工业X-CT工作原理，研究方法，应用领域，未来发展
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工业X-CT虽在原理上与医学X-CT相类似，但在系统结构设计和对X射线探测及汽车扫描方式等方面二者却存在极大的差异，其系统结构设计将因被检测对象的不同而进行个性化的设计，因而对闪烁晶体的尺寸难于做到统一的标准尺寸，且晶体中还掺入了对人体有剧毒的杂质T1和Cd等元素，这样对系统结构设计及人为操作方面带来困难。针对工业X-CT系统中如何实现对X射线的高效探测问题，采用蒙特卡罗方法，模拟研究了CsI（T1）、NaI（T1）、CdWO4闪烁晶体与X射线作用后，其在能量分布、全能峰效率及闪烁体转换效率方面的性能，研究发现，CsI（T1）闪烁晶体在全能峰效率，闪烁体转换效率，光特性及易于加工等方面，综合性能最优，可以作为工业X-CT系统中队X射线高效探测的理想选择，当CsI（T1）晶体长度为1.5cm时，X射线能量为220keV时，探测器的全能峰效率高达62.3% ，转换效率高达74.3%。
工业X-CT（X-ray Computed Tomography）是工业计算机分析成像技术的简称，它是一种先进的无损检测手段，可广泛用于航空、航天、军事、冶金、机械、石油、电力、地质等领域内的无损检测与无损评价。在工业X-CT系统中，如何对X射线进行高效的探测，则是工业X-CT系统获取高质量CT的关键。
目前，在工业X-CT系统中，国内国外对X射线的探测，均是首先通过CsI（T1）、NaI（T1）、CdWO4和GOS（Gd2O2S2）稀土等闪烁晶体屏将X射线转换成可见光，而后利用光电转换器件如PMT（Photomultiplier Tube）、PD（Photodiode）或CCD（Charge Coupled Device）等，将光信号转换成易于处理的电信号。为了使CT图像有既要高的空间分辨率（或几何分辨率）又要使CT图像信号具有足够的信噪比，就需要对闪烁晶体的尺寸或闪烁屏的厚度进行合理的选取。就是因为，闪烁晶体的尺寸太大或闪烁晶体屏的厚度太厚，将直接影响CT图像的空间分辨率；但是，如果闪烁晶体的尺寸太小或闪烁晶体屏的厚度太薄，又将直接影响闪烁晶体或屏的发光效率，进而影响CT图像信号的信噪比。尤其是，一方面，工业X-CT系统虽在原理上与医用X-CT相类似，但在系统结构设计和对X射线探测及汽车扫描方式等不同于医用X-CT，它检测的工业或零部件十分复杂，被检测的尺寸直径从几个mm到几百个mm，密度从几kg/m3到几十kg/m3，这就决定了工业X-CT是非标产品，其设计将因被检测对象的不同而进行个性化的设计，故对X射线的能量及其探测要求也不尽相同，因而其对CsI（T1）、NaI（T1）、CdWO4晶体尺寸也难于做到统一的尺寸标准。另一方面，CsI（T1）、NaI（T1）、CdWO4闪烁晶体对X射线的探测性能也未尽相同，且还掺入了对人体有剧毒的杂志T1和Cd等元素。为使X射线在CsI（T1）、NaI（T1）、CdWO4闪烁晶体中既有足够的能量沉积，让更多的X射线转换成可见光（提高信噪比），又要使工业X-CT系统的CT图像获得较高的空间（或几何）分辨率，采用MCNP方法，模拟研究CsI（T1）、NaI（T1）、CdWO4闪烁晶体探测X射线的性能进行比较研究，则是解决问题的一个可选的方案。
1.工业X-CT
工业XCT是一种先进的无损检测于段,在工业XCT系统中,首先通过Csl(T1）、NaI(T1)、CdWO4和 GOS( Gd2O2S)稀土等闪烁晶体或闪烁晶体屏经过光电效应、康普顿效应及电子对效应等将X射线转换成可见光,而后利用光电转换器件如PMT、PD或CCD等,将光信号转换成易于处理的电信号。
1.1射线与物质的相互作用
γ射线、韧致辐射、湮没辐射和特征X射线等,虽然它们的起源不一、能量大小不等,但都属于电磁辐射。电磁辐射与物质相互作用的机制、与这些电磁辐射的起源是无关的,只与它们的能量有关。
