工業X-CT工作原理，研究方法，應用領域，未來發展
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工業X-CT雖在原理上與醫學X-CT相類似，但在係統結構設計和對X射線探測及汽車掃描方式等方麵二者卻存在極大的差異，其係統結構設計將因被檢測對象的不同而進行個性化的設計，因而對閃爍晶體的尺寸難於做到統一的標準尺寸，且晶體中還摻入了對人體有劇毒的雜質T1和Cd等元素，這樣對係統結構設計及人為操作方麵帶來困難。針對工業X-CT係統中如何實現對X射線的高效探測問題，采用蒙特卡羅方法，模擬研究了CsI（T1）、NaI（T1）、CdWO4閃爍晶體與X射線作用後，其在能量分布、全能峰效率及閃爍體轉換效率方麵的性能，研究發現，CsI（T1）閃爍晶體在全能峰效率，閃爍體轉換效率，光特性及易於加工等方麵，綜合性能最優，可以作為工業X-CT係統中隊X射線高效探測的理想選擇，當CsI（T1）晶體長度為1.5cm時，X射線能量為220keV時，探測器的全能峰效率高達62.3% ，轉換效率高達74.3%。
工業X-CT（X-ray Computed Tomography）是工業計算機分析成像技術的簡稱，它是一種先進的無損檢測手段，可廣泛用於航空、航天、軍事、冶金、機械、石油、電力、地質等領域內的無損檢測與無損評價。在工業X-CT係統中，如何對X射線進行高效的探測，則是工業X-CT係統獲取高質量CT的關鍵。
目前，在工業X-CT係統中，國內國外對X射線的探測，均是首先通過CsI（T1）、NaI（T1）、CdWO4和GOS（Gd2O2S2）稀土等閃爍晶體屏將X射線轉換成可見光，而後利用光電轉換器件如PMT（Photomultiplier Tube）、PD（Photodiode）或CCD（Charge Coupled Device）等，將光信號轉換成易於處理的電信號。為了使CT圖像有既要高的空間分辨率（或幾何分辨率）又要使CT圖像信號具有足夠的信噪比，就需要對閃爍晶體的尺寸或閃爍屏的厚度進行合理的選取。就是因為，閃爍晶體的尺寸太大或閃爍晶體屏的厚度太厚，將直接影響CT圖像的空間分辨率；但是，如果閃爍晶體的尺寸太小或閃爍晶體屏的厚度太薄，又將直接影響閃爍晶體或屏的發光效率，進而影響CT圖像信號的信噪比。尤其是，一方麵，工業X-CT係統雖在原理上與醫用X-CT相類似，但在係統結構設計和對X射線探測及汽車掃描方式等不同於醫用X-CT，它檢測的工業或零部件十分複雜，被檢測的尺寸直徑從幾個mm到幾百個mm，密度從幾kg/m3到幾十kg/m3，這就決定了工業X-CT是非標產品，其設計將因被檢測對象的不同而進行個性化的設計，故對X射線的能量及其探測要求也不盡相同，因而其對CsI（T1）、NaI（T1）、CdWO4晶體尺寸也難於做到統一的尺寸標準。另一方麵，CsI（T1）、NaI（T1）、CdWO4閃爍晶體對X射線的探測性能也未盡相同，且還摻入了對人體有劇毒的雜誌T1和Cd等元素。為使X射線在CsI（T1）、NaI（T1）、CdWO4閃爍晶體中既有足夠的能量沉積，讓更多的X射線轉換成可見光（提高信噪比），又要使工業X-CT係統的CT圖像獲得較高的空間（或幾何）分辨率，采用MCNP方法，模擬研究CsI（T1）、NaI（T1）、CdWO4閃爍晶體探測X射線的性能進行比較研究，則是解決問題的一個可選的方案。
1.工業X-CT
工業XCT是一種先進的無損檢測於段,在工業XCT係統中,首先通過Csl(T1）、NaI(T1)、CdWO4和 GOS( Gd2O2S)稀土等閃爍晶體或閃爍晶體屏經過光電效應、康普頓效應及電子對效應等將X射線轉換成可見光,而後利用光電轉換器件如PMT、PD或CCD等,將光信號轉換成易於處理的電信號。
1.1射線與物質的相互作用
γ射線、韌致輻射、湮沒輻射和特征X射線等,雖然它們的起源不一、能量大小不等,但都屬於電磁輻射。電磁輻射與物質相互作用的機製、與這些電磁輻射的起源是無關的,隻與它們的能量有關。
