γ射線相機噪聲功率譜分析

謝紅衛(wèi)，章法強，張建華，陳進川，陳定陽，李林波

(中國工程物理研究院 核物理與化學研究所，四川 綿陽 621900)

在脈沖γ射線輻射源圖像診斷中，通常使用厚針孔成像原理拍攝輻射源活性區(qū)輪廓圖像[1-2]，該系統(tǒng)主要包括厚針孔、YAG閃爍體、MCP像增強器、CCD攝像器件等，由于γ射線在YAG閃爍體中的探測效率、在YAG閃爍體中的量子增益及在MCP像增強器中的電子增益非均勻性等原因，實驗獲得的輻射圖像具有較大的強度起伏和噪聲信號。通常使用量子探測效率(DQE)、調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)及噪聲功率譜(NPS)等參數(shù)評判圖像質(zhì)量[3-5]，這些參數(shù)基本均依賴于噪聲功率譜[6]。自從文獻[7-8]在CT圖像數(shù)據(jù)處理中提出噪聲功率譜概念以來，在輻射源成像系統(tǒng)中通常使用噪聲功率譜評判系統(tǒng)的噪聲分布。本文從理論上分析γ射線相機的圖像噪聲主要來源，并在能量分別為0.2 MeV和1.25 MeV的γ射線源上測量不同輻照強度的噪聲功率譜，進一步敘述噪聲功率譜的測量原理和方法。

1 γ射線相機的組成

圖1 γ射線厚針孔成像原理示意圖

γ射線相機的主要原理和基本組成如圖1所示。首先使用厚針孔將γ射線輻射源輪廓成像到像面處，然后使用YAG閃爍體將γ射線圖像轉換為熒光圖像，由光學成像及轉換系統(tǒng)將熒光圖像成像到MCP像增強器的入射面上，MCP像增強器輸出的熒光圖像最后由CCD攝像器件記錄。γ射線相機主要由γ射線成像和圖像記錄兩部分組成。使用YAG閃爍體將γ射線圖像轉換成熒光圖像，使用反射率大于95%并與γ射線方向呈45°的銅反射鏡對熒光圖像反射，回避γ射線對MCP像增強器和CCD相機的直接輻照。實驗中使用的MCP像增強器由Proxitronic公司生產(chǎn)，空間分辨率大于37 lp/mm,該器件具有開門時間及電子增益可調(diào)等特點，便于拍攝不同時刻的脈沖γ射線輻射源圖像。MCP像增強器和CCD相機由放大倍數(shù)為1.5∶1的纖維面板耦合，保證記錄系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。CCD相機是由Andor公司生產(chǎn)的高靈敏度冷卻CCD，像素陣列為1 024×1 024，像素尺寸為13.3 μm×13.3 μm，輸出信號轉換為16 bit數(shù)字信號，可在-65 ℃以下溫度工作。該γ射線相機特別適用于弱輻射源圖像診斷。

2 主要噪聲來源

2.1 射線熒光圖像轉換屏探測效率引起的隨機噪聲

γ射線與YAG閃爍體作用產(chǎn)生次級電子，電子在閃爍體中運動產(chǎn)生熒光，每一個次級電子產(chǎn)生的熒光相當于一個光源。從微觀方面考慮，γ射線與YAG閃爍體作用表現(xiàn)為單粒子效應，單粒子強度分布反映了輻照圖像的空間強度分布。γ射線與閃爍體作用的概率為：

(1)

式中：Σt為γ射線與閃爍體作用的宏觀散射截面，cm-1；ξ為0～1之間的隨機均勻分布數(shù)；L為入射γ射線與閃爍體發(fā)生光電效應、康普頓效應及電子對效應等需通過的射程，cm。

2.2 次級電子熒光效率引起的隨機噪聲

γ射線與閃爍體作用產(chǎn)生的次級電子是連續(xù)能譜分布，γ射線與閃爍體作用產(chǎn)生的相對熒光強度為：

(2)

式中：Eγ和Ee分別為入射γ射線及次級電子能量；ψ(Eγ,Ee)為γ射線產(chǎn)生的次級電子能量分布；Re(Ee)為電子在閃爍體中運動產(chǎn)生的相對熒光強度。

圖2為不同電子在NaI(Tl)及LSO(Ce)閃爍體中的發(fā)光效率和γ射線相對發(fā)光效率[9]，NaI(Tl)和LSO(Ce)閃爍體密度分別為3.67 g/cm3和7.8 g/cm3。從圖2可看出，在LSO(Ce)閃爍體中發(fā)光強度隨電子能量的增大而增大，但NaI(Tl)閃爍體中在10 keV附近有一明顯的峰值，這主要取決于次級電子在運動過程中的電離能損失和射程等因素，反映了γ射線的相對發(fā)光效率與密度有較大關系。

