本發(fā)明屬于輻射成像技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于ZnO材料的超快脈沖輻射成像系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

輻射成像作為診斷輻射場(chǎng)的一種傳統(tǒng)的手段，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療診斷、工業(yè)技術(shù)以及科學(xué)研究等領(lǐng)域。近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，X射線(xiàn)閃光照相、ICF等一系列大型科學(xué)裝置被研究出來(lái)以滿(mǎn)足人們向更廣更深層次探索的需求。這類(lèi)裝置產(chǎn)生的輻射場(chǎng)通常為脈沖輻射場(chǎng)，其顯著特點(diǎn)是輻射強(qiáng)度高，持續(xù)時(shí)間短。對(duì)于這類(lèi)裝置產(chǎn)生的脈沖輻射場(chǎng)的診斷，對(duì)于探究這類(lèi)裝置內(nèi)部所進(jìn)行的劇烈物理過(guò)程有著重大意義。而由于脈沖輻射場(chǎng)的特殊性，常規(guī)對(duì)于穩(wěn)態(tài)-準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)輻射場(chǎng)的診斷方法往往不適應(yīng)于脈沖輻射場(chǎng)的診斷，對(duì)相應(yīng)的診斷系統(tǒng)提出了新的要求。

對(duì)于面向脈沖輻射場(chǎng)的輻射成像系統(tǒng)而言，系統(tǒng)的時(shí)間分辨率尤其重要，而該參數(shù)直接受成像屏的發(fā)光衰減時(shí)間制約；成像屏發(fā)光衰減時(shí)間越長(zhǎng)，屏幕余輝越長(zhǎng)，在連續(xù)成像中的某一時(shí)刻成像結(jié)果受之前時(shí)刻成像結(jié)果的影響越大，系統(tǒng)的時(shí)間分辨率越差。因此，對(duì)于脈沖輻射成像系統(tǒng)，成像屏的發(fā)光衰減時(shí)間應(yīng)足夠短。

傳統(tǒng)的成像系統(tǒng)的成像屏有很多類(lèi)，以材料種類(lèi)來(lái)區(qū)分可以分為基于有機(jī)閃爍體的成像屏(主要由聚苯乙烯為基質(zhì)的塑料閃爍體)以及基于無(wú)機(jī)閃爍體的成像屏(如NaI、CsI:Na、LSO等)。其中基于有機(jī)閃爍體的成像屏空間分辨率不佳，同時(shí)對(duì)X射線(xiàn)也不敏感；NaI以及CsI:Na等材料光產(chǎn)額高，然而存在潮解問(wèn)題，材料的變性以及對(duì)閃爍材料的封裝將對(duì)成像質(zhì)量產(chǎn)生很大影響；LSO等材料空間分辨率高，然而衰減時(shí)間長(zhǎng)，產(chǎn)生的余輝與屏幕上正在顯現(xiàn)的圖像疊加使得結(jié)果劣化，不適合快物理過(guò)程的診斷；因此在脈沖輻射場(chǎng)的成像診斷上，需要性能更加優(yōu)越的成像屏來(lái)達(dá)到要求。

ZnO作為一種閃爍體材料，很早就被報(bào)道具有亞納秒的時(shí)間響應(yīng)，同時(shí)發(fā)光波長(zhǎng)位于380-400nm之間，能夠和現(xiàn)有大部分光電器件相耦合。而ZnO遲遲沒(méi)有被應(yīng)用為輻射成像屏，主要受制于以下兩點(diǎn)：(1)、大尺寸ZnO晶體難以獲得；(2)、ZnO發(fā)光相對(duì)較弱。如今隨著晶體生長(zhǎng)工藝的發(fā)展，國(guó)內(nèi)已經(jīng)能夠通過(guò)水熱法生長(zhǎng)出大尺寸ZnO單晶晶體，同時(shí)ZnO在低溫狀態(tài)下光產(chǎn)額能大大提升；這使得ZnO能夠滿(mǎn)足作為成像屏的應(yīng)用需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種基于ZnO材料的超快脈沖輻射成像系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的成像分辨率及成像質(zhì)量。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是提供一種基于ZnO材料的超快脈沖輻射成像系統(tǒng)，包括暗箱、光學(xué)反射鏡、光學(xué)變焦鏡頭、高速成像設(shè)備和計(jì)算機(jī)，其特別之處在于：還包括ZnO成像屏和低溫制冷系統(tǒng)；