γ射線與物質的相互作用和帶電粒子與物質的相互作用有著顯著的不同。γ光子不帶電,它不像帶電粒子那樣直接與靶物質原子、電子發生庫倫碰撞而使之電離或激發,或者與靶原子核發生碰撞導致彈性碰撞能量損失或輻射損失,因而不能像帶電粒那樣用阻止本領dE/dx和射程來描述光子在物質中的行為。帶電粒子主要通過連續的與物質原子的核外電子的許多次非彈性碰撞逐漸損失能量的,每一次碰撞中所轉移的能量很小。而光子與物質相互作用時,發生一次相互作用就導致損失其大部分或全部能量。光子不是完全消失就是大角度散射掉。
光子可以通過與物質的相互作用被間接探測到。這些作用過程產生帶電的次級粒子,隨後在探測器的靈敏體積內通過電離過程被記錄下米。γ射線與物質相互作用，可以有多種方式,當γ射線能量在30MeV以下時,在所有的相互作用中最主要的有三種方式:光電效應、康普頓效應和電子對效應。還有一些其它的相互作用方式,如：相幹散射、光致核反應和核共振反應等。
1.1.1光電效應
γ射線與靶物質原子的束縛電子作用時,光子把全部能量轉移給某個束縛電子使之發射出去，而光子本身消失掉，這種過程稱為光電效應。光電效應中發射出去的電子叫做光電子。
原子吸收了光子的全部能量,其中一部分消耗於光電子脫離原子核束縛所需的能量即電離能,另一部分就作為光電子的動能。所以,釋放出來的光電子的能量就是入射光子的能量和該束縛電子所處的電子殼層的結合能之差。因此,要發生光電效應，γ光子的能量必須大於電子的結合能，光電子可以從原子的各個電子殼層屮發射出來，但是自由電子卻不能吸收入射光子的能量而成為光電子。而且，電子在原子中束縛的越緊，就越使原子核參與上述過程，產生光電效應的概率就越大。
發生光電效應時，從原子內殼層上打出電子，在此殼層上就留下空位，並使原子處於激發狀態。這種狀態是不穩定的，退激過程有兩種：一種是外層電子向內層躍遷。另一種是原子的激發能教給外殼層的其它電子，使它從原子中發射出來，這種電子稱俄歇電子。
1.1.2康普頓效應
康普頓效應是入射γ光子與原子的核外電子之間發生的非彈性碰撞過程。這一作用過程中，入射光子的一部分能量轉移給電子,使它脫離原子成為反衝電子，而光子的運動量發生變化。
普頓效應與光電效應不同。光電效應中光子本身消失,能量完全轉移給電子；康普頓效應中光子隻是損失掉一部分能量。光電效應發生在束縛得最緊的內層電子上；由於外層電子的結合能相對不入射γ光能量可以忽略不計，所以康普頓效應可以認為是γ光子與處於靜止狀態的自由電子之間的彈性碰撞。入射光子的能量和動量就由反衝電子和散射光子兩者之間進行分配。
1.1.3電子對效應
當γ光子從原子核旁經過時，在原子核的庫倫場的作用下，γ光子轉化為一個正電子和一個負電子，這種過程稱為電子對效應。
根據能量守恒定律，隻有當入射光子能量hv>1.02Mev時,才能發生電子對效應。光子的能量除一部分轉變為正負電子對的靜止能量(102MeV)外,其餘就作為他們的動能。
除了在原子核庫侖場中發生電子對效應外,在電子的庫侖場中也會產生正-負電子對。不過電子質量小,反衝能量較大,所以產生電子對的最低入射能量至少是4M0c2而且產生電子對的概率要小得多。
對於一定能量的入射光子，電子對效應產生的正電子和負電子的動能從0到hv-2M0c2都是可能的,電子和正電子之間的能量分配是任意的。電子對過程中產生的快速正電子和電子,在吸收物質中通過電離損失和輻射損失消耗能量。正電子在吸收體中被很快慢化後,將發生湮沒,湮沒光子在物質中再發生相互作用。
1.2工業X-CT的結構和原理
隨著製造業的迅速發展，對產品質量檢驗的要求越來越高，需要對越來越多的關鍵、複雜零部件甚至產品內部缺陷進行嚴格探傷和內部結構尺寸精確測量。傳統的無損檢測方法如超聲波檢測、射線照相檢測等測量方法已不能滿足要求。於是，許多先進的無損檢測技術被開發應用於這些領域，ITC（Industrial Computed Tomography--簡稱工業CT）技術便是其中的一種。
工業CT（ITC）就是計算機層析照相或稱工業計算機斷層汽車掃描成像。雖然層析成像有關理論的有關數學理論早在1917年有J.Radon提出，但隻是在計算機出現後並與放射學科結合後才成為一門新的成像技術。在工業方麵特別是在無損檢測（NDT）與無損評價（NDE）領域更加顯示出其獨特之處。因此，國際無損檢測界把工業CT稱為最佳的無損檢測手段。進入80年代以來，國際上主要的工業化國家已把X射線或γ射線的ITC用於航空、航天、軍事、冶金、機械、石油、電力、地質、考古等部門的NDT和NDE，檢測對象有導彈、火箭發動機、軍用密封組件、核廢料、石油岩芯、計算機芯片、精密鑄件與鍛件、汽車輪胎、陶瓷及複合材料、海關毒品、考古化石等。我國90年代也已逐步把ITC技術用於工業無損檢測領域。
