1 1.北京科技大学 新材料技术研究院, 北京 100083
2 2.北京科技大学 顺德创新学院, 佛山 528399
3 3.北方工业大学 机械与材料工程学院, 北京 100144
均匀生长大尺寸光学级金刚石膜一直是微波化学气相沉积(Microwave plasma chemical vapor deposition, MPCVD)金刚石研究领域的热点和难点, 沉积台的结构与位置对于金刚石膜均匀性以及厚膜生长的长期稳定性至关重要。本研究通过COMSOL模拟结合实验研究了沉积台高度对衬底表面电场均匀性、等离子体状态和温度均匀性的影响规律, 优化了光学级金刚石膜均匀生长的工艺参数, 在最佳沉积台高度(2 mm)下沉积得到的2英寸金刚石膜(最大厚度337 μm), 厚度不均匀性<11%, 从膜中心到边缘的拉曼半峰全宽为3~4 cm-1, 可见光波段内最高透过率为69%~70%, 10.6 μm处红外透过率为70%。结果表明: 金刚石膜的厚度和品质较为均匀, 实现了两英寸光学级金刚石膜的均匀沉积。沉积台高度对衬底表面的电场分布、等离子体形状和温度分布都有一定影响, 随着沉积台高度增加, 衬底表面电场分布均匀性和温度均匀性得到明显改善, 且衬底表面的等离子体分布更均匀, H原子和含碳基团的浓度增加。
光学级金刚石膜 温度均匀性 红外透过率 沉积台高度 COMSOL模拟 optical grade diamond film temperature uniformity infrared transmittance deposition platform height COMSOL simulation
1 重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室ICT研究中心，重庆 400044
2 重庆大学工业CT无损检测教育部工程研究中心，重庆 400044
电子直线加速器焦点尺寸是影响高能工业CT空间分辨率等关键技术指标的主要因素之一。IEC 62976-2021和GB/T 20129-2015的“三明治”法（或称叠片法）是现行的无损检测用电子直线加速器焦点测试标准。但在实际操作中，该方法不仅过程繁琐，且在胶片曝光、冲洗、条纹计数等过程中人为因素影响大。此外，理论仿真发现“三明治”测试模块的金属片及塑胶片厚度对测量结果影响的误差超过±12.5%。针对该方法的不足，研究并设计了一套焦点测量方法和装置——狭缝平移扫描法及装置，并进行焦点扫描测试和CT空间分辨率验证等实验。结果表明，所提方法相对于“三明治”法，测量结果客观、准确、重复性好，这对于电子直线加速器的焦点尺寸精确测量和高能工业CT系统性能评估和优化设计具有重要意义。
X射线光学 高能工业CT 电子直线加速器 焦点尺寸 蒙特卡罗方法 光学学报
2023, 43(23): 2334001
1 重庆大学光电工程学院光电技术及系统教育部重点实验室，重庆 400044
2 工业CT无损检测教育部工程研究中心，重庆 400044
3 中国工程物理研究院化工材料研究所，四川 绵阳 621000
在低能X射线成像中，荧光串扰是影响光纤耦合电荷耦合器件（CCD）/互补金属氧化物半导体（CMOS）型高分辨平板探测器空间分辨率的主要因素。基于界面全反射对荧光串扰的抑制作用，提出一种双层结构高分辨闪烁屏。双层闪烁层间通过低折射率耦合介质耦合，调节耦合介质折射率可控制上层闪烁屏与耦合介质界面间可输出的荧光角度，达到抑制荧光串扰、提升闪烁屏探测空间分辨率的目的。基于点扩散函数理论的仿真结果表明，与同等厚度的单层闪烁屏相比，所提双层结构闪烁屏可实现更高的空间分辨率。X射线成像实验结果进一步验证了应用双层结构闪烁屏对提升探测器空间分辨率的有效性。
成像系统 双层结构 荧光串扰 折射率 空间分辨率 GAGG∶Ce 光学学报
2022, 42(22): 2211004
1 北京科技大学新材料技术研究院，北京 100083
2 中国科学院高能物理研究所核探测与核电子学国家重点实验室，北京 100049
3 东莞中子科学中心，广东 东莞 523800
采用高能电子辐照结合真空退火，在金刚石内部形成氮空位色心。对比研究了辐照与退火前后金刚石宏观颜色变化及内部缺陷转变，讨论了不同辐照剂量和真空退火温度对氮空位产率的影响规律。结果显示，氮空位色心浓度随着辐照剂量的增加呈现先升高后降低的趋势，这是由于辐照剂量越高则空位更容易形成空位簇，空位簇在退火过程中不能形成氮空位色心。氮空位色心浓度随退火温度的升高逐渐增加，在800~900 ℃区间达到饱和，当温度继续升高时，氮空位色心浓度反而下降，这源于辐照过程产生的间隙原子在高温下与氮空位的相互作用。
光学器件 氮空位色心 金刚石 电子辐照 退火 光学学报
2022, 42(13): 1316001
1 北京科技大学新材料技术研究院，北京 100083
2 北京科技大学顺德研究生院，佛山 528399
微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)法制备的高质量金刚石在很多领域均有广泛应用前景。本研究采用9 kW微波功率，分别在13 kPa、14 kPa、15.5 kPa、17 kPa的腔室压力下进行薄膜沉积实验，发现在15.5 kPa、17 kPa的腔室压力下沉积的薄膜在中心区域出现异常生长情况，具体表现为中心存在明显的阶梯式凸起。为揭示薄膜中心出现异常沉积的原因，使用SEM和Raman分析薄膜表面形貌和质量，通过数值模拟进行沉积过程建模计算和分析功率密度和流场分布。结果表明在相同功率下，提高腔室压力，压缩等离子体，因平均自由程较短，扩散能力不足，将导致衬底中心区域比边缘区域更易密集生长，金刚石薄膜中心区域出现明显的阶梯。同时，薄膜整体的生长速率、均匀性、质量均会在超过压力极值后降低。
