物理实验_CT技术原理.doc

CT技术原理实验 【实验目的】 掌握CT成像实验的基本原理； 熟悉闪烁探测器和数据获取系统的结构及使用方法； 熟悉（计算机）多道分析器的使用方法； 了解数字化图像处理的方法。 【实验原理】 CT的物理原理是基于窄束射线穿过物质时与物质相互作用而产生散射或吸收，使射线强度发生变化，通过探测器检测射线强度并对样品做扫描检测而得到CT图像。 假定一束宽度较细的、强度为的射线入射到样品上，探测器能探测到透射后的射线强度为。 有吸收定律可知： （1） 式中为物质的线性吸收系数；为穿过物质的厚度。对于复杂样品不均匀内部，吸收系数应为，则（1）式应改写为： （2） （3） 上式中左侧的积分称为射线投影，其积分路径为X射线所经过的路径。通过一系列的平移扫描，可以得到一系列的射线透射强度，如左图所示： 设射线方向为y的负方向，（3）式可以改写为： （4） 然后再旋转某一角度φ后，重复上述操作，得到一系列透射强度。 本实验采用平移加旋转的扫描方式。 图像重建本实验采用迭代法。 【实验仪器】 CT 实验谱仪的原理框图如下图所示： CT实验仪可分为以下5部分： 射线源。 探测器及其屏蔽准直部分。 样品台及步进电机扫描驱动系统。 数据采集系统。 计算机系统 【实验内容】 （1）实验前应根据CT实验仪原理框图，熟悉各部分的作用，弄清楚各个主要部件的功能。 （2）用计算机多道练习测谱。 练习使用计算机多道，熟悉它的各种与测谱有关的功能的使用方法。 用放射源练习测谱。 测量放射源的全能谱的半宽度。 （3）启动CT程序，根据所测量的样品，选择适当的测量条件，采集一个断层的完整实验数据。 （4）通过图像重建和图像处理，或得断层图像。 （5）CT图像重建程序的使用。 【注意事项】 （1）实验结束后，关闭放射源室开关。 （2）探测器高压不超过900V，线性放大器输出幅度不超过2V。 （3）严格遵守放射源的安全操作规程。 主要规则如下： 不得擅自打开放射源的屏蔽罐后盖； 不得擅自打开仪器罩，更不得沿铅罐的准直孔向里看； 离开实验室前要洗手。 【补充内容】 1γ射线与物质作用过程可以看作是γ光子与物质中的原子或分子碰撞而损失能量的过程。主要的相互作用有光电效应、康普顿效应和电子对效应。1）光电效应： 当入射γ光子与物质原子中的束缚电子作用时，γ光子把能量全部转移给某个电子，使它脱离原子的束缚变成自由电子，而γ光子本身消失掉。 在光电效应中，原子吸收光子的全部能量，其中一部分消耗于光电子脱离原子束缚所需的电离能，另一部分就作为光电子的动能。所以，释放出来的光电子能量就是入射光子能量和该束缚电子所处的电子壳层的结合能之差。因此， 2）康普顿效应： γ光子与原子的外层电子发生非弹性碰撞，以部分能量转移给电子使它脱离原子成为反冲电子，光子的能量减少了，变成散射光子γ’. 入射光子能量为，碰撞后，散射光子的能量为，反冲电子的动能为，见图,为散射光子与入射光子方向间的夹角，经推导，散射光子的能量 . 康普顿反冲电子的动能 ， 即 ， 康普顿效应示意图 3）电子对效应： 当γ光子的能量大于2m0c2，即大于1.022MeV时，γ光子在原子核的库仑场作用下可能转化为一个正电子和一个负电子。 2γ能谱仪的结构和工作原理 γ能谱仪主要有以下5部分构成： 1）Nal（Tl）闪烁探测器 核辐射与某些物质相互作用会使其电离、激发而发射荧光，闪烁探测器就是利用这一特征来工作的。 闪烁探测器工作可分为5个相互联系的过程： （1）射线进入闪烁体，与之发生相互作用，闪烁体吸收带电粒子能量而使原子、分子电离和激发； （2）受激原子、分子退激时发射荧光光子； （3）利用反射物和光导将闪烁光子尽可能多的收集到光电倍增管的光阴极上，由于光电效应，光子在光阴极上击出光电子； （4）光电子在光电倍增管中倍增，数量由一个增加到1*E4-1*E9 个，电子流在阴极负载上产生电信号； （5）此信号由电子仪器记录分析。 2）线性放大器 3）单道脉冲幅度分析器 4）多道分析器 5）电源 【思考题】 1 γ射线与物质的相互作用一共有几种？请简述他们的物理过程。 γ射线与物质作用过程可以看作是γ光子与物质中的原子或分子碰撞而损失能量的过程。主要的相互作用有光电效应、康普顿效应和电子对效应。 1）光电效应： 当入射γ光子与物质原子中的束缚电子作用时，γ光子把能量全部转移给某个电子，使它脱离原子的束缚变成自由电