1.本发明属于高能射线成像技术领域，具体涉及一种基于契伦科夫效应的射线图像屏，主要用于伽马或x射线及电子束成像，特别涉及一种具有能量卡阈特性的超快射线图像转换屏。
背景技术：2.随着高能量密度物理装置的发展，其强度越来越高，持续时间越来越短，如在建的超快伽马射线装置和惯性约束聚变装置，其物理过程持续时间往往在ns量级甚至亚ns量级，不同能量的射线反映了不同的作用机制，通过超快射线成像技术来诊断装置辐射区的形态参数演化和区分不同物理过程的作用机制是一项不可缺失的重要手段。同时由于射线作用复杂，源区射线经过与环境介质的散射作用往往会形成低能散射本底，对获取有效图像形成干扰，应用有效的能量卡阈探测可获得更高质量的目标图像。
3.目前的射线探测成像多是以闪烁体为辐射转换屏，多数的闪烁体对各种能量射线均响应，但时间响应不够快，多在ns量级以上，并存有一定的慢衰减时间成份。契伦科夫转换体兼具超快的时间响应能力(百ps级)和能量阈值特性，可用于对特定能量段的射线成像。但是由于契伦科夫效应的发光效率较低，通常需要增加契伦科夫辐射体的厚度提高探测效率和光输出，然而增加契伦科夫辐射体的厚度，又会降低成像的空间分辨能力。
技术实现要素：4.本发明提供一种基于契伦科夫效应的射线图像屏，为能量卡阈的超快射线成像技术提供一种方案，该方案通过优化转换靶和应用光导阵列，解决基于契伦科夫效应成像的探测效率、和空间分辨相互兼顾的问题。
5.为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
6.本发明提供的基于契伦科夫效应的射线图像屏主要适用于mev能量射线成像，其包括转换靶和光导阵列；所述转换靶设置在光导阵列的入光侧，且与光导阵列的距离在2mm以内；所述光导阵列具有高透明度和光导传像功能，主要由多个光导排列组成，所述光导采用高光学透明度的耐辐照光学材料制作，各光导之间涂黑加防串扰层；所述光导的芯径为0.5～1mm；所述转换靶的厚度x通过以下公式确定：
[0007][0008]
式中，为电子在转换靶材料中能量损失率；e为电子的电荷，v为电子的速度；m0为电子静止质量；n、z分别为转换靶材料的单位体积内原子数和原子序数；e为电子能量；β＝v/c；i为转换靶物质原子的平均激发和电离电位。
[0009]
进一步地，所述光导阵列的厚度为3cm～5cm。
[0010]
进一步地，多个光导采用热红外固化胶固化形成阵列。
[0011]
进一步地，所述光导阵列设置在通过轻质和硬度较高材料制作的外部封装内部。
[0012]
进一步地，所述外部封装做发黑和磨砂处理。
[0013]
进一步地，所述外部封装选用铝质材料制作。
[0014]
进一步地，所述转换靶采用铍制作，其厚度为2mm；所述转换靶采用有机玻璃制作，其厚度为3mm～5mm
[0015]
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
[0016]
1.本发明所提供的射线图像屏具有能量阈值特性，可以对特定能量段或感兴趣能量段的射线图像成像，降低背景散射低能射线对成像的干扰。
[0017]
2.本发明所提供的射线图像屏相比现有的闪烁体图像屏，发光持续时间短，有更快的响应时间能力，达到百皮秒量级，无慢成份衰减时间。
[0018]
3.本发明射线图像屏采用耐辐照光导阵列，适宜于在高强度射线环境下使用。
附图说明
[0019]
图1为本发明基于契伦科夫效应的射线图像屏的结构示意图；
[0020]
图2为本发明光导阵列排布示意图；
[0021]
