Исследование кодирующей апертуры и оптико-электронной системы для визуализации источников оптического и ионизирующего излучения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.07, кандидат наук Васильева Анна Владимировна

• Васильева Анна Владимировна
• кандидат наук
• 2020

Оглавление диссертации кандидат наук Васильева Анна Владимировна

Реферат

Synopsis

Введение

1. Анализ оптико-электронных приборов и систем

визуализации источников ионизирующего излучения

1.1 Виды и источники ионизирующего излучения

1.1.1 Естественные источники ионизирующего излучения

1.1.2 Искусственные источники излучения

1.1.3 Необходимость радиационного мониторинга

1.2 Классификация и анализ детекторов ионизирующего излучения

1.2.1 Импульсные детекторы

1.2.2 Интегральные детекторы

1.2.3 Применение детекторов ионизирующего излучения

для задач визуализации

1.3 Обзор и сравнительный анализ приборов и систем визуализации источников ионизирующего излучения

1.3.1 Системы визуализации ионизирующего излучения медицинского назначения

1.3.2 Системы визуализации ионизирующего излучения

на основе комплексирования изображений

1.4 Выводы по главе

2. Теория формирования изображений источников ионизирующего излучения сцинтилляционным методом

2.1 Преобразование информации в оптико-электронной системе визуализации источников ионизирующего излучения

2.2 Процесс преобразования ионизирующего излучения в оптическое сцинтилляционными материалами

2.3 Теория функционирования кодирующей апертуры

2.4 Выводы по главе

3. Моделирование функционирования кодирующей апертуры

3.1 Математическое описание принципа работы кодирующей апертуры

3.2 Формирование структуры кодирующей апертуры

3.3 Исследование компьютерной модели декодирования изображений, сформированных кодирующей апертурой

3.3.1 Критерии оценки качества декодированного изображения

3.3.2 Результаты сравнения методов

3.4 Алгоритм декодирования изображений на основе винеровской фильтрации

3.5 Выводы по главе

4. Физическое моделирование и экспериментальное исследование кодирующей апертуры

4.1 Реализация кодирующей апертуры для видимого диапазона

4.2 Экспериментальное исследование кодирующей апертуры в видимом спектральном диапазоне

4.3 Энергетический расчет для проведения экспериментального исследования с источником ионизирующего излучения

4.4 Экспериментальное исследование кодирующей апертуры с источником ионизирующего излучения

4.5 Выводы по главе

5. Оптико-электронная система визуализации источников

ионизирующего излучения

5.1 Структурная схема системы визуализации ионизирующего излучения

5.2 Формирование сигнала в канале визуализации ионизирующего излучения

5.3 Расчет чувствительности БьФЭУ

5.4 Реализация кодирующей апертуры для ионизирующего излучения

5.5 Физическая реализация оптико-электронной системы визуализации источников ионизирующего излучения

5.6 Выводы по главе

Заключение

Краткие обозначения

Термины

Список литературы

Приложение 1. Акты о внедрении результатов

диссертационной работы

Приложение 2. Тексты публикаций

Реферат

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование кодирующей апертуры и оптико-электронной системы для визуализации источников оптического и ионизирующего излучения»

Общая характеристика работы

Актуальность темы диссертационной работы.

Ионизирующим является излучение, вызывающее ионизацию вещества, с которым оно взаимодействует. Ионизирующее излучение составляет радиационный фон, сопровождающий жизнь на Земле, и в низких дозах оно безопасно и даже полезно для живых организмов. Однако, длительное воздействие излучения на биологические ткани приводит к необратимым негативным последствиям, а потому высокие дозы излучения являются смертельными для живых организмов.

В наибольшей степени угрозу для населения и окружающей среды представляют чрезвычайные ситуации, связанные с радиоактивным излучением. Такие происшествия приводят к повышению заболеваемости и смертности населения, а также к радиационному заражению местности. Своевременное обнаружение чрезвычайной ситуации необходимо для оперативного реагирования и принятия необходимых мер по минимизации негативных последствий. Для этого места повышенного риска должны быть оборудованы специальными средствами мониторинга. Эффективный мониторинг подразумевает наглядное представление информации о радиационной обстановке, одним из способов которого является визуализация, позволяющая локализовать источник ионизирующего излучения в пространстве.

Основной сложностью в реализации технических средств визуализации ионизирующего излучения является невозможность применения линзовых систем для создания изображений. Для формирования изображений в спектральном диапазоне, соответствующем высокоэнергетическому из-

лучению, применяется точечный коллиматор или кодирующая апертура - маска, содержащая набор отверстий, расположенных по определённому принципу. Особенности применения такой маски требуют проведения исследований принципов её функционирования и реализации системы визуализации ионизирующего излучения с ее использованием.

Важной задачей эффективного радиационного мониторинга является локализация в пространстве источников ионизирующего излучения. Для этого необходимо объединение информации о наличии и пространственном распределении источника ионизирующего излучения и об исследуемой местности, что может быть достигнуто применением комплексирования. Необходимость получения разнородной информации накладывает требования к структуре разрабатываемой оптико-электронной системы, состоящей из двух каналов. Канал визуализации оптического излучения формирует информацию об исследуемой местности, а канал визуализации ионизирующего излучения - о пространственном распределении источника.

Указанные обстоятельства определяют актуальность и важность темы диссертации, посвященной исследованию кодирующей апертуры и принципов построения оптико-электронной системы для визуализации источников ионизирующего излучения.

Целью диссертационной работы является исследование принципов построения оптико-электронной системы визуализации источников ионизирующего излучения на основе сцинтилляционного метода и кодирующей апертуры с применением комплексирования изображений источников ионизирующего и оптического излучения, что позволит локализовать источник ионизирующего излучения в пространстве и повысить эффективность радиационного мониторинга.

Для достижения цели необходимо решить следующие задачи.

1. Разработка обобщенной схемы преобразования информации в оптико-электронной системе визуализации пространственного распределения ионизирующего излучения.

2. Теоретическое исследование и математическое моделирование процесса преобразования ионизирующего излучения в оптическое.

3. Математическое описание функционирования кодирующей апертуры в терминах теории формирования изображений.

4. Разработка и исследование компьютерной модели формирования и декодирования тенеграммы при использовании кодирующей апертуры.

5. Исследование методов реализации кодирующей апертуры для экспериментальных исследований в оптическом спектральном диапазоне.

6. Проведение экспериментальных исследований разработанного алгоритма декодирования тенеграммы, формируемой кодирующей апертурой с использованием источников оптического и ионизирующего излучения.

7. Разработка структурной схемы и физическая реализация оптико-электронной системы визуализации пространственного распределения энергии источников ионизирующего излучения.

Научная новизна

1. Предложена структура оптико-электронной системы в составе двух объединённых информационных каналов, формирующей на основе композиции их сигналов единое изображение местности с локализованным объектом, являющимся источником ионизирующего излучения, анализ которого увеличивает достоверность и информативность радиационного мониторинга окружающей среды по сравнению с аналогичными системами с раздельной структурой.

2. Разработан новый метод двухэтапного декодирования изображений, полученных кодирующей апертурой, отличающийся последовательным применением винеровской фильтрации и комплексирования на основе степенного преобразования и позволяющий, наряду с декодированием результирующего изображения, уменьшить его фоновую и шумовую составляющие.

3. Предложен подход к организации и проведению экспериментального исследования визуализации ионизирующего излучения, заключающийся в использовании источника ультрафиолетового излучения среднего и дальнего диапазона (160 - 400 нм), что обеспечивает радиационную безопасность помещений в ходе эксперимента.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Метод двухэтапного декодирования изображений, полученных кодирующей апертурой, сочетающий винеровскую фильтрацию и комплексирование на основе степенного преобразования, позволяет устранить фоновую составляющую, возникающую при формировании тенеграммы, и повысить контраст изображения в 1,75 раз.

2. Применение детектора на основе сцинтилляционного кристалла сб1(т1) и твердотельного кремниевого фотоумножителя позволяет расширить энергетический диапазон регистрируемого при радиационном мониторинге ионизирующего излучения до 0,1 кэВ - 3 МэВ.

3. Решение задачи визуализации и локализации пространственного распределения энергии источников ионизирующего излучения при радиационном мониторинге обеспечивается оптико-электронной системой, реализованной по предложенной схеме построения, отличающейся наличием двух каналов визуализации, формирующих изображения в спектральных диапазонах, соответствующих оптическому и ионизирующему излучению.

Теоретическая и практическая значимость

1. Сформулированы критерии выбора сцинтиллятора для реализации детектора визуализации ионизирующего излучения на основе твердотельного кремниевого фотоумножителя, учитывающие физические свойства сцинтилляционного кристалла и включающие время затухания, световой выход, радиационную стойкость, стоксов сдвиг и гигроскопичность.

2. Реализована компьютерная модель функционирования кодирующей апертуры, позволяющая исследовать влияние ее конфигурации и различных внешних факторов (таких как аддитивный шум) на качество декодированного изображения.

3. Разработаны критерии оценки декодированного изображения по отношению к неискаженному кодирующей апертурой, основанные на индексе структурного сходства, среднеквадратической ошибке и пиковом отношении сигнал/шум и применяющиеся при исследовании компьютерной модели и позволяющие численно оценить качество декодированного изображения.

4. Разработан и реализован стенд для проведения экспериментальных исследований кодирующей апертуры в оптическом спектральном диапазоне, необходимых для разработки алгоритмов декодирования изображений.

5. Разработана структурная схема системы визуализации ионизирующего излучения, включающая каналы визуализации оптического и ионизирующего излучения и реализующая комплексирование полученных изображений для локализации источника ионизирующего излучения в пространстве.

