康普顿背散射检测的蒙特卡罗模拟

郭凤美 颜静儒 王强 郑玉来

【摘要】利用蒙特卡羅程序Geant4模拟康普顿背散射包裹检测，计算了X射线入射不同材料的康普顿背散射和透射情况，给出了背散射光子的空间分布以及不同塑料闪烁体厚度对探测效率的影响，为康普顿背散射探测装置的优化设计提供了理论依据。

【关键词】康普顿 背散射 蒙特卡罗

X射线康普顿背散射（CBS）技术可以有效提供表层较低原子序数而密度较高的被检物的几何形状和空间分布特征。康普顿背散射检测技术的主要特点是对低原子序数的物质很灵敏，适宜对海洛因、炸药等物品的检测。但康普顿散射信号较弱，需要合理设计和优化探测装置，提高探测效率。为优化设计探测装置，基于Geant4开展了模拟计算。

1 Geant4软件简介

Geant4是由欧洲核子中心主导开发的一套用于Monte Carlo模拟的开发程序包。并且，来自于美国，俄罗斯，日本，加拿大等国家的10多个实验室的100多名科学家都参与了Geant4程序的研制工作。它包括了实验装置构造、粒子在材料和磁场中的输运以及粒子与物质相互作用的物理过程模型等一整套工具包。由于它的粒子种类多，物理模型全，能量范围大的特点，使得它的应用领域越来越广泛，包括高能物理，核试验，加速器，医学，生物科学，辐射防护等多个领域。并且，它是一个免费的软件包，可以免费下载得到Geant4程序包的源代码和技术文档。

2 蒙特卡罗模拟

2.1 不同材料（塑料和铁）和不同尺寸的被检测物体的透射和背散射模拟

设定入射X射线的能量为140keV点源，垂直入射边长为2、5、10和20cm的正方体样品（塑料和铁）。测量它们的X射线背散射和透射情况。模拟装置如图1所示。在模拟过程中，在被检测物体两侧，采用两个探测平面接收康普顿背散射光子和透射光子。模拟光子数为10万。表1列出了不同尺寸被照射物质（边长为2、5、10和20cm）背散射光子数和透射光子数。

从表1中数据可看出，随着被检测物体的尺寸不断增加，两种材料的透射光子数不断减少，尤其是材料铁的透射光子数非常少，样品边长10cm以上时，几乎不能得到透射光子，主要是由于铁的光电效应截面较大，使得光子大部分被铁直接吸收;随着被检测物体的边长不断增加，塑料材料的背散射光子数不断增加，铁的背散射光子数变化不大，并且，同样尺寸的塑料的背散射光子数明显高于铁的背散射光子数，如下图所示，

2.2 背散射光子的空间分布模拟

为对探测装置进行优化设计，从而确定较好的背散射探测器位置，对不同尺寸塑料材料样品的所接收的背散射光子的位置进行统计分析，如图5所示。

图中的横坐标为对不同边长的塑料样品接收的背散射光子到背散射接受面中心的距离，从上图可以看出接收的背散射光子的位置主要集中在距离背散射接受面中心25cm附近，从而为背散射检测装置中背散射探测器的位置提供了指导依据。

2.3康普顿散射次数统计

对所接受到的背散射光子与塑料发生的康普顿散射次数进行了统计分析，如图6所示。

可以看出，随着尺寸的增加，经过一次康普顿散射到达探测面的光子数逐渐减少，但不同边长塑料的背散射光子发生单次康普顿散射数最多。并且，单次散射基本发生在表层下2cm以内的浅层范围 。由于单次康普顿散射可以直接反映被检测物体入射点的特征，因此可初步说明康普顿散射检测技术是一种有效的检测手段。

2.4 塑料闪烁体厚度对探测效率的影响

为提供对康普顿背散射光子的探测效率，探测装置一般采用大面积的塑料闪烁体探测器。为确定其合适的厚度，模拟计算不同厚度塑料对能量为100keV的X射线的探测效率，结果如图7所示。

从以上计算结果可以看出，随着塑料闪烁体尺寸的增加，探测效率随之增加，当厚度为20cm时，探测效率接近100%。

3结论

从本文蒙特卡罗模拟的结果可以看出，测量背散射光子数可区分不同有效原子序数Z的物质，Z差异越大，效果越佳。5cm厚的塑料闪烁体探测器具有较好的探测效率。通过对背散射光子空间分布的计算，为背散射装置中探测器位置的设计提供了理论依据。

参考文献：

[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.