基于CCD的中子数字照相系统成像速度分析

　　中子照相是一种利用不同材料的中子质量衰减系数不同而获取样品内部结构的射线无损检测方法,而成像速度是必须确定的参数之一,它决定了系统的性价比等特性。在研制SPRR-300反应堆基于CCD的中子数字照相装置时,笔者提出了一种与该类系统特性相匹配的成像速度计算方法,据此选择相关组件的特性参数,系统研制完成后成像速度测量的结果与设计时的理论计算值比较吻合,说明计算方法是合理的,可以作为基于CCD的中子数字照相系统设计时成像速度分析的推算公式。

　　1　影响成像速度的主要因素

　　基于CCD的中子数字照相系统原理如图1所示^[1]。穿过样品的中子束携带了样品内部的结构信息,经中子转换屏转换为可见光图像,通过反光镜转向90°,以避免CCD处于中子束直接辐射场中,通过铅玻璃等材料构成的辐射防护窗过滤散射γ中子后,由微光成像镜头将光学图像聚焦在CCD靶面上,进而由CCD转换为多于8 bit等级(256灰度)的数字图像信号输出给主控计算机。屏蔽材料用于CCD等电子器件的辐射防护。

　　在此类系统中一般采用积分时间可调的制冷CCD以获取高品质中子数字图像信号,一帧合格中子数字图像灰度最高等级应高于系统饱和灰度等级的三分之二,因此成像速度是指获取一帧最高灰度等级高于系统饱和灰度的三分之二的数字图像所需要的积分时间。由此得出成像速度主要与下述参数密切相关,即转换屏受照中子注量率、转换屏中子转换效率、单个中子在转换屏上激发的光子数、反光镜和辐射防护窗的反射与透光效率、镜头的立体角和CCD芯片将光子转换为电子的量子效率、CCD满负荷电子数、CCD填充系数、CCD有效靶面尺寸(像高)、CCD像素、CCD增益和成像视场(物高)。其它影响成像速度的参数还有CCD暗电流和光屏蔽盒光散射等不利因素,但这些不利因素可以采取一系列的计算手段加以遏制,使其对成像速度的影响降到最小,以至可以忽略。例如对于CCD暗电流,可以采用制冷、帧积分和图像的差分运算等多种方法将其影响降低或消除。

　　2　成像速度的理论推导

　　2.1　中子注量率、转换屏、反光镜和辐射防护窗的影响

　　中子不带电,不能直接探测,因此中子转换屏一般由两类材料构成。其一,中子吸收转换材料,将中子转换为α,β等次级粒子,其二为次级粒子可激发发光的荧光材料。设中子注量率为,转换屏中子转换效率为η,一个中子转换激发的光子数为n_⁰,反光镜和辐射防护窗的反光效率和透光效率分别为η_¹和η_²,有效转换屏有效尺寸(视场)为Hx×Hy,则式1表征了在单位时间内入射到转换屏有效尺寸上的中子转换为辐射防护窗的出射光子数L_¹