物理实验CT技术原理doc

1、CT技术原理实验【实验目的】1、 掌握CT成像实验的基本原理；2、 熟悉闪烁探测器和数据获取系统的结构及使用方法；3、 熟悉（计算机）多道分析器的使用方法；4、 了解数字化图像处理的方法。【实验原理】CT的物理原理是基于窄束射线穿过物质时与物质相互作用而产生散射或吸收，使射线强度发生变化，通过探测器检测射线强度并对样品做扫描检测而得到CT图像。假定一束宽度较细的、强度为的射线入射到样品上，探测器能探测到透射后的射线强度为。有吸收定律可知： （1） 式中为物质的线性吸收系数；为穿过物质的厚度。对于复杂样品不均匀内部，吸收系数应为，则（1）式应改写为： （2） （3） 上式中左侧的积分称为射线投影

2、，其积分路径为X射线所经过的路径。通过一系列的平移扫描，可以得到一系列的射线透射强度，如左图所示：设射线方向为y的负方向，（3）式可以改写为： （4）然后再旋转某一角度后，重复上述操作，得到一系列透射强度。本实验采用平移加旋转的扫描方式。图像重建本实验采用迭代法。【实验仪器】CT 实验谱仪的原理框图如下图所示： CT实验仪可分为以下5部分：1、 射线源。2、 探测器及其屏蔽准直部分。3、 样品台及步进电机扫描驱动系统。4、 数据采集系统。5、 计算机系统【实验内容】（1）实验前应根据CT实验仪原理框图，熟悉各部分的作用，弄清楚各个主要部件的功能。（2）用计算机多道练习测谱。a) 练习使用计算机

3、多道，熟悉它的各种与测谱有关的功能的使用方法。b) 用放射源练习测谱。c) 测量放射源的全能谱的半宽度。（3）启动CT程序，根据所测量的样品，选择适当的测量条件，采集一个断层的完整实验数据。（4）通过图像重建和图像处理，或得断层图像。（5）CT图像重建程序的使用。【注意事项】（1）实验结束后，关闭放射源室开关。（2）探测器高压不超过900V，线性放大器输出幅度不超过2V。（3）严格遵守放射源的安全操作规程。 主要规则如下：a) 不得擅自打开放射源的屏蔽罐后盖；b) 不得擅自打开仪器罩，更不得沿铅罐的准直孔向里看；c) 离开实验室前要洗手。【补充内容】 1射线与物质作用过程可以看作是光子与物质中

4、的原子或分子碰撞而损失能量的过程。主要的相互作用有光电效应、康普顿效应和电子对效应。1）光电效应： 当入射光子与物质原子中的束缚电子作用时，光子把能量全部转移给某个电子，使它脱离原子的束缚变成自由电子，而光子本身消失掉。在光电效应中，原子吸收光子的全部能量，其中一部分消耗于光电子脱离原子束缚所需的电离能，另一部分就作为光电子的动能。所以，释放出来的光电子能量就是入射光子能量和该束缚电子所处的电子壳层的结合能之差。因此， 2）康普顿效应： 光子与原子的外层电子发生非弹性碰撞，以部分能量转移给电子使它脱离原子成为反冲电子，光子的能量减少了，变成散射光子.入射光子能量为，碰撞后，散射光子的能量为，反

5、冲电子的动能为，见图,为散射光子与入射光子方向间的夹角，经推导，散射光子的能量. 康普顿反冲电子的动能 ，即 ， 康普顿效应示意图3）电子对效应： 当光子的能量大于2m0c2，即大于1.022MeV时，光子在原子核的库仑场作用下可能转化为一个正电子和一个负电子。2能谱仪的结构和工作原理能谱仪主要有以下5部分构成： 1）Nal（Tl）闪烁探测器 核辐射与某些物质相互作用会使其电离、激发而发射荧光，闪烁探测器就是利用这一特征来工作的。闪烁探测器工作可分为5个相互联系的过程：（1）射线进入闪烁体，与之发生相互作用，闪烁体吸收带电粒子能量而使原子、分子电离和激发；（2）受激原子、分子退激时发射荧光光子