γ射线与物质的相互作用和带电粒子与物质的相互作用有着显著的不同。γ光子不带电,它不像带电粒子那样直接与靶物质原子、电子发生库伦碰撞而使之电离或激发,或者与靶原子核发生碰撞导致弹性碰撞能量损失或辐射损失,因而不能像带电粒那样用阻止本领dE/dx和射程来描述光子在物质中的行为。带电粒子主要通过连续的与物质原子的核外电子的许多次非弹性碰撞逐渐损失能量的,每一次碰撞中所转移的能量很小。而光子与物质相互作用时,发生一次相互作用就导致损失其大部分或全部能量。光子不是完全消失就是大角度散射掉。
光子可以通过与物质的相互作用被间接探测到。这些作用过程产生带电的次级粒子,随后在探测器的灵敏体积内通过电离过程被记录下米。γ射线与物质相互作用，可以有多种方式,当γ射线能量在30MeV以下时,在所有的相互作用中最主要的有三种方式:光电效应、康普頓效应和电子对效应。还有一些其它的相互作用方式,如：相干散射、光致核反应和核共振反应等。
1.1.1光电效应
γ射线与靶物质原子的束缚电子作用时,光子把全部能量转移给某个束缚电子使之发射出去，而光子本身消失掉，这种过程称为光电效应。光电效应中发射出去的电子叫做光电子。
原子吸收了光子的全部能量,其中一部分消耗于光电子脱离原子核束缚所需的能量即电离能,另一部分就作为光电子的动能。所以,释放出来的光电子的能量就是入射光子的能量和该束缚电子所处的电子壳层的结合能之差。因此,要发生光电效应，γ光子的能量必须大于电子的结合能，光电子可以从原子的各个电子壳层屮发射出来，但是自由电子却不能吸收入射光子的能量而成为光电子。而且，电子在原子中束缚的越紧，就越使原子核参与上述过程，产生光电效应的概率就越大。
发生光电效应时，从原子内壳层上打出电子，在此壳层上就留下空位，并使原子处于激发状态。这种状态是不稳定的，退激过程有两种：一种是外层电子向内层跃迁。另一种是原子的激发能教给外壳层的其它电子，使它从原子中发射出来，这种电子称俄歇电子。
1.1.2康普顿效应
康普顿效应是入射γ光子与原子的核外电子之间发生的非弹性碰撞过程。这一作用过程中，入射光子的一部分能量转移给电子,使它脱离原子成为反冲电子，而光子的运动量发生变化。
普顿效应与光电效应不同。光电效应中光子本身消失,能量完全转移给电子；康普顿效应中光子只是损失掉一部分能量。光电效应发生在束缚得最紧的内层电子上；由于外层电子的结合能相对不入射γ光能量可以忽略不计，所以康普顿效应可以认为是γ光子与处于静止状态的自由电子之间的弹性碰撞。入射光子的能量和动量就由反冲电子和散射光子两者之间进行分配。
1.1.3电子对效应
当γ光子从原子核旁经过时，在原子核的库伦场的作用下，γ光子转化为一个正电子和一个负电子，这种过程称为电子对效应。
根据能量守恒定律，只有当入射光子能量hv>1.02Mev时,才能发生电子对效应。光子的能量除一部分转变为正负电子对的静止能量(102MeV)外,其余就作为他们的动能。
除了在原子核库仑场中发生电子对效应外,在电子的库仑场中也会产生正-负电子对。不过电子质量小,反冲能量较大,所以产生电子对的最低入射能量至少是4M0c2而且产生电子对的概率要小得多。
对于一定能量的入射光子，电子对效应产生的正电子和负电子的动能从0到hv-2M0c2都是可能的,电子和正电子之间的能量分配是任意的。电子对过程中产生的快速正电子和电子,在吸收物质中通过电离损失和辐射损失消耗能量。正电子在吸收体中被很快慢化后,将发生湮没,湮没光子在物质中再发生相互作用。
1.2工业X-CT的结构和原理
随着制造业的迅速发展，对产品质量检验的要求越来越高，需要对越来越多的关键、复杂零部件甚至产品内部缺陷进行严格探伤和内部结构尺寸精确测量。传统的无损检测方法如超声波检测、射线照相检测等测量方法已不能满足要求。于是，许多先进的无损检测技术被开发应用于这些领域，ITC（Industrial Computed Tomography--简称工业CT）技术便是其中的一种。
工业CT（ITC）就是计算机层析照相或称工业计算机断层汽车扫描成像。虽然层析成像有关理论的有关数学理论早在1917年有J.Radon提出，但只是在计算机出现后并与放射学科结合后才成为一门新的成像技术。在工业方面特别是在无损检测（NDT）与无损评价（NDE）领域更加显示出其独特之处。因此，国际无损检测界把工业CT称为最佳的无损检测手段。进入80年代以来，国际上主要的工业化国家已把X射线或γ射线的ITC用于航空、航天、军事、冶金、机械、石油、电力、地质、考古等部门的NDT和NDE，检测对象有导弹、火箭发动机、军用密封组件、核废料、石油岩芯、计算机芯片、精密铸件与锻件、汽车轮胎、陶瓷及复合材料、海关毒品、考古化石等。我国90年代也已逐步把ITC技术用于工业无损检测领域。
