基于Geant4 的X 射線背散射成像仿真研究

摘 要： 為有效地探測到隱藏在高原子序數物質背后的低原子序數物質，文章采用X 射線背散射成像技術進行實驗，通過蒙特卡羅仿真軟件Geant4 簡化飛點掃描X 射線背散射成像系統，對隱藏在鐵板后的碳塊探測并成像，最后為能夠高效地探測較大的目標區域，文章提出一種針對大區域探測的優化算法。實驗結果表明，仿真的背散射成像系統 能夠探測到鐵板后的碳塊，最終圖像的質量與可控因素（X 射線能量強度、探測器尺寸）和不可控因素（遮擋物厚度、 被測物深度）密切相關，提出的優化算法能夠在掃描探測的同時成像，縮短成像時間且能及時發現待測物體。因此， X 射線背散射成像技術具有一定的潛力，解決探測隱藏在高原子序數物質背后的低原子序數物質難以探測的問題。

關鍵詞： X 射線背散射成像; Geant4 仿真; 飛點掃描; 蒙特卡羅; 成像算法

中圖分類號： TB9 文獻標志碼： A 文章編號： 1674–5124（2024）11–0017–08

0 引 言

通常利用射線成像來實現對物體內部違禁品的探測主要基于兩種方式：透射式成像和背散射成像。對于透射式成像，要求射線源和探測部件分別位于被檢測物體的兩邊，射線源發出的 X 射線投射到被檢測物體，另一側的探測器收集透過被檢測物體后的 X 射線，轉化為反映被檢測物體對應投影線上的射線衰減信息，從而顯示出被檢測物體內部的密度分布形態[1]。該技術對金屬物品，例如槍支、刀具有著較好的查緝效果，但對低原子序數且物質密度較低的毒品、爆炸物等違禁物品的檢測效果較差。對于硅鋁質礦物、牛皮紙等復雜材料目前可以采用X射線熒光光譜法（XRF）[2-3] 測量與檢測。

X 射線背散射成像技術是基于探測康普頓背散射光子信號實現對物質的檢測。相對于金屬物質，低原子序數、低密度的違禁品（例如毒品、爆炸物等）具有較高的康普頓散射截面，能夠產生較強的散射信號。由于不同物質具有不同的康普頓散射截面，且康普頓散射主要發生在散射角度大于 90°的方向，因此，通過探測背向散射光子可以實現對物質的 X射線成像，獲得物質的形貌、對比度差異等信息，在無損檢測[4]、安全檢測[5]、材料科學[6-7] 等領域具有重要的應用。

針對隱藏在高原子序數物質背后的低原子序數物質的難以探測問題， 本文通過蒙特卡羅軟件Geant4，對飛點掃描X 射線背散射成像系統進行了簡化模擬，對隱藏在鐵板后的碳塊探測并成像。仿真結果表明，增大X 射線能量強度和探測器尺寸都能提升圖像的質量，但是存在一個上限。增大遮擋物厚度和被測物深度都會使圖像質量下降，但影響效果并不一致。因此，根據仿真結果，可以為實物研發提供參考和經驗，從而節約時間和材料成本。最后，本文提出了一種優化算法，可以在探測的同時成像，縮短了成像時間，且能及時探測到待測物的信息，為大區域探測快速成像提供了參考。