上述低溫制冷系統(tǒng)包括接觸式低溫傳導(dǎo)模塊、低溫制冷循環(huán)模塊、溫度監(jiān)測(cè)及控制模塊、真空室以及真空泵；

上述ZnO成像屏與接觸式低溫傳導(dǎo)模塊耦合；上述低溫制冷循環(huán)模塊對(duì)接觸式低溫傳導(dǎo)模塊以及ZnO成像屏制冷；上述溫度監(jiān)測(cè)及控制模塊通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控接觸式低溫傳導(dǎo)模塊以及ZnO成像屏的溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)ZnO成像屏的溫度控制；

上述ZnO成像屏與接觸式低溫傳導(dǎo)模塊位于真空室中；上述真空泵對(duì)真空室抽真空；上述真空室室壁上開(kāi)有成像窗口，該成像窗口能夠透過(guò)射線(xiàn)以及ZnO成像屏發(fā)出的光；

上述光學(xué)反射鏡位于射線(xiàn)出射方向，將ZnO成像屏發(fā)的光反射偏離射線(xiàn)發(fā)射方向；所述光學(xué)反射鏡、接觸式低溫傳導(dǎo)模塊、成像窗口以及ZnO成像屏的幾何中心處于一條直線(xiàn)上；

上述光學(xué)變焦鏡頭與高速成像設(shè)備耦合，上述高速成像設(shè)備與計(jì)算機(jī)連接；

上述ZnO成像屏、真空室、接觸式低溫傳導(dǎo)模塊、光學(xué)反射鏡、光學(xué)變焦鏡頭以及高速成像設(shè)備置于暗箱中，成像過(guò)程中暗箱10緊閉以盡量減少外界光源干擾。

上述ZnO成像屏的材料為摻雜的ZnO單晶，摻雜元素為鎵、銦、鐵等；ZnO成像屏的厚度為1～5mm，為四邊形或者圓形，大小尺寸為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％同時(shí)對(duì)X射線(xiàn)不強(qiáng)烈吸收，使之能較好地透過(guò)X射線(xiàn)和可見(jiàn)光。

優(yōu)選的上述成像窗口的材料為石英玻璃。

上述光學(xué)反射鏡與射線(xiàn)出射方向呈45°角。

上述低溫制冷循環(huán)模塊的制冷方式為液氮或液氦制冷，制冷溫度可調(diào)。

上述光學(xué)變焦鏡頭為小焦距、大景深Cannon變焦鏡頭。

上述高速成像設(shè)備為相鄰兩次曝光間隔低于10ns的分幅相機(jī)。光學(xué)變焦鏡頭7與高速成像設(shè)備8耦合方式為轉(zhuǎn)接口耦合。

本發(fā)明還提供了一種基于ZnO材料的超快脈沖輻射成像方法，包括以下步驟：

步驟一：調(diào)整診斷對(duì)象、厚針孔與光學(xué)反射鏡的幾何中心處于一條直線(xiàn)上；

步驟二：調(diào)整光學(xué)變焦鏡頭、高速成像設(shè)備以及光學(xué)反射鏡的幾何中心處于一條直線(xiàn)上；

步驟三：調(diào)整光學(xué)變焦鏡頭的焦距以及位置，使得ZnO成像屏處于光學(xué)變焦鏡頭焦平面上，將ZnO成像屏所處位置記為初始位置；

步驟四：取出ZnO成像屏，將分辨板放入步驟三中的初始位置確定視場(chǎng)大小以及系統(tǒng)分辨率；將分辨板取出，再將ZnO成像屏放回步驟三中的初始位置；