1.2.1工业X-CT
CT的基本思想是：让一束X射线投射在物体上，通过物体对X射线的吸收（多次投影）便可获得物体内部的物质分布信息。
当强度为I0的一个窄束X射线穿过吸收系数为μ的物体时，其强度满足指数衰减关系公式：
公式中t为X射线穿过物质层厚度。在实际情况中，所研究的物体往往不是由单一成分组成的，当物体由若干个不同成分组成时，物体内部各处的μ也将可能不同。在这样的物质中，X射线穿过整个物件后的强度公式：
公式中u（r）为r处的吸收率。CT系统通过改变一组射线路径L，记录下对应出射强度I（L）的变化来分析物体内部u（r）的分布。
在实际操作中，总是假定物体中的吸收系统u（r）是一个连续函数，通过射线测量方法和图像处理技术，将数学物理方程通过计算机解出函数u（r）。在计算机屏幕上，可用颜色或灰度来表示u（r）的大小，从而被汽车扫描的物体的切面图像即可显示出来。
1.2.2工业X-CT的结构工作原理
在工业X-CT系统中，对X射线的探测可以有多种探测方式，但是从获取采集X射线数据的方式看，主要有限性阵列探测和面阵列探测两种。对于采用CsI（T1）、NaI（T1）、CdWO4闪烁晶体实现对X射线的探测而言，通常以线阵列探测为主。图一即是目前工业X-CT中探测X射线的线阵数据获取的以一种典型方式原理图。
当X射线进入线阵探测器时,通过与CsI(T1)、NaI(T1)、CdWO4闪烁品体的相互作用因产生光电效应、康普顿效应和电子对效应而损失能量,并以光的形式为后端光电器件所探测。Ⅹ射线能量低于1MeV时,其相互作用主要是光电效应和康普顿散射,如发生的作用光电效应,就直接计算收集电荷，并把散射光子作为入射光子重复计算。某一个光子与闪烁晶体发生的作用类型是随机的,但其几率受它的作用截面的限制。
通常,工业X-CT中探测X射线的线阵数据获取时，其闪烁晶体为圆柱形,如图1-2所示。对其在进行蒙特卡罗方法模拟时，假设X射线源为能量可调的单能源,经前准直后进入探测器为平行光,晶体的直径不变，为0.3cm，而圆柱的长度可以变化，基此,模拟研究CsI(Tl)、NaI(T1)、CdWO4闪烁晶体在不同长度、不同能量、不同晶体及X射线源-被检物-探测器距离(后面简称源距)为100cm情況下的一些性能。计算中每次模拟的粒子数为500000,光子和电子的截断条件主要是能量截断和位置截断,即当光子或电子的能量小于0.001MeV时,程序不再跟踪该粒子；若光子或电子溢出闪烁体,程序不再跟踪该粒子。荧光光子的截断条件是长度截断,即当荧光的传输距离大于150mm时,程序截断该束荧光。
1.3工业X-CT的新发展
随着制造业的迅速发展，对产品的质量检验的要求越来越高，在无损检测的方法中，虽然Ⅹ射线实时成像系统检测速度快,但在检测灵敏度和空间分辨率及对缺陷的定位等方面都存在着明显的不足。
工业CT作为一种先进的检测工具,克服了X射线实时成像系统的不足,它可以显示被测工件的断面图像,并有着较高的检测灵敏度和空间分辨率,它可对缺陷进行定位和测量,动态范围宽,在无损检测中起着很重要的作用。虽然它也存在着不足,但它具备了别种检测方法所没有的特点,因此是不可替代的。
目前,工业CT被广泛地应用于各个领域,如铸件、锻件、焊接件、火箭发动机、石油钻杆、复合材料、陶瓷及冶金产品的检测等。具体的应用如：轧钢产品的质量检査,航空航天关键零部件的检测,材料的缺陷和密度变化,钢筋混凝土的孔洞腐蚀和断裂情况的检验等。工业CT除大量的应用于检测以上多类缺陷之外,还可应用于几何尺寸的测量。总之,工业CT有着良好的应用前景。
2.闪烁晶体的性能
射线引起物质发光的现象，人们是很熟悉的。例如，作X光透视时，人体器官的图像就是透过人体组织不同强度的X射线达到荧光屏上使之发光而形成；将放射性物质和荧光粉混合后敷涂在钟表的数字和指针上，射线是荧光粉发光，这就是“夜光”钟表原理。