1.2.1工業X-CT
CT的基本思想是：讓一束X射線投射在物體上，通過物體對X射線的吸收（多次投影）便可獲得物體內部的物質分布信息。
當強度為I0的一個窄束X射線穿過吸收係數為μ的物體時，其強度滿足指數衰減關係公式：
公式中t為X射線穿過物質層厚度。在實際情況中，所研究的物體往往不是由單一成分組成的，當物體由若幹個不同成分組成時，物體內部各處的μ也將可能不同。在這樣的物質中，X射線穿過整個物件後的強度公式：
公式中u（r）為r處的吸收率。CT係統通過改變一組射線路徑L，記錄下對應出射強度I（L）的變化來分析物體內部u（r）的分布。
在實際操作中，總是假定物體中的吸收係統u（r）是一個連續函數，通過射線測量方法和圖像處理技術，將數學物理方程通過計算機解出函數u（r）。在計算機屏幕上，可用顏色或灰度來表示u（r）的大小，從而被汽車掃描的物體的切麵圖像即可顯示出來。
1.2.2工業X-CT的結構工作原理
在工業X-CT係統中，對X射線的探測可以有多種探測方式，但是從獲取采集X射線數據的方式看，主要有限性陣列探測和麵陣列探測兩種。對於采用CsI（T1）、NaI（T1）、CdWO4閃爍晶體實現對X射線的探測而言，通常以線陣列探測為主。圖一即是目前工業X-CT中探測X射線的線陣數據獲取的以一種典型方式原理圖。
當X射線進入線陣探測器時,通過與CsI(T1)、NaI(T1)、CdWO4閃爍品體的相互作用因產生光電效應、康普頓效應和電子對效應而損失能量,並以光的形式為後端光電器件所探測。Ⅹ射線能量低於1MeV時,其相互作用主要是光電效應和康普頓散射,如發生的作用光電效應,就直接計算收集電荷，並把散射光子作為入射光子重複計算。某一個光子與閃爍晶體發生的作用類型是隨機的,但其幾率受它的作用截麵的限製。
通常,工業X-CT中探測X射線的線陣數據獲取時，其閃爍晶體為圓柱形,如圖1-2所示。對其在進行蒙特卡羅方法模擬時，假設X射線源為能量可調的單能源,經前準直後進入探測器為平行光,晶體的直徑不變，為0.3cm，而圓柱的長度可以變化，基此,模擬研究CsI(Tl)、NaI(T1)、CdWO4閃爍晶體在不同長度、不同能量、不同晶體及X射線源-被檢物-探測器距離(後麵簡稱源距)為100cm情況下的一些性能。計算中每次模擬的粒子數為500000,光子和電子的截斷條件主要是能量截斷和位置截斷,即當光子或電子的能量小於0.001MeV時,程序不再跟蹤該粒子；若光子或電子溢出閃爍體,程序不再跟蹤該粒子。熒光光子的截斷條件是長度截斷,即當熒光的傳輸距離大於150mm時,程序截斷該束熒光。
1.3工業X-CT的新發展
隨著製造業的迅速發展，對產品的質量檢驗的要求越來越高，在無損檢測的方法中，雖然Ⅹ射線實時成像係統檢測速度快,但在檢測靈敏度和空間分辨率及對缺陷的定位等方麵都存在著明顯的不足。
工業CT作為一種先進的檢測工具,克服了X射線實時成像係統的不足,它可以顯示被測工件的斷麵圖像,並有著較高的檢測靈敏度和空間分辨率,它可對缺陷進行定位和測量,動態範圍寬,在無損檢測中起著很重要的作用。雖然它也存在著不足,但它具備了別種檢測方法所沒有的特點,因此是不可替代的。
目前,工業CT被廣泛地應用於各個領域,如鑄件、鍛件、焊接件、火箭發動機、石油鑽杆、複合材料、陶瓷及冶金產品的檢測等。具體的應用如：軋鋼產品的質量檢査,航空航天關鍵零部件的檢測,材料的缺陷和密度變化,鋼筋混凝土的孔洞腐蝕和斷裂情況的檢驗等。工業CT除大量的應用於檢測以上多類缺陷之外,還可應用於幾何尺寸的測量。總之,工業CT有著良好的應用前景。
2.閃爍晶體的性能
射線引起物質發光的現象，人們是很熟悉的。例如，作X光透視時，人體器官的圖像就是透過人體組織不同強度的X射線達到熒光屏上使之發光而形成；將放射性物質和熒光粉混合後敷塗在鍾表的數字和指針上，射線是熒光粉發光，這就是“夜光”鍾表原理。