6. Разработана схема подключения многоканального твердотельного кремниевого фотоумножителя, используемого в сопряжении с мат-

ричным сцинтилляционным кристаллом в качестве детектора ионизирующего излучения в разрабатываемой системе визуализации.

Методология и методы исследования

Для решения поставленных задач использовались методы системного анализа, математические методы теории формирования изображений, методы цифровой обработки изображений.

Для разработки и реализации компьютерных моделей использовались средства программной среды MATLAB с использованием пакетов Image Processing Toolbox и Image Acquisition Toolbox, а также пакеты NumPy и Matplotlib языка программирования Python. При исследовании эффективности поглощения ионизирующего излучения в сцинтилляционных материалах использовались данные из открытой базы XCOM.

При исследовании методов реализации кодирующей апертуры применялись методы импульсной лазерной абляции и фотолитографии.

Достоверность

Применение кодирующей апертуры для визуализации ионизирующего излучения в системах мониторинга базируется на теории вычислительной фотографии и принципах построения изображения камерой-обскурой. Возможность использования кодирующей апертуры для визуализации заданного диапазона энергий подтверждена энергетическим расчетом, теорией преобразования ионизирующего излучения в оптических сцинтилляцион-ных материалах, теорией формирования изображений, математическим и компьютерным моделированием.

При исследовании эффективности сцинтилляторов в заданном диапазоне энергий использовались официальные данные, полученные Национальным институтом стандартов и технологий США и доступные в открытой базе данных XCOM.

Внедрение результатов работы

Методика определения параметров лазера при реализации кодирующей апертуры, функционирующей в оптическом диапазоне спектра, методом импульсной лазерной абляции, а также критерии оценки качества декодированного изображения на основе среднеквадратической ошибки, пикового отношения сигнал-шум и индекса структурного сходства, были использованы при выполнении НИР №18-79-00048 «Исследование особенностей применения кодирующей апертуры для визуализации коротковолнового излучения с высоким пространственным разрешением».

Схема подключения многоэлементного твердотельного кремниевого умножителя использована в лабораторном практикуме дисциплины «Источники и приемники оптического излучения» профиля подготовки бакалавра «Оптико-электронные приборы и системы» по направлению подготовки 12.03.02 - Оптотехника.

Метод минимизации фоновой составляющей при восстановлении искаженных изображений, а также критерии оценки восстановленного изображения по отношению к неискаженному, используются в научно-исследовательской и опытно-конструкторской деятельности ООО «М.С.Корп», в том числе при разработке программного обеспечения для телеуправляемого рентгенодиагностического комплекса.

Апробация работы

Результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на 13 международных и всероссийских конференциях, среди которых:

- SPIE Optical Metrology 2017 и 2019;

- SPIE Security+Defence 2018;

- XXV Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов-2018»;

— 26-я Международная конференция по компьютерной графике, обработке изображений и машинному зрению GraphiCon2016.

Проводимые исследования поддержаны грантами и стипендиями:

— грант РНФ «Исследование особенностей применения кодирующей апертуры для визуализации коротковолнового излучения с высоким пространственным разрешением»;

— практико-ориентированная НИОКР, финансируемая Университетом ИТМО «Разработка системы визуализации гамма-излучения для мониторинга радиоактивных загрязнений»;

— грант комитета по науке и высшей школе Правительства г. Санкт-Петербурга (2018, 2019 г.);

— стипендия Правительства РФ (2017, 2018, 2019 год);

— SPIE Optics and Photonics Education Scholarship.

Личный вклад соискателя состоит в: постановке целей и задач исследования; разработке математических и компьютерных моделей, обработке результатов моделирования; разработке и формировании экспериментального стенда; проведении энергетического расчета для экспериментального исследования с источником ионизирующего излучения; планировании, проведении и обработке результатов экспериментов; разработка структуры и выбор компонентов системы визуализации ионизирующего излучения; внедрении результатов исследования в учебный процесс факультета прикладной оптики Университета ИТМО и в НИР «Исследование особенностей применения кодирующей апертуры для визуализации коротковолнового излучения с высоким пространственным разрешением»; подготовке публикаций по выполненной работе.

Публикации

Основные результаты по теме диссертации изложены в 10 печатных изданиях, 5 из которых научных изданиях, входящих в международные

реферативные базы данных и системы цитирования, 3 - в научных изданиях, входящих в перечень российских рецензируемых журналов.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, изложены ее цель и задачи, а также сформулированы практическая значимость, научная новизна и основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена обоснованию необходимости радиационного мониторинга, классификации и анализу существующих методов и технических средств для его осуществления.

Анализ оптико-электронных приборов и систем визуализации источников ионизирующего излучения (ИИ) показал, что для обнаружения ИИ и непрерывного мониторинга их состояния на радиационно опасных объектах для предотвращения чрезвычайных ситуаций или, в случае их возникновения, оперативного реагирования и минимизации негативных или губительных последствий, целесообразно использование системы визуализации ИИ на основе комплексирования изображений, оптического изображения местности с изображением источника ИИ. Это позволяет локализовать источник ИИ и обеспечивает наглядность радиационного мониторинга.

Для формирования изображения ИИ предлагается использовать сцин-тилляционный детектор на основе твердотельного кремниевого фотоэлектронного умножителя (Si-ФЭУ, Silicon photomultiplier, SiPM), а также кодирующую апертуру. Использование кодирующей апертуры вместо точечного коллиматора и Si-ФЭУ в качестве детектора обеспечивает лучшую по сравнению с существующими системами чувствительность к низко-

энергетическому ИИ и позволяет осуществлять визуализацию ИИ более широкого диапазона энергий (от 0,1 кэВ до 3 МэВ).

Вторая глава рассматривает теоретические вопросы формирования изображений источника ИИ сцинтилляционным методом с применением комплексирования изображений, полученных в оптическом и высокоэнергетическом диапазонах излучений.

Получена обобщенная схема преобразования информации в системе визуализации ионизирующего излучения (СВИИ), реализованной на основе комплексирования изображений, получаемых независимыми каналами визуализации ИИ и оптического излучения (ОИ). Для описания преобразования информации ОИ характеризуется спектральной плотностью потока Фл(Л) (поток ОИ, приходящийся на малый единичный интервал длин волн), а ИИ - энергетическим спектром МУ(ЕУ) (распределение фотонов ИИ по энергиям). Эти характеристики формируют информативное пространство, в рамках которого задаются функции пространственных распределений ОИ и ИИ - (х, у) и $у(ж, у). Рабочий спектральный диапазон канала визуализации ОИ включает видимый диапазон (380 - 780 нм). Для канала визуализации ИИ, информативное пространство сосредоточено в энергетическом диапазоне 0,1 кэВ - 3 МэВ, что соответствует коротковолновому спектральному диапазону (12 нм - 3,7 • 10-9 нм).

Разработана математическая модель преобразования ИИ в ОИ сцинтил-ляционными материалами. Модель рассматривает в качестве ИИ фотонное излучение, к которому относится электромагнитное излучение с длиной волны менее 12 нм. Установлено, что в энергетическом диапазоне 0,1 кэВ - 3 МэВ доминирующим процессом взаимодействия фотонного ИИ с веществом сцинтиллятора является фотоэффект, а вероятность генерации электрон-позитронных пар близка к нулю.

Показаны зависимости фотоэффективности и фоточасти в кристаллах Ка1(Т1), Сб1 и ЬУБО от энергии ИИ. Анализ зависимостей показал, что в кристалле ЬУБО фотоэффект при взаимодействии с ИИ происходит с наибольшей эффективностью.

Обоснован перечень параметров сцинтиллятора для выбора сцинтилля-ционного детектора СВИИ: время затухания, световой выход, радиационная стойкость, стоксов сдвиг, гигроскопичность. Сравнительный анализ перечисленных параметров показан, что наибольшим световым выходом, а значит эффективностью при регистрации низкоэнергетического фотонного ИИ обладает кристалл Сб1(Т1) (54 фотон/кэВ).

Сформирована математическая модель функционирования кодирующей апертуры, основанная на математическом аппарате классической теории формирования изображений. Тенеграмма, под которой понимается пространственное распределение освещенности еКа(х,у) в пространстве изображений при прохождении излучения через кодирующую апертуру, представляет собой суперпозицию теней от каждой точки источника излучения в пространстве предметов:

еКА{х,у) = Ъ(х01,Уо1) ® п)(ах{ - Ьх^ау-, - Ьу0[) 1

где /ш(х[,у[,х0[,у01) - импульсная характеристика кодирующей апертуры, Ь(х01,у01) - распределение яркости на элементарной площадке, содержащей точку г-ю точку объекта, в плоскости предметов, (жоьУоО - координата г-й точки источника излучения в пространстве предметов, (х]_,у\) - соответствующая ей координата приемника излучения, 0 - операция свёртки, а коэффициенты преобразования а = &\/((1\ + (12), Ъ = &2/((1\ + (12), где (1\ - расстояние источника излучение до плоскости кодирующей апертуры, а ё,2 - расстояние от плоскости кодирующей апертуры до плоскости приемника излучения.

Для декодирования изображения из тенеграммы используется деконво-люция:

I(х,у) = Ека{х,у) ®-1 w(x,y)

где I(х,у) - пространственное распределение источника излучения в плоскости изображений, полученное из тенеграммы, - операция де-конволюции, которая часто рассматривается как обратная свертка.

В третьей главе показано матричное представление распределения полей излучения при прохождении через кодирующую апертуру и формирования изображения источника излучения, проведено моделирование формирования и декодирования изображений, а также предложен метод оценки качества восстановленного изображения.

