CN113589637B - 一种硬x射线灵敏的分幅相机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种硬X射线灵敏的分幅相机，包括光学CCD相机主体和设置于光学CCD相机主体上的变象管，变象管外表面设有窄带滤光片，窄带滤光片外表面设有闪烁体，闪烁体外表面设有一层铝膜，变象管两侧还通过选通脉冲馈入组件连接有光电子倍增组件。本发明采用高速阵列式闪烁体将X射线图像转换为荧光图像，灵敏碱阴极对荧光进行光电转换，提高了相机灵敏度，光纤面板吸收硬X射线，降低了X射线直穿产生的干扰，提高了信噪比。本发明可对硬X射线进行高时空分辨诊断，在脉冲X射线辐射探测领域具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于辐射探测技术领域，尤其涉及一种硬X射线灵敏的分幅相机。
背景技术
在现有技术中，目标发射的X射线直接成像于MCP板的微带阴极上产生光电子，微带上高速行进的短脉宽高压脉冲对光电子在MCP微通道内的增益进行高速选通，实现短曝光时间的高速照相(J.A.Oertel et al.,“Gated X-Ray Detector for the NationalIgnition Facility,”Rev.Sci.Instrum.,77,10E308(2006))。
上述技术中，MCP板前表面的金微带既是高压门脉冲传输线，也是光阴极，其厚度一般在100nm左右，对硬X射线的光电转换效率很低，这种结构的分幅相机对6keV以上的X射线不灵敏。另外，这种技术中，硬X射线会穿过MCP板的多个微通道，在多个微通道的内壁上产生光电子，且被倍增，会降低相机的空间分辨。硬X射线还会穿过MCP板直接激发荧光屏发光，产生均匀的直流背景信号，进一步降低了相机的时间分辨和空间分辨。
还有一种技术，采用微通道阴极，其内壁镀有碱金属作为光电转换材料提高相机对硬X射线的灵敏度，后接通用的选通型分幅相机实现时空分辨成像(一种硬X射线分幅相机及其探测硬X射线方法CN 107765506 A和一种硬X射线分幅相机CN 207440514 U)。
该型硬X射线分幅相机所采用的碱阴极对硬X射线仍然不灵敏，光电子在阴极通道内倍增过程中导致时间弥散，会大幅度降低相机的时间分辨，这种方案还是无法避免硬X射线穿过阴极和MCP板后激发荧光屏所形成的直穿光干扰。
展宽型分幅照相技术中采用Au和CsI阴极作为光电转换器件，磁漂移管对电子脉冲展宽，展宽后的电子脉冲采用分幅相机记录，可使相机的曝光时间降低到10ps以下(S.R.Nagel et al.,“Dilation X-Ray Imager a New/Faster Gated X-Ray Imager forthe NIF,”Rev.Sci.Instrum.)。
展宽型分幅照相技术中，所采用的Au和CsI透射式阴极厚度一般也在100nm左右，对硬X射线的光电效率仍然很低，所采用的磁聚焦电子光学系统在MCP板前无焦点，无法对直穿的X射线进行屏蔽，很难避免直穿光的干扰。
最近还出现了另外的一种技术，该技术采用水热法生长的ZnO：Ga单晶作为闪烁体，将硬X射线转换为荧光图像，经镜头成像于门控ICCD相机，实现对硬X射线时空分辨测量(Transient Radiation Imaging Based on a ZnO:Ga Single-Crystal ImageConverter，Mengxuan Xu,Liang Chen,Zhiming Yao,et al.Scientific Reports 8,4178(2018))。