2.1閃爍晶體的種類
閃爍體按化學性質可分為兩大類：
一類是無機晶體閃爍體。通常是含有少量雜質(稱為“激活劑”)的無機鹽晶體，常用的有碘化鈉(鉈激活)單晶體，即NalI(Tl)；碘化銫(鉈激活)單晶體即CsI(T1)；硫化鋅(銀激活)多晶體,即ZnS(Ag)等。另一種是玻璃體,如LiO22SiO2(Ce)。此外,近年來還開發了不摻雜的純晶體,如鍺酸鉍、鎢酸鎘、氟化鋇等。
另一類是有機閃爍體。它們都是環碳氫化合物,又可分為三種：
（1）有機晶體閃爍體。例如蒽、萘、對聯三苯等有機晶體
（2）有機液體閃爍體。在在有機液體溶劑(如甲苯、二甲苯)中融入少量發光物質(如對聯三苯),稱第一發光物體。另外在融入一些光譜波長轉換劑(如POPOP化合物)成為第二發光物質,組成有機閃爍體性能的液體。它是在有機液體苯乙烯中加入第一發光物質對聯三苯和第二發光物質,組成有閃爍體性能的液體。
（3）塑料閃爍體。它是在有機液體苯乙烯中加入第一發光物質對聯三苯和第二發光物質—— POPOP後,聚合而成塑料。
2.2閃爍晶體的物體特性
X光的穿透本領強大,可用來進行醫療診斷、工業探傷和物質分析等,但從X光管發出的X光,人們是看不見的,可是當它照射到一個熒光屏上就會發出熒光來,這樣醫生就看到了X光透視人體的情況,同樣質量檢驗員就可了解到被檢物體內部質量有沒有問題,這個熒光屏就起到了把人眼看不見的X光轉變成看得見的光線的作用。這些能在X光照射下激發出熒光來的材料叫做閃爍材料,當然閃爍材料除了在Ⅹ光照射下會發出熒光外,其他像放射性同位素蛻變產生的高能射線如a射線、β射線照射它時也會發出熒光來,人們利用閃爍材料的這種特性做成了測量各種射線的探測器,即當高能射線照射到探測器上後，閃爍材料便發出熒光，射線愈強，發出的熒光愈強，這熒光被光電轉換係統接受並轉變成電信號，經過電子線路處理後，便能在指示器上指示出來，因此人們將這種探測器比喻為看得見X光和其他高能射線的“眼睛”。
2.2.1物理性能
研究並討論工業X-CT最常用的CsI（T1）、NaI（T1）、CdWO4三種閃爍晶體，物理性能如表2-1：
2.2.2全能峰效率
X射線入射到閃爍晶體截麵上，通過其截麵的粒子數為N，X射線與閃爍晶體發生作用，放出不同能量的可見光子並通過計算得到該數據能譜的全能峰技術N",因此全能峰效率η公式：
2.2.3轉換效率
光陰極上發射光電子數和入射光子數的比值稱為量子轉換效率，簡稱量子效率，它是波長的函數，用Qk（λ）表示，計算公式如下：
其中K1為光的轉換因子（綠光時K1=220（lm/W））；λ為光的波長，單位為nm；Sk為光陰極光照靈敏度，單位為ηA/lm計算公式如下：
3.蒙特卡羅方法與MCNP程序
蒙特卡羅方法( Monte Carlo Method),也稱統計模擬方法,由S.M.烏拉姆和J馮·諾伊曼在20世紀40年代為研製核武器而首先提出,又稱隨機抽樣或統計試驗方法,是以概率和統計理論方法為基礎的一種計算方法。是指使用隨機數(或更常見的偽隨機數)來解決很多計算問題的方法。蒙特卡羅方法的名字來源於摩納哥的一個城市蒙特卡羅,該城市以賭博業聞名,而蒙特卡羅方法正是以概率為基礎的方法,與它對應的是確定性算法。蒙特卡羅方法在金融工程學,宏觀經濟學,計算物理學(如粒子輸運計算、量子熱力學計算、空氣動力學計算)等領域應用廣泛。傳統的經驗方法由於不能逼近真實的物理過程,很難得到滿意的結果。而蒙特卡羅方法由於能夠真實地模擬實際物理過程,故解決問題與實際非常符合,可以得到很圓滿的結果。
3.1蒙特卡羅方法模擬原理
蒙特卡羅方法通過模擬實際物理過程來解決實際中遇到的困難,例如中子和光子在物質中輸運的宏觀表現是大量粒子與原子核微觀作用的平均結果,蒙特卡羅方法通過逐一模擬和記錄單個粒子的曆程來求解輸運問題。要得到比較合理的平均結果需要跟蹤大量的粒子,至於單個粒子在其生命中的某一階段如何度過,可以在已知統計分布規律的前提下通過抽取隨機數來決定。