Сформулированы принципы формирования кодирующей апертуры типа MURA различных рангов в линейной, квадратной и гексагональной конфигурациях. На основании этих принципов, а также сформулированных в главе 2 теоретических аспектов разработана компьютерная модель функционирования кодирующей апертуры, позволяющая исследовать методы декодирования изображений. Для исследования модели использовались тестовые изображения, отличающихся контрастом и однородностью. Изображения кодировались масками MURA различных рангов в диапазоне от 3 до 200 и декодировались методами деконволюции, слепой деконволюции и винеровской фильтрации. Для визуальной оценки результатов декодирования исследуемыми методами на рисунке 1 представлены изображения, сформированные масками рангов 11 и 53.

Результаты моделирования показывают, что резкость декодированного изображения возрастает с увеличением ранга маски. При этом метод ви-неровской фильтрации позволяет получить декодированное изображение, визуально неотличимое от исходного, уже при значении ранга 11, в то время как для других методов ранг должен быть не менее 50.

ES

п„„__________________________Слепая Винеровская

Деконволюция . „,^.„„,,,,„

м деконволюция фильтрация

Слепая Винеровская

Деконволюция

м деконволюция фильтрация

Рисунок 1 — Декодированные изображения Ir(x,y), полученные в результате моделирования масками рангов 11 и 53.

Для численной оценки результатов исследуемых методов использовались критерии среднеквадратической ошибки MSE, пикового отношения сигнал/шум PSNR и индекса структурного сходства SSIM.

Анализ зависимости SSIM от ранга маски показал, что метод слепой деконволюции демонстрирует неудовлетворительные результаты. В частности, при декодировании изображения, отличающегося низким контрастом и высокой однородностью, величина SSIM принимала отрицательные значения, что свидетельствует о существенные искажения декодированного изображения вплоть до его инверсии. Для методов деконволюции и вине-ровской фильтрации такого эффекта не наблюдалось.

Наименьшее значение MSE и наибольшее PSNR демонстрирует метод винеровской фильтрации, который находит приближение декодированного изображения IT(u,v), минимизирующее отклонения между ним и неискаженным изображением Is(u,v), по формуле

1г(х,у) = Е

-1

С(и,у)

°(и,у) д(и,у) д(и,у)

+ Я

Ци,у)

(1)

где Я - константа, учитывающая соотношение шум/сигнал, 1е(и,у) частотное представление искаженного изображения, С(и,у) - частотное представление искажающей функции.

Было проведено исследование винеровской фильтрации и ее сравнение с методом инверсной фильтрации. В качестве искаженного изображения использовалась смоделированная тенеграмма, а в качестве искажающей функции - паттерн кодирующей апертуры. Результаты исследования показали, что метод винеровской фильтрации позволяет не только декодировать изображение, но и существенно подавить шумовую составляющую, что делает этот метод предпочтительным для декодирования изображений в СВИИ.

В четвертой главе представлено физическое моделирование функционирования кодирующей апертуры, а также ее экспериментальное исследование с использованием источников ОИ и ИИ.

Показаны результаты физического моделирования и экспериментального исследования кодирующей апертуры. Были исследованы методы реализации кодирующей апертуры для проведения экспериментальных исследований, основанные на лазерной печати, импульсной лазерной абляции и фотолитографии. Последний метод продемонстрировал наилучшие результаты, и реализованная им кодирующая апертура была использована в экспериментальном стенде.

Для экспериментального исследования был разработан стенд, в котором в качестве МПОИ использовалась ПЗС-матрица. На основе результатов эксперимента алгоритм винеровской фильтрации для декодирования

1

2

изображений скорректирован с использованием метода комплексирования. Полученный двухэтапный метод можно записать в следующем виде:

1г(х,у) = \1т,1(х,у)1-1г'2{х,у)

к

где 1Т1\(х,у) - изображение, декодированное по формуле 1 с использованием Я, 1т,2(х,у) - изображение, декодированное с использованием величины к • Я, к = 500 - коэффициент масштабирования.

Результат декодирования изображений винеровской фильтрацией и двухэтапным методом с коррекцией фоновой составляющей показан на рисунке 2.

Рисунок 2 — Результаты декодирования изображения, сформированного кодирующей апертурой, методом винеровской фильтрации (а) и предложенным двухэтапным методом (б).

Предложенный двухэтапный метод декодирования изображений позволяет в существенной мере устранить фоновую составляющую изображения. Численная оценка меры устранения фоновой составляющей производилась с использованием контраста по Веберу, который используется при анализе яркости объекта относительно яркости фона на изображении:

Сщ (I) =

1а(Х,у) - 1Ъ(Х,У)

1а(Х,У)

где 10(х,у) и 1ъ(х,у) - яркость объекта и фона на изображении I(х,у).

Контраст Сщ(1) изображения, показанного на рисунке 2(а), равен 0,5743, а изображения, показанного на рисунке 2(б) - 1. Таким образом, предложенный двухэтапный метод декодирования изображений позволил повысить контраст изображения в 1,75 раза, что доказывает его эффективность для минимизации фоновой составляющей.

Для проведения экспериментального исследования с использованием источника ИИ и сцинтиллятора был проведен энергетический расчет. В качестве источника ИИ выбрана дейтериевая лампа, диапазон ультрафиолетового излучения которой равен 160 - 400 нм. Результаты расчета показали, что число фотонов, создаваемых сцинтиллятором при взаимодействии с излучением ультрафиолетовой дейтериевой лампы, превышает пороговое значение числа фотонов МПОИ при времени экспозиции 50 мс и расстоянии между сцинтиллятором и лампой, равном 500 мм.

В ходе эксперимента с использованием ультрафиолетового излучения было проведено комплексирование изображений ИИ и ОИ, а также псевдоцветовая визуализация комплексированного изображения (рисунок 3).

Псевдоцветовая визуализация позволяет выделить ключевую информацию на изображении, заключающуюся в пространственном распределение источника ИИ, что позволяет эффективно его локализовать.

Пятая глава посвящена вопросам физической реализации системы визуализации ИИ.

На основе результатов аналитического обзора и теоретических и экспериментальны исследований разработана структурная схема системы визуализации ИИ, реализующая комплексирование изображений, полученных в каналах визуализации ИИ и ОИ, для локализации источников ИИ. Показано описание формирования сигнала в канале визуализации ИИ, использующего БьФЭУ в качестве детектора ИИ. Представлена схема подключения многоканального БьФЭУ на основе быстрого вывода сигнала.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Васильева Анна Владимировна, 2020 год

АКТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

научных результатов диссертации Васильевой Анны Владимировны «Исследование кодирующей апертуры и оптико-электронной системы для визуализации источников оптического и ионизирующего излучения», представленной на соискание ученой степени кандидата технических паук по специальности 05.11.07 - «Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы»

Комиссия в составе председателя д.т.н.. проф. С.А. Козлова и членов комиссии д.т.н., проф. В.В. Коротаева и д.т.н., проф. И.А. Коняхина составила настоящий акт о том, что при выполнении НИР № 713553 «Разработка физических принципов, материалов, устройств и систем оптических быстрых и защищенных коммуникаций, дистанционного зондирования объектов» были использованы результаты диссертации Васильевой A.B. «Исследование кодирующей апертуры и оптико-электронной системы для визуализации источников оптического и ионизирующего излучения», а именно принципы построения оптико-электронной системы для визуализации и локализации источников ионизирующего излучения с использованием комплектования информации, получаемой с твердотельного кремниевого фотоэлектронного умножителя и оптического сенсора.

I ]рсдседатель комиссии Члены комиссии

ff

С.А. Козлов В.В. Корогаев I I.A. Копяхпн

«УТВЕРЖДАЮ»

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

11роректор по научной работе Университета И'ГМО д.т.н., проф.

федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский университет ИТМО» (Университет ИТМО)

В:0. Никифоров

2020 1.

Кронверкский пр-т, д. 49, Санкт-Петербург, Россия, 197101 Тел. [phone] | Факс [phone] [e-mail] | itmo ru

АКТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

научных результатов диссертации Васильевой Анны Владимировны

«Исследование кодирующей апертуры и оптико-электронной системы для визуализации источников оптического и ионизирующего излучения», представленной на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.) 1.07 - «Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы»

Комиссия в составе председателя д.т.н., проф. В.В. Коротаева и членов комиссии к.т.н.. A.C. Васильева и к.т.п. A.A. Алехина составила настоящий акт о том. что при выполнении НИР № 380222 «Исследование особенностей применения кодирующей апертуры для визуализации коротковолнового излучения с высоким пространственным разрешением» были использованы результаты диссертации Васильевой A.B. «Исследование кодирующей апертуры и оптико-электронной системы для визуализации источников оптического п ионизирующего излучения», а именно методика определения параметров лазера при реализации кодирующей апертуры методом импульсной лазерной абляции, а также критерии оценки качества декодированного изображения па основе среднеквадратической ошибки, пикового Ol ношения си1 пал-шум и индекса структурного сходства.

11редседатель комиссии

1.1СПЫ комиссии

/

В В. Коротаем

A.C. Васильев

A.A. Алехин

• • •

•. •. *:

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

федеральное государственное автономное г ч ___

образовательное учреждение высшего образования >4°,;^ ' .-е^Ч-^-^ «Национальный исследовательским университет ИТМО>/^- ^ (Университет ИТМО)

Кронверкский пр-т, д. 49, Санкт-Петербург, Россия, 197101 Тел : [phone] | Факс: [phone] [e-mail] | itmo.ru

«УТВЕРЖДАЮ»

11роректор г jo научной работе Университета ИТМО д.т.н., проф.

В.О. Никифоров

2020 i.

■AVV*

т. Л «»«да* SJ?

АКТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

научных результатов диссертации Васильевой Анны Владимировны «Исследование кодирующей апертуры и оптико-электронной системы для визуализации источников оптического и ионизирующего излучения», представленной на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.07 - «Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы»

Комиссия в составе председателя д.г.н.. проф. И.А. Коняхина и членов комиссии д.т.н.. проф. В.В. Коротаева и к.т.н. A.M. Чертова составила настоящий акт о том. что материалы диссертации Васильевой Анны Владимировны «Исследование кодирующей апертуры и оптико-электронной системы для визуализации источников оптического и ионизирующего излучения», а именно схема подключения твердо i ел ьного кремниевого умножителя, использованы в лабораторном практикуме дисциплины «Источники и приемники оптического излучения» профиля подготовки бакалавра «Оптико-электронные приборы и системы» по направлению подгоювки 12.03.02 Опютехпика.

1редсс\кнель комиссии

11.A. Копяхин В.В. K'opoiacB All Чертов

Приложение 2. Тексты публикаций

Optical Engineering 58(11), 113103 (November 2019)

Experiments with the laser-ablation-made modified uniformly redundant array coded aperture performed in the visible spectral range

Anna V. Vasileva,3* Aleksandr S. Vasilev,8 and Galina V. Odintsova"

aITMO University, Faculty of Applied Optics, St. Petersburg, Russia

bITMO University, Faculty of Laser Photonics and Optoelectronics, St. Petersburg, Russia

Abstract. We describe the process of preparing an experimental study of a coded aperture in the visible spectral range. In the experiments, shadowgrams are supposed to be recorded with a conventional imaging sensor. A feature of the work is a proposed coded aperture implementation method based on surface evaporation by laser ablation. As a coded aperture base material, a glass substrate with a titanium film 500-nm thick deposited on it is used. To characterize and validate the fabricated coded apertures, a dual-metric method based on image processing techniques was developed. The method was used to optimize laser parameters, including the pulse power, the spot moving speed, and the pulse repetition rate. The coded aperture implemented with the parameter values determined was then used as the imaging device in the experimental stand and proved to form a high-contrast image. The double metric method allows one to optimize other laser parameters, along with the Studied ones, for the given experimental conditions. © 2019 Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE) [DOI: 10.1117/1.OE.58.11.113103]

Keywords: coded aperture; image reconstruction; digital image processing; pulsed laser ablation; lensless imaging. Paper 191096 received Aug. 8, 2019; accepted for publication Oct. 15, 2019; published online Nov. 12, 2019.

1 Introduction

Coded aperture is a device that performs functions of the lens optical systems, namely light focusing and image formation. In a number of tasks, it is rationally used instead of a lens objective. For example, coded apertures are widely used in x-ray telescopes,1-3 where it is impossible to use lenses for imaging due to the incompatibility of x-ray radiation and glass properties. Another actual application is the development of lensless cameras4,5 that operate in the visible spectral range. These cameras are highly compact and can be used for various purposes.5 Therefore, coded apertures are applicable in any spectral range with an appropriate combination of its parameters such as thickness, material, rank, and resolution.6-7

The material and methods of coded aperture manufacturing depend on the purpose of its application. For the stability of the aperture, a substrate transparent to radiation should be used. To visualize high-energy sources, in particular x-rays and gamma-rays, the aperture is usually made of lead or tungsten, less often of other materials absorbing radiation.8 The substrate can be made of aluminum,910 silicon."12 some composites.13 For the visible spectral range, an assortment of transparent substrate materials is very limited. As the mask must be small-sized and accurately made, various technologies should be investigated.

In this work, the coded aperture is studied within a large project aimed at developing a two-channel ionizing radiation imaging system.14 Effective use of the coded aperture in this system requires some preliminary research, including image processing algorithms, the impact of various aperture parameters on its focal length and field of view as well as on the resolution and quality of the image. It is rational to perform this research with sources of optical rather than ionizing

radiation since it is easier to implement and does not require special protective equipment. In this regard, the main purpose of this work is the implementation and experimental study of the coded aperture in the visible spectral range.

2 Materials and Methods

As a coded aperture, we used the modified uniformly redundant array (MURA) mask,13 which is quite common in visualizing ionizing radiation."'17 With the right combination of mask parameters, the resulting image obtains good quality and relatively high resolution. The main parameter characterizing the MURA mask is its rank, i.e., the number of elements horizontally and vertically. At a fixed mask size, a higher rank means a smaller size of the smallest element, which results in higher spatial resolution (Fig. 1).

The mask is a set of transparent (white) and opaque (black) elements. Resolution (size of the smallest element) of the mask is determined by the purpose and features of its application. According to the literature,41819 the minimal element size should be between 50 and 250 /mi. From that, we can determine the required rank with a simple relationship:

r « de/h,

(1)

where h is the sensor size (or its smaller size if it is not square-shaped), de is the size of the smallest mask element, r is the sought-for rank, and smallest nearest prime number for de/h relation. The requirement for r to be prime is one of the conditions for MURA mask formation.15 We assumed de to be 130 fim, and the size of the sensor used, h, is 5 mm. In this regard, the optimal mask rank is 37.

'Address all correspondence to Anna V. Vasileva, E-mail: [e-mail]

0091-3286/2019/$28.00 © 2019 SPIE

Optical Engineering

113103-1

November 2019 • Vol. 58(11)

Downloaded From: https://www.spledlgltallibrary.org/journals/Optlcal-Engineerlng on 12 Nov 2019 Terms of Use: https://www.spledlgltallibrary.org/terms-of-use

Vasileva, Vasilev, and Odintsova: Experiments with the laser-ablation-made modified uniformly...

rC(p) =

E UC,-C)(Pi-p)

(5)

where p is the investigated parameter (power, speed, or frequency), C and p are average contrast and investigated parameter value, respectively. The correlation coefficient for cleanliness is found the same way. Since we decided to use the Pearson correlation coefficient, the dependencies were approximated by a linear function. For other types of approximation, other suitable correlation metrics must be used.23

The contrast C indicates the completeness and quality of titanium film evaporation from the substrate. By full evaporation, h\i..r, and b1!- should have close values, which means

max min

that the contrast tends to be minimum. In the ideal case, J should be equal to 1, meaning that all points of the transparent mask element are completely removed from the substrate. Therefore, the criterion for improving the quality of the coded aperture made by laser ablation is to minimize the value of C while maximizing the value of J.

2.4 Experimental Stand Structure

The experimental stand was developed to verify the aperture made by laser ablation. Also, further study in the visible spectral range will be conducted with this stand, which relates to the main goal of this work. The structure of the stand is shown in Fig. 5.

The goal of the experiment is obtaining an image of an object using the coded aperture instead of a lens objective. The imaged object is illuminated so that the light reflected from it is enough to obtain the shadowgram. The coded aperture forms a shadow pattern, which is the desired shadowgram recorded by a conventional imaging sensor. To obtain the shadowgram, it is important to minimize external light between the sensor and the aperture.

The shadowgram obtained undergoes a reconstruction process described below. This gives a resulting image of the object.

2.5 Image Reconstruction

Image reconstruction is performed to get an actual source distribution from the shadowgram. For that, we developed an algorithm based on periodic correlation.24

rf

^ Lighting

Imaged object

Image reconstruction requires a decoding mask, which is a correlation inversion of the coded aperture pattern.15 Let Q be the image containing the shadowgram recorded by the sensor and G is the image containing the decoding pattern.

The first step of the algorithm is scaling the decoding pattern to the shadowgram size in the image (if sizes of the coded aperture and the sensor do not match). Then, two-dimensional periodic correlation Sc of images Q and G is found by the following equation:

Sc = F~l[3t(Q)-j-2{Q)oC(\,

(6)

where Q and G are the Fourier spectra of the images Q and G, respectively, j is the imaginary unit, F~x is the inverse Fourier transform, and ° is the elementwise multiplication of the images.

The next step is centering of image Sc using the circular shift method:

Ss(x,y) = Sc

M

M\

2~/m

(7)

's(xy "-1 0 ' 's,(xy

_s(y). 0 -1 My).

Fig. 5 Principal structure of the experimental stand.

where M X M is the size of Sc, (c)M = c mod M.

The final step is spatial alignment of the object in the image, which is its vertical reflection:

(8)

The resulting image S is the sought-for decoded spatial distribution of the source.

3 Results and Discussion

Figures below show the results of the three experiments described in Sec. 2.2. The results are presented as follows: the central plot shows two metrics as functions of the investigated parameter, and on the left and right sides, there are images of the coded aperture implemented with the minimum and maximum values of the investigated parameter.

Figure 6 shows the dependence of coded aperture quality on laser power.

Figure 6 reveals that at low power the titanium film is removed locally. This power is too low to realize the required mask structure; therefore, some small elements are missing. The cleanliness value is low, whereas the contrast, which is the difference between "light" and "dark" pixels, is high. With increasing power, the film is removed completely, which indicates a better quality of the mask. A high correlation for both metrics proves the reasonability of increasing laser power. The value of 2 W is enough to implement the high-contrast coded aperture. At 3 W, visual inspection revealed local damage of the mask, which will be greater with a further increase in power. Thus, raising the power to improve the quality metrics of the mask requires an inspection of its intactness. In our case, the optimal power is considered to be 2 W. Figure 7 shows the dependence of coded aperture quality on laser spot speed.

