CN104931997A - X射线能量的平场图像测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及X射线能量的平场图像测量装置及方法。包括射线探测组件与信号记录组件；述射线探测组为CCD、CMOS、胶片、成像板或闪烁体，用于将X射线转变成相应的平场图像；当射线探测组为CCD或CMOS时，信号记录组件包括用于将平场图像电信号收集、放大、量化的电信号读出系统；当射线探测组为胶片或成像板时，信号记录组件用于实现平场图像信号显影过程；当射线探测组为闪烁体时，信号记录组件包括平场图像的光学成像系统；光学成像系统包括反射镜、镜头和相机。本发明提供了一种系统规模小、可以在一次测量中，同时获得射线的强度与能量且适用于稳态射线源的能量测量的X射线能量的平场图像测量装置及方法。

Description

X射线能量的平场图像测量装置及方法

技术领域

本发明属于核物理与辐射探测领域，涉及X射线能量的测量装置及方法，尤其涉及X射线能量的平场图像测量装置及方法。

背景技术

射线能量是X射线源和辐射场的主要参数之一，是X射线装置应用和辐射源物理研究中不可或缺的重要物理量。因此，射线能量的测量是辐射物理研究的重要内容，而测量单个光子或者单能射线束能量是辐射场能谱测量的基础。

在核物理与辐射探测领域，测量射线能量常见的方法主要有三种：一是将射线全部的能量沉积在探测器灵敏体积内，测量与所沉积能量对应的电信号或光信号来获得入射射线能量，常见的探测器可分为电离室类型、半导体探测器类型、光电探测器类型等。X射线能量通常采用探测器、前置放大器和主放大器构成的多道分析(计数)测量系统进行测量。此种方法测量精度高，是目前核物理研究中常用的能量测量系统。但受限于信号成型时间的限制，此系统一般只适用于低强度(小于10⁶/s)射线束的能量测量。对于脉冲源或高强度射线束，这种能量测量方法存在很大局限。由于单位时间内发射大量射线，即使现代最快的多道测量分析系统也无法给出单束射线的能量信息，探测系统记录通道将被大量粒子的堆积效应堵塞，形成电流型工作模式，无法提供准确的射线能量信息。

二是基于不同能量的射线在特定物质中具有不同的透射系数，通过探测器测量特定物质的透射系数，从而获得射线能量信息。此种方法使用的探测器工作在电流型工作模式，且测量系统相对比较简单，常被用于脉冲射线源能谱的测量。但由于物质的透射系数变化较小，尤其在高能区域，测量精度较低，一般侧重于获得射线能谱变化趋势或区间特征。

三是基于康普顿散射原理，通过电子磁谱仪测量特定角度的散射电子能量，反演出入射射线的能量。此种方法测量精度较高，但探测效率低，且系统庞大，造价昂贵，目前普通实验室中使用较少。

发明内容

为了解决现有的射线束能量测量方法及装置结构复杂、使用时受辐射场强度限制等技术问题，本发明提供一种X射线能量的平场图像测量方法，能同时应用于稳态和脉冲辐射场的射线能量测量方法。

本发明的技术解决方案是：一种X射线能量的平场图像测量装置，其特殊之处在于：包括射线探测组件与信号记录组件；上述射线探测组为CCD、CMOS、胶片、成像板或闪烁体，用于将X射线转变成相应的平场图像；

当射线探测组为CCD或CMOS时，上述信号记录组件包括用于将平场图像电信号收集、放大、量化的电信号读出系统；

当射线探测组为胶片或成像板时，上述信号记录组件用于实现平场图像信号显影过程；

当射线探测组为闪烁体时，上述信号记录组件包括平场图像的光学成像系统；上述光学成像系统包括反射镜、镜头和相机。

一种X射线能量的平场图像测量方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：

1)标定：

1.1)多个已知能量的X射线分别入射到阵列探测器；

1.2)阵列探测器探测并输出相应的平场图像；

1.3)对输出的平场图像进行记录；

1.4)计算每个平场图像的噪声指数，获得X射线的能量与噪声指数的关系曲线；所述噪声指数为方差与平均值的比值；

2)待测X射线入射到阵列探测器；阵列探测器探测并输出一个平场图像；

3)计算输出的平场图像的噪声指数，从步骤1.4能量与噪声指数的关系曲线中获得待测X射线的能量信息；

上述X射线为脉冲源或大于10⁶/s高强度射线束。

本发明的优点是：

1、本发明利用不同能量射线在阵列探测器中沉积能量分布的不同，来获得射线能量信息；射线探测组件可以是CCD、CMOS、胶片、成像板或闪烁体等，种类丰富，且相比于全沉积型探测器，减小了系统规模。