2.1闪烁晶体的种类
闪烁体按化学性质可分为两大类：
一类是无机晶体闪烁体。通常是含有少量杂质(称为“激活剂”)的无机盐晶体，常用的有碘化钠(铊激活)单晶体，即NalI(Tl)；碘化铯(铊激活)单晶体即CsI(T1)；硫化锌(银激活)多晶体,即ZnS(Ag)等。另一种是玻璃体,如LiO22SiO2(Ce)。此外,近年来还开发了不掺杂的纯晶体,如锗酸铋、钨酸镉、氟化钡等。
另一类是有机闪烁体。它们都是环碳氢化合物,又可分为三种：
（1）有机晶体闪烁体。例如蒽、萘、对联三苯等有机晶体
（2）有机液体闪烁体。在在有机液体溶剂(如甲苯、二甲苯)中融入少量发光物质(如对联三苯),称第一发光物体。另外在融入一些光谱波长转换剂(如POPOP化合物)成为第二发光物质,组成有机闪烁体性能的液体。它是在有机液体苯乙烯中加入第一发光物质对联三苯和第二发光物质,组成有闪烁体性能的液体。
（3）塑料闪烁体。它是在有机液体苯乙烯中加入第一发光物质对联三苯和第二发光物质—— POPOP后,聚合而成塑料。
2.2闪烁晶体的物体特性
X光的穿透本领强大,可用来进行医疗诊断、工业探伤和物质分析等,但从X光管发出的X光,人们是看不见的,可是当它照射到一个荧光屏上就会发出荧光来,这样医生就看到了X光透视人体的情况,同样质量检验员就可了解到被检物体内部质量有没有问题,这个荧光屏就起到了把人眼看不见的X光转变成看得见的光线的作用。这些能在X光照射下激发出荧光来的材料叫做闪烁材料,当然闪烁材料除了在Ⅹ光照射下会发出荧光外,其他像放射性同位素蜕变产生的高能射线如a射线、β射线照射它时也会发出荧光来,人们利用闪烁材料的这种特性做成了测量各种射线的探测器,即当高能射线照射到探测器上后，闪烁材料便发出荧光，射线愈强，发出的荧光愈强，这荧光被光电转换系统接受并转变成电信号，经过电子线路处理后，便能在指示器上指示出来，因此人们将这种探测器比喻为看得见X光和其他高能射线的“眼睛”。
2.2.1物理性能
研究并讨论工业X-CT最常用的CsI（T1）、NaI（T1）、CdWO4三种闪烁晶体，物理性能如表2-1：
2.2.2全能峰效率
X射线入射到闪烁晶体截面上，通过其截面的粒子数为N，X射线与闪烁晶体发生作用，放出不同能量的可见光子并通过计算得到该数据能谱的全能峰技术N",因此全能峰效率η公式：
2.2.3转换效率
光阴极上发射光电子数和入射光子数的比值称为量子转换效率，简称量子效率，它是波长的函数，用Qk（λ）表示，计算公式如下：
其中K1为光的转换因子（绿光时K1=220（lm/W））；λ为光的波长，单位为nm；Sk为光阴极光照灵敏度，单位为ηA/lm计算公式如下：
3.蒙特卡罗方法与MCNP程序
蒙特卡罗方法( Monte Carlo Method),也称统计模拟方法,由S.M.乌拉姆和J冯·诺伊曼在20世纪40年代为研制核武器而首先提出,又称随机抽样或统计试验方法,是以概率和统计理论方法为基础的一种计算方法。是指使用随机数(或更常见的伪随机数)来解决很多计算问题的方法。蒙特卡罗方法的名字来源于摩纳哥的一个城市蒙特卡罗,该城市以赌博业闻名,而蒙特卡罗方法正是以概率为基础的方法,与它对应的是确定性算法。蒙特卡罗方法在金融工程学,宏观经济学,计算物理学(如粒子输运计算、量子热力学计算、空气动力学计算)等领域应用广泛。传统的经验方法由于不能逼近真实的物理过程,很难得到满意的结果。而蒙特卡罗方法由于能够真实地模拟实际物理过程,故解决问题与实际非常符合,可以得到很圆满的结果。
3.1蒙特卡罗方法模拟原理
蒙特卡罗方法通过模拟实际物理过程来解决实际中遇到的困难,例如中子和光子在物质中输运的宏观表现是大量粒子与原子核微观作用的平均结果,蒙特卡罗方法通过逐一模拟和记录单个粒子的历程来求解输运问题。要得到比较合理的平均结果需要跟踪大量的粒子,至于单个粒子在其生命中的某一阶段如何度过,可以在已知统计分布规律的前提下通过抽取随机数来决定。