The cleanliness, J, at all speed values is at the same high level, which means that there are almost no locations with unremoved material. However, the left image shows that at low speed, the substrate material is clearly damaged. The solution to this problem is either to reduce laser power

Optical Engineering

113103-4

November 2019 • Vol. 58(11)

Downloaded From: https://www.spledlgltallibrary.org/journals/Optlcal-Engineerlng on 12 Nov 2019 Terms of Use: https://www.spledlgltallibrary.org/terms-of-use

Robotized Imaging System Based

on Sipm and Image Fusion

for Monitoring Radiation Emergencies

Check for updates

<8>

A. V. Vasileva, A. S. Vasilev, A. K. Akhmerov and Victoria A. Ryzhova

Abstract Introduction. Emergencies caused by ionizing radiation occur less frequently than natural, transport or domestic ones. However, they are often global in nature and have long-term negative consequences. The problem of radiation emergencies is that they are often difficult to reveal quickly. Radiation monitoring means must also be designed to minimize people involvement, since radiation causes irreparable harm to them. Purpose: development a robotic system for imaging of ionizing and radioactive radiation. Methods. A system scheme is proposed which is based on sensor fusion to increase the demonstrativeness and efficiency of radiation monitoring. Results. A principle of ionizing radiation imaging using a coded aperture and mathematical processing is presented. Processing is implemented on the basis of periodic correlation carried out in frequency domain. A method of heterogeneous channels calibration and a technique of their images fusion performed using exponential transformation are shown. A special feature of the system is an ionizing radiation imaging channel, which is implemented on SiPM and thereby has a high sensitivity and a wide range of detected energies. The design features of the system provide high protection of its components from penetrating ionizing radiation, allowing monitoring in a dangerous radiation environment. Practical relevance. The main application is the automated radiation monitoring of SEMS group operating environment, which is carried out by robotized systems and allows prompt detecting of an increased level of ionizing radiation, preventing high damage from radiation accidents.

Keywords Situation control • Radiation monitoring • Robotic automation systems • Visualization • Image fusion • Ionizing radiation • SiPM

A. V. Vasileva • A. S. Vasilev • A. K. Akhmerov • V. A. Ryzhova (El) ITMO University, St. Petersburg, Russia e-mail: [e-mail]

A. V. Vasileva

e-mail: [e-mail]

A. S. Vasilev

e-mail: [e-mail]

© Springer Nature Switzerland AG 2020 159

A. E. Gorodetskiy and I. L. Tarasova (eds.), Smart Electromechanical Systems, Studies in Systems, Decision and Control 261, https://doi.org/10.1007/978-3-030-32710-l_12

1 Introduction

Ionizing radiation emergencies occur less frequently than natural, transport, industrial or domestic ones. However, they are often global in nature and have long-term negative consequences affecting the population and the environment. During the most famous and catastrophic radiation disasters thousands of people died in a short period of time due to a lethal dose of radiation, and even more died within a few years after that from radiation induced diseases, in particular cancer. Increased doses of ionizing radiation may occur not only because of global catastrophes, but also because of local acts of radiation terrorism, as were the cases in Mexico and Iraq in 2017 and 2016 by abduction of radioactive iridium-192.

Radiation emergencies are often difficult to reveal quickly, which increases the risks of negative consequences. Monitoring means that provide information on radiation situation in a visual way are very useful and therefore are being researched and developed by many research groups around the world [1-4]. Visual monitoring systems provide an opportunity not only to see an ionizing radiation source, but also to understand exactly where it is located [5]. This is achieved by using two separate channels to form images of optical and ionizing radiation and by combining them by one of image fusion methods [6-8]. So, sensor fusion provides the highest demonstrativeness of radiation monitoring.

Performance, sensitivity and operational features of the imaging system are directly determined by a sensor used in the ionizing radiation imaging channel. There are many possible solutions, such as radiation counters [9], photomultiplier tubes [10-12], CCD and CMOS arrays [1, 13], Medipix tracking detectors [3, 15]. Compared to these detectors, a silicone photomultiplier (SiPM) seems to be more preferable due to a significantly higher sensitivity and better operational characteristics, so nowadays it is actively investigated [15,16]. In our development, we propose to implement the ionizing radiation imaging channel based on SiPM.

The design of radiation monitoring means must also minimize the involvement of people in order to eliminate the negative radiation impact on them [17]. For this, a monitoring system should be as automated as possible and able to be remotely controlled. This leads to the main objective of this work, namely development of a robotized system for imaging of ionizing and radioactive radiation. In this paper, we propose a scheme of radiation imaging system, its design and algorithms for information obtaining and processing.

2 Structure and Principle of Radiation Monitoring System

The developed imaging system must provide information about the radiation situation in a visual form. It is supposed to be used in a harsh radiation environment, so it must operate without direct involvement of people and as autonomously as possible. At the same time, opportunities for remote monitoring and control should be provided.

It is important that for imaging purpose, both scintillator and SiPM must be of array structure. In our system, we used a 4 x 4 SiPM array from Sensl. In this case, output signal Iout of each pixel is part of the full two-dimensional output signal lshad-

hhad —

loo,out hi,out hi,out /03,out

ho,out hi,out 111 ,out /13 ,out

ho.out hi.out hi,out hi,nut . ho ,out hi ,out hi .out ,out .

(2)

Each pixel of the SiPM array used has 5676 microcells with charging time constant of 48 ns. PDE and G values are overvoltage dependent [22]. As a scintillator, we used CsI(Tl) crystal which light yield is 55.7 photon/keV. The output signal of the whole ionizing radiation imaging channel is the SiPM output signal amplified by op-amps and digitalized by ADC. The resulting shadowgram represented as a digital image and processed by convolution methods turns into an image Fr containing the location and distribution of radiation source.

Images from both channels are processed together by a FPGA. Processing includes primary operations to improve contrast and reduce noise of the image and operations related to images fusion. The use of the FPGA as a computing device ensures high speed of processing due to its inherent parallelism. A coupling board is used to connect the Monitoring Unit with external devices, such as remote monitoring and a database server containing data of the radiation environment. For data transmission, Wi-Fi is available, but any other wired or wireless interface may be used.

For spatial orientation of the robotized system, a sensor set is provided. In a common case, a speed, a distance, and an angular position (direction) sensors are required. If necessary, this set can be extended by other sensors (wheel rotation, acceleration, etc.). The information from sensors is analyzed by a drive control unit and sent to a power drive to move the system to the target position and orientation set by people in remote monitoring.

Chassis are used to move the system. Depending on the application specifics, different types of chassis can be used, such as tracked, wheeled or walking ones [23]. When the system is moving, vibrations and shaking are possible, which can cause distortions during images fusion and errors in the sensors output data. To avoid this, the entire system including monitoring unit and kinematic controls is on a stabilized platform.

3 Image Processing by Fusion

The image displayed on the operator display contains fused information from optical and ionizing radiation channels, which significantly increases the demonstrativeness and efficiency of radiation monitoring [8, 24]. The main fusion stages are pixel intensities matching and result presentation. However, since the image Fy has a low

XxYx is considered as the target coordinate system. Thus, the following sequence of

actions must be performed.

1. Calculating the image coordinates of calibration objects placed in the first position 5]. The coordinates of UV LED are (xr \, yY \) and (xi + Bx, \'i + By) in ionizing radiation channel and global coordinates systems, respectively. The coordinates of white LED are (xx i, yx i) and ([x\, yj) in optical channel and global coordinates systems, respectively. The coordinates are calculated using weighted summation [26].

2. Placing calibration objects in the second position S2 and calculating the coordinates (xy2, yvi), (xz + Bx, y2 + By), (xX2, yxi), and (x2, y2) the same way.

3. Calculating the displacements: (Sxy,Syy) = (xy2 - xy[, yr2 — yY\), (Sxx, Sy\) = (xX2 - Xxuyxi - Vxi), (Sx, Sy) = (x2 - Xi,y2 - yl).

4. Finding the scale coefficients and shifts by the equations

mr,x =

Sx Sxx

r.

¿yy

SxA

Syx

>nv,Y = mx,x = —; mx,Y = . Syx Sx Sy

(3)

and

Ay,x = Xx - Bxmx,x ~ xYmy,x Ayj = y\ ~ Bym>,,Y ~ yymyJ '

(4)

where mYix and m,yj are X- and Y-axis scales between the ionizing radiation and optical channels, mx,x and m) Y—X- and Y-axis scales between the optical channel and the global coordinate system, Ay:X and ày Y are shifts between X- and Y-axes of XyYy and Xx Yy coordinate systems.

Having found scale coefficients and shifts, the resulting coordinate transformation equations can be written as

Xx(Xy) = A y,x + xYmy,x y-J.yv) = A + yYmy,Y

(5)

These equations allow aligning the optical and ionizing radiation channel coordinate systems and transform them into a single global coordinate system.

3.2 Pixel Intensities Matching

After eliminating spatial misalignment, the two multi-sensor images can be combined by intensities. This is the actual fusion process which must be carried out in real time to provide continuous monitoring and updating information about the level and location of radiation sources with a high frequency. Therefore, in order to reduce the

time between robot actions and information displaying, it is advisable to perform the fusion in one computational flow without buffering. This imposes a limit on the computational operations number.

We implemented fusion by the exponential transformation method which consists in pixel-by-pixel raising of the visible-channel image Fx to the normalized intensity value of the inverted gamma-channel image Fy [25, 27]:

where n is the bit depth of the FY image.

Since the Fy image is normalized, the exponent is in the range of [0; 1]. After inverting Fv, minimum intensity values of its pixels become close to 1, which results in closeness in intensities of images F, and Q. In the opposite case, the intensities of the Fk pixels undergo significant changes. In the end, a narrow range of pixel intensities of the image Fx expands resulting in an increase in the Q image contrast.

