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1、第16卷 第10期强激光与粒子束Vol.16,No.102004年10月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSOct.,2004文章编号:100124322(2004)1021356205X线吸收系数能谱效应解析法研究刘 进, 刘 军, 李必勇, 施将君(中国工程物理研究院流体物理研究所,四川绵阳621900) 摘 要:用数值模拟的方法研究了FTO客体材料的线吸收系数随着穿透材料深度的变化关系,并拟合出材料有效线吸收系数与厚度之间的函数表达式。研究结果表明,在闪光照相中X光能谱发生了硬化,并随着穿透材料深度的增加谱平均线吸
2、收系数会随之减小。FTO客体中钨的平均有效线吸收系数0.838(4.53%)-1-1cm,铜的平均有效线吸收系数0.297(4.96%)cm,能谱效应对有效线吸收系数的影响小于5%。在图像重建中利用上述的线吸收系数能够反演出精度达5%的材料密度。 关键词:闪光照相; 有效线吸收系数; 谱硬化; 解析法 中图分类号:O434.1;R814.3文献标识码:A 通过高能闪光照相能够获得未知客体的密度分布。在闪光照相中,均匀客体和非均匀客体有共同的规律———材料的质量吸收系数只与光路上的面质量相关,而与密度是否均匀无关。因而通过对均匀客体的吸收系数
3、的研究即可获得也适用于非均匀客体的面质量与吸收系数的关系。对于均匀客体而言,这与材料厚度和线吸收系数的关系相对应。目前,国际上通用的照相模型是FTO(Frenchtestobject)模型。高能闪光照相中的吸收系数与医学中的CT数相当。不同的CT数反映了不同的人体组织密度结构,不同的吸收系数反映了不同的密度分布。因此,在闪光照相中吸收系数占有重要的地位。对于吸收系数的研究,前人已经做了大量的工作,单能下的各种材料吸收系数已经完善,可以直接从文献中查到。[1] 影响吸收系数的两个重要因素:能谱效应和散射影响。能谱效应是照相过程中能谱发生不断地改变
4、而[2]引起的吸收系数改变。散射影响是由于散射的存在引起光程的减小而使对应的吸收系数减小。在能谱效应和散射影响方面,医学上低能(电子束能量低于1MeV)情况下以水或组织为研究对象的工作已经深入开[3,4]展。由于轫致辐射能量微分截面表明电子束打靶产生的X光源具有能谱特性,又因在闪光照相中普遍存在吸收系数的能谱效应,因此,对吸收系数能谱效应的研究具有重要意义。1X光源 高能闪光照相的X光源由电子加速器尾端的轫致辐射靶产生。研究所用的电子束能量为20MeV。轫致辐[5]射的微分截面公式如下。 对能量的微分截面222dσ2Zr01E2E2=1+2-
5、lnM(0)+1-arctanb+dk137kE03E0b2E224(2-b)822ln(1+b)+2arctanb-2+(1)E0b3b3b9式中:b和M(0)都是电子动能K的函数。 总截面22dσ4Zr01831σrad=dk=ln1/3+(2)∫dk137Z18[6] 能通量谱Sk和通量谱Sn是轫致辐射能量微分截面的函数,它们的定义为Sk=(k/σ)(dσ/dk)(3)Sn=(1/σ)(dσ/dk)(4) 用数值方法对轫致辐射方程(3)求解得到了20MeV的电子束产生的初始X光能通量谱,如图1所示。图X收稿日期:2003210209;
6、修订日期:2004205225基金项目:国防科技基础研究基金资助课题作者简介:刘 进(1978—),男,硕士研究生,从事高能闪光照相研究工作;绵阳9192105信箱;E2mail:york-liuliu@263.net。©1995-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.第10期 刘 进等:线吸收系数能谱效应解析法研究1357中光子的能量En和能通量Sk都是归一化量。2 谱平均线吸收系数的解析理论 在不同材料和不同能量下单能线吸收系数μ对应不同的数[7]
7、值。在谱光源的系统中进行输运时,X光的能谱将不断地被改造,谱平均线吸收系数也随之变化。在任意空间位置r点上,谱平均线吸收系数μ‰定义为单能线吸收系数在能谱加权下的平均∫μ(E)Sk(E,r)dEFig.1Energyspectrumonthetargetμ‰==〈μ(E)〉(5)图1 初始的能通量谱∫Sk(E,r)dE式中:μ(E)表示在单能E下线吸收系数;Sk(E,r)表示在空间位置r处能量为E的光子总能量;r表示具体空间位置。而能谱中能量为E的光子总能量Sk(E,r)与经过材料厚度l(r)的关系(X光的传输特性)为Sk(E,r)=S0(E,r
8、0)exp[-μ(E)l(r)](6)式中:S0(E,r0)为初始能通量,它由轫致辐射公式计算得到,l(r)表示高能X光从进入点rin到
