CN111239795B - 基于刀口型厚针孔的千居里60Co-γ辐射源图像采集系统及方法 - Google Patents

基于刀口型厚针孔的千居里60Co-γ辐射源图像采集系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于千居里60Co‑γ辐射源图像采集系统及方法，为解决现有辐射源成像技术应用于千居里60Co‑γ辐射源图像测量时，存在相机难以获取高信噪比图像和记录图像信息浪费的技术问题，提供基于刀口型厚针孔的千居里60Co‑γ辐射源图像采集系统及方法，其中采集系统包括刀口型厚针孔、金属暗箱，以及设置于金属暗箱内的闪烁体、反射镜、光学成像镜头和ICCD相机；钴源放出的射线经刀口型厚针孔后，由金属暗箱的入口进入金属暗箱，经闪烁体转换为可见光后到达反射镜上发生反射，光学成像镜头和ICCD相机位于反射镜的反射路径上。采集方法是基于上述采集系统，采集编码图像后，根据刀口型厚针孔的点扩散函数，采用图像复原算法得到60Co‑γ辐射源图像。

Description

基于刀口型厚针孔的千居里60Co-γ辐射源图像采集系统及 方法
技术领域
本发明属于千居里60Co-γ辐射源图像采集系统及方法，具体涉及基于刀口型厚针孔的千居里60Co-γ辐射源图像测量系统及方法。
背景技术
可见光具有在同一介质中沿直线传播，在不同介质表面发生折射的特性。可见光图像可以通过镜头聚焦成像。但是，X、γ、中子等射线具有一定的穿透能力，无法通过镜头聚焦。早前已有采用厚针孔成像技术拍摄了裂变反应释放的γ射线图像以及诱发产生的聚变中子图像。发展至今，厚针孔成像技术被应用于闪光照相加速器装置焦斑尺寸测量、激光约束聚变内爆中子图像测量、反应堆燃料元件图像测量等领域，应用较为广泛。在不同的应用领域，针对辐射源的不同特点，厚针孔结构具有较大差异，例如，谢红卫等在《核电子学与探测技术》上发表的“应用于高能伽马射线源图像诊断的厚针孔设计”一文中，针对高强度射线源，将厚针孔孔径设计的很小，约为百μm量级，此时记录的图像即为辐射源图像。余波等在《物理学报》上发表的“惯性约束聚变的中子半影成像诊断系统和非线性重建方法研究”中针对低强度辐射源，采用半影编码孔提高射线传输效率，再结合图像复原算法得到了辐射源图像。
以上文献记载的方法都有各自的优势，但应用于千居里60Co-γ辐射源图像测量时存在以下不足：百μm量级孔径的厚针孔射线传输效率偏低，相机难以获取高信噪比图像；另外，半影孔、环形孔要求编码孔尺寸大于射线源，编码孔尺寸偏大，且辐射源图像信息仅存在于半影区，造成了一定的记录图像信息浪费。
发明内容
本发明的主要目的是解决现有辐射源成像技术应用于千居里60Co-γ辐射源图像测量时，存在相机难以获取高信噪比图像和记录图像信息浪费的技术问题，提供基于刀口型厚针孔的千居里60Co-γ辐射源图像采集系统及方法。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
基于刀口型厚针孔的千居里60Co-γ辐射源图像采集系统，其特殊之处在于，包括刀口型厚针孔、金属暗箱，以及设置于金属暗箱内的闪烁体、反射镜、光学成像镜头和ICCD相机；
所述金属暗箱的外壁上被屏蔽层包覆，金属暗箱开设有入口；所述刀口型厚针孔安装于调节装置上；
所述钴源放出的射线经刀口型厚针孔后，由金属暗箱的入口进入金属暗箱，经闪烁体转换为可见光后到达反射镜上，所述光学成像镜头和ICCD相机位于反射镜的反射路径上；