上图显示了模拟中一个中子射入物质后的随机历程。首先根据中子与物质作用的物理规律，选取一个随机数决定中子在何处与原子核碰撞，本例中在1点碰撞，然后再用抽取随机数的方法决定中子与原子核发生了哪种反应,这里抽出的是非弹性散射反应。散射中子的能量和向哪个方向飞行也是用抽取随机数的方法从已知分布函数中决定的,碰撞过程屮是否产生光子以及光子的能量、飞行方向等参数还是要通过抽取随机数从已知分布中决定,这里产生了一个光子。跟踪光子,确定它在7点与原子核碰撞并被吸收。散射后的屮子在2点与原子核发生(n,2n)反应,其中一个出射中子射向探测器,另一个屮子在3点被吸收。在2点的碰撞还产生了一个光子,它在5点又与原子核发生了一次散射反应,并离开物质。这一入射中子的历史过程结束了，有一个屮子到达了探测器,感兴趣的结果被记录下米。跟踪越来越多的入射粒子历程后,平均结果就能反映出宏观效果。
3.2 蒙特卡罗方法的解题步骤
当所要求解的问题是某种事件出现的概率,或者是某个随机变量的期望值时,我们可以通过某种试验的方法,得到这种事件出现的须率，或者这个随机变量的平均值，并用它们作为问题的解,这就是蒙特卡罗方法的基本思想。蒙特卡罗方法通过抓住事物运动的几何数量和几何特征，利用数学方法米加以模拟,即进行一种数字模拟实验。它是一个以概率模型为基础,按照这个模型所描绘的过程,通过模拟实验的结果,得到问题的近似解。蒙特卡罗解题过程可以归结为三个主要步骤：
（1）构造或描述概率过程
对于本身就具有随机性质的问题,如粒子输运问题,主要是正确描述和模拟这个概率过程,对于本米不是随机性质的确定性问题,比如计算定积分,就必须事先构造人为的概率过程,它的某些爹量正好是所要求问题的解。即要将不具有随机性质的问题转化为随机性质的问题。
（2）实现从已知概率分布抽样
枃造概率模型以后由于各种概率模型都可以看作是由各种各样的概率分布构成的,因此产生已知概率分布的随机变量(或随机向量),就成为实现蒙特卡罗方法模拟实验的基本于段,这也是蒙特卡罗方法被称为随机抽样的原因,最为简单、最基本、最重要的一个概率分布是(0,1)上的均匀分布(或称矩形分布)随机数就是具有这种均匀分布的随机变量。随机数序列就是具有这种分布的总体的一个简单子样,也就是一个具有这种分布的相互独立的随机变数序列。产生随机数的问题,就是从这个分布的抽样问题。在计算机上,可以用物理方法产生随机数,但价格昂贵,不能重复，使用不便。另一种方法是用数学递推公式产生。这样产生的序列,与真正的随机数序
列不同,所以称为伪随机数,或伪随机数序列。不过,经过多种统计检验表明,它与真正的随机数,或随机数序列具有相近的性质,因此可把它作为真正的随机数米使用。由已知分布随机抽样有各种方法,与从(0,1)上均匀分布抽样不同,这些方法都是借助于随机序列来实现的,也就是说,都是以产生随机数为前提的。由此可见,随机数是我们实现蒙特卡罗模拟的基本工具。
（3）建立各种估计量
一般说来,构造了概率模型并能从中抽样后,即实现模拟实验后,我们就要确定一个随机变量,作为所要求的问题的解,我们称它为无偏估计,当然还可以引入其它类型的估计,如最大似然估计,渐进有偏估计等。但是在蒙特卡罗计算中,使用最多的是无偏估计。建立各种估计量,相当于对模拟实验的结果进行考察和登记,从中得到问题的解。
蒙特卡罗方法有很强的适应性,问题的几何形状的复杂性对它的影响不大。该方法的收敛性是指概率意义下的收敛,因此问题维数的增加不会影响它的收敛速度,而且存贮单元也很节省,这些是使用该方法处理大型复杂问题时的优势。因此,随着电子计算机的发展和科学技术问题的日趋复杂,蒙特卡罗方法的应用也越来越广泛。它不仅较好地解决了多重积分计算、微分方程求解、积分方程求解、特征值计算和非线性方程组求解等高难度和复杂的数学计算问题,而且在统计物理、核物理、真空技术、系统科学、信息科学、公用事业、地质、医学,可靠性及计算机科学等广泛的领域都得到成功的应用。
3.3 基于蒙特卡罗方法的MCNP程序
3.3.1MCNP程序的发展
