CN106526652B - 一种基于ZnO材料的超快脉冲辐射成像系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于ZnO材料的超快脉冲辐射成像系统，包括暗箱、光学反射镜、光学变焦镜头、高速成像设备和计算机，还包括ZnO成像屏和低温制冷系统；低温制冷系统包括接触式低温传导模块、低温制冷循环模块、温度监测及控制模块、真空室以及真空泵；ZnO成像屏与接触式低温传导模块耦合；低温制冷循环模块对接触式低温传导模块以及ZnO成像屏制冷；温度监测及控制模块监控接触式低温传导模块以及ZnO成像屏的温度。相对于传统成像系统，本发明利用ZnO材料的发光衰减时间快以及低温下光产额提升的特点，使得系统能够在保持高图像质量的情况下对脉冲辐射场的动态过程进行高时间分辨成像，实现对脉冲辐射场一系列快物理过程的诊断。

Description

一种基于ZnO材料的超快脉冲辐射成像系统及方法

技术领域

本发明属于辐射成像技术领域，具体涉及一种基于ZnO材料的超快脉冲辐射成像系统。

背景技术

辐射成像作为诊断辐射场的一种传统的手段，已经被广泛应用于医疗诊断、工业技术以及科学研究等领域。近年来，随着科学技术的发展，X射线闪光照相、ICF等一系列大型科学装置被研究出来以满足人们向更广更深层次探索的需求。这类装置产生的辐射场通常为脉冲辐射场，其显著特点是辐射强度高，持续时间短。对于这类装置产生的脉冲辐射场的诊断，对于探究这类装置内部所进行的剧烈物理过程有着重大意义。而由于脉冲辐射场的特殊性，常规对于稳态-准稳态辐射场的诊断方法往往不适应于脉冲辐射场的诊断，对相应的诊断系统提出了新的要求。

对于面向脉冲辐射场的辐射成像系统而言，系统的时间分辨率尤其重要，而该参数直接受成像屏的发光衰减时间制约；成像屏发光衰减时间越长，屏幕余辉越长，在连续成像中的某一时刻成像结果受之前时刻成像结果的影响越大，系统的时间分辨率越差。因此，对于脉冲辐射成像系统，成像屏的发光衰减时间应足够短。

传统的成像系统的成像屏有很多类，以材料种类来区分可以分为基于有机闪烁体的成像屏(主要由聚苯乙烯为基质的塑料闪烁体)以及基于无机闪烁体的成像屏(如NaI、CsI:Na、LSO等)。其中基于有机闪烁体的成像屏空间分辨率不佳，同时对X射线也不敏感；NaI以及CsI:Na等材料光产额高，然而存在潮解问题，材料的变性以及对闪烁材料的封装将对成像质量产生很大影响；LSO等材料空间分辨率高，然而衰减时间长，产生的余辉与屏幕上正在显现的图像叠加使得结果劣化，不适合快物理过程的诊断；因此在脉冲辐射场的成像诊断上，需要性能更加优越的成像屏来达到要求。

ZnO作为一种闪烁体材料，很早就被报道具有亚纳秒的时间响应，同时发光波长位于380-400nm之间，能够和现有大部分光电器件相耦合。而ZnO迟迟没有被应用为辐射成像屏，主要受制于以下两点：(1)、大尺寸ZnO晶体难以获得；(2)、ZnO发光相对较弱。如今随着晶体生长工艺的发展，国内已经能够通过水热法生长出大尺寸ZnO单晶晶体，同时ZnO在低温状态下光产额能大大提升；这使得ZnO能够满足作为成像屏的应用需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于ZnO材料的超快脉冲辐射成像系统，提高系统的成像分辨率及成像质量。

本发明的技术解决方案是提供一种基于ZnO材料的超快脉冲辐射成像系统，包括暗箱、光学反射镜、光学变焦镜头、高速成像设备和计算机，其特别之处在于：还包括ZnO成像屏和低温制冷系统；

上述低温制冷系统包括接触式低温传导模块、低温制冷循环模块、温度监测及控制模块、真空室以及真空泵；

上述ZnO成像屏与接触式低温传导模块耦合；上述低温制冷循环模块对接触式低温传导模块以及ZnO成像屏制冷；上述温度监测及控制模块通过实时监控接触式低温传导模块以及ZnO成像屏的温度来实现对ZnO成像屏的温度控制；