所述ICCD相机连接有上位机，上位机用于记录并处理ICCD相机采集的图像，同时监测并控制ICCD相机的工作参数。
进一步地，所述钴源与刀口型厚针孔之间设有屏蔽罩，用于减小散射γ射线干扰。
进一步地，所述屏蔽罩的壁厚为10cm。
进一步地，所述刀口型厚针孔的中部孔径最小，中部孔径为14-16mm；刀口型厚针孔两端的孔径为18-20mm；刀口型厚针孔的孔径由中部向两端均匀增大。
进一步地，所述金属暗箱由铝板镀导电黑漆制成，具备屏蔽电磁干扰和吸收杂散光功能。
进一步地，所述金属暗箱的壁厚为5mm。
进一步地，所述闪烁体的类型为LYSO有机闪烁体。
如上所述基于刀口型厚针孔的千居里60Co-γ辐射源图像采集系统的采集方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
S1，建立基准光轴
调整刀口型厚针孔，使刀口型厚针孔的中心线与钴源的中心线重合，并将此作为基准光轴；
S2，调节图像采集系统的采集清晰度
将闪烁体替换为分辨卡，调整反射镜、光学成像镜头和ICCD相机的位置，直至ICCD相机采集到的图像中心与分辨卡中心重合，且图像清晰度符合预设清晰度值；
S4，采集处理图像
S3.1，将分辨卡替换为闪烁体；
S3.2，所述钴源出束，调整ICCD相机的增益和采集时间，直至获取符合预设灰度值的编码图像，通过上位机对所述编码图像进行去噪处理；
S3.3，通过理论模拟获取刀口型厚针孔的点扩散函数，上位机根据所述点扩散函数采用图像复原算法对经步骤S4.2去噪处理的编码图像进行计算，得到60Co-γ辐射源图像。
进一步地，步骤S1具体为：
S1.1，通过激光经纬仪建立与钴源中心线重合的基准光轴；
S1.2，通过调节装置调整刀口型厚针孔，使刀口型厚针孔的中心线与基准光轴重合。
进一步地，步骤S3中，所述图像清晰度符合预设清晰度值具体为分辨卡中1mm宽度的线对能够被分辨。
进一步地，步骤S4.3中，所述图像复原算法为空间移不变图像复原算法。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明的采集系统，通过刀口型厚针孔对60Co-γ辐射源图像进行编码，由闪烁体、光学成像镜头和ICCD相机获取高信噪比数字化编码图像，再通过上位机对编码图像进行处理，同时，上位机能够远程控制实验测量间里的 ICCD相机，在确保实验安全条件下实现了相机芯片温度、曝光时间等参数的实时调节。
2.本发明在钴源与刀口型厚针孔之间设置屏蔽罩，能够减小散射γ射线干扰。
3.本发明中刀口型厚针孔的最小开孔孔径为14-16mm，与传统500μm孔径的厚针孔相比射线传输效率提高了1000倍左右，有效提高了图像信噪比；另外，与半影成像方法相比，刀口型厚针孔的中部最小开孔孔径处可小于辐射源尺寸，外形尺寸可以做的较小，节约了刀口型厚针孔材料和加工成本。刀口型厚针孔两端的孔径大于中部，可保证较大的视场范围。同时，包括半影区域的全部编码图像均包含辐射源信息，记录图像信息利用率更高。
4.本发明的金属暗箱由铝板镀导电黑漆制成，能更好的屏蔽电磁干扰，具有更好的吸收杂散光功能。
5.本发明的采集方法，基于上述采集系统，建立基准光轴后调节刀口型厚针孔，使刀口型厚针孔的中心线与钴源的中心线重合，再通过采集分辨卡的图像，确定反射镜和光学成像镜头的位置，通过ICCD相机采集编码图像后，根据刀口型厚针孔的点扩散函数，对编码图像计算处理，获得更准确的60Co-γ辐射源图像，该采集方法简便准确。
