硬件和软 1 7 浙讧文学硕士学位论文 件。进行相关的实验。 全文总结及对未来的展望。 1 8 浙弘文学碛士学位论文 第二章康普顿背散射成像仪 的总体设计 【内容提要】针对要解决的墙体检测实际问题，对康普顿背散射成像仪提出的总 体要求是：便携式，检测深度大，检测分辨率高，检测速度快，保证辐射的安全。 阐述了康普顿背散射成像仪的工作原理。