上述ZnO成像屏与接触式低温传导模块位于真空室中；上述真空泵对真空室抽真空；上述真空室室壁上开有成像窗口，该成像窗口能够透过射线以及ZnO成像屏发出的光；

上述光学反射镜位于射线出射方向，将ZnO成像屏发的光反射偏离射线发射方向；所述光学反射镜、接触式低温传导模块、成像窗口以及ZnO成像屏的几何中心处于一条直线上；

上述光学变焦镜头与高速成像设备耦合，上述高速成像设备与计算机连接；

上述ZnO成像屏、真空室、接触式低温传导模块、光学反射镜、光学变焦镜头以及高速成像设备置于暗箱中，成像过程中暗箱10紧闭以尽量减少外界光源干扰。

上述ZnO成像屏的材料为掺杂的ZnO单晶，掺杂元素为镓、铟、铁等；ZnO成像屏的厚度为1～5mm，为四边形或者圆形，大小尺寸为50-100mm。

上述成像窗口的尺寸大于ZnO成像屏的尺寸，成像窗口的厚度低于5mm。

上述成像窗口的材料透射率高于90％同时对X射线不强烈吸收，使之能较好地透过X射线和可见光。

优选的上述成像窗口的材料为石英玻璃。

上述光学反射镜与射线出射方向呈45°角。

上述低温制冷循环模块的制冷方式为液氮或液氦制冷，制冷温度可调。

上述光学变焦镜头为小焦距、大景深Cannon变焦镜头。

上述高速成像设备为相邻两次曝光间隔低于10ns的分幅相机。光学变焦镜头7与高速成像设备8耦合方式为转接口耦合。

本发明还提供了一种基于ZnO材料的超快脉冲辐射成像方法，包括以下步骤：

步骤一：调整诊断对象、厚针孔与光学反射镜的几何中心处于一条直线上；

步骤二：调整光学变焦镜头、高速成像设备以及光学反射镜的几何中心处于一条直线上；

步骤三：调整光学变焦镜头的焦距以及位置，使得ZnO成像屏处于光学变焦镜头焦平面上，将ZnO成像屏所处位置记为初始位置；

步骤四：取出ZnO成像屏，将分辨板放入步骤三中的初始位置确定视场大小以及系统分辨率；将分辨板取出，再将ZnO成像屏放回步骤三中的初始位置；

步骤五：打开真空泵抽真空，抽到至少10^-2Pa量级后停止；

步骤六：根据ZnO成像屏的发光强度变化情况设置温度监测及控制模块的制冷温度；根据ZnO成像屏的光产额设置高速成像设备的增益；并设置高速成像设备的冷却温度、曝光时间、相邻两次曝光之间时间间隔以及诊断对象与高速成像设备之间的时间关联关系；

步骤七：对诊断对象进行成像；

步骤八：成像完毕后，关闭高速成像设备和低温制冷系统，打开真空阀门将真空室恢复到大气压；

步骤九：对获得的成像图像进行降噪、背景扣除以及信息提取，得出最终的高时间分辨的成像结果。

上述分辨板为厚度与ZnO成像屏一致的塑料板，其表面有刻度和不同密度的黑白条纹。

本发明的有益效果是：

本发明系统包括ZnO成像屏、接触式低温传导模块、低温制冷循环模块、温度监测及控制模块、真空室、光学反射镜、光学变焦镜头、高速成像设备、计算机、暗箱、脉冲射线、真空泵、成像窗口。其中接触式低温传导模块、低温制冷循环模块、温度监测及控制模块、真空室以及真空泵组成的低温制冷系统将ZnO成像屏制冷至设置温度，以提升ZnO的光产额。脉冲射线入射至ZnO成像屏并沉积能量引起ZnO成像屏发出荧光，ZnO成像屏发出的荧光经光学反射镜反射至光学变焦镜头被高速成像设备捕获，形成清晰的图像。相对于传统成像系统，基于ZnO材料的超快脉冲辐射成像系统利用ZnO材料的发光衰减时间快以及低温下光产额提升的特点，使得系统能够在保持高图像质量的情况下对脉冲辐射场的动态过程进行高时间分辨成像，实现对脉冲辐射场一系列快物理过程的诊断。