6.本发明中由于刀口型厚针孔在视场范围内点扩散函数具有良好的空间平移不变性，可以采用空间移不变图像复原算法，与空间移变图像复原算法相比，算法实现简单，运算速度快。
附图说明
图1为本发明采集系统实施例的结构示意图；
图2为本发明采集系统实施例中刀口型厚针孔的剖视图；
图3为本发明采集方法实施例中刀口型厚针孔点扩散函数计算中Cor随y 的变化曲线。
图4为本发明采集方法实施例中采集的60Co-γ辐射源图像的中心线强度分布曲线；
其中，1-刀口型厚针孔、2-调节装置、3-激光经纬仪、4-闪烁体、5-反射镜、6-光学成像镜头、7-ICCD相机、8-暗室、9-屏蔽层、10-上位机、11-钴源、 12-屏蔽罩。
具体实施方式
下面将结合本发明的实施例和附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例并非对本发明的限制。
参见图1和图2，一种基于刀口型厚针孔的千居里60Co-γ辐射源图像采集系统，包括刀口型厚针孔1、调节装置2、5mm厚的LYSO型闪烁体4、反射镜5、Canon光学成像镜头6、Andor的ICCD相机7、金属暗箱8、铅材质的屏蔽层9和上位机10。
金属暗箱8的外壁被屏蔽层9包覆，金属暗箱8开设有入口，刀口型厚针孔1安装于调节装置2上，调节装置2用于实现调节刀口型厚针孔1平移、旋转和俯仰，调节装置2可直接选用现有的调节平台或相关装置。
钴源11放出的射线经刀口型厚针孔1后，由金属暗箱8的入口进入金属暗箱，经闪烁体4转换为可见光后到达反射镜5上，光学成像镜头6和ICCD 相机7位于反射镜5的反射路径上。
ICCD相机7连接有上位机10，上位机10用于记录并处理ICCD相机7 采集的图像，同时监测并控制ICCD相机7的工作参数。
为了在测量前建立测量系统的基准光轴，可以采用激光经纬仪3建立与钴源11中心线重合的基准光轴，并使刀口型厚针孔1的中心线与基准光轴重合。
60Co-γ辐射源作为钴源11，其出束口尺寸为Φ80mm，距离源520mm，中心高度距离地面1.6m。出束口至刀口型厚针孔1前端搭建铅材质的屏蔽罩 12，屏蔽罩12的中心孔径为Φ60mm。刀口型厚针孔1的调节装置2置于高度为1.4m的可升降实验平台上，刀口型厚针孔1的中心距离钴源11为1.53 m，闪烁体4距离刀口型厚针孔1的中心2.59m，成像放大倍数为1：1.69。
其中，刀口型厚针孔1的中部孔径最小，中部孔径为14-16mm；刀口型厚针孔1两端的孔径为18-20mm；刀口型厚针孔1的孔径由中部向两端均匀增大。
钴源11的出束口至刀口型厚针孔之间，以及金属暗箱8周围均放置铅材质的屏蔽体，能够使1.25MeV的伽马射线衰减4个量级。
作为一种优选方案，刀口型厚针孔1的中部孔径为15.8mm，两端最大开孔孔径为19.18mm；在本发明的其他实施例中，刀口型厚针孔1的中部孔径还可为14mm、15mm，对应的两端最大孔径为18mm、20mm。
对应的，本发明还提供一种基于刀口型厚针孔的千居里60Co-γ辐射源图像采集系统的采集方法，具体实施过程如下：
1)搭建图像采集系统，采用激光经纬仪3建立基准光轴。制作中心开有Φ1mm圆孔的塑料圆形刻度板，安装于刀口型厚针孔1的外孔上，通过激光经纬仪3的望远镜观察。通过调节装置2精细调节厚针孔的平移、旋转和俯仰，使激光束同时穿过刀口型厚针孔1前后孔安装的圆形刻度板中心，准直偏差小于1mm。采用70-200mm的变焦镜头。将分辨卡放置于闪烁体4所在位置，调节焦距大小，拍摄得到分辨卡图像，精细调节反射镜5的角度，使ICCD相机7拍摄的分辨卡图像整体清晰度一致，同时，精细调节光学成像镜头6的位置，使分辨卡图像最为清晰。由分辨卡可知闪烁体4处单个像素尺寸为0.1758mm。其中，由ICCD相机7灵敏区域尺寸l1和拍摄闪烁体4 的视场尺寸l2确定系统放大倍数M＝l2/l1。对于焦距为f的光学成像镜头6，可确定闪烁体4与ICCD相机7灵敏区域的工作距离s：
