双序列康普顿散射法：一种用于测量辐射探测器死时间的新方法

《Radiation Measurements》：Two Sequential Compton Scatters Method: A New Method for Radiation Detector Dead-Time Measurement

提出一种基于两次连续康普顿散射的几何方法，无需调整源-探测器距离即可同时估算检测器的死时间（误差<1%）和麻痹分数（误差<4%），克服传统方法对理想模型的依赖及散射背景干扰问题。

　　

Rasool Safari|Mohammadreza Parishan|Zahra Rakeb|Reza Faghihi

伊朗设拉子大学机械工程学院核工程系医学辐射部门

摘要

在辐射检测应用中，准确表征探测器的死时间至关重要，尤其是在高相互作用率条件下，如医学成像和伽马光谱学。基于几何形状的策略（例如移动源技术，通过改变源-探测器距离来控制相互作用率）具有吸引力，因为它们所需的设备最少。然而，这些方法容易受到散射效应的影响，并且需要对探测器所张开的立体角随距离的变化进行仔细校正。同样，传统的替代方法（如双源法和衰减律方法）对背景和散射也很敏感，而且它们通常假设纯麻痹性或纯非麻痹性模型。我们介绍了一种新的基于几何形状的方法，该方法利用两次连续康普顿散射产生的角度调制：（1）固定源-探测器距离，从而消除了立体角校正；（2）将散射视为信息载体而不是噪声；（3）采用一个现实的混合死时间模型，能够同时估计死时间和麻痹分数。全面的GATE蒙特卡洛模拟验证了该方法的有效性，死时间估计的相对误差低于1%，麻痹分数的相对误差低于4%。在进行这些性能研究之前，我们将完整的模拟流程与分析/理论预期进行了对比，显示出良好的一致性（平均相对误差约为7.1% ± 4.6%），从而验证了模拟结果的准确性。该技术在模拟标准X射线管的实际条件下也保持了高精度。尽管实验设置受益于精确的对准和精细的角度采样，但该方法的模型独立性、精度以及与传统实验室设备的兼容性使其成为广泛应用的有前景的工具。

引言

由于死时间导致的计数损失，因此在基于辐射检测的领域（如医学成像和伽马光谱学）中应用适当的计数率校正方法至关重要，尤其是在高相互作用率的情况下（Issa等人2022年；Nakanishi等人2024年；Vicente等人2013年；Helbig和Henniger 2012年；Choi等人2024年）。计数率校正通常包括三个步骤：（i）近似系统的死时间行为并选择模型，（ii）使用方法提取模型参数，（iii）应用模型及其参数来校正计数。

关于模型，辐射检测系统中的死时间行为有三种常见的描述：麻痹性、非麻痹性和混合性。麻痹性和非麻痹性模型对应于理想化的极限，而实际的实验系统通常表现为混合模型，同时受到麻痹性和非麻痹性死时间的影响。

关于方法，有几种提取这些死时间模型参数的方法，例如双源法（Moon 1937年）、移动源法（Yi等人2005年）、衰减源法（Martin 1961年；Karabidak和Cevik 2013年）、改进的衰减源法（Choi等人2023年）、脉冲法（Baerg 1965年）、方差-均值法（Hashimoto等人1996年）、衰减法（Akyurek 2021年）、时间间隔法（Arkani和Raisali 2015年）和双通道法（Mohammadian-Behbahani等人2022年）。这些方法在表1中进行了说明和比较。

如表1所示，移动源法具有吸引力，因为它使用距离这一简单的几何变量来控制相互作用率，且所需的设备最少。然而，它需要根据源-探测器距离的变化对立体角变化进行精确校正，并且容易受到来自空气和周围材料的距离依赖性散射的影响。此外，大多数易于实施的方法（双源法、衰减律法和移动源法）通常假设理想的麻痹性或非麻痹性行为，而实际的探测器往往表现出混合死时间特性。这些方法还将散射光子主要视为噪声。

在这里，我们介绍了一种基于几何形状的替代方法，该方法固定源-探测器距离，从而避免了立体角校正和距离依赖的环境散射。我们明确使用混合框架对探测器死时间进行建模，并将散射光子视为信号载体。具体来说，我们利用两次连续的康普顿散射事件生成具有方位角散射的流量调制。在我们的方案中，这种角度依赖的流量替代了移动源方法使用的距离依赖的流量，提供了一种可控且易于分析的处理相互作用率的方法。简而言之，我们的方法用角度代替了距离作为实验的自由度。

在本手稿中，两次连续的康普顿散射事件指的是单个光子在散射体内经历两次连续的单光子康普顿相互作用的情况。更一般地，多次康普顿散射指的是两次或更多次连续的单光子康普顿相互作用。这种术语用于区分连续的单光子散射事件和被称为“双康普顿散射”的量子电动力学过程，在该过程中，一个电子会发射另一个光子。

在这项研究中，我们介绍了我们的死时间测量方法，并使用GATE蒙特卡洛模拟和理论分析对其进行了评估。

章节片段

概念与理论

图1提供了该方法的示意图。系统包括一个光子束（X射线管或伽马源，通过光束准直系统将光束导向第一个散射体）、一个准直器、两个圆柱形散射体以及正在研究死时间的探测器。光束和散射体是固定的，而探测器有一个自由度：其方位角。光束与x轴平行，方位角为0。第一个散射体被对准

模拟验证

图2通过比较不同方位角下的模拟计数率和理论预测计数率来说明我们模拟框架的有效性。结果显示出良好的一致性，平均相对误差为7.1 ± 4.6%。

方法性能

图3展示了所提出方法应用于一个具有130 μs死时间、0.5麻痹分数和1 mA管电流的场景的示例。图3a显示了在不同方位角下测量的计数率

结论

在这项工作中，我们提出了一种基于两次连续康普顿散射产生的方位角调制的、不依赖于模型的方法，用于同时估计探测器死时间（τ）和麻痹分数（f）。所提出方法的一个基本特点是，故意使用散射光子——特别是那些来自单个光子的两次连续康普顿相互作用的光子——作为信号载体，而不是将其视为背景，同时不需要任何先验假设

CRediT作者贡献声明

Mohammadreza Parishan：撰写——原始草稿，可视化，软件，形式分析，数据管理。Rasool Safari：验证，监督，项目管理，方法论，研究，形式分析，数据管理，概念化。Zahra Rakeb：撰写——原始草稿，可视化，软件。Reza Faghihi：方法论

未引用的参考文献

Quyet Dang和Anh，2024年；Safari等人，2025年。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。