基于荧光靶的逆康普顿γ射线束流探测系统及探测方法

基于荧光靶的逆康普顿
γ
射线束流探测系统及探测方法
技术领域
1.本发明涉及逆康普顿射线探测技术领域，具体地，本发明涉及一种基于荧光靶的逆康普顿γ射线束流探测系统及探测方法。


背景技术：

2.逆康普顿激光伽马光源属于第三代同步辐射光源，具有连续或多点调节，极化率高，单色性好等特点，对核结构研究、核数据测量、核天体物理研究等多个方面具有重大意义。γ射线位置以及束斑尺寸对储存环调束、光束调试、光束稳定性、光束强度分布以及利用线站开展实验测量及应用研究都是非常重要的参数，测量光束位置及光斑尺寸最直观的方式利用γ光束剖面成像来评估光束的空间分布，从而得到光斑位置及尺寸等信息。
3.由于闪烁体探测器具有分辨率高、灵敏度强、使用寿命长等特点已经被广泛应用于高能射线的测量，闪烁体探测技术主要是利用高能射线打在某种晶体或荧光粉上激发出可见光，后用相机拍摄得到激发的可见光信号从而得到γ射线等高能射线的位置和空间分布等信息。
4.由于国内外第三代同步辐射光源线站数量较少，且各线站射线束的性能及参数有所差别，不同性能射线束对探测系统要求不尽相同，所以目前没有商业化的射线束流探测器可供购买，且现有的逆康普顿γ射线束流探测系统受环境影响较大，无法精准分析伽马射线的位置及空间分布。