步驟五：打開(kāi)真空泵抽真空，抽到至少10^-2Pa量級(jí)后停止；

步驟六：根據(jù)ZnO成像屏的發(fā)光強(qiáng)度變化情況設(shè)置溫度監(jiān)測(cè)及控制模塊的制冷溫度；根據(jù)ZnO成像屏的光產(chǎn)額設(shè)置高速成像設(shè)備的增益；并設(shè)置高速成像設(shè)備的冷卻溫度、曝光時(shí)間、相鄰兩次曝光之間時(shí)間間隔以及診斷對(duì)象與高速成像設(shè)備之間的時(shí)間關(guān)聯(lián)關(guān)系；

步驟七：對(duì)診斷對(duì)象進(jìn)行成像；

步驟八：成像完畢后，關(guān)閉高速成像設(shè)備和低溫制冷系統(tǒng)，打開(kāi)真空閥門(mén)將真空室恢復(fù)到大氣壓；

步驟九：對(duì)獲得的成像圖像進(jìn)行降噪、背景扣除以及信息提取，得出最終的高時(shí)間分辨的成像結(jié)果。

上述分辨板為厚度與ZnO成像屏一致的塑料板，其表面有刻度和不同密度的黑白條紋。

本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明系統(tǒng)包括ZnO成像屏、接觸式低溫傳導(dǎo)模塊、低溫制冷循環(huán)模塊、溫度監(jiān)測(cè)及控制模塊、真空室、光學(xué)反射鏡、光學(xué)變焦鏡頭、高速成像設(shè)備、計(jì)算機(jī)、暗箱、脈沖射線(xiàn)、真空泵、成像窗口。其中接觸式低溫傳導(dǎo)模塊、低溫制冷循環(huán)模塊、溫度監(jiān)測(cè)及控制模塊、真空室以及真空泵組成的低溫制冷系統(tǒng)將ZnO成像屏制冷至設(shè)置溫度，以提升ZnO的光產(chǎn)額。脈沖射線(xiàn)入射至ZnO成像屏并沉積能量引起ZnO成像屏發(fā)出熒光，ZnO成像屏發(fā)出的熒光經(jīng)光學(xué)反射鏡反射至光學(xué)變焦鏡頭被高速成像設(shè)備捕獲，形成清晰的圖像。相對(duì)于傳統(tǒng)成像系統(tǒng)，基于ZnO材料的超快脈沖輻射成像系統(tǒng)利用ZnO材料的發(fā)光衰減時(shí)間快以及低溫下光產(chǎn)額提升的特點(diǎn)，使得系統(tǒng)能夠在保持高圖像質(zhì)量的情況下對(duì)脈沖輻射場(chǎng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行高時(shí)間分辨成像，實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖輻射場(chǎng)一系列快物理過(guò)程的診斷。

附圖說(shuō)明

圖1為基于ZnO材料的超快脈沖輻射成像系統(tǒng)示意圖。

圖2為基于ZnO材料的超快脈沖輻射成像系統(tǒng)對(duì)脈沖輻射場(chǎng)診斷示意圖。

圖3為厚針孔成像原理簡(jiǎn)化示意圖。

圖中，1-ZnO成像屏，2-接觸式低溫傳導(dǎo)模塊，3-低溫制冷循環(huán)模塊，4-溫度監(jiān)測(cè)及控制模塊，5-真空室，6-光學(xué)反射鏡，7-光學(xué)變焦鏡頭，8-高速成像設(shè)備，9-計(jì)算機(jī)，10-暗箱，11-脈沖射線(xiàn)，12-真空泵，13-成像窗口，14-厚針孔，15-診斷對(duì)象。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖及具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