20世纪40年代美国 Los alamos实验室的 Fermi、 Von neumann和Ulam等人提出用蒙特卡罗方法模拟辐射输运的思想。1947年 Fermi发明了第一台用蒙特卡罗方法计算中子链式反应的机器。从50年代开始, Von neumann领导一个小组研究输运问题的蒙特卡罗处理方法,编写出模拟中子输运的程序MCS。1963年蒙特卡罗方法描述语言标准化。1965年完成的中子输运程序MCN有了很大改进,使用了标准的截面库,并且具有复杂儿何描述功能。后来, Los alamos实验室又开发了模拟光子输运的程序MCG(高能)和MCP(能量低至lkeV)。1973年MCN和MCG合并成MCNG，为MCNP的雏形。自那时起,每隔2-3年更新一次,版本不断发展,功能不断增加,适应面也越来越广。已知的MCNP程序研制版本的更新时间表如下：
MCNP-3：1983年写成,为标准的 FORTRAN77版本,截面采用ENDF/B-III。
MCNP-3A：1986年写成,增加了多种标准源,截面采用ENDF/B-IV。
MCNP3B：1988年写成,具有阵列几何处理能力(即重复结构描述),多群截面和计数输出的图形化功能,截面采用ENDF/BIV和ENDL851。
MCNP4：1990年7月由LANL写成,截面采用ENDF/BV。
MCNP4.2：1991年3月由ORNL的RSIC写成,程序有较大改进,增加了基于Sandia国家实验室的ITS( Integrated Tiger Series)连续能量电子输送包,将其编入ACNP程序,专用于UNIX系统,从此,MCNP程序成为中子、光子、电子耦合输运程序。
MCNP4A：1993年诞生,仍为UNIX系统,开始赢了PⅤM并行,适当共享储存并行计算机,截面为ENDF/B-V。
MCNP4B：1997年3月正式推出,有PC版本(需要 LAHEY编译系统支持)，UNIX版,采用ENDF/B-ⅥI截面库和彩色图形系统仍采用PⅤM并行编程。
MCNP4B2：为MCNP4B的升级版,其支持 FORTRAN90系统。
MCNP4C：2000年正式推出,在前一个版本的基础上增加了共振自屏、瞬发α本征值、微扰和多群伴随中子输运计算等处理,采用F90编译器,工作站版本PVM和SMPP并行。MCNP4C也是本课题说采用的版本。
MCNP5：2003年推出,在这个版本中完成了从 FORTRAN-77到 FORTRAN90的重新组织,支持以前的MCNP4C24C3全部功能,同时在提高图形显示,易安装性以及更好的在线文档方面有较大改善
另外,在MCNP系列版本中,出现了 MCNPX版本,该版本程序仍为该实验室研制并由其负责维护和更新。 MCNPX开始于1994年作为MCNP4B和 LAHET-2.8的代码整合项目,并第1次在1999年对外发布,版本为2.1.5。2002年, MCNPX升级为MCNP-4C,其变化包括支持 FORTRAN90系统、增加了12种特性,并作为2.4.0版本对外发布,自从2002年开始, MCNPX测试组织全球300个机构中的1400多名用户进行了公开测试,在加入了数10个新特性后作为250版本对外发布。 MCNPX现在已经成为世界上使用最为广泛的粒子输运程序之一。
3.3.2MCNP程序的特点
MCNP软件包( a general Monte Carlo code for Neutron and Particle transport)是一套通用的、模拟三维空间中连续能量的中子、粒子联合输运的程序,其名字早先来源the analog monte carlo method for Neutron and proton' s transport的缩写。MCNP3版(1983年)和3A版(1985年)发行后,这一软件在核测井领域逐渐成为最流行的通用程序,程序模拟结果和模型井实验结果较好地吻合,此时程序使用的主要核数据库ENDF/B-4。1988年发行的3B版程序增加了几何重构功能。1991年4版问世,加入了模拟带电粒子(离子)输运部分,可以模拟探测器的测量结果,使用了新的ENDF/B-6评价核数据库。
MCNP程序的应用范围十分广阔,主要包括：反应堆设计、核临界安全、辐射屏蔽和核防护、探测器的设计与分析、核测井、个人剂量与物理保健、加速器靶的设计、医学物理与放射性治疗、国家防御、废物处理、射线探伤等。
MCNP程序的源代码是用 FORTRAN语言编写的。程序包屮携带了大量的核反应数据库文件。MCNP具有很强的通用性，主要体现在：
