郭鳳美 顏靜儒 王強(qiáng) 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(cè)，計(jì)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(duì)探測(cè)效率的影響，為康普頓背散射探測(cè)裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】康普頓 背散射 蒙特卡羅

X射線康普頓背散射（CBS）技術(shù)可以有效提供表層較低原子序數(shù)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(cè)技術(shù)的主要特點(diǎn)是對(duì)低原子序數(shù)的物質(zhì)很靈敏，適宜對(duì)海洛因、炸藥等物品的檢測(cè)。但康普頓散射信號(hào)較弱，需要合理設(shè)計(jì)和優(yōu)化探測(cè)裝置，提高探測(cè)效率。為優(yōu)化設(shè)計(jì)探測(cè)裝置，基于Geant4開展了模擬計(jì)算。

1 Geant4軟件簡(jiǎn)介

Geant4是由歐洲核子中心主導(dǎo)開發(fā)的一套用于Monte Carlo模擬的開發(fā)程序包。并且，來自于美國(guó)，俄羅斯，日本，加拿大等國(guó)家的10多個(gè)實(shí)驗(yàn)室的100多名科學(xué)家都參與了Geant4程序的研制工作。它包括了實(shí)驗(yàn)裝置構(gòu)造、粒子在材料和磁場(chǎng)中的輸運(yùn)以及粒子與物質(zhì)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(diǎn)，使得它的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，包括高能物理，核試驗(yàn)，加速器，醫(yī)學(xué)，生物科學(xué)，輻射防護(hù)等多個(gè)領(lǐng)域。并且，它是一個(gè)免費(fèi)的軟件包，可以免費(fèi)下載得到Geant4程序包的源代碼和技術(shù)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(cè)物體的透射和背散射模擬

設(shè)定入射X射線的能量為140keV點(diǎn)源，垂直入射邊長(zhǎng)為2、5、10和20cm的正方體樣品（塑料和鐵）。測(cè)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(cè)物體兩側(cè)，采用兩個(gè)探測(cè)平面接收康普頓背散射光子和透射光子。模擬光子數(shù)為10萬。表1列出了不同尺寸被照射物質(zhì)（邊長(zhǎng)為2、5、10和20cm）背散射光子數(shù)和透射光子數(shù)。

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

2.2 背散射光子的空間分布模擬

為對(duì)探測(cè)裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而確定較好的背散射探測(cè)器位置，對(duì)不同尺寸塑料材料樣品的所接收的背散射光子的位置進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如圖5所示。

圖中的橫坐標(biāo)為對(duì)不同邊長(zhǎng)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(cè)裝置中背散射探測(cè)器的位置提供了指導(dǎo)依據(jù)。

2.3康普頓散射次數(shù)統(tǒng)計(jì)

對(duì)所接受到的背散射光子與塑料發(fā)生的康普頓散射次數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，如圖6所示。

可以看出，隨著尺寸的增加，經(jīng)過一次康普頓散射到達(dá)探測(cè)面的光子數(shù)逐漸減少，但不同邊長(zhǎng)塑料的背散射光子發(fā)生單次康普頓散射數(shù)最多。并且，單次散射基本發(fā)生在表層下2cm以內(nèi)的淺層范圍 。由于單次康普頓散射可以直接反映被檢測(cè)物體入射點(diǎn)的特征，因此可初步說明康普頓散射檢測(cè)技術(shù)是一種有效的檢測(cè)手段。

2.4 塑料閃爍體厚度對(duì)探測(cè)效率的影響

為提供對(duì)康普頓背散射光子的探測(cè)效率，探測(cè)裝置一般采用大面積的塑料閃爍體探測(cè)器。為確定其合適的厚度，模擬計(jì)算不同厚度塑料對(duì)能量為100keV的X射線的探測(cè)效率，結(jié)果如圖7所示。

從以上計(jì)算結(jié)果可以看出，隨著塑料閃爍體尺寸的增加，探測(cè)效率隨之增加，當(dāng)厚度為20cm時(shí)，探測(cè)效率接近100%。

3結(jié)論

從本文蒙特卡羅模擬的結(jié)果可以看出，測(cè)量背散射光子數(shù)可區(qū)分不同有效原子序數(shù)Z的物質(zhì)，Z差異越大，效果越佳。5cm厚的塑料閃爍體探測(cè)器具有較好的探測(cè)效率。通過對(duì)背散射光子空間分布的計(jì)算，為背散射裝置中探測(cè)器位置的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[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.