上圖顯示了模擬中一個中子射入物質後的隨機曆程。首先根據中子與物質作用的物理規律，選取一個隨機數決定中子在何處與原子核碰撞，本例中在1點碰撞，然後再用抽取隨機數的方法決定中子與原子核發生了哪種反應,這裏抽出的是非彈性散射反應。散射中子的能量和向哪個方向飛行也是用抽取隨機數的方法從已知分布函數中決定的,碰撞過程屮是否產生光子以及光子的能量、飛行方向等參數還是要通過抽取隨機數從已知分布中決定,這裏產生了一個光子。跟蹤光子,確定它在7點與原子核碰撞並被吸收。散射後的屮子在2點與原子核發生(n,2n)反應,其中一個出射中子射向探測器,另一個屮子在3點被吸收。在2點的碰撞還產生了一個光子,它在5點又與原子核發生了一次散射反應,並離開物質。這一入射中子的曆史過程結束了，有一個屮子到達了探測器,感興趣的結果被記錄下米。跟蹤越來越多的入射粒子曆程後,平均結果就能反映出宏觀效果。
3.2 蒙特卡羅方法的解題步驟
當所要求解的問題是某種事件出現的概率,或者是某個隨機變量的期望值時,九九视频在线直播免费观看可以通過某種試驗的方法,得到這種事件出現的須率，或者這個隨機變量的平均值，並用它們作為問題的解,這就是蒙特卡羅方法的基本思想。蒙特卡羅方法通過抓住事物運動的幾何數量和幾何特征，利用數學方法米加以模擬,即進行一種數字模擬實驗。它是一個以概率模型為基礎,按照這個模型所描繪的過程,通過模擬實驗的結果,得到問題的近似解。蒙特卡羅解題過程可以歸結為三個主要步驟：
（1）構造或描述概率過程
對於本身就具有隨機性質的問題,如粒子輸運問題,主要是正確描述和模擬這個概率過程,對於本米不是隨機性質的確定性問題,比如計算定積分,就必須事先構造人為的概率過程,它的某些爹量正好是所要求問題的解。即要將不具有隨機性質的問題轉化為隨機性質的問題。
（2）實現從已知概率分布抽樣
枃造概率模型以後由於各種概率模型都可以看作是由各種各樣的概率分布構成的,因此產生已知概率分布的隨機變量(或隨機向量),就成為實現蒙特卡羅方法模擬實驗的基本於段,這也是蒙特卡羅方法被稱為隨機抽樣的原因,最為簡單、最基本、最重要的一個概率分布是(0,1)上的均勻分布(或稱矩形分布)隨機數就是具有這種均勻分布的隨機變量。隨機數序列就是具有這種分布的總體的一個簡單子樣,也就是一個具有這種分布的相互獨立的隨機變數序列。產生隨機數的問題,就是從這個分布的抽樣問題。在計算機上,可以用物理方法產生隨機數,但價格昂貴,不能重複，使用不便。另一種方法是用數學遞推公式產生。這樣產生的序列,與真正的隨機數序
列不同,所以稱為偽隨機數,或偽隨機數序列。不過,經過多種統計檢驗表明,它與真正的隨機數,或隨機數序列具有相近的性質,因此可把它作為真正的隨機數米使用。由已知分布隨機抽樣有各種方法,與從(0,1)上均勻分布抽樣不同,這些方法都是借助於隨機序列來實現的,也就是說,都是以產生隨機數為前提的。由此可見,隨機數是九九视频在线直播免费观看實現蒙特卡羅模擬的基本工具。
（3）建立各種估計量
一般說來,構造了概率模型並能從中抽樣後,即實現模擬實驗後,九九视频在线直播免费观看就要確定一個隨機變量,作為所要求的問題的解,九九视频在线直播免费观看稱它為無偏估計,當然還可以引入其它類型的估計,如最大似然估計,漸進有偏估計等。但是在蒙特卡羅計算中,使用最多的是無偏估計。建立各種估計量,相當於對模擬實驗的結果進行考察和登記,從中得到問題的解。
蒙特卡羅方法有很強的適應性,問題的幾何形狀的複雜性對它的影響不大。該方法的收斂性是指概率意義下的收斂,因此問題維數的增加不會影響它的收斂速度,而且存貯單元也很節省,這些是使用該方法處理大型複雜問題時的優勢。因此,隨著電子計算機的發展和科學技術問題的日趨複雜,蒙特卡羅方法的應用也越來越廣泛。它不僅較好地解決了多重積分計算、微分方程求解、積分方程求解、特征值計算和非線性方程組求解等高難度和複雜的數學計算問題,而且在統計物理、核物理、真空技術、係統科學、信息科學、公用事業、地質、醫學,可靠性及計算機科學等廣泛的領域都得到成功的應用。
3.3 基於蒙特卡羅方法的MCNP程序
3.3.1MCNP程序的發展
