一种基于ZnO材料的超快脉冲辐射成像系统及方法技术方案

本发明专利技术提供一种基于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，本发明专利技术利用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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于辐射成像
，具体涉及一种基于ZnO材料的超快脉冲辐射成像系统。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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。本专利技术还提供了一种基于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。本专利技术的有益效果是：本专利技术系统包括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，对本专利技术作进一步的详细描述。以下实施例参照图2。本专利技术一种基于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、计本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：许孟轩，陈亮，马继明，盛亮，杨少华，段宝军，胡静，欧阳晓平，
申请(专利权)人：西北核技术研究所，
类型：发明
国别省市：陕西;61