一种百keV脉冲X射线源高帧频多分幅成像系统及方法与流程

本发明涉及一种x射线源高帧频多分幅成像系统及方法，具体涉及一种百kev脉冲x射线源高帧频多分幅成像系统及方法。

背景技术：

1、脉冲辐射源多分幅成像技术能够反映辐射源强度分布随时间的演化过程，为装置改进物理设计和性能提升提供依据。

2、田进寿在《条纹及分幅相机技术发展概述[j].强激光与粒子束,2020,32:112003.doi:10.11884/hplpb202032.200119》中介绍了目前脉冲辐射源多分幅成像的主要技术方法，总体概括为3种：一是像增强器选通型分幅相机：采用分光棱镜将闪烁体转化的可见光图像分光到多台iccd相机，每台iccd相机记录一幅曝光时间2ns～ms的图像；二是行波选通型分幅相机：采用针孔阵列将x射线图像分到像增强器微带的不同区域，快门电脉冲在微带上传输，选通区域的光电子得到倍增，成像到荧光屏上；三是扫描分幅相机：闪烁体转化的可见光图像入射到光阴极产生光电子图像，经加速聚焦成一条很细的电子束，斜坡电压使聚焦光电子束扫描进入多缝光阑，每个光阑缝曝光记录一幅图像。典型商业化扫描分幅相机可采集1～8幅曝光时间50ns～ms的图像，幅间隔300ns～10ms可调。

3、以上技术方法有各自的优势，但应用于百kev脉冲x射线辐射源分幅成像时存在以下不足：像增强器选通型分幅相机图像画幅数取决于iccd相机个数，造价昂贵，多画幅成像时系统规模偏大。行波选通型分幅相机的微带线兼具光电阴极和传输线的双层功能，很难实现可见光波段成像。此外，由于百kevx射线的强穿透能力，需要钨合金厚针孔对x射线成像，而钨合金厚针孔阵列加工难度大，工艺要求高。扫描分幅相机画幅数偏少，单画幅曝光时间偏长，帧频率小于2.86×106，难以满足百kev脉冲x射线分幅成像需求。

4、压缩感知超快成像技术是基于扫描分幅技术原理发展而来的。gao liang在nature上发表的“single-shot compressed ultrafast photography at one hundredbillion frames per second”一文介绍了该方法，可实现单次不可重复激光光斑运动过程的多画幅成像，画幅数为350。但是该系统中狭缝最大开缝宽度～5mm，对应的ccd相机像素阵列较小(150×150)，造成空间分辨率降低；全程扫描时间偏短220ps，无法涵盖脉冲x射线源十ns～百ns发光过程；采用分束立方及多透镜传像，光传输效率偏低，编码图像边缘存在畸变。

技术实现思路

1、本发明的主要目的主要是解决现有单次不可重复百kev脉冲x射线源多画幅二维时间序列图像获取时，存在空间分辨率降低、无法涵盖脉冲x射线源十ns～百ns发光过程、光传输效率偏低、编码图像边缘存在畸变等技术问题，提供一种百kev脉冲x射线源高帧频多分幅成像系统及方法。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种百kev脉冲x射线源高帧频多分幅成像系统，其特殊之处在于：包括金属暗箱、设置在金属暗箱外部的闪烁体和脉冲信号发生器，以及设置在金属暗箱内部的第一镜头、可调狭缝、透射式编码版、中继镜头、大面阵球面光阴极条纹管、像增强器、第二镜头和cmos相机；

4、所述闪烁体靠近待测脉冲功率加速器的阳极设置，用于将待测脉冲功率加速器产生的x射线图像转换为可见光图像出射，金属暗箱设置有供闪烁体出射成像光路穿过的通孔，第一镜头、可调狭缝、中继镜头、大面阵球面光阴极条纹管、像增强器、第二镜头和cmos相机沿闪烁体出射的成像光路在金属暗箱内依次设置，透射式编码版设置在可调狭缝的中部；

5、所述脉冲信号发生器的输入端与待测脉冲功率加速器连接，输出端与大面阵球面光阴极条纹管、像增强器、cmos相机连接，脉冲信号发生器接收到待测脉冲功率加速器的触发信号后，输出触发信号到大面阵球面光阴极条纹管、像增强器、cmos相机；

6、所述可调狭缝的宽度调节范围为10mm～20mm。

7、进一步地，还包括设置在金属暗箱内部，且位于闪烁体成像光路的反射镜。第一镜头位于反射镜的反射光路上。

8、进一步地，所述透射式编码版为像素尺寸aμm×aμm的随机编码，透光像素的个数比例为20％～50％，其中，a的取值范围为：100～140。

9、进一步地，所述大面阵球面光阴极条纹管的全程扫描时间调节范围为100ns～1μs。

10、进一步地，所述大面阵球面光阴极条纹管的球面光阴极和荧光屏直径均为37mm，像增强器的光阴极和荧光屏直径均为40mm。

11、进一步地，所述cmos相机像素阵列为b×c，其中，b的取值范围为：1280～2048，c的取值范围为：1024～2048。

12、进一步地，所述闪烁体为5mm厚的bc408有机闪烁体；

13、所述第一镜头为焦距调节范围在70mm～200mm的变焦镜头；第二镜头为焦距调节范围在15mm～55mm的变焦镜头。

14、本发明还提出一种百kev脉冲x射线源高帧频多分幅成像方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

