基于CMOS的辐射剂量及二维分布探测器设计研究

摘要

随着核能逐渐地走入我们的生活当中，核材料的应用范围逐渐得到扩展，核能和核技术大量地应用于工业和农业生产领域、医疗和卫生领域，以及科学研究和国防等领域。然而，高能的核辐射会极大地损害人的身体健康，因此及时有效地探测辐射是非常必要的。
　　在某些场合（如微缝探测、薄膜分析等）需要同时探测辐射的剂量和二维分布信息。然而，目前能够同步探测辐射剂量和二维分布的探测器尚且不多。本文提出一种直接利用CMOS图像传感器的探测核辐射的新方法，该方法不用将辐射转换成可见光而直接成像。本文做了相关实验并给出分析，证实将CMOS传感器应用于核辐射探测中是可行的。基于上述理论分析，设计了一种可以同时探测辐射剂量和二维分布的辐射探测器，本文主要完成了以下研究工作:
　　(1)介绍了辐射探测技术的研究现状，比较了目前常用的辐射探测方法，由此提出了一种将CMOS图像传感器直接应用在核辐射探测中的新方法。
　　(2)介绍了BP神经网络的基本概念、特点和应用领域，重点描述了其在函数逼近中的改进算法——LM和BFGS算法。
　　(3)比较CMOS与CCD图像传感器的特点，由于CMOS传感器具有抗辐射性能好、成本低和速度高等优点，被用作辐射探测系统的核心部件，并据此设计了基于CMOS图像传感器和DSP处理器的硬件电路结构图。
　　(4)介绍了灰度分析方法，将灰度分析应用在图像预处理中，从系统数据传输的角度描述了系统的工作流程，同时从图像采集和数据处理方法两方面完成软件的设计。
　　(5)为了分析CMOS对放射源的灰度响应，这里利用软件MATLAB分析了241Am源对CMOS的辐照图像，提出了利用累积灰度值的信息来表征辐射剂量的方法，创建了基于BFGS算法的BP神经网络，拟合了241Am累积灰度值和累积剂量的关系，并由此完成了辐射剂量的标定实验。为了比较不同能量放射源的剂量探测效果，实施了152Eu源对CMOS的辐照实验，实验证明，这种方法也适用于152Eu放射源。
　　(6)为了分析探测器探测二维分布的功能，比较了点状放射源(60Co源)、线状放射源（60Co源累积）和X射线的响应图像，并用软件MATLAB绘制出其灰度分布图像，实验证明，该方法可以实现辐射二维分布显示的功能。
　　(7)通过对比辐照前后CMOS图像传感器的最大灰度值，发现灰度值几乎没有变化，证实了在剂量低和时间短的条件下，可以忽略辐射对器件的损伤。
　　(8)介绍了该探测器的外观及其使用方法。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 常见辐射探测器介绍

1．2．2 辐射探测器的发展趋势

1．3 论文的创新点

1．4 论文内容及结构安排

第二章 BP神经网络在函数逼近中的应用

2．1 BP神经元及网络模型

2．2 BP网络的学习

2．3 BP神经网络在函数逼近中的应用

2．3．1 LM算法

2．3．2 BFGS算法

2．4 本章小结

第三章 系统硬件电路设计

3．1 探测器件选择

3．1．1 CCD图像传感器

3．1．2 CMOS图像传感器

3．1．3 CCD与CMOS的比较

3．2 系统总体结构设计

3．3 本章小结

第四章 系统软件设计

4．1 灰度分析方法

4．2 系统设计

4．3 CCS软件开发平台

4．4 本章小结

第五章 实验结果与分析

5．1 CMOS对单光子γ放射源的灰度响应

5．2 累积剂量探测

5．2．1 累积剂量探测方法

5．2．2 不同能量累积剂量探测

5．3 放射源二维分布成像

5．4 辐射损伤分析

5．5 功能实现

5．5．1 外观设计

5．5．2 具体实施例

5．6 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

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