技术实现要素：

5.为了解决上述问题，本发明基于荧光靶构建逆康普顿γ射线束流探测系统以及探测方法，能够极大提高伽马射线测量的准确度。
6.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.一种基于荧光靶的逆康普顿γ射线束流探测系统，包括暗箱、支撑暗箱使其在水平和竖直方向可移动的支架，所述暗箱的两侧分别设置有第一铝窗和第二铝窗，顶部设置有伸缩气缸和相机；所述暗箱的内部靠近第一铝窗和第二铝窗的位置分别设置有荧光靶和反射镜；所述暗箱的内部在相机的下方还连接有光学镜头。
8.所述反射镜与荧光靶之间通过靶镜连接架连接。
9.所述伸缩气缸设置于所述荧光靶的正上方，并与荧光靶相连。
10.所述第一铝窗和第二铝窗为3mm-5mm厚的圆形铝制薄片通过密封加固方式固定在暗箱上，从而使暗箱的腔体完全封闭，且暗箱的内表面做阳极氧化处理，即当被待测逆康普顿射线束照射时可发生光电效应且具有较高的发光效率。
11.所述荧光靶的尺寸与第一铝窗和第二铝窗一致，厚度小于光学镜头的景深大小。
12.所述相机为高量子效率高灵敏度低暗电流噪声的ccd相机、cmos相机、scmos相机或emccd相机，且其传感器在荧光靶的荧光发射波长范围有较高的波长灵敏度。
13.所述反射镜为镀银或镀铝紫外及可见光高反射平面镜，在水平方向上，过荧光靶
中心线穿过反射镜中心且反射镜与荧光靶成45
°
夹角；在竖直方向上，过光学镜头中心线穿过反射镜中心且反射镜与光学镜头成45
°
夹角。
14.所述光学镜头为定焦镜。
15.一种如上所述的基于荧光靶的逆康普顿γ射线束流探测系统的探测方法，其特征在于，包括如下步骤：
16.步骤一：调节荧光靶与反射镜与第一铝窗和第二铝窗的中心线重合，调节光学镜头焦平面使整个荧光靶面在相机上完整成像；
17.步骤二：对相机进行标定，求得成像放大倍率：其中：l0是相机传感器水平方向长度、lf是水平方向拍摄实际尺寸、h0是相机传感器竖直方向长度、hf是竖直方向拍摄实际尺寸；
18.步骤三：采集本底图像
19.环境中的高能射线穿过荧光靶时发生光电效应产生荧光光斑，荧光靶上的光斑经过反射镜改变光路为垂直向上后通过光学镜头成像在相机上，获得本底图像；
20.步骤四：采集信息图像
21.打开逆康普顿γ射线开关，待测逆康普顿γ射线束流垂直穿过暗箱所设置的第一铝窗和荧光靶后，45
°
角穿过反射镜后垂直经过第二铝窗射出暗箱；逆康普顿射γ射线束流与荧光靶发生荧光效应产生荧光光斑，荧光靶上的光斑经过反射镜改变光路为垂直向上后通过光学镜头成像在相机上，获得信息图像；在测试结束后，控制伸缩气缸使荧光靶和反射镜移出逆康普顿射线位置；
22.步骤五：用步骤四采集到的信息图像减掉步骤三采集到的本底图像，得到所测逆康普顿γ射线束流图像，对束流图像进行n
×
n像素合并后利用绘图工具使其可视化；
23.步骤六：利用算法对步骤五的束流图像光斑进行圆拟合，获得拟合圆圆心坐标x0，y0；逆康普顿γ射线束流位置由x，y坐标确定，以图像左上角对应的实际位置为原点，水平向右和竖直向下为正方向；x,y值为与原点相对应的实际距离，通过公式求得：
24.根据光斑灰度，设置合理阈值，提取满足阈值的像素点个数即为光斑的所占的像素点个数n，则实际光斑尺寸：其中a为相机的单像素尺寸，m为成像放大倍率，n为像素合并数。
25.与现有技术相比，本发明的有益效果是：本设计充分考虑了环境中其他辐射与闪烁体发生荧光效应产生的可见光以及环境中的可见光对逆康普顿γ射线束流探测的直接或间接影响，通过对逆康普顿γ射线束流探测系统及其探测方法的改进，极大的提高了逆康普顿γ射线束流探测的准确度。
26.本发明所述一种基于荧光靶的逆康普顿γ射线束流探测系统及其探测方法，可针对不同线站的性能参数进行调整，只需一次标定相机，操作简单易实现，且给出了光斑尺寸及位置的计算方法。
附图说明
27.图1为本发明一种基于荧光靶的逆康普顿γ射线束流探测系统在测试状态下的结构示意图。
28.图2为本发明一种基于荧光靶的逆康普顿γ射线束流探测系统结束测试后的结构示意图。
29.图3为本发明一种基于荧光靶的逆康普顿γ射线束流探测系统内部结构方位示意图。
30.图4为本发明逆康普顿γ射线束流图像获取流程图。
具体实施方式
31.下面将结合本发明实施例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。
