医用X射线的MC模拟及防护材料的优化设计

发布时间：2020-09-04 20:16

　　 X射线在医学领域用途广泛,对人体的危害也不可忽视。由人工产生的X射线多为宽束,能谱分布相对复杂,因此准确描述医用X射线的分布及剂量性质,选择合适的材料更好的防护X射线对人体带来的危害是一项重要的研究工作。本文首先利用蒙特卡洛软件MCNP5建立医疗诊断X射机及电子直线加速器模型,探究它们的能谱特征及剂量分布情况;为更好的对诊断X射线进行过滤,对医疗诊断X射线的常用过滤材料进行调研,计算各种材料对不同能量段X射线的透射率,综合比较它们的过滤效果;之后选取合适的稀土元素进行组合对X射线进行防护,利用BP神经网络算法结合遗传算法建立优化模型计算并得到组合材料最优配比。本文主要研究内容与成果总结如下:(1)通过蒙特卡罗方法,首先利用MCNP建立医用X射线机及医用电子直线加速器模型,模拟电子打靶产生的医疗诊断X射线以及治疗X射线,之后对医用诊断X射线的特性进行分析,发现诊断X射线能谱中特征X射线只占很小的比例,经过准直及过滤之后,低能端粒子数目大幅度降低;探究6 MV X射线的能谱分布规律以及在源皮距为100 cm时水模中的剂量空间分布信息,研究发现6 MV X射线能谱以韧致辐射为主,峰值在0.7 MeV处;经过准直均整之后,在水模中深度1.51 cm处沉积剂量达到最大,与相关文献所给的测量值误差不大。(2)根据X射线的物理特性,首先对诊断X射线的过滤材料做初步筛选,探究不同材料对X射线不同能量段的过滤效果,研究发现金属Ni作为过滤材料时既能吸收大部分低能粒子,又能最大限度的透过高能部分X射线,综合效果最优。(3)Pb作为常用的诊断X射线屏蔽材料存在着“弱吸收区”,选择K吸收边处于钨特征峰能量区间的稀土元素La、Ce、Pr、Gd、Sm中的四种进行组合得到五组组合材料,利用WinXCom软件对100 keV内组合材料的质量衰减系数进行计算。结果表明:所选择的材料的K吸收边正处于医疗诊断X射线的特征峰区,可以通过K吸收边的相互配合来弥补材料的弱吸收区。(4)利用遗传算法结合BP神经网络算法建立优化模型,计算五种组合材料的最优组合比例,并通过MCNP程序进行模拟验证。认为材料组合Ce_2O_3-Pr_2O_3-Sm_2O_3-Gd_2O_3相对于其他四种组合综合性能更好。计算得到组合最佳质量配比为(0.36:0.29:0.23:0.12);当厚度为0.18 cm时,可以屏蔽掉99.99%的射线,其密度仅为铅的61.7%,证明优化计算结果的准确性。若进一步应用到加速器的准直、均整及挡铅等防护材料中,能够进一步降低辐射对人体带来的伤害。
【学位单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：R814;O434.1
【部分图文】：

示意图,康普顿效应,光电效应,示意图

图 1.1 光电效应示意图物质的状态没有关系而只与 X 射线的能量以及物质个壳层电子的结合能相同，则光电效应最有可能发生合能小，则壳层中不会发生光电效应；如果光子能量增加，光电效应在壳层中发生的概率开始降低。因此能时，会导致光电效应的概率突然增加，这被称为子发生非弹性碰撞，作用过程中，入射光子把一部分电子，而光子则受到散射，运动方向和角度都发生了

示意图,光电效应,示意图,射线

空航天大学全日制专业学位硕士学用物理性质，都是不带电的高能光子，X 射线是由带电粒子在原子核库射。X 射线与物质发生相互作用时应，瑞利散射和光核反应[7]。主要以用，放出光电子的原子变成正离子 X 射线离开原子前又激发出外层电

示意图,电子对,效应,正负电子

医用 X 射线的 MC 模拟及防护材料的优化设计而增大，而在中间能量区却随光子能量的增大而减小。子电场中生成一对正负电子，这一过程称作电子对生成效应。部分能量转变为正负电子的静止能量，其值为 1.022 MeV。因MeV 时，电子对效应才有可能发生。如下图 1.3 所示：

【相似文献】