附图说明

图1为基于ZnO材料的超快脉冲辐射成像系统示意图。

图2为基于ZnO材料的超快脉冲辐射成像系统对脉冲辐射场诊断示意图。

图3为厚针孔成像原理简化示意图。

图中，1-ZnO成像屏，2-接触式低温传导模块，3-低温制冷循环模块，4-温度监测及控制模块，5-真空室，6-光学反射镜，7-光学变焦镜头，8-高速成像设备，9-计算机，10-暗箱，11-脉冲射线，12-真空泵，13-成像窗口，14-厚针孔，15-诊断对象。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步的详细描述。

以下实施例参照图2。

本发明一种基于ZnO材料的超快脉冲辐射成像系统包括ZnO成像屏1、接触式低温传导模块2、低温制冷循环模块3、温度监测及控制模块4、真空室5、光学反射镜6、光学变焦镜头7、高速成像设备8、计算机9、暗箱10、脉冲射线11、真空泵12和成像窗口13。

其中ZnO成像屏1的材料为掺杂的ZnO单晶，通过水热法生长出大尺寸ZnO单晶晶体，其厚度为1～5mm，为四边形或者圆形，尺寸为50-100mm；接触式低温传导模块2、低温制冷循环模块3、温度监测及控制模块4、真空室5以及真空泵12组成低温制冷系统。ZnO成像屏1与低温传导模块2直接耦合，接触式低温传导模块2尺寸大于ZnO成像屏1；低温制冷循环模块3对接触式低温传导模块2以及ZnO成像屏1制冷，温度监测及控制模块4通过实时监控接触式低温传导模块2以及ZnO成像屏1的温度来实现对ZnO成像屏1的温度控制。低温制冷循环模块3的制冷方式为液氮或液氦制冷，制冷温度可调。ZnO成像屏1与低温传导模块2位于真空室5中；成像过程中，真空室5通过真空泵12抽成真空状态；ZnO成像屏1与光学反射镜6之间的室壁上开有成像窗口13，成像窗口13尺寸大于ZnO成像屏1的尺寸，材料为透射率高于90％的石英玻璃，能够透过射线以及ZnO成像屏1发出的光；光学反射镜6放置于射线发射方向上，与射线发射方向呈45°角，其形状为矩形，为镀铝膜反射镜或镀银膜反射镜，边长100-200mm，厚度低于1mm，厚度越薄，对于X射线的吸收越低；作用为将ZnO成像屏1发的光进行反射使之偏离射线发射方向，同时透过穿透性较强的射线以防对光学变焦镜头7以及高速成像设备8产生影响。所述的影响是射线直接与光学变焦镜头7、高速成像设备8或者信号传输线反应，从而对信号产生扰动或者使内部元件产生故障以及损坏。光学变焦镜头7与高速成像设备8耦合，光学变焦镜头7中测得的图像经过高速成像设备8记录后，传输到计算机9中保存用于分析处理。其中光学变焦镜头7为小焦距、大景深Cannon变焦镜头。高速成像设备8为相邻两次曝光间隔低于10ns的分幅相机。光学变焦镜头7与高速成像设备8耦合方式为转接口耦合。暗箱10内部涂有黑色涂料或者衬有黑色绒布，目的为吸收杂散光。暗箱内外信号传输可以通过在暗箱上安装转接口或者在暗箱上开信号电缆大小的孔来实现。ZnO成像屏1、接触式低温传导模块2、真空室5、成像窗口13、光学反射镜6、光学变焦镜头7以及高速成像设备8置于暗箱10中，所以暗箱10大小取决于上述所组成系统的大小。成像过程中暗箱10紧闭以尽量减少外界光源干扰。

本发明的具体工作过程如下：

1：确定诊断对象15、厚针孔14、光学反射镜6、接触式低温传导模块2、成像窗口13以及ZnO成像屏1的相对位置，使得上述部件的几何中心严格处于一条直线上，同时脉冲射线11能够顺利通过针孔到达ZnO成像屏1。

ZnO成像屏1置于光学变焦镜头7的焦平面上，诊断对象15在ZnO成像屏1中所成的像不大于视场。

厚针孔14材料取决于脉冲射线11的种类，厚针孔14内径D小于500um，外尺寸D1应大于ZnO成像屏1的尺寸防止ZnO成像屏1受到没有从针孔处通过的射线照射，厚针孔14的厚度L应足够厚以能够将针孔处以外穿过的脉冲射线强度降低两个量级以上。厚针孔的放置位置取决于ZnO成像屏1上所成的像的尺寸相对于诊断对象15的尺寸的放大程度H1/H。