以下實(shí)施例參照?qǐng)D2。

本發(fā)明一種基于ZnO材料的超快脈沖輻射成像系統(tǒng)包括ZnO成像屏1、接觸式低溫傳導(dǎo)模塊2、低溫制冷循環(huán)模塊3、溫度監(jiān)測(cè)及控制模塊4、真空室5、光學(xué)反射鏡6、光學(xué)變焦鏡頭7、高速成像設(shè)備8、計(jì)算機(jī)9、暗箱10、脈沖射線(xiàn)11、真空泵12和成像窗口13。

其中ZnO成像屏1的材料為摻雜的ZnO單晶，通過(guò)水熱法生長(zhǎng)出大尺寸ZnO單晶晶體，其厚度為1～5mm，為四邊形或者圓形，尺寸為50-100mm；接觸式低溫傳導(dǎo)模塊2、低溫制冷循環(huán)模塊3、溫度監(jiān)測(cè)及控制模塊4、真空室5以及真空泵12組成低溫制冷系統(tǒng)。ZnO成像屏1與低溫傳導(dǎo)模塊2直接耦合，接觸式低溫傳導(dǎo)模塊2尺寸大于ZnO成像屏1；低溫制冷循環(huán)模塊3對(duì)接觸式低溫傳導(dǎo)模塊2以及ZnO成像屏1制冷，溫度監(jiān)測(cè)及控制模塊4通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控接觸式低溫傳導(dǎo)模塊2以及ZnO成像屏1的溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)ZnO成像屏1的溫度控制。低溫制冷循環(huán)模塊3的制冷方式為液氮或液氦制冷，制冷溫度可調(diào)。ZnO成像屏1與低溫傳導(dǎo)模塊2位于真空室5中；成像過(guò)程中，真空室5通過(guò)真空泵12抽成真空狀態(tài)；ZnO成像屏1與光學(xué)反射鏡6之間的室壁上開(kāi)有成像窗口13，成像窗口13尺寸大于ZnO成像屏1的尺寸，材料為透射率高于90％的石英玻璃，能夠透過(guò)射線(xiàn)以及ZnO成像屏1發(fā)出的光；光學(xué)反射鏡6放置于射線(xiàn)發(fā)射方向上，與射線(xiàn)發(fā)射方向呈45°角，其形狀為矩形，為鍍鋁膜反射鏡或鍍銀膜反射鏡，邊長(zhǎng)100-200mm，厚度低于1mm，厚度越薄，對(duì)于X射線(xiàn)的吸收越低；作用為將ZnO成像屏1發(fā)的光進(jìn)行反射使之偏離射線(xiàn)發(fā)射方向，同時(shí)透過(guò)穿透性較強(qiáng)的射線(xiàn)以防對(duì)光學(xué)變焦鏡頭7以及高速成像設(shè)備8產(chǎn)生影響。所述的影響是射線(xiàn)直接與光學(xué)變焦鏡頭7、高速成像設(shè)備8或者信號(hào)傳輸線(xiàn)反應(yīng)，從而對(duì)信號(hào)產(chǎn)生擾動(dòng)或者使內(nèi)部元件產(chǎn)生故障以及損壞。光學(xué)變焦鏡頭7與高速成像設(shè)備8耦合，光學(xué)變焦鏡頭7中測(cè)得的圖像經(jīng)過(guò)高速成像設(shè)備8記錄后，傳輸?shù)接?jì)算機(jī)9中保存用于分析處理。其中光學(xué)變焦鏡頭7為小焦距、大景深Cannon變焦鏡頭。高速成像設(shè)備8為相鄰兩次曝光間隔低于10ns的分幅相機(jī)。光學(xué)變焦鏡頭7與高速成像設(shè)備8耦合方式為轉(zhuǎn)接口耦合。暗箱10內(nèi)部涂有黑色涂料或者襯有黑色絨布，目的為吸收雜散光。暗箱內(nèi)外信號(hào)傳輸可以通過(guò)在暗箱上安裝轉(zhuǎn)接口或者在暗箱上開(kāi)信號(hào)電纜大小的孔來(lái)實(shí)現(xiàn)。ZnO成像屏1、接觸式低溫傳導(dǎo)模塊2、真空室5、成像窗口13、光學(xué)反射鏡6、光學(xué)變焦鏡頭7以及高速成像設(shè)備8置于暗箱10中，所以暗箱10大小取決于上述所組成系統(tǒng)的大小。成像過(guò)程中暗箱10緊閉以盡量減少外界光源干擾。