图3为本发明实施例中对石英光纤阵列图像屏进行测试的示意图；
[0022]
图4为本发明实施例中在钴60伽马射线源上对石英光纤阵列图像屏4实测的发光性能示意图；
[0023]
图5为本发明实施例中在钴60伽马射线源上对石英光纤阵列图像屏4实测的对钨块分辨卡成像结果的示意图；
[0024]
图6为本发明实施例中在小于10ps的脉冲电子束测得石英光纤阵列图像屏4时间响应波形的示意图。
[0025]
附图标记：1-转换靶，2-光导阵列，21-光导，3-外部封装，4-石英光纤阵列图像屏，5-钴源，6-准直器，7-屏蔽体，8-钨块分辨卡，9-反射镜，10-ccd相机。
具体实施方式
[0026]
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用来解释本发明的技术原理，目的并不是用来限制本发明的保护范围。
[0027]
本发明提供了一种基于契伦科夫效应的射线图像屏，该射线图像屏基于光学波导原理实现，是一种厚型阵列式契伦科夫图像转换屏。该射线图像屏主要由转换靶1、光导阵列2和外部封装3组成。对于入射带电粒子束，转换靶1可作为能量初级卡阈，对于射线束，转换靶1可形成次级带电粒子束图像，满足一定阈值能量的带电粒子图像在光导阵列2中输运产生契伦科夫光学图像，从而被后端的ccd相机采集处理。本发明所提供的射线图像屏拥有超快的时间响应，且具有能量卡阈特性，既可用以对特定能量段射线图像测量，也可用以超快时间分辨射线图像诊断。
[0028]
基于带电粒子在材料中输运产生的契伦科夫效应使射线图像转换成可采集传输
的可见光图像。根据契伦科夫效应，介质中的带电粒子群速度超过介质中的光速，就会产生契伦科夫光辐射，即只有大于一定能量阈值的带电粒子才能在材料中产生契伦科夫光，其能量阈值与材料的折射率有关。因高能射线(如伽马)与介质作用可生成次级带电粒子，高能射线也可以实现基于契伦科夫光辐射成像。由光波导理论可知，光波导中只有满足传输临界角内的光线才能传输，形成所谓的束缚光线，在波导的约束下，可实现具有一定空间分辨能力的光学图像的传输。因此结合契伦科夫辐射原理和光波导原理，可解决成像探测效率不足的问题，并实现射线的能量卡阈成像；同时，因契伦科夫发光的持续时间极短，具有超快的响应能力。
[0029]
根据上述原理，本发明所提供的基于契伦科夫效应的射线图像屏主要包含两部分，第一部分是前端的带电粒子转换靶1，第二部分为作为契伦科夫辐射转换体的图像阵列探测器。
[0030]
上述转换靶1的设计，依据伽马射线与物质康普顿散射公式(1)～(3)计算出电子的能量和角分布：
[0031][0032][0033][0034]
式中，ee为反冲电子能量；er为入射伽马射线的能量；m0为电子静止质量；c为真空中光速；为散射电子反冲角；θ为散射伽马的散射角；为伽马射线与转换靶作用的微分截面；z为靶材料原子序数；a＝er/m0c2；r0为经典电子半径；
[0035]
通过快电子与物质作用的能量损失公式(4)，可计算出电子出射效率与厚度的关系，确定出射最大电子产额时转换靶1的厚度x；
[0036][0037]
式中，为电子在转换靶材料中能量损失率；e为电子的电荷，v为电子的速度；n、z分别为转换靶材料的单位体积内原子数和原子序数；e为电子能量；β＝v/c；i为转换靶物质原子的平均激发和电离电位。
[0038]
铍作为一种常用的转换靶，对于mev能量的伽马，采用上述的理论结合蒙特卡罗方法模拟软件(mcnp)模拟得到，铍靶厚度为2mm左右时，产生次级电子转换效率最优，如果采用有机玻璃取3mm～5mm为优。