为更具体说明，图3为厚针孔成像原理简化示意图。厚针孔14的厚度为L、内径为D、诊断对象15离厚针孔中心距离L2、ZnO成像屏1离厚针孔中心距离L3；此时ZnO成像屏1上所成像大小H1＝2D·L3/L；同时也有H＝2D·L2/L；则放大倍数H1/H＝L3/L2。

2：确定光学变焦镜头7、高速成像设备8以及光学反射镜6的相对位置，使得上述部件的几何中心严格处于一条直线上，使得ZnO成像屏1经脉冲射线11激发后发出的荧光能经过成像窗口13后被光学反射镜6反射顺利达到光学变焦镜头7。

3：调整好光学变焦镜头7的焦距以及位置，使得ZnO成像屏1处于光学变焦镜头焦平面上，将ZnO成像品1所处位置记为初始位置。

4：暂时取出ZnO成像屏1，将分辨板放入步骤3中的初始位置确定视场大小以及系统分辨率；将分辨板取出，在将ZnO成像屏1放回于步骤3中的初始位置。

分辨板为厚度与ZnO成像屏1一致的塑料板，其表面有刻度和不同密度的黑白条纹。通过分辨视场中的刻度范围确定视场的大小；通过视场中能分辨最密的黑白条纹来确定系统的分辨率。

5：打开真空泵12抽真空，一直抽到至少10^-2Pa量级后停止。

真空泵12对真空室5抽真空应至少抽到10^-2Pa量级，真空度越高，ZnO成像屏1上的低温越容易保持。

6：设置好温度监测及控制模块4的制冷温度；设置好高速成像设备8的增益、冷却温度、曝光时间、相邻两次曝光之间时间间隔以及和诊断对象15与高速成像设备8之间的时间关联关系。

温度及控制模块4的制冷温度根据ZnO成像屏1的发光强度变化情况设置；制冷温度越低，ZnO成像屏1的光产额越高。往往实验中需要先对诊断对象进行成像，然后根据成像的结果调整参数(比如如果亮度太差，就需要进一步降低温度；如果亮度太高，就适当升高温度)。

高速成像设备8的增益指的是对成像结果的灰度值的增益，增益的具体值设置取决于ZnO成像屏1的光产额，ZnO成像屏1的光产额足够高时，增益的值可以选择一个比较小的值；反之，当ZnO成像屏1的光产额不够，增益的值应该选择一个比较大的值。

高速成像设备8的冷却温度越低，热噪声越小，信噪比越好。

高速成像设备8的曝光时间指的是对单幅图像采集的曝光时间，曝光时间越短，图像亮度越低，但若亮度足够的情况下，曝光时间越短，图像的清晰度越高。

高速成像设备8的相邻两次曝光之间时间间隔指的是相邻两幅图像之间的时间间隔，在保证图像的清晰度的情况下，曝光时间和相邻两次曝光时间间隔越短，系统的时间分辨率越高。

诊断对象15与高速成像设备8之间的时间关联关系指的是诊断对象15发出射线与高速成像设备8开始拍照的时间点在时间上的同步关系，诊断对象15发出射线，使得ZnO成像屏1发光，发出的光经光学反射镜6反射进入光学变焦镜头7和高速成像设备8时，此时高速成像设备8应该处于曝光状态。

7：对诊断对象15进行成像。

8：成像完毕后，关闭高速成像设备8和低温制冷系统，打开真空阀门将真空室5恢复到大气压。

9：对获得的成像图像进行降噪、背景扣除以及信息提取，得出最终的高时间分辨的成像结果。

本发明的原理是：

诊断对象产生脉冲射线，脉冲射线入射至ZnO成像屏并沉积能量引起ZnO成像屏发出荧光，ZnO成像屏发出的荧光经光学反射镜反射至光学变焦镜头被高速成像设备捕获，形成清晰的图像。

ZnO的发光衰减时间能够达到亚纳秒，ZnO成像屏与高速成像系统搭配能够有更高的时间分辨率，可以实现对更快物理过程的诊断。

ZnO在低温条件下光产额能够大幅增加，通过低温制冷系统对ZnO成像屏工作温度进行控制，可以得到更高质量的图像。

Claims (10)