（1）可以处理任意三维几何结构条件下的问题。在输入文件INP中,空间被曲面( surface)分割成相互邻接的区域,称为栅元(cel)，可以给栅元填充各种物质。栅元的界面可以是各种平面、一阶曲血或某些四阶曲面(如椭圆环状面)。可以模拟中子输运、光子输运和二者联合输运。
（2）用户可以常方便地在任何位置指定体源、由源、线游或点源,设置源粒子位置、能量、时间、飞行方向等多数的分布。
（3）程序提供多种记录模拟结果方法,包括通过某一界面的粒子流量或通量进入某一栅元的通量、沉积能量和点通量。模拟结果在MCNP中称为记数(taly)，可以按位置、能量、时间、粒子米向和粒子种类记数。程序包携带了大量核反应数据库文件，包括连续和离散的中子截面库、光子点截面库、热屮子点截面库等,几乎可对所有天然物质进行计算。程序能比较精细地模拟屮子和光子输运过程,并对一些特定的物理过程允许用户选择使用哪种方式进行处理如对热中子处理可选用自由气体模型或S(α，β)模型,对低能光子处理可以考虑或忽略相干散射等。
（4）为了提高计算时效,给用户提供了许多可选用的减小方差( variance)技巧，主要包括:重要抽样、杈重截断和轮盘赌、时间和能量截断、模拟俘获、指数变换、强迫碰撞、能量分裂和轮盘赌、源的偏倚、点探测器记数、桷定论输运、权窗等。用户可通过设置源粒子数或运行时间来通知程序何时终止运行还可以在原有计算结果的基础上接续运行程序，结果不会因计算的意外屮断而丢失。
（5）在输出文件OUTP中给用户提供丰富的信息,包括输入列表、使用的截面表、粒子生成和丢失表、栅元中的粒子活动情况、屮子诱发光子表、记数和记数涨落表等，还可以根据用户要求给出其它信息。
（6）提供了简单的问题调试工具
3.3.3MCNP的应用状况
由于MCNP的通用性、灵活性以及强大的功能,使其在世昇上有广泛的应用，仅国内的用户就在百家之上，应用领域也从过去主要的核领域,逐渐推广到石汕,医学在内的许多领域。
从20世纪90年代开始,国外己经有研究人员开始研究MCNP输入文件制作的简化和计算结果的图形显小。特别是随着计算机软硬件技术的发展,在近几年取得了些有价值的研究成果。所开发的MCNP可视化软件能够将应用场景的二维DXF格式文件和三维SAT格式的图形文件转换成MCNP的输入文件。同时在场景的某些界面将MCNP的计算结果绘制成二维图形,实现了计算机结果的可视化。为便于计算结果的分析、存储和共享,有的后处理软件能够将MCNP计算机结果输出到电子表格等数据库中。
近几年,国内在MCNP前处理与后处理技术领域的研究也取得了长足的进步，主要有以下几个方面：
（1）在MCNP的计算效率、局限性和二维交互绘图等方面进行了有益的探索。
（2）为了简化MCNP输入文件的制作、显示MCNP的计算进程和计算的抽取与显示,研究开发了专用的MCNP程序丿可视化运行平台,并能以图形化的方式显示MCNP的计算机和运行时间的相关信息。
（3）为了简化MCNP的几何建模,提高MCNP计算机输入文件的编写效率，研究将有关CAD文件中的几何模型转化为MCNP仿真模型的算法问题,通过对目前商用图形软件包进行二次开发,开发出专用的MCNP辅助建模工具。
另外,可视化技术已经在自然科学领域得到广泛的应用。目前在规则数据场的体绘制和面绘制算法等已经趋于成熟。国内外的一些研究机构相继推出了一系列可视化软件工具及专用可视化软件。但在三维数据实时动态显示、非规则数据场和矢量场的可视化计算以及基于网络的科学计算可视化理论等方面有待进一步的研究完善。
MCNP是目前世界上比较成熟的MC软件包之一,在许多领域得到了广泛。本课题便是采用MCNP4C对电离室的能量响应进行模拟,并根据模拟结果指导实际的电离室设计。随着核科学技术的发展,以及其它相应技术如计算机可视化的发展MCNP会越来越受到重视,其应用领域也必将在目前的基础上向其它的相关领域扩展。
4.MCNP模型的建立与程序模拟
4.1MCNP模拟的空间布置