20世紀40年代美國 Los alamos實驗室的 Fermi、 Von neumann和Ulam等人提出用蒙特卡羅方法模擬輻射輸運的思想。1947年 Fermi發明了第一台用蒙特卡羅方法計算中子鏈式反應的機器。從50年代開始, Von neumann領導一個小組研究輸運問題的蒙特卡羅處理方法,編寫出模擬中子輸運的程序MCS。1963年蒙特卡羅方法描述語言標準化。1965年完成的中子輸運程序MCN有了很大改進,使用了標準的截麵庫,並且具有複雜兒何描述功能。後來, Los alamos實驗室又開發了模擬光子輸運的程序MCG(高能)和MCP(能量低至lkeV)。1973年MCN和MCG合並成MCNG，為MCNP的雛形。自那時起,每隔2-3年更新一次,版本不斷發展,功能不斷增加,適應麵也越來越廣。已知的MCNP程序研製版本的更新時間表如下：
MCNP-3：1983年寫成,為標準的 FORTRAN77版本,截麵采用ENDF/B-III。
MCNP-3A：1986年寫成,增加了多種標準源,截麵采用ENDF/B-IV。
MCNP3B：1988年寫成,具有陣列幾何處理能力(即重複結構描述),多群截麵和計數輸出的圖形化功能,截麵采用ENDF/BIV和ENDL851。
MCNP4：1990年7月由LANL寫成,截麵采用ENDF/BV。
MCNP4.2：1991年3月由ORNL的RSIC寫成,程序有較大改進,增加了基於Sandia國家實驗室的ITS( Integrated Tiger Series)連續能量電子輸送包,將其編入ACNP程序,專用於UNIX係統,從此,MCNP程序成為中子、光子、電子耦合輸運程序。
MCNP4A：1993年誕生,仍為UNIX係統,開始贏了PⅤM並行,適當共享儲存並行計算機,截麵為ENDF/B-V。
MCNP4B：1997年3月正式推出,有PC版本(需要 LAHEY編譯係統支持)，UNIX版,采用ENDF/B-ⅥI截麵庫和彩色圖形係統仍采用PⅤM並行編程。
MCNP4B2：為MCNP4B的升級版,其支持 FORTRAN90係統。
MCNP4C：2000年正式推出,在前一個版本的基礎上增加了共振自屏、瞬發α本征值、微擾和多群伴隨中子輸運計算等處理,采用F90編譯器,工作站版本PVM和SMPP並行。MCNP4C也是本課題說采用的版本。
MCNP5：2003年推出,在這個版本中完成了從 FORTRAN-77到 FORTRAN90的重新組織,支持以前的MCNP4C24C3全部功能,同時在提高圖形顯示,易安裝性以及更好的在線文檔方麵有較大改善
另外,在MCNP係列版本中,出現了 MCNPX版本,該版本程序仍為該實驗室研製並由其負責維護和更新。 MCNPX開始於1994年作為MCNP4B和 LAHET-2.8的代碼整合項目,並第1次在1999年對外發布,版本為2.1.5。2002年, MCNPX升級為MCNP-4C,其變化包括支持 FORTRAN90係統、增加了12種特性,並作為2.4.0版本對外發布,自從2002年開始, MCNPX測試組織全球300個機構中的1400多名用戶進行了公開測試,在加入了數10個新特性後作為250版本對外發布。 MCNPX現在已經成為世界上使用最為廣泛的粒子輸運程序之一。
3.3.2MCNP程序的特點
MCNP軟件包( a general Monte Carlo code for Neutron and Particle transport)是一套通用的、模擬三維空間中連續能量的中子、粒子聯合輸運的程序,其名字早先來源the analog monte carlo method for Neutron and proton' s transport的縮寫。MCNP3版(1983年)和3A版(1985年)發行後,這一軟件在核測井領域逐漸成為最流行的通用程序,程序模擬結果和模型井實驗結果較好地吻合,此時程序使用的主要核數據庫ENDF/B-4。1988年發行的3B版程序增加了幾何重構功能。1991年4版問世,加入了模擬帶電粒子(離子)輸運部分,可以模擬探測器的測量結果,使用了新的ENDF/B-6評價核數據庫。
MCNP程序的應用範圍十分廣闊,主要包括：反應堆設計、核臨界安全、輻射屏蔽和核防護、探測器的設計與分析、核測井、個人劑量與物理保健、加速器靶的設計、醫學物理與放射性治療、國家防禦、廢物處理、射線探傷等。
MCNP程序的源代碼是用 FORTRAN語言編寫的。程序包屮攜帶了大量的核反應數據庫文件。MCNP具有很強的通用性，主要體現在：
