CN116594051B - 一种大面积高空间和时间分辨超硬x射线成像系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大面积高空间和时间分辨超硬x射线成像系统，应用于先进材料制造技术领域，其中包括：GAGG:Ce闪烁体、45°反射镜面、透镜组聚焦成像系统和单光子雪崩二极管探测器SPAD像素阵列构成的光子计数芯片；超硬x射线经过GAGG:Ce闪烁体后，产生位置分辨的荧光强度；荧光光子通过45°反射镜面和透镜组聚焦成像系统传输后，在SPAD像素阵列构成的光子计数芯片上转化为电信号输出。本发明可以在保证大面积和高空间分辨成像的同时实现10MHz以上的高速成像。

Description

一种大面积高空间和时间分辨超硬x射线成像系统
技术领域
本发明涉及辐射成像领域，更具体的说是涉及一种大面积高空间和时间分辨超硬x射线成像系统。
背景技术
150keV以上的硬X射线可以穿透厘米量级的金属材料，为材料在真实的制造和工作状态下的结构精细变化提供了重要的观测手段。这种探测能力至关重要，特别是在航空材料的结构研究、武器物理研究和新能源相关的研究领域。
大面积高空间和时间分辨超硬x射线成像装置可以为我国先进材料制造提供关键技术，可应用于高能光源γ射线、高能CT、无损探伤等产业方向，具有开阔的产业化前景及应用前景。
现有技术中常使用闪烁体与CCD或者CMOS图像传感器结合进行空间分辨的硬X射线成像。这种技术的成像速度最多可达kHz，而自由电子激光等设备可以提供MHz以上的高重复频率光源，因而需要一种新技术可以对大面积探测对象同时实现高空间分辨和超快时间分辨成像。
因此提出一种大面积高空间和时间分辨超硬x射线成像系统，来解决现有技术存在的困难，是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种大面积高空间和时间分辨超硬x射线成像系统，实现了大面积物体的高空间分辨率和高时间分辨率成像。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种大面积高空间和时间分辨超硬x射线成像系统，主要包括：
GAGG:Ce闪烁体、45°反射镜面、透镜组聚焦成像系统和光子计数芯片；
超硬x射线经过GAGG:Ce闪烁体后，产生位置分辨的荧光强度；荧光光子通过45°反射镜面和透镜组聚焦成像系统传输后，在光子计数芯片上转化为电信号输出。
可选的，光子计数芯片由单光子雪崩二极管探测器SPAD像素阵列构成。
可选的，选取的GAGG:Ce闪烁体厚度为70μm，形状为薄片，为90ns快衰减的闪烁体。
可选的，45°反射镜面和高透镜组聚焦成像系统将未在薄闪烁体上沉积能量的硬x射线移除光路。
可选的，透镜组聚焦成像系统选取4块透镜进行组合设计，分别为一块双胶合透镜以及一块凸透镜和二块凹透镜。
可选的，采用基于开关电容阵列SCA芯片的快电子学设计，光子计数芯片的成像速率达到10MHz以上。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种大面积高空间和时间分辨超硬x射线成像系统，具有以下有益效果：
(1)现有技术方案常使用闪烁体与CMOS和CCD图像传感器结合进行空间分辨的硬X射线成像，这种技术的成像速度最多可达几kHz。本发明可以在保证大面积和高空间分辨成像的同时实现10MHz以上的高速成像。
(2)高精度透镜组聚焦成像系统使得整个成像装置可以应用于高辐射场景，不需要准直器或者在光路上安装铅玻璃来阻挡高强度的x射线，从而能够有较高的图像分辨率。
(3)本发明对于150keV到MeV的高亮度超硬x射线成像的高分辨探测系统，采用几十微米的分辨的荧光转换系统和特殊设计的光学结构，对于14mm大小的物源，预计可达到50微米量级的空间分辨能力。成像系统时间分辨可到10MHz，应用到成像技术中，可得到材料内部微米量级的精细结构分辨，观察材料中微观结构的变化和材料性能的演化，为我国先进材料制造提供关键技术。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的一种大面积高空间和时间分辨超硬x射线成像场景图；
图2为本发明提供的一种大面积高空间和时间分辨超硬x射线成像的系统结构图；
其中，1-超薄GAGG:Ce闪烁体，2-45°反射镜面，3-高精度透镜组聚焦成像系统，4-单光子雪崩二极管探测器SPAD像素阵列构成的光子计数芯片；
图3为本发明的高精度透镜组聚焦成像系统布局图；
其中，S为物面，M为反射面，T为双胶合透镜，L为单透镜，N为成像面，X为透镜之间中心位置距离。
图4为本发明的大规模SPAD像素阵列。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
参照图1所示，为大面积高空间和时间分辨超硬x射线成像场景，光源点发出的光经过样品衰减后入射到大面积阵列成像装置，因而每个成像单元上的入射光强度反应了对应样品点的内部结构。
在这个观测的过程中，大面积、高空间分辨率和高时间分辨率成像都至关重要。大面积成像可以提高待研究材料的可观测范围，高空间分辨率成像可以看清楚材料内部几十微米级的精细结构，超快时间分辨成像可以帮助科学家观察材料中微观结构的变化和材料性能的演化，从而提高材料的性能和设计新的材料。
参照图2所示，本发明公开了一种大面积高空间和时间分辨超硬x射线成像系统，主要包括：
超薄GAGG:Ce闪烁体、45°反射镜面、高精度透镜组聚焦成像系统和大规模新型单光子雪崩二极管探测器(SPAD)像素阵列构成的光子计数芯片；
超硬x射线经过GAGG:Ce闪烁体后，产生位置分辨的荧光强度；荧光光子通过45°反射镜面和高精度透镜组聚焦成像系统传输后，在大规模SPAD像素阵列上转化为电信号输出。
具体的，超硬x射线经过GAGG:Ce闪烁体后，由于入射x射线在闪烁体不同位置有不同的强度，所以在闪烁体内不同位置有不同的能量沉积，从而能够产生位置分辨的荧光强度。
进一步的，选取的GAGG:Ce闪烁体厚度为70μm，形状为薄片，为90ns快衰减的闪烁体。
具体的，GAGG:Ce闪烁体可做成厚度为几十微米的薄片，具有光产额高(大于54000Photons/MeV)，快衰减(90ns)，耐潮解，以及自身没有辐射本底等优点，适合高时间分辨和高灵敏成像。
选择高发光效率的闪烁体，可以使得闪烁体尽可能的薄，从而尽量减少x射线和荧光光子漫散射带来的串扰，尽可能地保存入射x射线的位置和强度信息，提高图像的空间分辨率。本发明中选取的GAGG:Ce闪烁体厚度为70μm薄片。
选取90ns快衰减的闪烁体，是为了配合后续的大规模SPAD像素阵列，实现高速成像；同时由于GAGG:Ce晶体自身没有辐射本底，可以有效提高成像设备的信噪比，提高成像质量。
更进一步的，45°反射镜面和高精度透镜组聚焦成像系统将未在薄闪烁体上沉积能量的硬x射线移除光路，这样就只有荧光光子打在SPAD像素阵列上，从而保护SPAD像素阵列不被较强的x射线辐照。
进一步的，高精度透镜组聚焦成像系统选取4块透镜进行组合设计，分别为一块双胶合透镜以及一块凸透镜和二块凹透镜。
具体的，双胶合透镜能很好的消除光学系统产生色差，而用凹凸透镜的组合能十分有效的消除球差、慧差和改善暗角。
进一步的，采用基于开关电容阵列SCA芯片的快电子学设计，SPAD像素阵列的成像速率可达10MHz以上。
区别于传统CMOS和CCD，大规模SPAD像素阵列具有较高的探测效率，可以实现单光子成像，这样即使在前面的透镜组聚焦成像系统有大量的荧光光子损失，也能在SPAD像素阵列上成像，不需要延长曝光时间。
采用基于开关电容阵列(SCA)芯片的快电子学设计，SPAD像素阵列的成像速率可达10MHz以上，能够实现高速成像。
参照图3所示，45°反射镜面和高精度透镜组聚焦成像系统可以将未在薄闪烁体上沉积能量的硬x射线移除光路，这样只有荧光光子打在SPAD像素阵列上，从而能够保护SPAD像素阵列不被较强的x射线辐照。
高精度透镜组聚焦成像系统选取4块透镜进行组合设计。设计选取了一块双胶合透镜以及一块凸透镜和二块凹透镜。其中，S为物面，M为反射面，T为双胶合透镜，L为单透镜，N为成像面，X为透镜之间中心位置距离：X1为9.52mm，X2为15.47mm，X3为10mm，X4为12.51mm。双胶合透镜能很好的消除光学系统产生色差，而用凹凸透镜的组合能十分有效的消除球差、慧差和改善暗角。
参照图4所示，区别于传统CMOS和CCD，大规模SPAD像素阵列具有较高的探测效率，可以实现单光子成像，这样即使在前面的透镜组聚焦成像系统有大量的荧光光子损失，也能在SPAD像素阵列上成像，不需要延长曝光时间。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (4)