圖2 γ射線在NaI(Tl)和LSO(Ce)閃爍體中的相對發(fā)光效率

2.3 次級電子射程對圖像質(zhì)量的影響

γ射線與閃爍體作用產(chǎn)生的次級電子通過運動損失能量并產(chǎn)生熒光，每個次級電子軌跡理想條件為線光源，線光源的尺寸取決于電子在閃爍體中的射程，次級電子在閃爍體中的射程與電子能量和閃爍體密度等因素有關。光學成像系統(tǒng)將閃爍體熒光圖像成像到MCP像增強器入射面上，最后由CCD器件記錄熒光圖像。次級電子射程在閃爍體出射面上的投影尺寸反映了單粒子探測的最小尺寸，進一步反映了探測量子噪聲尺寸在空間的分布規(guī)律。現(xiàn)有γ射線相機空間分辨率約為0.094 16 mm/pixel，從理論上講，當投影尺寸小于相機空間分辨率時表現(xiàn)為單點效應，當投影尺寸大于相機空間分辨率時表現(xiàn)為多點效應。本文建立的γ射線相機能探測到γ射線與閃爍體的單粒子效應，但由于光學成像系統(tǒng)空間分辨率的影響及電子射程通常跨越兩個像素等因素影響，只有γ射線直接輻照到CCD芯片上才能觀察到單粒子效應，在60Co輻射源的相關實驗中幾乎觀察不到單粒子斑點效應，通常為2～3像素尺寸，次級電子射程是影響輻射源圖像診斷中空間分辨率的主要因素之一。

2.4 MCP像增強器結構及電子增益引起的噪聲

MCP像增強器主要由光電陰極、MCP倍增管及熒光屏等組成，光電陰極將光圖像轉換成電子圖像，電子在MCP中倍增倍數(shù)可達106以上，最后在高壓作用下將倍增后的電子打在熒光屏上以熒光形式輸出。MCP由上百萬個孔徑約為6 μm的微通道組成，微通道軸線與入射電子夾角約為15°，電子在高電壓作用下與微通道壁作用產(chǎn)生次級電子以達到電子倍增的目的。由于每個微通道增益不同，均勻輻照的熒光圖像經(jīng)MCP像增強器后輸出的熒光圖像強度分布并不均勻。另外，由于加工工藝等方面的原因，在高靈敏度圖像診斷系統(tǒng)中能觀察到MCP微結構呈六角形分布。

2.5 光電系統(tǒng)暗電流噪聲

γ射線相機中的MCP像增強器和CCD器件屬于光電器件，具有一定的暗電流，在圖像傳輸過程中能產(chǎn)生噪聲信號，不同器件的暗電流差異較大。γ射線相機在900 s內(nèi)的積分噪聲信號強度約為2 000，相機記錄圖像信號的最大值為65 535，在正常工作條件下每幅圖像的傳輸時間約為2 ms，因此γ射線相機的暗電流噪聲信號可忽略不計。

3 噪聲功率譜

噪聲功率譜反映照相系統(tǒng)噪聲分布與頻譜之間的關系。根據(jù)噪聲功率譜定義，使用空間分布均勻的γ射線輻照相機獲得平場響應圖像，對平場圖像進行傅里葉變換得到噪聲功率譜，噪聲功率譜[4-5]可表示為：

(3)

式中：Δx和Δy為圖像的像素尺寸；Nx和Ny為圖像尺寸；M為有效區(qū)域個數(shù)；un和νk為空間頻率；I(xi,yj)為點(xi,yj)處的圖像信號；B(xi,yj)為點(xi,yj)處的本底信號。

由于噪聲分布范圍較寬、光學成像系統(tǒng)內(nèi)的非均勻性等原因，局部區(qū)域內(nèi)的噪聲分布起伏較大，假設噪聲是連續(xù)分布的，在數(shù)據(jù)處理中通常使用多個相鄰區(qū)域求平均值的方法得到噪聲功率譜。噪聲功率譜與選擇區(qū)域形狀有關[10]，在數(shù)據(jù)處理中選用矩形圖像區(qū)域計算噪聲功率譜。通常使用歸一化噪聲功率譜，使用有效面積內(nèi)的平均信號的平方對NPS進行歸一化，則：

(4)

式中：S為選擇區(qū)域內(nèi)圖像信號的平均強度；NNPS為歸一化噪聲功率譜。噪聲功率譜的頻率間隔為：

(5)