本發(fā)明的具體工作過(guò)程如下：

1：確定診斷對(duì)象15、厚針孔14、光學(xué)反射鏡6、接觸式低溫傳導(dǎo)模塊2、成像窗口13以及ZnO成像屏1的相對(duì)位置，使得上述部件的幾何中心嚴(yán)格處于一條直線(xiàn)上，同時(shí)脈沖射線(xiàn)11能夠順利通過(guò)針孔到達(dá)ZnO成像屏1。

ZnO成像屏1置于光學(xué)變焦鏡頭7的焦平面上，診斷對(duì)象15在ZnO成像屏1中所成的像不大于視場(chǎng)。

厚針孔14材料取決于脈沖射線(xiàn)11的種類(lèi)，厚針孔14內(nèi)徑D小于500um，外尺寸D1應(yīng)大于ZnO成像屏1的尺寸防止ZnO成像屏1受到?jīng)]有從針孔處通過(guò)的射線(xiàn)照射，厚針孔14的厚度L應(yīng)足夠厚以能夠?qū)⑨樋滋幰酝獯┻^(guò)的脈沖射線(xiàn)強(qiáng)度降低兩個(gè)量級(jí)以上。厚針孔的放置位置取決于ZnO成像屏1上所成的像的尺寸相對(duì)于診斷對(duì)象15的尺寸的放大程度H1/H。

為更具體說(shuō)明，圖3為厚針孔成像原理簡(jiǎn)化示意圖。厚針孔14的厚度為L(zhǎng)、內(nèi)徑為D、診斷對(duì)象15離厚針孔中心距離L2、ZnO成像屏1離厚針孔中心距離L3；此時(shí)ZnO成像屏1上所成像大小H1＝2D·L3/L；同時(shí)也有H＝2D·L2/L；則放大倍數(shù)H1/H＝L3/L2。

2：確定光學(xué)變焦鏡頭7、高速成像設(shè)備8以及光學(xué)反射鏡6的相對(duì)位置，使得上述部件的幾何中心嚴(yán)格處于一條直線(xiàn)上，使得ZnO成像屏1經(jīng)脈沖射線(xiàn)11激發(fā)后發(fā)出的熒光能經(jīng)過(guò)成像窗口13后被光學(xué)反射鏡6反射順利達(dá)到光學(xué)變焦鏡頭7。

3：調(diào)整好光學(xué)變焦鏡頭7的焦距以及位置，使得ZnO成像屏1處于光學(xué)變焦鏡頭焦平面上，將ZnO成像品1所處位置記為初始位置。

4：暫時(shí)取出ZnO成像屏1，將分辨板放入步驟3中的初始位置確定視場(chǎng)大小以及系統(tǒng)分辨率；將分辨板取出，在將ZnO成像屏1放回于步驟3中的初始位置。

分辨板為厚度與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條紋。通過(guò)分辨視場(chǎng)中的刻度范圍確定視場(chǎng)的大??；通過(guò)視場(chǎng)中能分辨最密的黑白條紋來(lái)確定系統(tǒng)的分辨率。

5：打開(kāi)真空泵12抽真空，一直抽到至少10^-2Pa量級(jí)后停止。

真空泵12對(duì)真空室5抽真空應(yīng)至少抽到10^-2Pa量級(jí)，真空度越高，ZnO成像屏1上的低溫越容易保持。

6：設(shè)置好溫度監(jiān)測(cè)及控制模塊4的制冷溫度；設(shè)置好高速成像設(shè)備8的增益、冷卻溫度、曝光時(shí)間、相鄰兩次曝光之間時(shí)間間隔以及和診斷對(duì)象15與高速成像設(shè)備8之間的時(shí)間關(guān)聯(lián)關(guān)系。