32.如图1所示，本案提供一种基于荧光靶的逆康普顿γ射线束流探测系统，包括暗箱2、支撑暗箱2使其在水平和竖直方向可移动的支架1，所述暗箱2的两侧分别设置有第一铝窗3和第二铝窗8，顶部设置有伸缩气缸5和相机6；所述暗箱2的内部靠近第一铝窗3的位置设置有与所述伸缩气缸5相连的荧光靶4，靠近第二铝窗8的位置设置有反射镜9；所述反射镜9与荧光靶4之间通过靶镜连接架10连接；所述暗箱2的内部在相机6的下方还连接有光学镜头7。
33.待测逆康普顿γ射线束流通过准直器控制，本实施例中第一铝窗3和第二铝窗8为厚度5mm的铝材，通过cf100法兰固定在暗箱2的两侧面上，使得整个腔体完全封闭且在暗箱2的内表面做阳极氧化处理。
34.所述相机6采用高量子效率高灵敏度低暗电流噪声的ccd相机、cmos相机、scmos相机或emccd相机均可，在本实施例中使用zwo6200mm-pro制冷cmos相机，其图像传感器尺寸为36mm
×
24mm，分辨率为9576
×
6388，单像素尺寸为3.76um，且传感器在420nm波长处有较高的波长灵敏度和量子效率。
35.所述反射镜9为镀银或镀铝紫外及可见光高反射平面镜，如图3所示，在水平方向上，过荧光靶4中心线穿过反射镜9中心且反射镜9与荧光靶4成45
°
夹角；在竖直方向上，过光学镜头7中心线穿过反射镜9中心且反射镜9与光学镜头7成45
°
夹角。本实施例中荧光靶4中心到反射镜9中心距离l1与反射镜9到光学镜头7的距离l2之和为48cm，即物距为48cm，调节光学镜头焦平面使整个荧光靶面在相机上完整且清晰成像。
36.所述光学镜头采用f2.8、f100mm定焦镜头，景深可由下式求得：
[0037][0038]
其中p1、p2分别为近景平面距离和远景平面距离，计算时用物距代替。将物距48cm，∈＝5um，f＝2.8，焦距f＝100mm代入上式求得景深大小为1.29mm，荧光靶4的厚度应小于1.29mm，本实施例中荧光靶4采用厚的lyso闪烁晶体，发射荧光中心波长
为420nm，对其两面做抛光处理。
[0039]
本实施案例中一种基于荧光靶的逆康普顿γ射线束流探测方法如下：
[0040]
步骤一：调节荧光靶4与反射镜9与第一铝窗3和第二铝窗8的中心线重合，调节光学镜头7焦平面使整个荧光靶面在相机上完整成像；
[0041]
步骤二：对相机进行标定，拍摄视野实际尺寸为900mm
×
600mm，即lf＝90cm，hf＝60cm，求得成像放大倍率：
[0042]
步骤三：采集本底图像
[0043]
环境中的高能射线穿过荧光靶4时发生光电效应产生荧光光斑，荧光靶4上的光斑经过反射镜9改变光路为垂直向上后通过光学镜头7成像在相机6上，获得本底图像；
[0044]
步骤四：打开逆康普顿γ射线开关，待测逆康普顿γ射线束流垂直穿过暗箱2所设置的第一铝窗3和荧光靶4后，45
°
角穿过反射镜9后垂直经过第二铝窗8射出暗箱2；如图3所示，逆康普顿射γ射线束流与荧光靶4发生荧光效应产生荧光光斑，荧光靶4上的光斑经过反射镜9改变光路为垂直向上后通过光学镜头7成像在相机6上，获得信息图像；在测试结束后，控制伸缩气缸5使荧光靶4及其通过靶镜连接架10连接的反射镜9移出逆康普顿射线位置(如图2)，防止由于阻挡式测量而产生的康普顿射线束能量及数量的损失。
[0045]
步骤五：如图4所示，用步骤四采集到的信息图像减掉步骤三采集到的本底图像，得到所测逆康普顿γ射线束流图像，后对束流图像进行4*4像素合并后利用绘图工具将束流信息图像可视化。
[0046]
步骤六：通过对束流图像进行处理，利用算法对束流图像光斑进行圆拟合，得到拟合圆圆心坐标(1036，800)，逆康普顿γ射线束流位置可由(x，y)坐标确定，
[0047][0048][0049]
则逆康普顿γ射线位置(x，y)为以图像左上角对应的实际位置为原点，水平向右38.9mm和竖直向下30.08mm处。
[0050]
根据光斑灰度，设置合理阈值，提取满足阈值的像素点个数即为光斑的所占的像素点个数1840960，则可求得实际光斑尺寸：
[0051][0052]
与边长为20mm的正六边形准直器较好的吻合。通过像素合并后将束流信息图像可视化，可清晰看到逆康普顿γ射线束空间分布情况，可指导准直器及射线束的调节。
[0053]
虽然在上文中已经参考实施例对本发明进行了描述，然而在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，本发明所披露的实施例中的各项特征均可通过任意方式相互结合起来使用，在本说明书中未对这些组合的情况进行穷举性的描述仅仅是出于省略篇幅和节约资源的考虑。因此，本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所
有技术方案。