第四种技术中，采用直径40mm，厚度为1mm的单晶闪烁体作为转换器件，X射线能量沉积位置发射的荧光会传输到邻近区域，造成串扰，因此空间分辨不足，仅1.5lp/mm。纳秒门控ICCD相机用于图像记录，曝光时间仅能达到5ns，时间分辨不高。该技术采用折转光路，避免直穿光透过闪烁体到达像增强器所形成的干扰，这一设计降低了荧光利用效率，并增加了探测系统占用的空间。在激光聚变物理实验中，为了提高信号强度和成像系统的空间分辨，分幅相机应尽可能接近观测目标，相机常常需设计成气室型，使其能在高真空环境中工作。折转光路不适合这种气室型分幅相机。
发明内容
本发明的目的在于，为克服现有技术缺陷，提供了一种硬X射线灵敏的分幅相机,采用高速阵列式闪烁体将X射线图像转换为荧光图像，灵敏碱阴极对荧光进行光电转换，提高了相机灵敏度，光纤面板吸收硬X射线，降低了X射线直穿产生的干扰，提高了信噪比。本发明可对硬X射线进行高时空分辨诊断，在脉冲X射线辐射探测领域具有广泛的应用前景。
本发明目的通过下述技术方案来实现：
一种硬X射线灵敏的分幅相机，包括：光学CCD相机主体和设置于光学CCD相机主体上的变象管，变象管外表面设有窄带滤光片，窄带滤光片外表面设有闪烁体，闪烁体外表面设有一层铝膜，变象管一侧通过选通脉冲馈入组件连接有光电子倍增组件,闪烁体接收经过成像组件成像后的X射线并转化为荧光图像。
进一步的，闪烁体采用阵列式超快闪烁体。
进一步的，阵列式超快闪烁体采用具有超快响应速度的短余辉、中高Z元素无机闪烁体，余辉时间小于1ns。
进一步的，光电子倍增组件包括通过宽带射频电缆与选通脉冲馈入组件连接的选通脉冲发生器。
进一步的，变象管包括光纤面板、碱阴极、栅极、Au微带、MCP板和荧光屏；其中，光纤面板位于靠近闪烁体的一侧，光纤面板与碱阴极紧贴，碱阴极另一侧与栅极相邻，栅极另一侧与MCP板相邻，MCP板朝向栅极的一面表面设有AU微带，MCP板另一面与荧光屏相邻。
进一步的，碱阴极为对超快闪烁体辐射荧光灵敏的双碱阴极或多碱阴极。
进一步的，变像管采用铟封技术进行高真空密封焊接。
进一步的，窄带滤光片长波截止波长为400nm，带宽为100nm，厚度小于0.2mm，直径小于50mm，对超快闪烁体辐射的紫外荧光透过率高于50％。
进一步的，变象管还通过高压同轴电缆连接有高压电源。
进一步的，选通脉冲馈入组件包括PCB板、传输阻抗渐变线和微带传输线。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明能够将X射线图像转换为荧光图像，使硬X射线能量沉积位置发射的荧光局域化，避免其传输到邻近区域形成串扰，提高了闪烁体对硬X射线图像显示的空间分辨能力。
(2)本发明采用的中高Z元素制备的无机高速闪烁体对硬X射线具有强的吸收和荧光转换能力，结合对荧光灵敏的碱阴极，增加了光电转换效率，从而使相机对硬X射线灵敏。
(3)本发明采用的光纤面板对硬X射线有较强的吸收，大幅度降低了硬X射线直穿形成的背景信号的干扰，提高了信噪比。
(4)本发明中变像管采用铟封技术进行高真空密封焊接，降低了环境对阴极、电极和MCP板等敏感元件的影响，提高了相机工作的稳定性。
(5)本发明可对硬X射线进行时空分辨的测量，在脉冲辐射探测领域具有广泛的应用前景。
附图说明
图1是本发明实施例1提供的一种硬X射线灵敏的分幅相机结构示意图；
图2是本发明实施例1提供的一种硬X射线灵敏的分幅相机选通脉冲馈入组件结构示意图；
图3是本发明实施例1提供的一种硬X射线灵敏的分幅相机局部放大示意图。
附图标记：1-被测目标、2-成像组件、3-铝膜、4-阵列式超快闪烁体、5-窄带滤光片、6-变像管、7-光纤面板、8-碱阴极、9-栅极、10-Au微带、11-MCP板、12-MCP电极、13-荧光屏、14-选通脉冲馈入组件、15-宽带射频电缆、16-选通脉冲发生器、17-光学CCD相机主体、18-高压同轴电缆、19直流高压电源、20-PCB板、21-传输阻抗渐变线、22-微带传输线、23-选通脉冲馈入组件Au微带、24-MCP微通道板。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
