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医用X射线的MC模拟及防护材料的优化设计

2020-12-08阅读(372)

医用X射线的MC模拟及防护材料的优化设计

论文摘要

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Ce2O3-Pr2O3-Sm2O3-Gd2O3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。

论文目录

  • 摘要
  • abstract
  • 第一章 绪论
  •   1.1 引言
  •   1.2 X射线简介
  •     1.2.1 X射线的基本性质
  •     1.2.2 X射线与物质的相互作用
  •     1.2.3 X射线的衰减规律
  •   1.3 辐射防护中的基本概念
  •   1.4 模拟计算方法介绍
  •   1.5 医用加速器简介
  •   1.6 X射线能谱模拟及防护材料研究现状
  •     1.6.1 X射线能谱优化研究现状
  •     1.6.2 X射线防护材料研究现状
  •     1.6.3 优化设计研究现状
  •   1.7 本文的研究思路及主要研究工作
  •     1.7.1 研究思路
  •     1.7.2 研究内容
  • 第二章 医用X射线的蒙特卡罗模拟及辐射场性质研究
  •   2.1 引言
  •   2.2 医用X射线机基本构件
  •     2.2.1 X射线管的基本构件
  •     2.2.2 电子直线加速器的构成
  •   2.3 蒙卡程序的编写
  •     2.3.1 MCNP概述
  •     2.3.2 X射线管的模拟参数设置
  •     2.3.3 电子直线加速器的模拟参数设置
  •     2.3.4 水模体的模拟参数设置
  •   2.4 计算结果与讨论
  •     2.4.1 射线管产生的X射线
  •     2.4.2 电子直线加速器产生的X射线
  •   2.5 本章小结
  • 第三章 X射线防护材料的挑选与组合
  •   3.1 引言
  •   3.2 材料选择方法
  •     3.2.1 稀土元素简介
  •     3.2.2 WinXCom计算软件简介
  •   3.3 材料的挑选与组合
  •     3.3.1 X射线过滤材料的挑选
  •     3.3.2 X射线屏蔽材料的组合
  •   3.4 本章小结
  • 第四章 医疗诊断X射线防护材料的优化设计
  •   4.1 引言
  •   4.2 理论及方法
  •     4.2.1 遗传算法概述
  •     4.2.2 神经网络算法概述
  •     4.2.3 MATLAB简介
  •   4.3 实验方法及步骤
  •     4.3.1 算法步骤
  •     4.3.2 神经网络结构的建立
  •     4.3.3 激励函数与训练函数的选择
  •   4.4 计算结果与验证
  •     4.4.1 组合材料的组分优化结果
  •     4.4.2 组合材料屏蔽效果的验证
  •   4.5 本章小结
  • 第五章 总结与展望
  •   5.1 总结
  •   5.2 展望
  • 参考文献
  • 致谢
  • 在学期间的研究成果及发表的学术论文
  • 附录一
  • 附录二

    • 文章来源

    类型: 硕士论文

    作者: 朱忠华

    导师: 戴耀东

    关键词: 射线,防护材料,稀土元素,蒙特卡罗,优化设计

    来源: 南京航空航天大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学,医药卫生科技

    专业: 物理学,临床医学,特种医学

    单位: 南京航空航天大学

    分类号: R814;O434.1

    DOI: 10.27239/d.cnki.gnhhu.2019.000733

    总页数: 71

    文件大小: 1879K

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