CCD相机X/γ射线图像响应研究

CCD相机作为一种重要的光电图像探测器件，常工作于射线辐射环境中，如射线无损检测、核医学成像、高能密度物理诊断、空间探测等。X/γ射线在CCD相机中引起的图像噪声是图像质量下降的重要原因，由于对此类噪声特性缺少必要的研究和认识，给CCD成像系统的仿真建模、辐射屏蔽设计和高精度图像数据处理造成了困难。.本项目拟对X/γ射线在CCD相机引起的图像噪声特性进行深入研究。建立理论模拟与实验测试相结合的CCD相机辐射干扰噪声研究方法，研究给出0.06MeV~1.25MeV能量范围内，不同能量、强度、入射方向的X/γ射线，在CCD相机获取图像中引起的噪声数量、大小、形态等特征变化规律；研究分析不同CCD芯片结构对X/γ射线干扰噪声图像特征的影响。本研究将为解决CCD相机在射线辐射场中应用所面对的一些共性问题奠定物理基础，具有重要的研究意义和应用价值。

CCD相机作为一种重要的光电图像探测器件，常工作于射线辐射环境中，X/γ射线辐射噪声是导致其图像质量下降的重要原因。由于对此类噪声特性缺少必要的研究和认识，给CCD成像系统的仿真建模、辐射屏蔽设计和高精度图像数据处理造成了困难。项目研究目标和主要内容是建立CCD相机X/γ射线图像响应特性的研究方法，包括理论模拟方法和实验测试条件。在此基础上，研究不同能量（0.06MeV~1.25MeV内）、强度、入射方向X/γ射线时的CCD相机图像响应噪声特征，揭示CCD相机在典型X/γ射线辐射环境中的噪声响应规律，为指导辐射图像处理和CCD相机在辐射环境中的应用提供理论依据。项目获得的主要创新与研究成果如下：.（1）建立了CCD相机X/γ射线图像响应特性的理论模拟和实验研究方法。首先，证明了CCD相机X/γ射线图像响应主要由射线与CCD芯片作用产生。进而，构建了CCD相机芯片材料分布模型，并提出采用蒙特卡罗方法计算CCD芯片各像元沉积能量来等效表征其图像响应。另外，构建了CCD相机X/γ射线图像响应特性的实验测试方法和系统布局，建立了实验数据处理与分析方法。.（2）研制了基于康普顿散射原理的多能点准单能伽马辐射场形成系统。以钴源为激励源，优化了散射靶材料选择和结构设计，研制了旋角式准直屏蔽系统，可提供0.25MeV到1MeV区间任意能点的准单能伽马辐射。该系统不仅可用于CCD相机X/γ射线辐射响应特性实验研究，同时可推广用于核辐射探测器能量响应标定和电子元器件抗辐射特性研究等。.（3）研究了CCD相机对不同能量、强度、入射方向X/γ射线的图像响应，并归纳给出了规律性结论。研究表明，CCD相机的X/γ射线图像响应主要表现为噪声。随射线能量增加图像噪声灰度强度会随之下降，图像噪声数量和平均尺寸由快到慢增加；入射射线与CCD芯片夹角减小，会导致图像中长条形噪点数目增加，但对噪声总数和尺寸分布统计性影响很小；图像噪声数量与入射光子数/剂量成线性关系；CCD芯片像元尺寸越大图像噪声强度越高。.（4）基于对CCD相机X/伽马射线图像响应特性的研究，提出了一种新原理的X/γ射线能谱测量方法。研究表明，对于指定CCD相机，其射线响应噪声图像的二阶统计量与一阶统计量的比值——噪声指数，仅与射线能量（或能谱）有关，因此根据射线在CCD相机上引起的图像响应噪声指数可以给出射线的能量或能谱特性。