康普頓背散射檢測的蒙特卡羅模擬

郭鳳美 顏靜儒 王強 鄭玉來

【摘要】利用蒙特卡羅程序Geant4模擬康普頓背散射包裹檢測，計算了X射線入射不同材料的康普頓背散射和透射情況，給出了背散射光子的空間分布以及不同塑料閃爍體厚度對探測效率的影響，為康普頓背散射探測裝置的優化設計提供了理論依據。

【關鍵詞】康普頓 背散射 蒙特卡羅

X射線康普頓背散射（CBS）技術可以有效提供表層較低原子序數而密度較高的被檢物的幾何形狀和空間分布特征。康普頓背散射檢測技術的主要特點是對低原子序數的物質很靈敏，適宜對海洛因、炸藥等物品的檢測。但康普頓散射信號較弱，需要合理設計和優化探測裝置，提高探測效率。為優化設計探測裝置，基于Geant4開展了模擬計算。

1 Geant4軟件簡介

Geant4是由歐洲核子中心主導開發的一套用于Monte Carlo模擬的開發程序包。并且，來自于美國，俄羅斯，日本，加拿大等國家的10多個實驗室的100多名科學家都參與了Geant4程序的研制工作。它包括了實驗裝置構造、粒子在材料和磁場中的輸運以及粒子與物質相互作用的物理過程模型等一整套工具包。由于它的粒子種類多，物理模型全，能量范圍大的特點，使得它的應用領域越來越廣泛，包括高能物理，核試驗，加速器，醫學，生物科學，輻射防護等多個領域。并且，它是一個免費的軟件包，可以免費下載得到Geant4程序包的源代碼和技術文檔。

2 蒙特卡羅模擬

2.1 不同材料（塑料和鐵）和不同尺寸的被檢測物體的透射和背散射模擬

設定入射X射線的能量為140keV點源，垂直入射邊長為2、5、10和20cm的正方體樣品（塑料和鐵）。測量它們的X射線背散射和透射情況。模擬裝置如圖1所示。在模擬過程中，在被檢測物體兩側，采用兩個探測平面接收康普頓背散射光子和透射光子。模擬光子數為10萬。表1列出了不同尺寸被照射物質（邊長為2、5、10和20cm）背散射光子數和透射光子數。

從表1中數據可看出，隨著被檢測物體的尺寸不斷增加，兩種材料的透射光子數不斷減少，尤其是材料鐵的透射光子數非常少，樣品邊長10cm以上時，幾乎不能得到透射光子，主要是由于鐵的光電效應截面較大，使得光子大部分被鐵直接吸收;隨著被檢測物體的邊長不斷增加，塑料材料的背散射光子數不斷增加，鐵的背散射光子數變化不大，并且，同樣尺寸的塑料的背散射光子數明顯高于鐵的背散射光子數，如下圖所示，

2.2 背散射光子的空間分布模擬

為對探測裝置進行優化設計，從而確定較好的背散射探測器位置，對不同尺寸塑料材料樣品的所接收的背散射光子的位置進行統計分析，如圖5所示。

圖中的橫坐標為對不同邊長的塑料樣品接收的背散射光子到背散射接受面中心的距離，從上圖可以看出接收的背散射光子的位置主要集中在距離背散射接受面中心25cm附近，從而為背散射檢測裝置中背散射探測器的位置提供了指導依據。

2.3康普頓散射次數統計

對所接受到的背散射光子與塑料發生的康普頓散射次數進行了統計分析，如圖6所示。

可以看出，隨著尺寸的增加，經過一次康普頓散射到達探測面的光子數逐漸減少，但不同邊長塑料的背散射光子發生單次康普頓散射數最多。并且，單次散射基本發生在表層下2cm以內的淺層范圍 。由于單次康普頓散射可以直接反映被檢測物體入射點的特征，因此可初步說明康普頓散射檢測技術是一種有效的檢測手段。

2.4 塑料閃爍體厚度對探測效率的影響

為提供對康普頓背散射光子的探測效率，探測裝置一般采用大面積的塑料閃爍體探測器。為確定其合適的厚度，模擬計算不同厚度塑料對能量為100keV的X射線的探測效率，結果如圖7所示。

從以上計算結果可以看出，隨著塑料閃爍體尺寸的增加，探測效率隨之增加，當厚度為20cm時，探測效率接近100%。

3結論

從本文蒙特卡羅模擬的結果可以看出，測量背散射光子數可區分不同有效原子序數Z的物質，Z差異越大，效果越佳。5cm厚的塑料閃爍體探測器具有較好的探測效率。通過對背散射光子空間分布的計算，為背散射裝置中探測器位置的設計提供了理論依據。

參考文獻：

[1]Geant4 Collaboration. Geant4 User's Guide for Application Developers， geant4 10.1，2014.

[2]Tavora L， Gilboy W. Study of Compton scattering signals in single-sided imaging applications using Monte Carlo methods[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B： Beam Interactions with Materials and Atoms， 2004， 213： 155-161.