【聚焦光电】像增强型sCMOS中子相机助力Gd2O2S闪烁体的应用

2024-04-16 09:58:31, 聚焦光电前沿领域北京先锋泰坦科技有限公司

文丨张哲

编辑丨瑞秋

发布丨先锋科技

N-Cam中子相机系统能在较短的曝光时间获得详细清晰的图像，是一种新型的针对冷中子、热中子的成像系统。N-Cam系统在英国卢瑟福.阿普尔顿国家实验室散裂中子源设备进行了实验，在75mm靶面视场、5s曝光情况下获得了良好的对比度效果图。此篇分析文章通过相机模式传递函数法（MTF）在多个位置对空间分辨率进行了方向性依赖的分析。同时此次实验在中子通量为2*107n/cm2/s的情况下，600s内测量了几个毫米空间尺度下350个灰阶的变化。最后基于平场图像分析得出系统的量子效率约为16%。

应用方向：中子成像，像增强型sCMOS 中子相机，闪烁体

前言介绍

中子成像由于是一种无损检测技术（NDT/NDE），被广泛应用于汽车、航天航空以及学术界领域【1.2.3】。中子成像常和X射线成像比较，这是因为这两种技术非常相似，区别只是在于电离辐射的产生和衰减的方式【3，4】。X射线与材料的电子云相互作用过程中密度较大的材料或较重的元素衰减。中子由于不带有电荷因此与原子核相互作用、同时与较轻的元素作用衰减得更快，故中子可以拍摄到更微观的结构。增强型Gadox-sCMOS中子相机（N-Cam）具有高灵敏度、良好空间分辨率、更快速的积分时间，同时它还可以保证低通量条件下的中子成像。中子散裂源（ISIS）以及和μ光源的成形谱仪（IMAT）装置在此次实验中给样品提供了相对稳定的中子束流【7】。

实验与分析方法

探测器部分

N-Cam探测器部分包含一个厚度为20µm、密度为7.3mg/cm2的Gadox闪烁体，Gadox闪烁体直接应用于Photek的MCP175像增强器的光纤输入窗口前端。典型的中子和闪烁体材料互相作用会产生30kev的内部电子沉积【8，9，10】，从而在闪烁体的平均电子路径上会形成1200个光子的计数。大约32%的光信号会通过光纤窗口传输到光电阴极。微通道板MCP是一个有数百万个孔的薄玻璃板，可以用来放大电子信号【11】。通过MCP放大后的光电子通过5.5kv的加速电场轰击P46荧光屏并输出成像。在上述的电压增益过程中，增强器的总光增益可达104。

空间分辨率

为了标定中子相机系统的空间分辨率，我们从thePaulScherrerInstitute(PSI)实验中心取得一组分辨率标定图。对于75mm的视场，实验中在0.2fps情况下采集了60组平场信号以及60组背景信号，单大组耗时300s。分辨率标定图紧贴像增强器的前方中央位置，也记录了60组。计算图像的MTF模式传递函数边缘效应，使用了ImageJ软件插件，针对边缘ROI区域进行定义分析。

灵敏度

基于闪烁体的中子成像系统的灵敏度很难评估。根据最初原理，闪烁屏的外部量子效率如下：

其中nc项代表是中子捕获效率，ice项表示捕获产生电子的效率。在实际过程中，由于探测器的非均匀性、光收集效率、每一次内部中子沉积引起电子不确定性以及闪烁体内部光产额，所以DQE(探测器量子效率)明显小于QE(理论效率)。对于一个均匀的中子通量源，每个像素点的平均强度标记为ηFF，每个像素点的平均偏差σFF,在一定区域的探测器中对捕获的中子产生的内转换电强度进行泊松分布函数表征如下方程：

其中N(x)表征的是在x大小区域内产生信号的中子数量，FN是中子通量，T是积分时间，r是相关的标度长度，可以认为是中子源产生的光的半径。通过对得到的全白光平场数据针对不同Binning进行整合处理，而后用方程4拟合得到DQE和r值。

对比度波动分析CNR-核磁共振的重要指标

对比度波动分析CNR是衡量成像系统灰度分辨率的指标。为了测量这一个对比度指标，使用了各10个不同厚度的C101铜以及082-T651级别的铝材料，成像使用IMAT光源针孔束结构，相机设置积分时间为1s，像增强模块MCP电压设置为900v，荧光屏电压为5500v。在IMAT光源关闭且衰减器放置情况下获得同样曝光时间的背景图像。同时获得模型材料的图像。

对于上述提到的5mm正方形部分的模型材料，在其中心附近选择32x64像素进行ROI分析，并计算像素值的平均值和标准偏差。相邻两段（A和B）之间的CNR定义为：

结果分析

空间分辨率

根据图三得到的是300s积分情况下，75mm视场与30mm视场的中心成像区域的处理后的图像，利用ImageJ测得的线轮廓，我们估算了30mm和75mm视场下，N-cam系统的极限分辨率（5%）分别是12.5lp/mm以及10lp/mm。对于有效像素尺寸为38um的75mm视场，同时进行采样处理（Nyquist），得到的极限分辨率为13lp/mm，和MCP175的16lp/mm分辨率结合分析，10lp/mm属于合理的数据。

(a)中心分辨率图像(75mmFOV)

(b)中心分辨率(75mm视场)线宽25-150µm

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Figure3:中子成像得到的PSI分辨率图样

DQE探测器量子效率

对24mm*24mm的平场成像区域进行校正，曝光时间设置5s，中子流量FN=2x107n/cm2/s，通过方程4进行拟合，而后估算得到的DQE=16.1%,中子产生的光半径r=81um。低于理论结果的47%，这是由于闪烁体表面的低能量损耗、探测器不均匀性以及仪器其他噪声的综合影响。

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Figure4:Fit to standard deviation as a function of pixel size using Equation4, parameterized with QE effandr.

对比度波动

图6通过方程5分析测量了不同厚度情况下的透过噪声曲线。通过图6可以得出1.0cm与1.1cm厚度铝材料之间得CNR值是2.6。相同厚度的铜材料CNR是11.4。假定CNR=1的情况是最小可以检测的分辨率对比度，我们发现对于铝的可探测的最小对比度是0.26%，铜是0.3%，表明图像中的灰阶值应该是350。这个值同时也取决于中子束特性、样品的成分以及几何结构。

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Figure 6a. Transmission through the aluminum step-wedge with error bars representing 1 σ noise.Figure 6b. Transmission through the copper step-wedge with error bars representing 1 σ noise.

结论

N-cam在75mm视场下分辨率为10lp/mm（300s曝光测试时间）。曝光时间减小到30s以上对分辨率几乎没有影响。将曝光时间减小到30s以下时，分辨率也在10lp/mm，但会影响到分辨率。因此，采集300s积分情况下的平场、暗场图像，采集360度旋转的成像，一次断层扫描成像最快需要通过5次拍摄历时40分钟或者30次拍摄耗时3个小时。N-cam系统的量子效率得出是16.1%，闪烁体的厚度会影响量子效率，同时也会影响小视场情况下的分辨率。然而，对于75mm的大视场的影响可以忽略不计,与理论值近似，这主要是因为大视场情况下的有效像素点比较大所以影响较小。