3.3 Presenting the Fused Image

The image Q should be presented in a form convenient to be analyzed and interpreted by the operator. Since humans distinguish between thousands of shades of color and only about two dozen shades of gray, the most effective presentation is in pseudocolors [28,29]. Pseudo-color images are useful for searching and detecting objects on a complex background, since they accentuate key information. To form the pseudocolor image, a color assignment rule is used, the mathematical description of which is given below.

The first step is to find the difference between the fused image Q and the original optical-channel image F,:

The pixels of the image D have values in the 0 ... 2" — 1 range, where n is the bit depth of the F} image. This range is to be quantized to k intervals, each of which represents a certain color:

where Xs is the range of image D pixel values that will correspond to one color.

For each of k colors, an array C is formed, in which 1 indicates that the value is within the specified range while shows 0 the opposite:

Q(x, y) — Fx(x, y)l~Fr(x-y^2'

(6)

D(x,y) = Q(x, y) — Fx(x, y),

(7)

Cj(x,y) -

1, D(x,y) e[j • Xs; (; + 1) • X5] 0, Dix, y) £ I./ • Xs\ (J + 1) • Xs] '

(9)

Fig. 3 Fused image represented in pseudo-colors

has a large weight and size (Fig. 4b). The total mass of the double enclosure shown in Figure is 16 kg.

Direct impact of ionizing radiation on the focusing lens and CMOS sensor is eliminated by light reflection. Visible light (green arrow in Fig. 4a) hits the optical components after being deviated, while ionizing radiation (purple arrow in Fig. 4a) passes in its original direction. The optical axis is deviated by an inclined flat mirror mounted at 45° relative to the light propagation direction. In addition, ionizing radiation entering through the input window of the optical channel is attenuated by protective heavy flint glass. In our design, the 10 mm thick glass provides attenuation equivalent to a lead plate 2.5 mm thick.

Thus, the cumulative design features for protection of electronic and optical components allow maintaining their characteristics for a long period of time and thereby ensure the failure-free operation of the developed imaging system.

5 Conclusion

The paper describes the robotized system for imaging of ionizing and radioactive radiation. The system scheme is based on sensor fusion. The ionizing radiation channel uses a scintillator coupled with a silicon photomultiplier, which ensures high sensitivity and efficiency of radiation detection. To obtain an ionizing radiation image, a coded aperture is used. To increase demonstrativeness and efficiency of radiation monitoring, information from optical and ionizing radiation channels is fused. Fusing method developed consist in spatial alignment of images, their pixels matching and presenting the result in pseudo-color palette. The paper also shows the design features of the developed system which ensures protection of the main functional units from penetrating ionizing radiation and thereby from their failures.

The developed system operates autonomously and is controlled remotely. This eliminates the negative radiation impact on people and allows performing monitoring in a harsh radiation environment. Therefore, the system can be used for automated radiation monitoring of SEMS group operating environment to prevent high damage from radiation accidents.

Acknowledgements The research was carried out at the expense of the Russian Science Foundation grant (project No. 18-79-00048).

References

1. Mirion Technologies, Inc.: IPIX Ultra Portable Gamma-Ray Imaging System. http://www. gammadata.se/assets/Uploads/iPIX-SS-C47705.pdf. Accessed 26 Apr 2018

2. Okada, K., Tadokoro, T., Ueno, Y., Nukaga, J., Ishitsu, T., Takahashi, Nagashima, K.: Development of a gamma camera to image radiation fields. Prog. Nucl. Sci. Tech, 4. 14-17 (2014). http://doi.org/10.3131/j vsj2.57.51

3. Wahl, C.G., Kaye, W.R., Wang, W., Zhang, F.t Jaworski, J.M.. King, A., He, Z.: The polaris-H imaging spectrometer. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A 784, 377-381 (2015). https://doi.Org/10.1016/j.nima.2014.12.110

4. Wang, Y., Shuai, L., Li, D., Hu, T., Zhang, Z., Wei, C., Wei, L.: Development of a portable gamma imager based on SiPM and coded aperture technology. In: 2015 IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference (NSS/MIC), pp. 1-3. San Diego, October 2015. IEEE. http://dx.doi.org/10.1109/NSSMIC.2015.7581764

5. Vlasenko, A.I., Lapin, O.E., Pervishko, A.F., Demchenkov, V.P, Arkadyev, V. B., Lupal, S.D.: Portable combined system of fusing video and gamma images of radiation sources. Issues of defense technology. Tech. Means Terrorism Countering. 16(7-8), 90-94 (2012). (in Russian)

6. Ghassemian, H.: A review of remote sensing image fusion methods. Inf. Fusion 32, 75-89 (2016). https://doi.Org/10.1016/j.inffus.2016.03.003

7. Liu, Y„ Liu, S., Wang, Z.: A general framework for image fusion based on multi-scale transform and sparse representation. Inf. Fusion 24, 147-164 (2015). https://doi.Org/10.1016/j.inffus. 2014.09.004

8. Vasilev, A.S., Korotaev, V. V.: Research of the fusion methods of the multispectral optoelectronic systems images. In: Automated Visual Inspection and Machine Vision, vol. 9530, p. 953007. Munich, June 2015. International Society for Optics and Photonics, https://doi.org/10.1117/ 12.2184554

9. Vlasenko, A.N.: Portable gamma source imaging system. Instrum. Radiat. Meas. News IRMN 1(84), 34-44 (2016). (in Russian)

10. Santo, J.T. et at.: Application of remote gamma imaging surveys at the Turkey point PWR reactor facility. In: Proceedings of the Institute of Nuclear Materials Management (INMM). pp. 454-487 (2006)

11. Israelashvili, I., Coimbra, A.E.C., Vartsky, D., Arazi, L., Shchemelinin, S., Caspi, E.N., Breskin, A.: Fast-neutron and gamma-ray imaging with a capillary liquid xenon converter coupled to a gaseous photomultiplier. J. Instrum. 12(09), P09029 (2017). https://doi.org/10.1088/1748-0221/12/09/P09029

12. Zeraatkar, N., Sajedi, S., Fard, B.T., Kaviani, S., Akbarzadeh, A., Farahani, M.H., Ay, M.R.: Development and calibration of a new gamma camera detector using large square photo-multiplier tubes. J. Instrum. 12(09), P09008 (2017). https://doi.org/10.1088/1748-0221/12/ 09/P09008

13. Okada, K., Tadokoro, T., Ueno, Y., Nukaga, J., Ishitsu, T., Takahashi, I., Nagashima, K.: Development of a gamma camera to image radiation fields. Prog. Nucl. Sci. Tech. 4, 14-17 (2014). http://dx.doi.org/10.15669/pnst.4.14

14. Martynyuk, Y.N., Vishnevsky, I.B.: Industrial prototype of a portable gamma camera for use at nuclear facilities. Instrumentation and Radiation Measurement News IRMN. 4, 13-23 (2016). (in Russian) http://www.doza.ru/docs/pub/2016/13-23-4-2016.pdf

15. Cozzi, G., Busca, P., Carminati, M., Fiorini, C., Gola, A., Piemonte, C., Regazzoni, V.: Development of a SiPM-based detection module for prompt gamma imaging in proton therapy. In: 2016 IEEE Nuclear Science Symposium, Medical Imaging Conference and Room-Temperature Semiconductor Detector Workshop (NSS/MIC/RTSD), pp. 1-5. Strasbourg, October 2016. IEEE, https://doi.org/10.! 109/NSSMIC.2016.8069393

16. Xie, Y., Bentefour, E., Janssens, G., Smeets, J., Dolney, D., Yin, L., Prieels, D.: MO-FG-CAMPUS-JePl-02: proton range verification of scanned pencil beams using prompt gamma imaging. Med. Phys. 43(6Part31), 3717-3717. (2016). https://doi.org/10.1118/L4957339

17. Arkad'ev, V.B., Vlasenko, A.N., Golubeva, O.A., Lapin, O.E., Pervishko, A.F.: Radiation monitoring devices for equipping mobile robotic systems. Issues of defense technology. Tech. Means Terrorism Countering. 5-6, 27-33 (2011). (in Russian)

18. Caroli, E., Stephen, J.B., Di Cocco, G., Natalucci, L., Spizzichino, A.: Coded aperture imaging in X-and gamma-ray astronomy. Space Sei. Rev. 45(3-4), 349-403 (1987). https://doi.org/10. 1007/BF00171998

19. Gottesman, S.R., Fenimore, E.E.: New family of binary arrays for coded aperture imaging. Appl. Opt. 28(20), 4344-4352 (1989)

20. Rosado, J.: Performance of SiPMs in the nonlinear region. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect. A 912, 39-42 (2017)

21. Sensl: An Introduction to the Silicon Photomultiplier System, https://www.sensl.com/ downloads/ds/TN%20-%20Intro%20to%20SPM%20Tech.pdf. Accessed 14 Jul 2018

22. Sensl: High PDE and Timing Resolution SiPM Sensors in a TSV Package, http://sensl.com/ downloads/ds/DS-MicroJseries.pdf. Accessed 14 Jul 2018

23. Vasilev, A.V.: Development and classification principles of ground mobile robot's and planet rover's chassis. St. Petersburg State Polytech. Univ. J. Comput, Sei. Telecommun. Control Syst. 1(164) (2013)

24. Pohl, C., Van Genderen, J.L.: Review article multisensor image fusion in remote sensing: concepts, methods and applications. Int. J. Remote Sens. 19(5), 823-854 (1998)

25. Vasileva, A.V., Vasilev, A.S.: Research and development of a high-energy radiation imaging system based on SiPM and coding aperture. In: Electro-Optical Remote Sensing XII, vol. 10796, p. 107960 N. International Society for Optics and Photonics (2018)