2、本发明通过阵列探测器，创造性地将传统的时间分离转换为空间分离，该方法可以解决高强度脉冲射线能量测量问题。

3、本发明可以在一次测量中，同时获得射线的强度(对于某一特定阵列探测器，在其线性响应范围内，其输出的平均值就对应入射射线强度)与能量。

4、本发明同样适用于稳态射线源的能量测量。

5、本发明可拓展应用于其他类型粒子的能量测量。

附图说明

图1是本发明测量装置示意图；

图2是阵列探测器CCD相机测得的几种不同能量射线的噪声指数，即方差与均值的比值；

图3是CCD模拟模型；

图4是噪声指数与入射射线能量的关系曲线；

其中：1-平场平行入射射线场，2-阵列探测器。

具体实施方式

参见图1-4，一种X射线能量的平场图像测量装置，包括射线探测组件与信号记录组件；射线探测组为CCD、CMOS、胶片、成像板或闪烁体，用于将X射线转变成相应的平场图像；

当射线探测组为CCD或CMOS时，信号记录组件包括用于将平场图像电信号收集、放大、量化的电信号读出系统；

当射线探测组为胶片或成像板时，信号记录组件用于实现平场图像信号显影过程；

当射线探测组为闪烁体时，信号记录组件包括平场图像的光学成像系统；光学成像系统包括反射镜、镜头和相机。

一种X射线能量的平场图像测量方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：

1)标定：

1.1)多个已知能量的X射线分别入射到阵列探测器2；

1.2)阵列探测器2探测并输出相应的平场图像；

1.3)对输出的平场图像进行记录；

1.4)计算每个平场图像的噪声指数，获得X射线的能量与噪声指数的关系曲线；所述噪声指数为方差与平均值的比值；

2)待测X射线入射到阵列探测器2；阵列探测器2探测并输出一个平场图像；

3)计算输出的平场图像的噪声指数，从步骤1.4能量与噪声指数的关系曲线中获得待测X射线的能量信息；

X射线为脉冲源或大于10⁶/s高强度射线束。

本发明方法所使用装置包括射线探测组件和信号记录组件两部分。射线探测组件可以是CCD、CMOS、胶片、成像板或闪烁体等，探测组件要求在射线探测区域内具有较好的一致性。信号记录组件根据射线探测组件的不同而不同，对于CCD和CMOS器件来说，其记录组件就是后续的电信号读出系统，包括收集、放大、量化等过程；对于胶片和成像板探测组件，其记录组件是信号显影过程；对于闪烁体探测组件，其信号记录组件是光学成像系统，主要由反射镜、镜头、相机等构成。

本发明方法包括以下步骤：

1)射线以一定角度均匀入射到阵列探测器2，形成并输出平场图像；

2)对记录的平场图像进行处理，计算其方差与平均值的比值，从而获得入射射线的能量信息。

本发明方法所使用装置的工作原理是：射线入射到阵列探测器2上，与探测器中的微敏元发生作用，在探测灵敏区沉积能量，产生电信号或光信号，形成平场图像。根据平场图像的噪声特征，判断入射射线的能量。

根据级联线性系统理论，辐射图像探测系统可以简化为两级：(1)射线随机达到阵列探测器2的微敏元并被探测，(2)能量在微敏元中沉积能量。两级组成级联系统，则级联响应参量ξ的一阶(均值)和二阶统计量(方差)为，

E(ξ)＝E(ξ₁)E(ξ₂)         (1)

D(ξ)＝E²(ξ₂)D(ξ₁)+E(ξ₁)D(ξ₂)         (2)