1.一种大面积高空间和时间分辨超硬x射线成像系统，其特征在于，主要包括：
GAGG:Ce闪烁体、45°反射镜面、透镜组聚焦成像系统和光子计数芯片；
超硬x射线经过GAGG:Ce闪烁体后，产生位置分辨的荧光强度；荧光光子依次通过45°反射镜面和透镜组聚焦成像系统传输后，在光子计数芯片上转化为电信号输出；
光子计数芯片由单光子雪崩二极管探测器SPAD像素阵列构成；
45°反射镜面和透镜组聚焦成像系统将未在薄GAGG:Ce闪烁体上沉积能量的硬x射线移除光路。
2.根据权利要求1所述的一种大面积高空间和时间分辨超硬x射线成像系统，其特征在于，
选取的GAGG:Ce闪烁体厚度为70μm，形状为薄片，为90ns快衰减的闪烁体。
3.根据权利要求1所述的一种大面积高空间和时间分辨超硬x射线成像系统，其特征在于，
透镜组聚焦成像系统选取4块透镜进行组合设计，分别为一块双胶合透镜以及一块凸透镜和二块凹透镜。
4.根据权利要求1所述的一种大面积高空间和时间分辨超硬x射线成像系统，其特征在于，
采用基于开关电容阵列SCA芯片的快电子学设计，光子计数芯片的成像速率达10MHz以上。
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