[0039]
对于图像阵列探测器设计，选择具有高透明度的光导阵列2，且具有较高耐辐照性能，单根光导21作为一个像元，整体组成一个阵列图像屏。目前具有高透明的光学光导21玻璃材料，其折射率大约在1.4左右，对应产生契伦科夫辐射光的电子的最低能量阈值约
0.2mev。本发明的图像屏主要适用于mev能量射线成像。对于mev能量的伽马射线，依据上述理论公式(1)～(4)，结合蒙特卡罗方法并借助大型射线粒子输运软件mcnp模拟，可得到次级电子在光学玻璃中输运的空间分布以及成像空间分辨特性。根据模拟结果，本发明中单像素光导21的直径取0.5mm～1mm，光导阵列2的厚度为3cm～5cm，可实现空间分辨与探测效率综合优化的结果。
[0040]
对于带电粒子束，转换靶1还可以作为卡阈介质，可由公式(4)计算给出不同材料(常用的是金属材料，可采用铜、铝等)对不同能量电子的损失规律，以确定材料的选型和尺寸。
[0041]
如图1和图2所示，本发明基于契伦科夫效应的射线图像屏主要包括转换靶1、光导阵列2和外部封装3。对于带电粒子束，转换靶1可作为初级卡阈，或者也可以不用，此处不做必要使用的限制。转换靶1需紧贴光导阵列2，以降低出射带电粒子束空间弥散对整体图像屏空间分辨的影响。光导阵列2包括多个光导21，光导21选择高光学透明度的材料，依据具体的能量阈值要求(电子的速度c为真空中的光速，n为材料的折射率)，选择所需折射率的光学光导材料。光导阵列2材料选择耐辐照光学材料，以降低光导21材料受辐照光学透明度变差的影响。光导阵列2的参数根据具体上述的选取原则。光导阵列2中单像元光导21外包层需作凃黑处理，减少光导21之间光信号串扰，同时，光导21与光导21之间用热红外固化胶固化，形成阵列。整个阵列屏外部封装3采用轻质和硬度较高的材料，具体可选用铝质材料。为降低图像背景杂散光，外部封装3材料需进行发黑和磨砂处理，并做发黑和磨砂处理。
[0042]
本发明基于契伦科夫效应的射线图像屏探测成像时，入射源为带电粒子束或是由射线束经过转换靶1产生带电粒子束，带电粒子在光导阵列2中输运，产生契伦科夫光，形成光学图像；产生契伦科夫光的射线束能量阈值，由契伦科夫效应的公式及射线产生次级带电粒子物理过程决定，满足通用的射线与物质作用原理。
[0043]
采用图3的成像实验考核本发明基于契伦科夫效应的射线图像屏的可行性。该实验系统包括石英光纤阵列图像屏4、钴源5、准直器6、屏蔽体7、钨块分辨卡8、反射镜9和ccd相机10，实验中采用钴60辐射伽马射线源，射线源经准直孔出射，在伽马源一定的距离处，放置石英光纤阵列图像屏4，紧贴光纤阵列屏入射面放置3mm有机材料板作转换靶1，阵列图像屏整个输入面被射线均匀辐照，阵列屏输出光学图像经反射镜9折反后，由透镜耦合的ccd相机10进行图像采集记录。为降低ccd相机10被射线直照和空间散射，除射线入射通道外，阵列屏和ccd相机10周围均由铅砖屏蔽。
[0044]
图4给出了本发明的实验结果，表明图像屏均匀发光输出。在图像屏的入射面处放置一钨块分辨卡8，钨块分辨卡8紧贴图像屏入射端面，伽马射线穿过钨块分辨卡8入射在图像屏上，由于透射后的射线强度不同，在图像屏上形成与钨块分辨卡8相似的灰度图像，图5是在伽马射线辐照下钨块分辨卡8经图像屏形成的图像，表明本发明应用射线成像是可行的。
[0045]
图6是在小于10ps的脉冲电子束测得石英光纤阵列图像屏4时间响应波形，该波形包含阵列屏、光电探测器、传输电缆等各种响应，但其半宽度依然小于1ns，说明就单纯石英阵列屏来说，发光持续时间会更短。