26. Jiang, J., Xiong, K., Yu, W., Yan, J., Zhang, G.: Star centroiding error compensation for intensified star sensors. Opt. Express 24(26), 29830-29842 (2016)

27. Liu, Z., Laganiere,R.: Context enhancement through infrared vision: a modified fusion scheme. SIViP 1(4), 293-301 (2007)

28. Gonzalez, R., Woods, R.: Digital image processing, 3rd edn. Prentice Hall, New York (2008)

29. Alpar, O., Krejcar, O.: Quantization and equalization of pseudocolor images in hand thermography. In: International Conference on Bioinformatics and Biomedical Engineering, pp. 397-407. Springer, Cham (2017)

30. Ostler, P.S., Caffrey, M.P, Gibelyou, D.S., Graham, P.S., Morgan, K.S., Pratt, B.H. et al.: SRAM FPGA reliability analysis for harsh radiation environments. IEEE Trans. Nucl. Sei. 56(6), 3519-3526 (2009)

31. Quinn, H., Robinson, W.H., Rech, P., Aguirre, M., Barnard, A., Desogus, M. et al.: Using benchmarks for radiation testing of microprocessors and FPGAs. IEEE Trans. Nucl. Sei. 62(6), 2547-2554 (2015)

32. Gusarov, A.I., Doyle, D.B.: Modeling of gamma-radiation impact on transmission characteristics of optical glasses. In: Photonics for Space and radiation Environments II, vol. 4547, pp. 78-86. International Society for Optics and Photonics (2002)

33. Van Pelt, W.R., Drzyzga, M.: Beta radiation shielding with lead and plastic: effect on bremsstrahlung radiation when switching the shielding order. Health Phys. 92(2), S13-S17 (2007)

PROCEEDINGS OF SPIE

SPIEDigitalLibrary.org/conference-proceedings-of-spie

Coded aperture imaging of high-energy radiation: modeling and primary experimental research

Anna V. Vasileva, Aleksandr S. Vasilev, Victoria A. Ryzhova

Anna V. Vasileva, Aleksandr S. Vasilev, Victoria A. Ryzhova, "Coded aperture imaging of high-energy radiation: modeling and primary experimental research," Proc. SPIE 11061, Automated Visual Inspection and Machine Vision III, 1106104 (21 June 2019); doi: 10.1117/12.2527270

SPIE. Event: SPIE Optical Metrology, 2019, Munich, Germany

Downloaded From: https://www.spiedigitallibrary.org/conference-proceedings-of-spieon28Jun 2019 Terms of Use: https://wwwspiedigitallibrary.org/terms-of-use

Coded aperture imaging of high-energy radiation: modeling and primary experimental research

Anna V. Vasilcva, Alcksandr S. Vasilev, arid Victoria A. Ryzhova

Faculty of Applied Optics, ITMO University, Kronverkskiy pr., 49, St, Petersburg 197101,

Russian Federation

ABSTRACT

This work discusses coded aperture functioning in the visible spectral range. A MURA coded aperture was implemented using laser ablation by evaporation of titanium film from a transparent substrate. The optimal laser parameters to make a high-contrast aperture are shown. The paper also present an algorithm based on periodic correlation which has been developed for image reconstruction. Experiments were carried out with the aperture of rank 37 with a minimal element of 130 /¿m. The images obtained during the experiment demonstrate the effectiveness of the proposed aperture implementation method and the developed image processing algorithm.

Keywords: coded aperture, high-energy radiation imaging, lensless imaging, image reconstruction, digital image processing

1. INTRODUCTION

Researches of high-energy radiation imaging are one of the most needed and actively developing areas in modern instrument engineering. High-energy radiation imaging is used in medicine and biology, its use in security systems is also effective (environmental monitoring of radioactive contamination, monitoring systems in places of mass congestion to prevent nuclear terrorism, etc).

When imaging high-energy radiation, lens systems cannot lie used. Instead of these, to form images in the short-wave spectral range corresponding to high energies, a coded aperture is used, which is a mask containing a predetermined number of holes arranged according to a certain principle. After passing through this mask, radiation forms a so-called shadowgram on a detector. The shadowgram is understood as the coded spatial distribution of radiation source that passes through the holes of the aperture. Processing of this distribution represented as an image allows obtaining an actual spatial distribution of the source.

Coded apertures can be used not only in short-wave, but also in any other spectral range with the appropriate combination of its parameters (thickness, material, rank, spatial resolution). There are applied studies of lensless imaging systems that operate in the visible spectral range.1'2 Featuring high compactness, these cameras are suitable and effective for wide variety of applications.

To use the coded aperture with maximum efficiency, it is needed to study the methods of its implementation, as well as to develop an algorithm for shadowgrams processing. These tasks form the objective of this work. The results obtained during this research will lie used in the two-channel system for visualization of ionizing radiation, which is currently being researched and developed.3

Further author information: (Send correspondence to Anna V. Vasilcva)

Anna V. Vasilcva: E-mail: avasilevaOcorp.ifino.ru, Telephone: [phone]

Automated Visual Inspection and Machine Vision III, edited by Jurger Beyerer, Fernando Puente León, Proc ofSPIEVol 11061, 1106104 ■ ©2019 SPIE CCCcode: 0277-786X/19/$21 ■ doi: 10.11117/12.2527270

Proc. of SPIE Vol. 11061 1106104-1

Downloaded From: https://www.spiedigilallibrary.org/conference-proceedings-of-spie on 2S Jun 2019 Terms of Use: https://www5piedigitallibrary.org/terms-of-use

fraasmissior

Figure 2. Elements of the coded aperture implemented by laser ablation. Images obtained with a digital microscope at 5* magnification.

3. IMAGE PROCESSING METHOD

After obtaining shadowgrams with the coded aperture, they must he reconstructed it in order to obtain the spatial distribution of the radiation source. For this, we developed an algorithm based on periodic correlation.11

Images are reconstructed using a decoding mask that matches the coded aperture pattern. Therefore, to perform the reconstruction, two images are needed - I, containing a shadowgram registered by the sensor, and G. containing decoding pattern.

The first step of the algorithm is scaling the decoding pattern to the shadowgram size in the image (if the coded apertures and the sensor sizes do not match). Then two-dimensional periodic correlation Scorr of images I and G is found by the following equation:

= F~l »(/) - j ■ 3(J) o G

where I and G aie the Fourier spectra of the images I and G. respectively, j is the imaginary unit, F~L is the inverse Fourier transform, o is the element-wise multiplication of images.

The next step is centering image Scorr using the circular shift method:

— \ ~2/t

Sshift(f-y) = Sa

M\ y - Y )

L / M

(3)

where M X M is the size of 5,WP, = c mod M.

The final step of the algorithm is spatial alignment of the object in the image, which Ls its vertical reflection:

№)l -1 0 Sshift(x)

S(y) 0 -1 Sshiftiy)

The resulting image .S is the sought-for decoded spatial distribution of the radiation source.

4. EXPERIMENTAL SETUP

For experiments with the implemented coded aperture in the visible spectral range, a setup was developed, which is shown ill Figure 3.

The shadowgram was detected with a digital camera from Irnperx with a CCD array, the pixel size of which is 5.5 x 5.5/Jm. Illuminated letters cut from white paper, which were located at a distance of 1.5 ill from the coded aperture, were used as the imaged object. Total size of the object was 30x15 cm. Uniform illumination of the object was created by a broad-Spectrum lamp. Precise setting of the coded aperture position relative to the sensor was set by motorized stages from Standa.

The setup was located on the optical table and was closed with blackout cloth to prevent the appearance of extraneous highlights and reduce possible reflection from the surface of the coding aperture.

Proc. of SPIE Vol. 11061 1106104-3

Downloaded From: https://www.spiedigilallibrary.org/conference-proceedings-of-spie on 2S Jun 2019 Terms of Use: https://www.spiedigitallibrarv.org/terms-of-use

REFERENCES

1 DeWeert, M. J. and Farm. B. P., "Lensless coded-aperture imaging with separable doubly-toeplitz masks." Optical Engineering 54(2), 023102 (2015).

2 As if, M. S., Ayremlou, A., Sankaranarayanari, A.. Veeraraghavan, A., and Baraniuk, R., "Flatcam: Thin, Ions less cameras using coded aperture and computation," IEEE Transactions on Computational Imaging 3(3). 381 397 (2017).

[3] Vasileva, A. V. and Vasilev, A. S., "Research and development of a high-energy radiation imaging system based on sipm and coding aperture," in [Electro-Optical Remote Sensing XII], 10796. 107960N, International Society for Optics and Photonics (201S).

[4 Gottesman, S. R. and E.Fenimore, E., "New family of binary arrays for coded aperture imaging." Applied optics 28(20), 4344 4352 (1989).

[5 Wang, Y.. Shuaj, L., Li. D.. Hu. T.. Zhang. Z.. Wei. C.. and Wei. L.. "Development of a portable gamma imager based on sipm and coded aperture technology," in [2015 IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference (NSS/MIC)[, 1 3, IEEE (2015).

[6] Sun, S., Zhang, Z., Shuai, L.. Li, D., Wang, Y., Liu, Y.. X.Huang. Tang, H.. Li, T.. Chai, P.. et til., "Development of a panorama coded-aperture gamma camera for radiation detection," Radiation Measurements 77. 34 40 (2015).

7 Bingham, P. R.. Santos-Villalobos, H.. Lavrik, N., Bilheux, H.. and Gregor, J., "Magnified neutron radiography with coded sources," in [Computational Imaging XII], 0020. 90200A. International Society for Optics and Photonics (2014).