其中，E(),D()是一阶和二阶统计量，ξ_i是i阶参量。在第一级中，射线以一定概率随机到达微敏元并被探测，其参量ξ₁遵从二项式分布，入射射线数较大时，近似为泊松分布，而泊松分布的方差与均值相等，即

D(ξ₁)＝E(ξ₁)         (3)

则，

$\begin{array}{c}{g}_n\≡\frac{D\left(\mathrm{\ξ}\right)}{E\left(\mathrm{\ξ}\right)}\\ =\frac{D\left({\mathrm{\ξ}}_1\right)}{E\left({\mathrm{\ξ}}_1\right)}E\left({\mathrm{\ξ}}_2\right)+\frac{D\left({\mathrm{\ξ}}_2\right)}{E\left({\mathrm{\ξ}}_2\right)}\\ =E\left({\mathrm{\ξ}}_2\right)+\frac{D\left({\mathrm{\ξ}}_2\right)}{E\left({\mathrm{\ξ}}_2\right)}\end{array}---\left(4\right)$

则，噪声指数g_n与入射射线数ξ₁无关，只与射线在微敏元中的能量沉积分布ξ₁相关。而不同能量的射线在微敏元中的能量沉积分布是不同的，反过来，根据射线能量沉积分布的不同，能够获取射线能量信息。

实施例：

微敏元阵列探测器2采用探测组件与信号记录组件一体化的CCD相机系统，每个像元尺寸为24μm×24μm，阵列大小为512×512，相机16bits量化输出。在Cs-137源与Co-60源上进行实验，射线垂直入射到CCD光敏面，CCD光敏面与源的距离约为1.5m时，CCD相机测得的几种不同能量射线在不同剂量下的噪声指数如图2，可见随着射线强度的增加，CCD相机输出平均值随着变化，但其噪声指数不变，且随着射线能量的变化噪声指数也随着变化，因此通过标定的噪声指数与射线能量的关系，就可获得入射射线的能量信息。由于噪声指数是一种统计量，反映的是大量入射射线作用的平均效果，因此当入射射线为宽能谱源时，其测得的一种等效能量。为此，采用此CCD相机在某稳定脉冲X射线源(XRS-3，270kV)上开展了实验，其噪声指数变化如图2，可见当入射射线的能谱稳定时，噪声指数也是稳定的，反之亦然，当CCD相机测得的噪声指数不变时，反映了入射射线的能谱是稳定的。目前由于单色源不足，还没有完全获得此CCD相机测得的噪声指数与射线能量的对应关系，但从理论上已说明它们之间的对应关系。为此，构建一种CCD相机芯片模型(见图3)，通过理论模拟获得了噪声指数与射线能量的关系曲线(见图4)。

Claims (3)

1.一种X射线能量的平场图像测量装置，其特征在于：包括射线探测组件与信号记录组件；所述射线探测组为CCD、CMOS、胶片、成像板或闪烁体，用于将X射线转变成相应的平场图像；

当射线探测组为CCD或CMOS时，所述信号记录组件包括用于将平场图像电信号收集、放大、量化的电信号读出系统；

当射线探测组为胶片或成像板时，所述信号记录组件用于实现平场图像信号显影过程；

当射线探测组为闪烁体时，所述信号记录组件包括平场图像的光学成像系统；所述光学成像系统包括反射镜、镜头和相机。

2.一种X射线能量的平场图像测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)标定：

1.1)多个已知能量的X射线分别入射到阵列探测器；

1.2)阵列探测器探测并输出相应的平场图像；

1.3)对输出的平场图像进行记录；

1.4)计算每个平场图像的噪声指数，获得X射线的能量与噪声指数的关系曲线；所述噪声指数为方差与平均值的比值；

2)待测X射线入射到阵列探测器；阵列探测器探测并输出一个平场图像；

3)计算输出的平场图像的噪声指数，从步骤1.4能量与噪声指数的关系曲线中获得待测X射线的能量信息。

3.根据权利要求2所述X射线能量的平场图像测量方法，其特征在于：所述X射线为脉冲源或大于10⁶/s高强度射线束。