金刚石薄膜 沉积压力 微波功率 均匀性 数值模拟 MPCVD
1 重庆大学光电工程学院光电技术及系统教育部重点实验室, 重庆 400044
2 工业CT无损检测教育部工程研究中心, 重庆 400044
闪烁屏信号串扰是影响X射线探测器空间分辨率的主要因素,基于点扩散函数理论对光纤耦合GAGG_Ce单晶闪烁屏型CCD/CMOS探测器的空间分辨率进行了研究。利用蒙特卡罗程序EGSnrc和光学仿真软件Zemax分别对GAGG_Ce单晶闪烁屏射线串扰和荧光串扰进行了仿真。仿真结果表明,对于低能X射线辐射成像,荧光串扰是影响探测器空间分辨率的最主要因素。此外,研究了通过降低光纤面板数值孔径以抑制荧光串扰的方法,得到了光纤面板数值孔径与探测器空间分辨率和X射线转换因子间的关系,并通过自制CCD探测器测试验证了仿真结果的正确性。
成像系统 光纤成像 GAGG_Ce 数值孔径 串扰 空间分辨率 X射线转换因子
1 重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室, 重庆 400044
2 重庆大学工业CT无损检测教育部工程研究中心, 重庆 400044
传统CT采用积分式探测器采集投影数据, 反映的是物体的平均衰减特性, 会在一定程度上造成信息损失, 无法对物体进行较好的定性定量测量。 基于光子计数探测器的能谱CT通过设定多个能量响应阈值能够探测不同能量范围内的X射线光子, 采集更多被测物体的物质组成信息, 有助于识别不同物理特性的材料, 基于此, 能谱CT被广泛的应用于小病灶、 低对比度结构以及微细结构的成像。 然而将整个能谱划分为多个能量段进行数据采集时, 范围较窄能量范围内的有效光子数比例相对降低, 导致图像中包含较多的噪声, 图像质量较差, 影响能谱CT的临床应用。 为了有效的抑制能谱CT不同能量段内重建图像中的噪声, 提出了一种基于深度学习的能谱CT图像降噪方法。 我们将全卷积网络和金字塔残差网络结合为全卷积金字塔残差网络(FCPRN), 实验中, 利用能谱CT在不同的能量范围扫描小鼠样本, 使用FDK算法和基于压缩感知的Split-Bregman算法进行重建并分别作为训练数据和标签数据训练全卷积金字塔残差网络。 为了验证网络的降噪性能, 选取了常见的降噪网络模型denoising convolutional neural networks(DNCN)以及residual encoder decoder convolutional neural network (REDCNN)进行对比, 训练三种网络的使用的数据和实验配置都是完全相同的, 实验结果表明训练模型可以有效抑制不同能量范围内重建图像的噪声, 且使用的全卷积金字塔残差网络的降噪性能优于其他网络模型。 模型训练好后, 可以对FDK算法重建出的图像进行降噪, 由此提高能谱CT图像降噪效率, 保证能谱CT重建图像的质量。
能谱CT 图像降噪 深度学习 光子计数探测器 Spectral CT Image Denoising Deep learning Photon-counting detector 光谱学与光谱分析
2021, 41(9): 2950
北京真空电子技术研究所 微波电真空器件国家级重点实验室，北京 100015
通过数值计算方法，编程模拟了140?GHz, TE22,6模式回旋振荡管开放式缓变截面谐振腔的传播特性，计算出谐振腔的谐振频率和品质因数；利用CST软件对该高频谐振腔进行仿真计算，得到腔体内横截面的电场分布云图。通过实验和仿真软件得到的数据进行比较，两者有较好的一致性。测试结果表明，当磁场为5.48 T，电子注电流为28 A，电子注电压为68.6 kV时，TE22,6模式的平均输出功率为0.25 kW，峰值功率为0.56 MW。当磁场为5.68 T，电子注电流为27.6 A，电子注电压为69.12 kV时，回旋振荡管可同样工作于TE22,6,2模式，平均输出功率为0.21 kW，峰值功率为0.47 MW。
回旋振荡管 谐振腔 工作频率 品质因数 gyrotron resonator operating frequency quality factor 太赫兹科学与电子信息学报
2019, 17(1): 18
1 重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室, 重庆 400044
2 重庆大学工业CT无损检测教育部工程研究中心, 重庆 400044
3 重庆大学生物流变科学与技术教育部重点实验室, 重庆 400044
4 天津大学精密仪器与光电子工程学院, 天津 300072
X射线光子计数探测器是多能谱CT成像技术的核心, 其通过能量阈值可以选择记录不同能量的X射线光子, 有助于分析不同材质的物理特性。 利用搭建的基于光子计数探测器的多能谱CT系统, 开展高纯度金属材料K-edge特性识别实验研究。 通过设置探测器的不同能量阈值, 在不同能量范围获取金属材料投影图像, 利用投影图像灰度信息分析不同能量X射线的衰减特性, 以识别金属材料K-edge特性。 最终实验结果表明, 基于光子计数探测器的X射线能谱CT系统, 能够识别金属材料与特定能量X射线光子发生相互作用所表现出的K-edge特性。 通过计算K-edge特征峰能量阈值与材料K-edge理论能量值之间的线性对应关系, 对光子计数探测器的能量阈值进行了标定。
光子计数探测器 多能谱CT K-edge特性 能量阈值 投影图像 Photon-counting detector Spectral CT K-edge characteristics Energy threshold Projection image 光谱学与光谱分析
2018, 38(12): 3929