Figure BDA0002386661690000061
在本实施例中，s＝120cm。
2)将分辨卡取下，放置闪烁体4，钴源11开始出束，ICCD相机7的芯片制冷至-10℃降低本底，为获取统计涨落较小的图像，ICCD相机7的增益设置为120，曝光时间设置为25s，拍摄得到退化图像，其中心灰度为12000，统计涨落小于1％。
3)采用Geant4蒙特卡罗软件模拟实验参数条件下的刀口型厚针孔1点扩散函数PSF，物平面位置坐标记为(x,y)，物面点源位置为(0，y，0)，y 取值为0-12mm，间隔为2mm，计算得到PSFy与PSFy＝0的相似度Cor，图3 为Cor随y的变化曲线。在物面有效视场范围内，Cor的值均大于0.99，与1 很接近，空间平移不变性较好。因此，将PSFy＝0视为刀口型厚针孔的点扩散函数，记为PSF1：
Figure BDA0002386661690000062
闪烁体4、反射镜5、光学成像镜头6、ICCD相机7组成的图像采集系统的点扩散函数记为PSF2。通常采用刀口法实验测量得到，紧贴闪烁体4前放置钨刀口，拍摄可得边缘响应函数ESF，ESF通过如下变换可得PSF2：
Figure BDA0002386661690000063
Figure BDA0002386661690000064
Figure BDA0002386661690000065
其中，(u,v)为频域坐标，LSF(y)为y方向的线扩散函数，MTF为调制传递函数，OTF由MTF在u，v平面旋转360°得到。全系统点扩散函数 PSF3为PSF1与PSF2的卷积。
4)采用中值滤波对编码图像进行处理，减少散射伽玛射线产生的椒盐噪声，同时保持图像边缘信息。以全系统点扩散函数PSF3为输入条件，对编码图像进行Lucy-Richardson复原处理。迭代15次后得到的图像复原解，经图像尺寸比例校正后得到60Co-γ辐射源二维强度分布的测量结果。如图4给出了中心线强度分布曲线，测得60Co-γ辐射源直径尺寸为19.7mm，辐射源外形尺寸出厂数据为Φ20mm，外形尺寸测量误差仅为0.3mm。。
实验结果表明，基于刀口型厚针孔的千居里60Co-γ辐射源图像采集系统及方法能够给出60Co-γ辐射源的二维强度分布和几何尺寸。随着辐射源使用年限的增加，能够对辐射源状态进行有效的监测。
本发明实现千居里60Co-γ辐射源二维强度测量。现有技术中百μm孔径的厚针孔射线传输效率偏低；半影孔或环形孔虽然有较高的射线传输效率，但要求孔径尺寸大于射线源，编码孔尺寸偏大。本发明提出基于刀口型厚针孔的千居里60Co-γ辐射源图像采集方法，刀口型厚针孔1较大的开孔孔径确保了高射线传输效率，同时优化设计刀口型厚针孔1的几何参数，使其在整体尺寸适中的条件下视场范围内点扩散函数保持良好的空间平移不变性。结合计算机图像处理技术，能够满足千居里60Co-γ辐射源二维强度测量需求。
以上所述仅为本发明的实施例，并非对本发明保护范围的限制，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.基于刀口型厚针孔的千居里60Co-γ辐射源图像采集系统，其特征在于：包括刀口型厚针孔(1)、金属暗箱(8)，以及设置于金属暗箱(8)内的闪烁体(4)、反射镜(5)、光学成像镜头(6)和ICCD相机(7)；