在噪聲功率譜分析中通常使用一維頻譜分布數(shù)據(jù)，以通過中心區(qū)域的NNPS作為參考數(shù)據(jù)。

4 實驗標定γ射線相機的噪聲功率譜

4.1 1.25 MeV γ射線輻照條件下的噪聲功率譜

在鈷輻射源上標定γ射線相機的噪聲功率譜。鈷輻射源為45 mm×φ6 mm的圓柱體棒源，使用直徑為10 cm、厚為200 cm的鉛準直器對輻射源進行屏蔽，實驗中將YAG閃爍體放置在距輻射源400 cm處，可認為在YAG閃爍體處的γ射線空間強度均勻分布，通過MCP像增強器的選通快門獲得不同輻照強度下的輻照圖像。圖3為輻照強度分別為0.028 3 mGy及0.566 mGy的輻照圖像，由獲得的輻照圖像可看到空間強度分布均勻的γ射線，其圖像信號強度起伏較大。

a——輻照劑量為0.028 3 mGy；b——輻照劑量為0.566 mGy

使用式(3)計算輻照圖像噪聲功率譜的二維空間強度分布如圖4所示，二維噪聲功率譜空間強度幾乎為圓形對稱分布，噪聲功率譜強度隨空間頻率的變化規(guī)律如圖5所示，在較高空間頻率處，噪聲功率譜隨輻照強度的增大而逐漸降低，但在低輻射強度時出現(xiàn)反常現(xiàn)象。

圖4 二維NPS空間強度分布

4.2 脈沖X射線輻照圖像的噪聲功率譜

γ射線相機脈沖X射線噪聲功率譜測量是在西北核技術研究所的脈沖X射線源上進行的。使用平均能量約為1 MeV的高能電子束轟擊鉭靶，電子在材料中發(fā)生韌致輻射產(chǎn)生連續(xù)X射線能譜，脈沖X射線的平均能量約為0.2 MeV，實驗中YAG閃爍體放置在距輻射源約3 m處，可認為X射線在YAG閃爍體處空間強度均勻分布。典型的平場響應如圖6所示，像素相對強度分布如圖7所示，不同輻照強度下的噪聲功率譜如圖8所示，在頻率為0.633 1 mm-1處有一明顯峰，其相對峰值強度隨輻照強度的增大而增大。

圖5 1.25 MeV γ射線輻照下的噪聲功率譜

圖6 典型X射線平場響應輻照圖像

圖7 像素相對強度分布示意圖

圖8 0.2 MeV X射線輻照下噪聲功率譜分布

5 數(shù)據(jù)分析

5.1 單粒子探測效率

圖9 典型單粒子作用下輻照圖像

5.2 γ射線噪聲功率譜分析

在γ射線輻照實驗中，使用能量分別為0.2 MeV和1.25 MeV的γ射線標定了γ射線相機的平場效應，并根據(jù)噪聲功率譜原理計算了不同輻照強度下的噪聲功率譜分布。在γ射線成像系統(tǒng)中，噪聲功率譜強度隨γ射線輻照強度增大而逐漸降低，但在弱輻照強度下(如0.028 3 μGy)輻照圖像的噪聲功率譜強度分布違背此規(guī)律，主要原因是在約0.028 3 μGy γ射線輻照強度以下，γ射線與YAG閃爍體作用的探測效率小于本底信號數(shù)量引起的。

γ射線相機的空間分辨率約為0.094 16 mm/pixel，在0.2 MeV和1.25 MeV γ射線輻照下噪聲功率譜在頻率為0.633 1 mm-1處強度較強，其相對強度隨輻照強度的增大而增大。根據(jù)電子在YAG閃爍體中的輸運規(guī)律，γ射線能量分別為0.2 MeV和1.25 MeV 的高能光子與YAG閃爍體作用產(chǎn)生的次級電子能量差異較大，能量為0.2 MeV的γ射線產(chǎn)生的次級電子射程在1個像素尺寸范圍內(nèi)，但實驗測量的噪聲功率譜變化規(guī)律基本相同，因此可認為γ射線能譜分布引起的噪聲分布相對于MCP像增強器增益差異引起的噪聲起伏可忽略。

6 結論

在γ射線相機中，由于γ射線探測效率、MCP像增強器增益差異等原因，γ射線輻照圖像具有較大的噪聲起伏，在能量分別為0.2 MeV和1.25 MeV的γ射線輻射源上測量了不同輻照強度下的噪聲功率譜，噪聲功率譜強度隨輻照強度的增大而逐漸降低，在空間頻率為0.633 1 mm-1處相對強度較大，其相對強度隨γ射線輻照強度的增大而增大，噪聲功率譜強度分布主要是由MCP像增強器增益和結構非均勻性引起的。在脈沖γ射線和弱輻射源圖像診斷中，由于MCP像增強器具有快門選通及圖像增強等功能，MCP像增強器通常作為γ射線相機的關鍵器件，因此在使用MCP像增強器的各種成像系統(tǒng)中均具有較強的噪聲信號。

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