（1）可以處理任意三維幾何結構條件下的問題。在輸入文件INP中,空間被曲麵( surface)分割成相互鄰接的區域,稱為柵元(cel)，可以給柵元填充各種物質。柵元的界麵可以是各種平麵、一階曲血或某些四階曲麵(如橢圓環狀麵)。可以模擬中子輸運、光子輸運和二者聯合輸運。
（2）用戶可以常方便地在任何位置指定體源、由源、線遊或點源,設置源粒子位置、能量、時間、飛行方向等多數的分布。
（3）程序提供多種記錄模擬結果方法,包括通過某一界麵的粒子流量或通量進入某一柵元的通量、沉積能量和點通量。模擬結果在MCNP中稱為記數(taly)，可以按位置、能量、時間、粒子米向和粒子種類記數。程序包攜帶了大量核反應數據庫文件，包括連續和離散的中子截麵庫、光子點截麵庫、熱屮子點截麵庫等,幾乎可對所有天然物質進行計算。程序能比較精細地模擬屮子和光子輸運過程,並對一些特定的物理過程允許用戶選擇使用哪種方式進行處理如對熱中子處理可選用自由氣體模型或S(α，β)模型,對低能光子處理可以考慮或忽略相幹散射等。
（4）為了提高計算時效,給用戶提供了許多可選用的減小方差( variance)技巧，主要包括:重要抽樣、杈重截斷和輪盤賭、時間和能量截斷、模擬俘獲、指數變換、強迫碰撞、能量分裂和輪盤賭、源的偏倚、點探測器記數、桷定論輸運、權窗等。用戶可通過設置源粒子數或運行時間來通知程序何時終止運行還可以在原有計算結果的基礎上接續運行程序，結果不會因計算的意外屮斷而丟失。
（5）在輸出文件OUTP中給用戶提供豐富的信息,包括輸入列表、使用的截麵表、粒子生成和丟失表、柵元中的粒子活動情況、屮子誘發光子表、記數和記數漲落表等，還可以根據用戶要求給出其它信息。
（6）提供了簡單的問題調試工具
3.3.3MCNP的應用狀況
由於MCNP的通用性、靈活性以及強大的功能,使其在世昇上有廣泛的應用，僅國內的用戶就在百家之上，應用領域也從過去主要的核領域,逐漸推廣到石汕,醫學在內的許多領域。
從20世紀90年代開始,國外己經有研究人員開始研究MCNP輸入文件製作的簡化和計算結果的圖形顯小。特別是隨著計算機軟硬件技術的發展,在近幾年取得了些有價值的研究成果。所開發的MCNP可視化軟件能夠將應用場景的二維DXF格式文件和三維SAT格式的圖形文件轉換成MCNP的輸入文件。同時在場景的某些界麵將MCNP的計算結果繪製成二維圖形,實現了計算機結果的可視化。為便於計算結果的分析、存儲和共享,有的後處理軟件能夠將MCNP計算機結果輸出到電子表格等數據庫中。
近幾年,國內在MCNP前處理與後處理技術領域的研究也取得了長足的進步，主要有以下幾個方麵：
（1）在MCNP的計算效率、局限性和二維交互繪圖等方麵進行了有益的探索。
（2）為了簡化MCNP輸入文件的製作、顯示MCNP的計算進程和計算的抽取與顯示,研究開發了專用的MCNP程序丿可視化運行平台,並能以圖形化的方式顯示MCNP的計算機和運行時間的相關信息。
（3）為了簡化MCNP的幾何建模,提高MCNP計算機輸入文件的編寫效率，研究將有關CAD文件中的幾何模型轉化為MCNP仿真模型的算法問題,通過對目前商用圖形軟件包進行二次開發,開發出專用的MCNP輔助建模工具。
另外,可視化技術已經在自然科學領域得到廣泛的應用。目前在規則數據場的體繪製和麵繪製算法等已經趨於成熟。國內外的一些研究機構相繼推出了一係列可視化軟件工具及專用可視化軟件。但在三維數據實時動態顯示、非規則數據場和矢量場的可視化計算以及基於網絡的科學計算可視化理論等方麵有待進一步的研究完善。
MCNP是目前世界上比較成熟的MC軟件包之一,在許多領域得到了廣泛。本課題便是采用MCNP4C對電離室的能量響應進行模擬,並根據模擬結果指導實際的電離室設計。隨著核科學技術的發展,以及其它相應技術如計算機可視化的發展MCNP會越來越受到重視,其應用領域也必將在目前的基礎上向其它的相關領域擴展。
4.MCNP模型的建立與程序模擬
4.1MCNP模擬的空間布置