1.一种基于ZnO材料的超快脉冲辐射成像系统，包括暗箱、光学反射镜、光学变焦镜头、高速成像设备和计算机，其特征在于：还包括ZnO成像屏和低温制冷系统；

所述低温制冷系统包括接触式低温传导模块、低温制冷循环模块、温度监测及控制模块、真空室以及真空泵；

所述ZnO成像屏与接触式低温传导模块耦合；所述低温制冷循环模块对接触式低温传导模块以及ZnO成像屏制冷；所述温度监测及控制模块监控接触式低温传导模块以及ZnO成像屏的温度；

所述ZnO成像屏与接触式低温传导模块位于真空室中；所述真空泵对真空室抽真空；所述真空室室壁上开有成像窗口，该成像窗口能够透过射线以及ZnO成像屏发出的光；

所述光学反射镜位于射线出射方向；所述光学反射镜、接触式低温传导模块、成像窗口以及ZnO成像屏的几何中心处于一条直线上；

所述光学变焦镜头与高速成像设备耦合，所述高速成像设备与计算机连接；

所述ZnO成像屏、真空室、接触式低温传导模块、光学反射镜、光学变焦镜头以及高速成像设备置于暗箱中。

2.根据权利要求1所述的一种基于ZnO材料的超快脉冲辐射成像系统，其特征在于：所述ZnO成像屏的材料为掺杂的ZnO单晶，ZnO成像屏的厚度为1～5mm。

3.根据权利要求1所述的一种基于ZnO材料的超快脉冲辐射成像系统，其特征在于：所述成像窗口的尺寸大于ZnO成像屏的尺寸，成像窗口的厚度低于5mm。

4.根据权利要求3所述的一种基于ZnO材料的超快脉冲辐射成像系统，其特征在于：所述成像窗口的材料为石英玻璃。

5.根据权利要求1所述的一种基于ZnO材料的超快脉冲辐射成像系统，其特征在于：所述光学反射镜与射线出射方向呈45°角。

6.根据权利要求1所述的一种基于ZnO材料的超快脉冲辐射成像系统，其特征在于：所述低温制冷循环模块的制冷方式为液氮或液氦制冷，制冷温度可调。

7.根据权利要求1所述的一种基于ZnO材料的超快脉冲辐射成像系统，其特征在于：所述光学变焦镜头为小焦距、大景深Cannon变焦镜头。

8.根据权利要求1所述的一种基于ZnO材料的超快脉冲辐射成像系统，其特征在于：所述高速成像设备为相邻两次曝光间隔低于10ns的分幅相机。

9.一种权利要求1所述的成像系统的成像方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：调整诊断对象、厚针孔与光学反射镜的几何中心处于一条直线上；

步骤二：调整光学变焦镜头、高速成像设备以及光学反射镜的几何中心处于一条直线上；

步骤三：调整光学变焦镜头的焦距以及位置，使得ZnO成像屏处于光学变焦镜头焦平面上，将ZnO成像屏所处位置记为初始位置；

步骤四：取出ZnO成像屏，将分辨板放入步骤三中的初始位置确定视场大小以及系统分辨率；将分辨板取出，再将ZnO成像屏放回步骤三中的初始位置；

步骤五：打开真空泵抽真空，抽到至少10^‐2Pa量级后停止；

步骤六：根据ZnO成像屏的发光强度变化情况设置温度监测及控制模块的制冷温度，制冷温度越低，ZnO成像屏的光产额越高；根据ZnO成像屏的光产额设置高速成像设备的增益；并设置高速成像设备的冷却温度、曝光时间、相邻两次曝光之间时间间隔以及诊断对象与高速成像设备之间的时间关联关系；

步骤七：对诊断对象进行成像；

步骤八：成像完毕后，关闭高速成像设备和低温制冷系统，打开真空阀门将真空室恢复到大气压；

步骤九：对获得的成像图像进行降噪、背景扣除以及信息提取，得出最终的高时间分辨的成像结果。

10.根据权利要求9所述的成像方法，其特征在于：所述分辨板为厚度与ZnO成像屏一致的塑料板，其表面有刻度和不同密度的黑白条纹。