缪子散射的成像方法及成像系统与流程

本发明涉及宇宙射线成像的，尤其是涉及一种缪子散射的成像方法及成像系统。

背景技术：

1、入射大气层的初级宇宙射线与大气原子核发生相互作用产生大量次级粒子，其中大部分为数量相近的不同电性的π介子，带电的π介子又会衰变为缪子。

2、作为一种穿透性极强的高能带电粒子，缪子可以很轻易地穿透厚的屏蔽层，其静止质量为105.7mev，约为电子质量的207倍，既可以带正电，也可以带负电。缪子为带电粒子，质量介于电子和质子之间，所以缪子与物质发生相互作用时，μ+更像一个轻质子或重正电子，μ-更像一个重电子。缪子与物质主要有三种相互作用形式，分别为能量损失、完全吸收和多重库伦散射。

3、自1936年安德森通过云室测量宇宙线粒子能损发现缪子以来，缪子成像可以应用于一些独特的领域：(1)可以对超大型结构，如火山、金字塔等进行成像；(2)对集装箱是否含高z物质进行检测；(3)对核反应堆等难穿透设施进行无损成像探伤。

4、关于缪子成像的反演方法，有透射方法、最邻近点(point of closest approach，poca)方法及简化改版、统计类方法和快速检测方法等。目前运用缪子进行成像时，缪子散射事件与探测板大小和面积、天顶的夹角以及总探测时间等因素相关，成像数据往往很有限，在此条件下，这些成像方法往往面临成像质量低，成像结果不稳定等问题。

技术实现思路

1、为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种缪子散射的成像方法，在基于体素划分和成像值重建的基础上，本方法采用体素划分后，对路径长度和散射角度等参数进行大体素化合并，并结合角度盖帽法，对体素内成像值进行重建，以提高缪子成像的清晰度。本发明还提供了采用上述成像方法的成像系统。

2、为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

3、缪子散射的成像方法，包括以下步骤：

4、(a)将缪子经过的成像区域的三维空间划分为体素；

5、(b)在每次散射事件中，

6、(1)获取缪子经过成像区域最邻近点位置，

7、(2)根据缪子经过成像区域的入射径迹和出射径迹，计算散射角度初值；将散射角度初值与散射角度阈值进行比对：

8、当散射角度初值大于散射角度阈值时，散射角度值统计为散射角度阈值的平方；

9、当散射角度初值不大于散射角度阈值时，散射角度值统计为散射角度初值其本身的平方；

10、(3)计算并统计从入射点到最邻近点所经过每个体素的每一段路径长度，以及计算并统计从最邻近点到出射点所经过的每个体素的每一段路径长度；

11、(c)根据所统计的路径长度和散射角度值进行大体素化合并，所述大体素化合并为对中心小体素临近网格内的体素数据进行合并；

12、(d)根据大体素化合并后的散射角度值和路径长度，计算得到成像密度和相应的成像值，并进行图像重建。

13、在本发明的一个实施例中，在获取最邻近点位置后，计算得到最邻近点所在的体素坐标。

14、在本发明的一个实施例中，在将成像区域的三维空间进行体素划分时，在x、y、z方向上分别进行均匀划分，从而划分为呈小长方体的体素。

15、在本发明的一个实施例中，所述散射角度阈值的典型值为收集并计算得到的散射角度初值统计标准差。

16、在本发明的一个实施例中，所述计算散射角度初值并与散射角度阈值进行比对包括步骤如下：

17、(b1)在每次散射事件中，探测缪子经过体素时入射径迹对应的入射直线，以及出射径迹对应的出射直线；

18、(b2)根据入射直线和出射直线，计算每一个散射角度初值；

19、(b3)统计散射角度初值，并计算散射角度初值集合的统计标准差，作为散射角度阈值；

20、(b4)遍历所有散射角度初值，并与散射角度阈值进行比对；

21、(b5)以此散射角度阈值的典型值成像后，将散射角度阈值以30％增大或缩小，再次成像，如此重复数次，以选出最后成像结果。

22、在本发明的一个实施例中，在获取和统计路径长度、散射事件和散射角度值时：

23、分配路径数组l，用于统计并存放缪子经过成像区域每个体素时，从入射点到最邻近点所经过每个体素的每一段路径长度，以及从最邻近点到出射点所经过的每个体素的每一段路径长度；

24、分配事件数组npoca，用于统计并存放缪子经过成像区域每个体素的散射事件数；

25、分配角度数组θ，用于统计并存放散射角度值。

26、在本发明的一个实施例中，在大体素化合并过程中，路径数组l、事件数组npoca，以及角度数组θ分别进行大体素化合并；

27、其中，路径数组l的第一次大体素化合并为：

28、对于整个nx·ny·nz大小的成像区域，对每个中心小体素附近的所有mx·my·mz个小体素内的路径信息ll,m,n按以下计算公式进行求和并存放于中心小体素li,j,k内：

29、

30、并用li,j,k替换原数组ll,m,n，

31、在对路径数组l的第一次大体素化合并后，再进行第二次大体素化合并：

32、对每个维度进行分离，在x,y,z方向依次进行大体素合并操作：

33、

34、并用替换原数组li,j,k。

35、在本发明的一个实施例中，所述成像密度为所述角度数组θ除以路径数组l，数组的除法为逐元素相除。

36、在本发明的一个实施例中，根据事件数组npoca所记录的大体素内的事件次数，去除事件数较低的成像区域边缘的成像值，或将成像值设置为零。

37、本发明还提供了一种缪子散射的成像系统，包括；

38、第一组探测器，其位于成像物体的一侧，用于测量得到缪子入射成像区域的入射径迹数据；

39、第二组探测器，其用于成像物体的另一侧，用于测量得到缪子从成像区域出射的出射径迹数据；

40、存储器，用于存储入射径迹数据、出射径迹数据、入射路径数组l、事件数组npoca，以及角度数组θ的数据；

41、处理器，其用于接收入射径迹信息和出射轨迹信息，并计算和统计缪子经过体素的路径长度、散射事件和散射角度信息，并根据上述信息获取成像值，进行图像重建。

42、基于上述的技术方案，本发明取得的技术效果为：

43、本发明提供的缪子散射的成像方法，先按规则对体素进行细分，计算并统计路径长度、散射事件和散射角度值等数据，之后再将中心小体素临近网格内的数据进行大体素化合并，作为中心小体素的成像值，以增加数据量，降低数据的涨落，提高成像质量。

44、本发明的成像方法在进行体素内成像值重建时，在大体素化合并的基础上，结合了散射角度盖帽的方法，以去除大于散射角度阈值的散射角度初值；即在大于散射角度阈值的散射事件中，其对于成像值的贡献，最多只计算相当于散射角度为某个盖帽值(散射角度阈值)对成像值的贡献，这样减少大角度事件对于成像值稳定性的破坏作用。