溫度及控制模塊4的制冷溫度根據(jù)ZnO成像屏1的發(fā)光強(qiáng)度變化情況設(shè)置；制冷溫度越低，ZnO成像屏1的光產(chǎn)額越高。往往實(shí)驗(yàn)中需要先對(duì)診斷對(duì)象進(jìn)行成像，然后根據(jù)成像的結(jié)果調(diào)整參數(shù)(比如如果亮度太差，就需要進(jìn)一步降低溫度；如果亮度太高，就適當(dāng)升高溫度)。

高速成像設(shè)備8的增益指的是對(duì)成像結(jié)果的灰度值的增益，增益的具體值設(shè)置取決于ZnO成像屏1的光產(chǎn)額，ZnO成像屏1的光產(chǎn)額足夠高時(shí)，增益的值可以選擇一個(gè)比較小的值；反之，當(dāng)ZnO成像屏1的光產(chǎn)額不夠，增益的值應(yīng)該選擇一個(gè)比較大的值。

高速成像設(shè)備8的冷卻溫度越低，熱噪聲越小，信噪比越好。

高速成像設(shè)備8的曝光時(shí)間指的是對(duì)單幅圖像采集的曝光時(shí)間，曝光時(shí)間越短，圖像亮度越低，但若亮度足夠的情況下，曝光時(shí)間越短，圖像的清晰度越高。

高速成像設(shè)備8的相鄰兩次曝光之間時(shí)間間隔指的是相鄰兩幅圖像之間的時(shí)間間隔，在保證圖像的清晰度的情況下，曝光時(shí)間和相鄰兩次曝光時(shí)間間隔越短，系統(tǒng)的時(shí)間分辨率越高。

診斷對(duì)象15與高速成像設(shè)備8之間的時(shí)間關(guān)聯(lián)關(guān)系指的是診斷對(duì)象15發(fā)出射線(xiàn)與高速成像設(shè)備8開(kāi)始拍照的時(shí)間點(diǎn)在時(shí)間上的同步關(guān)系，診斷對(duì)象15發(fā)出射線(xiàn)，使得ZnO成像屏1發(fā)光，發(fā)出的光經(jīng)光學(xué)反射鏡6反射進(jìn)入光學(xué)變焦鏡頭7和高速成像設(shè)備8時(shí)，此時(shí)高速成像設(shè)備8應(yīng)該處于曝光狀態(tài)。

7：對(duì)診斷對(duì)象15進(jìn)行成像。

8：成像完畢后，關(guān)閉高速成像設(shè)備8和低溫制冷系統(tǒng)，打開(kāi)真空閥門(mén)將真空室5恢復(fù)到大氣壓。

9：對(duì)獲得的成像圖像進(jìn)行降噪、背景扣除以及信息提取，得出最終的高時(shí)間分辨的成像結(jié)果。

本發(fā)明的原理是：

診斷對(duì)象產(chǎn)生脈沖射線(xiàn)，脈沖射線(xiàn)入射至ZnO成像屏并沉積能量引起ZnO成像屏發(fā)出熒光，ZnO成像屏發(fā)出的熒光經(jīng)光學(xué)反射鏡反射至光學(xué)變焦鏡頭被高速成像設(shè)備捕獲，形成清晰的圖像。

ZnO的發(fā)光衰減時(shí)間能夠達(dá)到亞納秒，ZnO成像屏與高速成像系統(tǒng)搭配能夠有更高的時(shí)間分辨率，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)更快物理過(guò)程的診斷。

ZnO在低溫條件下光產(chǎn)額能夠大幅增加，通過(guò)低溫制冷系統(tǒng)對(duì)ZnO成像屏工作溫度進(jìn)行控制，可以得到更高質(zhì)量的圖像。