[8] Shokouhi, S.. D.Metzler, S., Wilson, D. W., and Peterson, T. E., "Multi-pinhole collimator design for small-object imaging with silispect: a high-resolution spect," Physics in Medicine & Biology 54(2), 207 (2008).

[9] Ageev, E. I.. Veiko, V. P., Vlasova, E. A., Karlagina, Y. Y., Kiivonosov, A., Moskvin, M. K., E., G. V. O. V.. Pshenichnov, Romanov, V. V., and Yatsuk, R. M., "Controlled nanostructures formation on stainless steel by short laser pulses for products protection against falsification," Optics express 26(2), 2117 2122 (2018).

[10] Zhou, W., Bridges, D., Li. R., Bai, S., Ma, Y., Hou, T. X.. and Hu, A.. "Recent progress of laser micro-arid nano manufacturing," Set. Lett. J 5, 228 (2016).

11] Gonzalez, R., [Digital Image Processing], Pearson Education (2009).

Proc. of SPIE Vol. 11061 1106104-5

Downloaded From: https://www.spiedigilallibrary.org/conference-proceedings-of-spie on 2S Jun 2019 Terms of Use: https://www.spiedigitallibrarv.org/terms-of-use

ОПТИЧЕСКИЕ И ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ

УДК 539.1.05

DO 1:10.17586/0021 -3454-2019-62-1 -56-68

ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ИСТОЧНИКОВ ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СЦИНТИЛЛЯЦИОННОГО МЕТОДА И КОДИРУЮЩЕЙ АПЕРТУРЫ

А. В. Васильева, В. А. Рыжова, А. С. Васильев

Университет ИТМО, 197101, Санкт-Петербург, Россия E-mail: m'asileva@corp. ifmo.ru

Рассматриваются теоретические аспекты способа формирования гамма-изображения, который базируется на сцингилляционном методе с применением твердотельного кремниевого фотоэлектронного умножителя и кодирующей апертуры. Показаны физические процессы, происходящие в сцинтилляторе при взаимодействии с ионизирующим излучением и приводящие к генерации видимого излучения. Эффективные сечения фотоэффекта, комптоновского рассеяния и генерации электрон-позитронных пар вычислены в зависимости от энергии гамма-кванта. Показаны параметры некоторых сцинтилляционных кристаллов, различающихся физическими свойствами и эффективностью ослабления гамма-излучения. Рассмотрен принцип работы кодирующей апертуры, предназначенной для формирования гамма-изображения, и приведены способы реализации ее различных конфигураций. Предложена структурная схема системы визуализации гамма-излучения, обеспечивающая высокую наглядность и эффективность мониторинга гамма-излучения.

Ключевые слова: гамма-визуализация, Si-ФЭУ, сцинтиллятор, поглощение гамма-излучения, кодирующая апертура

Введение. Гамма-излучение представляет опасность для здоровья человека, особенно в случае высокой дозы и продолжительности облучения. В связи с этим существует множество методов детектирования гамма-излучения, которые постоянно развиваются и совершенствуются. Так, на сегодняшний день перспективным направлением в области детектирования гамма-излучения является его визуализация. Для реализации этого метода, как правило, берется за основу сцинтилляционный способ детектирования гамма-квантов с использованием неорганических кристаллов-сцинтилляторов [1]; менее очевидным, но также применяемым подходом является использование радиационных счетчиков [2]. В существующих разработках, основанных на сцинтилпяционном методе, в качестве изображающих детекторов используются матричные ПЗС и КМОП-сенсоры [3, 4] или трекинговые детекторы Medipix [5, 6]. Возможности применения такого перспективного детектора, как кремниевый фотоэлектронный умножитель (Si-ФЭУ), для решения поставленной задачи пока не изучены, несмотря на то, что этот детектор активно применяется для задачи обнаружения и идентификации радионуклидов в составе гамма-спектрометров [7,8].

Таким образом, актуальным представляется осуществление визуализации гамма-излучения сцинтилляционным методом с использованием Si-ФЭУ. Основная цель настоящей статьи —

обоснование структурной схемы системы визуализации гамма-излучения на основе НьФЗУ. Для достижения этой цели необходимо проанализировать теоретические аспекты генерации сциитиллятором излучения видимого спектрального диапазона под воздействием ионизирующего излучения, а также провести исследование метода формирования и восстановления изображений, полученных с помощью кодирующей апертуры.

Генерация видимого излучения. Действие сциитилляционных детекторов основано на ионизирующем свойстве гамма-излучения. В сцпнтилляторе поглощение гамма-кванта или другой нейтральной частицы высокой энергии (например, рентгеновского фотона или нейтрона) приводит к образованию заряженной частицы (иона, быстрого электрона). В результате такого взаимодействия происходит возбуждение кристалла, при этом вследствие сопутствующих процессов рассеяния на электронах число возбуждений до момента поглощения ионизирующей частицы может достигать 1(У и более [9].

Таким образом, процесс сцинтилляции при взаимодействии сцинтиллятора с гамма-квантом, включает три этапа (рис. 1) [10].

Поглощение

ионизирующеи

частицы

1

Взаимодействие со

сциитиллятором

\

Образование

электрон-дырочных

пар

■ Фотоэффект

Комшоновское рассеяние

Генерация пар

Релаксация и термализация электронов и дырок

I этап

О

Образование дефектов — центров свечения

Перенос возбуждения на центры свечения

II этап

О

Девозбуждение центров свечения

Испускание световой вспышки

III этап

Рис. 1

В зависимости от вида ионизирующего излучения взаимодействие со сциитиллятором в рамках первого этапа может быть различным. В случае гамма-излучения на этом этапе происходят три процесса: фотоэффект, комптоновское рассеяние и генерация пар. Эти эффекты приводят к частичному или полному поглощению гамма-кванта. Для дальнейшего описания этих процессов используется понятие сечения, которое имеет смысл вероятности того или иного взаимодействия и размерность площади (см2).

В результате фотоэффекта фотон передает электронам вещества часть своей энергии, которая определяется первоначальной энергией. Сечение фотоэффекта существенно зависит от среды, с атомами которой взаимодействуют гамма-кванты. Полное сечение фотоэффекта определяется по следующим формулам [11]:

(

сгф =--1,0910

-1б

V

13,5

д

. \

3,5

с>ф = -1,34-10

-зз

7 / \1

1

для Д<Д;

для Д>Д,,

у /

где Д — энергия гамма-кванта; Е0 - тес~ — энергия свободного электрона, равная 0,511 МэВ; 2 — атомный номер поглощающего вещества.

На рис. 2 показаны зависимости эффективного сечения фотоэффекта от энергии гамма-квантов для некоторых сцинтилляционных кристаллов, а также для алюминия и свинца. Следует отметить, что график отражает только фотоэффект, наблюдаемый на электронах А'-оболочки, поскольку именно этот случай наиболее вероятен (около 80 %).

Оф, СМ"

10

■■ N31(11) — Сз1(Т1) — ЬУ50 — А1 - РЬ

ч "ч Ч "ч "ч

ч ч \ ч \ -- 'ч д

сТф-10 см2

10

8 6 4 2 0

|\ V : ч Ч^ " — ■ ч

200 300

400 500\£-„ кэВ £0=511 кэВ

10° 10- 10+ 10е Е-, Рис. 2

При расчете полного сечения фотоэффекта в сцинтилляционных кристаллах вместо зарядового числа 2 применялся эффективный атомный номер /,ф, который рассчитывается по

формуле[12]

где — массовая доля г'-го вещества с атомным номером Zi.

Как видно из графика (см. рис. 2), вероятность фотоэффекта пропорциональна энергии гамма-кванта, поэтому по количеству образованного в результате фотоэффекта заряда можно судить о его первоначальной энергии. В связи с этим фотоэффект является наиболее информативным процессом взаимодействия гамма-излучения с веществом. Поскольку сГф сильно

зависит от сечение фотоэффекта будет больше для более „тяжелых" сцинтилляцион-

ных материалов, применение которых дтя регистрации гамма-излучения является целесообразным. Согласно представленным графикам, наилучшим показателем сечения фотоэффекта обладает кристахт ЬУ50. а наихудшим — N31(11).

Комптоновское рассеяние является доминирующим процессом при взаимодействии вещества с гамма-квантами с энергией Е . от 100 кэВ до 2-3 МэВ [12]. При комптоновском рассеянии изменяется частота фотона и его траектория отклоняется на угол 9 от первоначального направления. Часть энергии и импульса фотона передается свободным электронам вещества (это явление называется комптоновским сдвигом). Энергия фотона после такого взаимодействия определяется формулой [11]

=__

' 1 + а(1-соз9)'

где 8 — угол рассеяния, а - Ео/Еу

поглощается и рождаются электрон и позитрон [12]. После этого электрон и позитрон аннигилируют, причем характер аннигиляции определяется ориентацией их спинов. Зависимость сечения генерации пар от энергии гамма-квантов имеет весьма сложный вид. На практике часто пользуются приближенной формулой, которая справедлива для широкого диапазона энергий [11]:

137] 9

1Е 1п' '

Ж)

В этой формуле /{2) — кулоновская поправка, которая зависит от атомного номера вещества:

¡{Т) = д2 [(1 + д2 Г1 + 0,2026 - 0,0369д2 + 0,0083я4 - 0,002яб ],

где <7 = 2/137 .

На рис. 4 показаны сечения генерации пар для различных сцинтилляторов. Видно, что при небольших значениях Е вероятность генерации электрон-позитронных пар мала. В отличие от комптоновского рассеян™ и фотоэффекта, этот процесс становится доминирующим при высоких энергиях фотонов.

20

15

ю

.....N31(11)

-Сз1(Т1)

_---ЬУЭО

г* / /7''*' ......

/ ' /Г-''

' А' //•• //