本次模拟使用MCNP程序对闪烁晶体性能进行模拟，模拟时的放射源与闪烁晶体的空间布置情况如图4-1。模拟空间为半径110cm的球状空间，球内充满空气，放射源与闪烁晶体放置在其内部空间。球体外部是理想的真空状态。球体内以球心为原点建立三维坐标系，模拟用闪烁晶体水平放置在Y轴上且电离室中轴线与Y轴相重合。X射线放射源为面源，圆形，圆心位于Y轴且圆面与Y轴相垂直，面源直径0.3cm，位置在Y轴负方向100cm处，放射性在圆面上均匀分布。
4.2闪烁晶体性能MCNP模拟
4.2.1能量分布的MCNP模拟
对CsI(Tl)、NaI(T1)、CdWO4三种晶体,在X射线源能量为450keV、晶体长度1.5cm的条件,进行了能量分布的Monte Carlo模拟研究。从图4-2可以看出，450keV的X射线入射到探测器后,能量分布大体趋势相近,即在能量为450keV处光子数所占的比例,远远超过其它能量值。就CsI(T1)、NaI(Tl)、CdwWO4三种晶体比较而言,CdWO4在能量为450keV处光子数所占的比例,明显高于另外两种晶体CsI(Tl)、NaI(T1)在能量为450keV出光子数所占比例相近,但CsI(Tl)略高于NaI(T1)晶体。
4.2.2全能峰效率的MCNP模拟
全能峰效率的 Monte carlo模拟,是在CsI(T1)、NaI(Tl)、CdWO4闪烁晶体的长度分别为0.3cm、0.5cm、1.0cm、1.5cm，X射线源能量分别为120keV、160keV、220keV、320keV、450keV的条件下进行的,其模拟结果的性能比较，如图4-3、4-4、4-5、4-6所示。从图可以看出：随着X射线能量的升高,三种闪烁探测器的全能峰效率均迅速下降。在入射能量相同的条件下,CdWO4探测器的全能峰效率最高,CsI（T1）探测器的全能峰效率位于CdWO4探测器和NaI（T1）探测器之间。
4.2.3闪烁体转换效率的MCNP模拟
转换效率的 Monte carlo模拟,是在CsI(T1)、NaI(T1)、CdWO4闪烁晶体的长度分别为0.3cm、0.5cm、1.0cm、1.5cm;X射线源能量分别为120keV、160keV、220keV、320keV、450keV的条件下进行的,其 Monte Carlo模拟的性能比较,如图4-7、4-8、4-9、4-10所示。从图可以看到,不管晶体类型、晶体长度如何变化,随着能量的的增加,闪烁晶体的转换效率逐渐降低。CsI(Tl)、NaI(Tl)、CdwO4三种闪烁晶体中，在相同X射线能量时,CdWO4的转换效率最高,CsI(Tl1)的转换效率位于NaI(T1)与CdWO4之间。
结论
本文运用MCNP4C程序,对CsI(Tl)、NaI(Tl)、CdWO4三种闪烁晶体的性能进行相关模拟,根据模拟所得到三种晶体各种性能方面的对照曲线,得到以下结论：
（1）CdWO4闪烁晶体在全能峰效率、闪烁体转换效率两个方面表现出良好的性能,可广泛应用于2MeV以上的工业ⅩCT系统中对X射线的探测。但是,CdWO4晶体的折射率为2.3,不利于可见光在晶体中的传输:且其平均波长在480nm,与CCD器件的光谱效应也不能很好的匹配。
（2）NaI(Tl)晶体由于全能峰效率和转换效率低,NaI(T1)当晶体长度为1.5cm时，X射线能量为220keV时,探测器的全能峰效率高达52.2%，转换效率高达66.7%且易潮解，不适合于工业ⅩCT系统中对X射线的探测。
（3）CsI(T1)闪烁晶体在全能峰效率、闪烁体转换效率两个方面，均比NaI(T1)闪烁晶体好，当CS(T1)晶体长度为1.5cm时，X射线能量为220keV时，探测器的全能峰效率高达62.3%，转换效率高达74.3%。且CsI(T1)晶体不易潮解和易于加工的特点，有利于工业X-CT系统中对Ⅹ射线的探测及探测器的结构设计。
（4）通过对CsI(Tl)、NaI(Tl)、CdWO4三种晶体性能模拟中得到的对比曲线对工业XCT系统的X射线探测的探测器方案设计提供参考依据。
存在问题及进一步研究工作建议
（1）闪烁晶体模型构建稍显简单,对闪烁晶体的性能不能完全反映,应对模型进一步完善,为工业Ⅹ-CT系统设计提供更加可靠的依据。
（2）在模拟闪烁晶体的性能时只针十对CsI(Tl)、NaI(T])、CdWO4三种闪烁晶体,在判定闪烁晶体的性能时不能全面的分析,应进一步模拟分析多种晶体的性能,提供一个全面的数据。