15、步骤1：搭建上述百kev脉冲x射线源高帧频多分幅成像系统，并使用光学分辨卡替换闪烁体，调节其清晰度；

16、步骤2：采集静态编码版图像

17、2.1设置大面阵球面光阴极条纹管工作于静态模式，设置cmos相机的曝光时间和最亮像素灰度值；

18、2.2移除第一镜头和透射式编码版，将均匀光由金属暗箱的通孔处照射，采集多幅背景光图像，并求取灰度平均值；

19、2.3在步骤2.2的基础上，安装透射式编码版，采集多幅编码版图像，并求取灰度平均值；

20、2.4将透射式编码版图像的灰度平均值与背景光图像的灰度平均值相除得到静态编码版图像；

21、步骤3：采集脉冲x射线源动态压缩编码图像

22、3.1控制大面阵球面光阴极条纹管工作于动态扫描模式；将光学分辨卡替换为闪烁体，第一镜头复位，待测脉冲功率加速器产生脉冲x射线，待测脉冲功率加速器控制信号同时控制其自身的高压脉冲发生器和脉冲信号发生器动作；

23、3.2调整脉冲信号发生器内部的延迟时间，使大面阵球面光阴极条纹管、像增强器和cmos相机开门时间与脉冲x射线产生时间关联；

24、3.3调整大面阵球面光阴极条纹管的全程扫描时间和像增强器的增益直至获取的脉冲x射线源动态压缩编码图像信噪比符合要求；

25、步骤4：基于步骤2的静态编码版图像、步骤3的动态压缩编码图像，以及基于压缩感知理论的算法重建获得脉冲x射线源时间序列图像，完成基于压缩感知的百kev脉冲x射线源高帧频多分幅成像。

26、进一步地，所述步骤1具体为：

27、1.1设置大面阵球面光阴极条纹管工作于静态模式，设置cmos相机曝光时间，调节像增强器增益设置cmos相机最亮像素灰度值；

28、1.2使用光学分辨卡替换闪烁体，调整第一镜头、可调狭缝、中继镜头、大面阵球面光阴极条纹管、像增强器、第二镜头和cmos相机位置，同时拍摄光学分辨卡图像，直至cmos相机采集到的图像中心与分辨卡中心重合，图像清晰度满足需求。

29、进一步地，所述步骤4中，所述基于压缩感知理论的算法为采用交替方向乘子迭代框架结合预训练的即插即用型深度学习去噪算法。

30、本发明的有益效果：

31、1.本发明中，基于单套系统即可获取数十幅二维时间序列图像，与像增强器选通型分幅相机相比，降低了系统规模和成本；本发明无需厚针孔阵列对x射线成像，与行波选通型分幅相机相比，更适用于百kev能量的中高能x射线成像；本发明单次实验可获取数十幅高帧频率的图像，与扫描分幅相机相比，画幅数更多，帧频率更高。

32、2.本发明中，可调狭缝的狭缝宽度可在10mm～20mm范围调节，比激光压缩成像系统狭缝更宽(～5mm)，与大面阵球面光阴极条纹管、大尺寸像增强器和大像素阵列cmos相机配合，狭缝开缝宽度10mm对应的cmos相机像素阵列为820×2048，比激光压缩成像系统像素阵列(150×150)更大，可提升图像空间分辨。

33、3.本发明中，大面阵球面光阴极条纹管的全程扫描时间调节范围为100ns～1μs，比激光压缩成像系统全程扫描时间更长，可有效涵盖脉冲x射线源十ns～百ns发光过程。

34、4.本发明中，采用透射式编码版替代了反射式数字微镜，减少了分束立方分光和多透镜传像环节，比激光压缩成像系统光传输效率更高。通过中继镜头实现宽狭缝位置平面编码图像至条纹管球面光阴极的清晰传像，消除了激光压缩成像系统编码图像边缘的畸变。

35、5.本发明中，采用光学分辨卡作为成像目标搭建成像系统。采用均匀光照射，拍摄安装透射式编码版前后的背景光图像和编码版图像，编码版图像与背景光图像对应像素灰度值相除可得到无边缘畸变的静态编码版图像；

36、通过调整脉冲信号发生器内部延迟时间实现大面阵球面光阴极条纹管、像增强器和cmos相机开门时间与脉冲x射线产生时间关联。该采集方法可针对x射线源不同脉冲宽度和强度，通过调整大面阵球面光阴极条纹管全程扫描时间和像增强器增益电压，获取压缩比和信噪比适中的脉冲x射线源动态压缩编码图像。成像系统参数调整更灵活、更简便。

37、6.本发明中，采用交替方向乘子(admm)迭代框架结合预训练的即插即用型深度学习去噪算法重建脉冲x射源时间序列图像，与传统迭代框架结合全变分去噪算法相比，通用性强，鲁棒性好，运算速度快。

38、附图说明

39、图1为本发明基于压缩感知的百kev脉冲x射线源高帧频多分幅成像系统实施例的结构示意图；

40、图2为本发明基于压缩感知的百kev脉冲x射线源高帧频多分幅成像方法实施例步骤2中，采集的静态编码版图像示意图；

41、图3为本发明实施例步骤3中，采集的脉冲x射线源动态压缩编码图像示意图；

42、图4为本发明实施例重建的20幅脉冲x射线源时间序列图像；

43、图5为本发明实施例重建的等强度曲线包含面积随时间变化关系曲线图；

44、图6为本发明施例重建的脉冲x射源时间序列图像积分强度随时间变化关系曲线图；