因此，以下对本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如附图1所示，是本实施例提供的一种硬X射线灵敏的分幅相机结构示意图，该分幅相机具体包括光学CCD相机主体17和设置于光学CCD相机主体17上的变象管6，变象管6外表面设有窄带滤光片5，窄带滤光片5外表面设有阵列式超快闪烁体3，阵列式超快闪烁体3外表面设有一层铝膜3，变象管6一侧通设有选通脉冲馈入组件14，选通脉冲馈入组件14通过宽带射频电缆15连接有选通脉冲发生器16，变象管6另一侧通过高压同轴电缆18连接有高压电源19。
其中，变像管包括光纤面板7、碱阴极8、栅极9、Au微带10、MCP板11和荧光屏13。
如附图3所示，本实施例提供的一种硬X射线灵敏的分幅相机局部放大示意图。变象管6包括光纤面板7、碱阴极8、栅极9、Au微带10、MCP板11和荧光屏13；其中，光纤面板7位于靠近闪烁体的一侧，光纤面板7与碱阴极8紧贴，碱阴极8另一侧与栅极9相邻，栅极9另一侧与MCP板11相邻，MCP板11朝向栅极9的一面表面设有AU微带10，MCP板11另一面与荧光屏13相邻。栅极9与阴极间距1-2mm，Au微带10位于MCP板11前表面，栅极9之后2mm是MCP板11，荧光屏13位于MCP后，与MCP间距约3mm。
如附图2所示，是本实施例提供的一种硬X射线灵敏的分幅相机选通脉冲馈入组件14结构示意图。选通脉冲馈入组件14包括PCB板20、MCP微通道板24、传输阻抗渐变线21和微带传输线22，MCP微通道板24表面设有选通脉冲馈入组件14Au微带23。
被测目标1发射的硬X射线经成像组件2成像后入射阵列式超快闪烁体3转化为荧光图像，再经窄带滤光片5和光纤面板7将荧光图像耦合到碱阴极8产生光电子，碱阴极8与施加栅极9间的高压产生的电场加速光电子，并成像于MCP板11前表面Au微带10上，脉冲高压发生器输出的短脉宽高压脉冲经宽带射频电缆15耦合至选通脉冲馈入组件14后传输至MCP表面Au微带10，在Au微带10上行进的高压选通脉冲仅对其所达位置处，且同步到达此处的光电子进行倍增，实现光电子在MCP板11微通道内的增益高速选通，高速行进的高压脉冲在该位置所存续时间内，光电子才能倍增，并从MCP板11后端出射，MCP板11与荧光屏13之间为MCP电极12，出射的光电子受MCP板11与荧光屏13间的电场加速，并轰击荧光屏13产生荧光图像，最终被CCD相机所记录，实现对硬X射线源高时空分辨诊断。
成像组件2为16通道阵列式KB显微镜，在阵列式超快闪烁体3上产生多幅X射线源的图像。成像组件2采用KB显微镜，空间分辨高，收光效率高。
闪烁体采用掺Ga的ZnO，时间分辨不会太高，一般在200ps，但X射线转换为探测光的转换效率较高。余辉时间具体与Ga掺杂浓度相关,浓度高，余辉时间短，浓度低，余辉时间长。
本实施例提供的阵列式超快闪烁体3为均匀掺Ga的透明ZnO材料，Ga掺杂浓度为3×1018atom/mol，厚度为20μm，余辉时间小于100ps。
阵列式超快闪烁体3为分布均匀且致密的微米针状或丝状阵列式闪烁体，采用水热法、磁控溅射法或模板法在石英基片上生长而成。具体地，采用磁控溅射法在石英光纤面板7上生长ZnO晶体种子，然后采用水热法在种子晶体上生长出10～20μm厚的阵列ZnO晶体，再将样品放入氢气或氧气环境中进行高温退火。
窄带滤光片54为ZWB2玻璃，其长波截止波长为400nm，带宽为100nm，厚度为0.2mm，直径为50mm，对阵列式超快闪烁体3辐射的紫外荧光透过率高于50％。
光纤面板75空间分辨好于60lp/mm，厚度为5mm，直径为50mm，对阵列式超快闪烁体3辐射的荧光透过率高于80％，光纤面板7对硬X射线有强的吸收作用，可有效防止直穿硬X射线的干扰。
碱阴极8为对阵列式超快闪烁体3辐射荧光灵敏的S20光阴极，荧光光谱峰值灵敏度为40mA/W(@390nm)。