本次模擬使用MCNP程序對閃爍晶體性能進行模擬，模擬時的放射源與閃爍晶體的空間布置情況如圖4-1。模擬空間為半徑110cm的球狀空間，球內充滿空氣，放射源與閃爍晶體放置在其內部空間。球體外部是理想的真空狀態。球體內以球心為原點建立三維坐標係，模擬用閃爍晶體水平放置在Y軸上且電離室中軸線與Y軸相重合。X射線放射源為麵源，圓形，圓心位於Y軸且圓麵與Y軸相垂直，麵源直徑0.3cm，位置在Y軸負方向100cm處，放射性在圓麵上均勻分布。
4.2閃爍晶體性能MCNP模擬
4.2.1能量分布的MCNP模擬
對CsI(Tl)、NaI(T1)、CdWO4三種晶體,在X射線源能量為450keV、晶體長度1.5cm的條件,進行了能量分布的Monte Carlo模擬研究。從圖4-2可以看出，450keV的X射線入射到探測器後,能量分布大體趨勢相近,即在能量為450keV處光子數所占的比例,遠遠超過其它能量值。就CsI(T1)、NaI(Tl)、CdwWO4三種晶體比較而言,CdWO4在能量為450keV處光子數所占的比例,明顯高於另外兩種晶體CsI(Tl)、NaI(T1)在能量為450keV出光子數所占比例相近,但CsI(Tl)略高於NaI(T1)晶體。
4.2.2全能峰效率的MCNP模擬
全能峰效率的 Monte carlo模擬,是在CsI(T1)、NaI(Tl)、CdWO4閃爍晶體的長度分別為0.3cm、0.5cm、1.0cm、1.5cm，X射線源能量分別為120keV、160keV、220keV、320keV、450keV的條件下進行的,其模擬結果的性能比較，如圖4-3、4-4、4-5、4-6所示。從圖可以看出：隨著X射線能量的升高,三種閃爍探測器的全能峰效率均迅速下降。在入射能量相同的條件下,CdWO4探測器的全能峰效率最高,CsI（T1）探測器的全能峰效率位於CdWO4探測器和NaI（T1）探測器之間。
4.2.3閃爍體轉換效率的MCNP模擬
轉換效率的 Monte carlo模擬,是在CsI(T1)、NaI(T1)、CdWO4閃爍晶體的長度分別為0.3cm、0.5cm、1.0cm、1.5cm;X射線源能量分別為120keV、160keV、220keV、320keV、450keV的條件下進行的,其 Monte Carlo模擬的性能比較,如圖4-7、4-8、4-9、4-10所示。從圖可以看到,不管晶體類型、晶體長度如何變化,隨著能量的的增加,閃爍晶體的轉換效率逐漸降低。CsI(Tl)、NaI(Tl)、CdwO4三種閃爍晶體中，在相同X射線能量時,CdWO4的轉換效率最高,CsI(Tl1)的轉換效率位於NaI(T1)與CdWO4之間。
結論
本文運用MCNP4C程序,對CsI(Tl)、NaI(Tl)、CdWO4三種閃爍晶體的性能進行相關模擬,根據模擬所得到三種晶體各種性能方麵的對照曲線,得到以下結論：
（1）CdWO4閃爍晶體在全能峰效率、閃爍體轉換效率兩個方麵表現出良好的性能,可廣泛應用於2MeV以上的工業ⅩCT係統中對X射線的探測。但是,CdWO4晶體的折射率為2.3,不利於可見光在晶體中的傳輸:且其平均波長在480nm,與CCD器件的光譜效應也不能很好的匹配。
（2）NaI(Tl)晶體由於全能峰效率和轉換效率低,NaI(T1)當晶體長度為1.5cm時，X射線能量為220keV時,探測器的全能峰效率高達52.2%，轉換效率高達66.7%且易潮解，不適合於工業ⅩCT係統中對X射線的探測。
（3）CsI(T1)閃爍晶體在全能峰效率、閃爍體轉換效率兩個方麵，均比NaI(T1)閃爍晶體好，當CS(T1)晶體長度為1.5cm時，X射線能量為220keV時，探測器的全能峰效率高達62.3%，轉換效率高達74.3%。且CsI(T1)晶體不易潮解和易於加工的特點，有利於工業X-CT係統中對Ⅹ射線的探測及探測器的結構設計。
（4）通過對CsI(Tl)、NaI(Tl)、CdWO4三種晶體性能模擬中得到的對比曲線對工業XCT係統的X射線探測的探測器方案設計提供參考依據。
存在問題及進一步研究工作建議
（1）閃爍晶體模型構建稍顯簡單,對閃爍晶體的性能不能完全反映,應對模型進一步完善,為工業Ⅹ-CT係統設計提供更加可靠的依據。
（2）在模擬閃爍晶體的性能時隻針十對CsI(Tl)、NaI(T])、CdWO4三種閃爍晶體,在判定閃爍晶體的性能時不能全麵的分析,應進一步模擬分析多種晶體的性能,提供一個全麵的數據。