所述金属暗箱(8)的外壁上被屏蔽层(9)包覆，金属暗箱(8)开设有入口；
所述刀口型厚针孔(1)安装于调节装置(2)上，调节装置(2)用于调节刀口型厚针孔(1)的平移、旋转和俯仰；所述刀口型厚针孔(1)的中部孔径最小，中部孔径为14-16mm；刀口型厚针孔(1)两端的孔径为18-20mm；刀口型厚针孔(1)的孔径由中部向两端均匀增大，且中部无直孔；
钴源(11)放出的射线经刀口型厚针孔(1)后，由金属暗箱(8)的入口进入金属暗箱，经闪烁体(4)转换为可见光后到达反射镜(5)上，所述光学成像镜头(6)和ICCD相机(7)位于反射镜(5)的反射路径上；
所述ICCD相机(7)连接有上位机(10)，上位机(10)用于记录并处理ICCD相机(7)采集的图像，同时监测并控制ICCD相机(7)的工作参数。
2.如权利要求1所述基于刀口型厚针孔的千居里60Co-γ辐射源图像采集系统，其特征在于：所述钴源(11)与刀口型厚针孔(1)之间设有屏蔽罩(12)。
3.如权利要求2所述基于刀口型厚针孔的千居里60Co-γ辐射源图像采集系统，其特征在于：所述屏蔽罩(12)的壁厚为10cm。
4.如权利要求3所述基于刀口型厚针孔的千居里60Co-γ辐射源图像采集系统，其特征在于：所述金属暗箱(8)由铝板镀导电黑漆制成。
5.如权利要求4所述基于刀口型厚针孔的千居里60Co-γ辐射源图像采集系统，其特征在于：所述金属暗箱(8)的壁厚为5mm。
6.如权利要求5所述基于刀口型厚针孔的千居里60Co-γ辐射源图像采集系统，其特征在于：所述闪烁体(4)的类型为LYSO有机闪烁体。
7.如权利要求1至6任一所述基于刀口型厚针孔的千居里60Co-γ辐射源图像采集系统的采集方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，建立基准光轴
调整刀口型厚针孔(1)，使刀口型厚针孔(1)的中心线与钴源(11)的中心线重合，并将此作为基准光轴；
S2，调节图像采集系统的采集清晰度
将闪烁体(4)替换为分辨卡，调整反射镜(5)、光学成像镜头(6)和ICCD相机(7)的位置，直至ICCD相机(7)采集到的图像中心与分辨卡中心重合，且图像清晰度符合预设清晰度值；
S3，采集处理图像
S3.1，将分辨卡替换为闪烁体(4)；
S3.2，钴源(11)出束，调整ICCD相机(7)的增益和采集时间，直至获取符合预设灰度值的编码图像，通过上位机(10)对所述编码图像进行去噪处理；
S3.3，通过理论模拟获取刀口型厚针孔(1)的点扩散函数，上位机(10)根据所述点扩散函数采用图像复原算法对经步骤S3.2去噪处理的编码图像进行计算，得到60Co-γ辐射源图像。
8.如权利要求7所述采集方法，其特征在于，步骤S1具体为：
S1.1，通过激光经纬仪(3)建立与钴源(11)中心线重合的基准光轴；
S1.2，通过调节装置(2)调整刀口型厚针孔(1)，使刀口型厚针孔(1)的中心线与基准光轴重合。
9.如权利要求8所述采集方法，其特征在于：步骤S2中，所述图像清晰度符合预设清晰度值具体为分辨卡中1mm宽度的线对能够被分辨；步骤S3.3中，所述图像复原算法为空间移不变图像复原算法。
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