MCP板11为长寿命、高增益、性能稳定的微通道板，其微通道内采用原子沉积法制备有Al2O3的二次电子发射层。
变像管采用铟封技术进行高真空密封焊接，使其真空度好于1.0×10-6Pa，降低环境对碱阴极8、电极和MCP板11等敏感元件的影响，提高相机工作的稳定性。
碱阴极8与栅极9间距离为2mm，其间施加5-10kV高压，使得碱阴极8产生的光电子图像高保真地传输到MCP板11的前表面。
本实施例提供的一种硬X射线灵敏的分幅相机，能够将X射线图像转换为荧光图像，使硬X射线能量沉积位置发射的荧光局域化，避免其传输到邻近区域形成串扰，提高了闪烁体对硬X射线图像显示的空间分辨能力。采用的中高Z元素制备的无机高速闪烁体对硬X射线具有强的吸收和荧光转换能力，结合对荧光灵敏的碱阴极，增加了光电转换效率，从而使相机对硬X射线灵敏。采用的光纤面板对硬X射线有较强的吸收，大幅度降低了硬X射线直穿形成的背景信号的干扰，提高了信噪比。采用铟封技术进行高真空密封焊接，降低了环境对阴极、电极和MCP板等敏感元件的影响，提高了相机工作的稳定性。此外，本实施例提供的一种硬X射线灵敏的分幅相机，可对硬X射线进行时空分辨的测量，在脉冲辐射探测领域具有广泛的应用前景。
实施例2
与实施例1相同的结构不再进行赘述，本实施例成像组件2为16通道的阵列式针孔，针孔直径为5mm，在阵列超快闪烁体3上产生多幅X射线源的图像。
本实施例提供的一种硬X射线灵敏的分幅相机，相比于实施例1，成像组件采用阵列针孔，结构简单，成本低廉。
实施例3
与实施例1相同的结构不再进行赘述，本实施例阵列式超快闪烁体3采用均匀掺In的透明ZnO材料，In的浓度为2×1018atom/mol,厚度为20mm，余辉时间小于100ps。
本实施例提供的一种硬X射线灵敏的分幅相机，闪烁体采用掺In的闪烁体，时间分辨可达10ps。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种硬X射线灵敏的分幅相机，其特征在于，包括：光学CCD相机主体和设置于光学CCD相机主体上的变像管，变像管外表面设有窄带滤光片，窄带滤光片外表面设有闪烁体，闪烁体外表面设有一层铝膜，变像管一侧通过选通脉冲馈入组件连接有光电子倍增组件,闪烁体接收经过成像组件成像后的X射线并转化为荧光图像；
所述变像管包括光纤面板、碱阴极、栅极、Au微带、MCP板和荧光屏；其中，光纤面板位于靠近闪烁体的一侧，光纤面板与碱阴极紧贴，碱阴极另一侧与栅极相邻，栅极另一侧与MCP板相邻，MCP板朝向栅极的一面表面设有Au微带，MCP板另一面与荧光屏相邻；
所述选通脉冲馈入组件包括PCB板、MCP微通道板、传输阻抗渐变线和微带传输线，MCP微通道板表面设有选通脉冲馈入组件Au微带。
2.如权利要求1所述的一种硬X射线灵敏的分幅相机，其特征在于，所述闪烁体采用阵列式超快闪烁体。
3.如权利要求2所述的一种硬X射线灵敏的分幅相机，其特征在于，所述阵列式超快闪烁体采用具有超快响应速度的短余辉、中高Z元素无机闪烁体，余辉时间小于1ns。
4.如权利要求1所述的一种硬X射线灵敏的分幅相机，其特征在于，所述光电子倍增组件包括通过宽带射频电缆与选通脉冲馈入组件连接的选通脉冲发生器。
5.如权利要求1所述的一种硬X射线灵敏的分幅相机，其特征在于，所述碱阴极为对超快闪烁体辐射荧光灵敏的双碱阴极或多碱阴极。
6.如权利要求1所述的一种硬X射线灵敏的分幅相机，其特征在于，所述变像管采用铟封技术进行高真空密封焊接。
7.如权利要求1所述的一种硬X射线灵敏的分幅相机，其特征在于，所述窄带滤光片长波截止波长为400nm，带宽为100nm，厚度小于0.2mm，直径小于50mm，对超快闪烁体辐射的紫外荧光透过率高于50%。
8.如权利要求1所述的一种硬X射线灵敏的分幅相机，其特征在于，所述变像管还通过高压同轴电缆连接有高压电源。
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