6、；（3）利用反射物和光导将闪烁光子尽可能多的收集到光电倍增管的光阴极上，由于光电效应，光子在光阴极上击出光电子；（4）光电子在光电倍增管中倍增，数量由一个增加到1*E4-1*E9 个，电子流在阴极负载上产生电信号；（5）此信号由电子仪器记录分析。 2）线性放大器 3）单道脉冲幅度分析器 4）多道分析器 5）电源【思考题】1 射线与物质的相互作用一共有几种？请简述他们的物理过程。射线与物质作用过程可以看作是光子与物质中的原子或分子碰撞而损失能量的过程。主要的相互作用有光电效应、康普顿效应和电子对效应。1）光电效应： 当入射光子与物质原子中的束缚电子作用时，光子把能量全部转移给某个电子，使它脱离原

7、子的束缚变成自由电子，而光子本身消失掉。2）康普顿效应： 光子与原子的外层电子发生非弹性碰撞，以部分能量转移给电子使它脱离原子成为反冲电子，光子的能量减少了，变成散射光子.3）电子对效应： 当光子的能量大于2m0c2，即大于1.022MeV时，光子在原子核的库仑场作用下可能转化为一个正电子和一个负电子。2 在射线全能谱中，全能峰是怎样形成的？康普顿坪又是怎样形成的？全能峰由两部分作用产生：1）射线与闪烁体的光电效应产生的光电峰；2）康普顿散射后部分散射光子没有逸出晶体，被晶体再次吸收，这样两次作用使闪烁体仍然得到了入射光子的全部能量康普顿坪：入射光子穿过闪烁体，打到光电倍增管上发生180

8、76;康普顿散射，康普顿散射中电子能量在0MeV-0.477MeV范围内，产生宽的康普顿坪。3 若放射源强度为10mCi，且铝材料的半吸收厚度为0.78cm，试计算当该射线通过一厚度为5cm的铝片后，其强度变为多少？4 对于137Cs产生的0.662MeV的射线，分别给出其全能峰和反散射峰的能量位置，并说明理由；对60Co的1.17MeV和1.33MeV的射线又如何呢？1) 对于137Cs产生的0.662MeV的射线，其全能峰和反散射峰的能量位置分别为0.662MeV， 0.184MeV，全能峰主要组成部分是光电峰，其能量值为0.662MeV；反向散射峰能量取决于反射光子的能量，.2)对60C

9、o的1.17MeV和1.33MeV的射线,如图所示，其全能峰有两个，能量值：1.17MeV，1.33MeV。反散射峰能量值=5 画出一个实际测量得到的137Cs源0.662MeV的射线全能谱谱图，并在图上标出全能峰，反散射峰和康普顿坪以及它们对应的能量。6 决定一个能谱谱仪的最主要的指标有哪些？分别说明这些指标对衡量谱仪性能的重要性。（1）能量分辨率。说明谱仪对能量相近的射线的分辨本领。能够比较好的区分各种射线。一般为10%左右。通常用全能峰的半高宽DE对全能峰峰位E的比值来定义h，即（2）能量线性。对能谱仪的基本要求是入射粒子的能量和它产生的脉冲电信号幅度成正比。只有较好的线性关系，才能按照

10、测得的脉冲电信号幅度来计算其能量。一般NaI(T1)闪烁谱仪在较宽的能量范围内(约100keV到1300keV)是近似线性的通常，在实验中用系列g标准源，在相同的条件下分别测量它们的能谱，用其全能峰峰位与已知的g射线能量作线性相关图，称为能量刻度曲线理想的能量刻度曲线是不通过原点的一条直线，即（3）探测效率。定义为谱仪记录的脉冲数与入射粒子数之比。只有探测效率达到一定指标，才能反映出真实粒子的情况。7 有一个1024 Channel 的多道，得到如下实验数据：射线能量（MeV）0.1840.6621.171.33对应多道峰位（Channel）94.5349.3622.4707.9请给出该多道道

11、址x与能量E的对应线性关系，并计算当道址分别位于150，279和987 Channel时，其对应的能量值。由Excel拟合，得到：y = 0.001867x + 0.008312，当x=150时，y=0.288362 MeV;当x=279时，y=0.529205MeV;当x=987时，y=1.851041 MeV;8 如何由能谱谱仪确定未知放射源产生的射线能量？请给出实验方案。由上题拟合的能量刻度曲线，只需测量未知放射源全能峰的峰位，就可以对应求出其能量。9 做CT实验时，为什么要去掉康普顿坪的计数？在测量射线能谱实验中，都希望谱线的峰总比大一些，更确切地说，是使能进的峰康比达到较大值,去掉康普顿坪，才能很好的区分出来。10 假设137Cs的能谱的全能峰位于350道，半高宽为30道，反散射峰位于95道，试画