极客科技特种技术
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射线对CMOS成像元件的影响/简易辐射探测
北落师门 2016-4-6 19:39:23
高能射线会对cmos/ccd造成干扰,RodTech版主发过不少被X射线干扰的照片,由此引发个问题:能否用方便易得的手机摄像头进行辐射探测?

本次试验采用退役闲置的iphone4,市面上对于肾4的配件已经全面白菜化了,主摄像头只要10元左右就能买到,有很好的价格优势。因为不想报废自带的那个,所以从某宝购得两枚炮灰...顺便说一下,这个价位就别想买到新的了,全是拆机的,有些还是战场成色,我这两个就有其中一个没法对焦&进灰,反正我拿来搞破坏的,无所谓。
图像处理方面就用第三方的拍照软件啦,为了让粒子在画面上存留,用拍摄光流的模式,曝光时间可选,只保留画面上亮的部分,不对暗场积分,很多软件都支持这个。
先不改动任何硬件配置试试探测效果,射线源是一块封在玻璃试管里的钙铀云母,非云母窗的盖革计数器能检测到2000cpm的读数。因为计数管的探测面积会比摄像头的元件大很多,而且如果选用B快门模式的话软件是采用截取视频帧叠加的方法,所以相对于拍照的像素来说会少很多,并不期望能拍到多少射线。
不放矿石,测试“本底”,曝光10min
基本是空白的,有那么一两个小点,应该是环境本底。
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再把矿石放在摄像头前面试试,这次曝光1h,消耗手机40%电量,得到经验以后干这个一定要插着电源....
背景颜色不是辐射造成的,而是微弱的环境光的颜色,无视之。
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画面上出现一些带有尾迹的痕迹,怀疑是射线粒子斜射的缘故,也可能是β的轫致辐射。
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还有些葫芦状的,两个点靠得很近的。因为铀会衰变出氡,而氡会进行两次快速衰变,我认为这就是氡的痕迹了。
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效果一般,大部分粒子被镜头组件所阻挡,虽然不清楚射线成分,但相对于盖革计数器的2000cpm来说是大打折扣。



能不能给力一点呢?
那么.....开刀,拆掉镜头,这个摄像头可能是从掉水里的手机上拆下来的.....
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拆掉镜头后发现红外截止滤镜是贴在CMOS前面的,先不管了,看效果如何。
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然而中间出现小插曲,拆掉镜头后拍照画面黑屏——坏了....看似没有外伤但就是坏了,查不出原因。所以直接拿第二个摄像头下手,反正便宜。
这是拆掉镜头后铀矿曝光1h的效果,噪点多了许多,而且出现一些长轨迹,说明镜头阻挡了很多射线。
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同时用烟感报警器里的α源Am241测试,这种源基本上就是纯的α,可以感受下射线效果,只曝光了10min左右,跟上面铀矿所留下的痕迹差别很大。
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能不能再给力些呢?
拆滤镜吧......小心用刀片把玻璃撬下来,这样CMOS就直接裸露了,这层玻璃厚度大约0.5mm
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拆掉后对光拍一张(图片有压缩),局部有玻璃碎屑,还有因为拆卸造成的像素点损伤。注意没有了红外截止滤镜,白天拍摄画面会偏红。
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再用Am241试试,效果拔群啊!!这张图仅曝光1s
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这是10s的
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60s......
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用一小块裸露的铀矿测试,曝光1h,可以看到画面上多了许多粗大的颗粒,系之前被玻璃阻挡的α粒子。
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注:以上所有画面偏色都不是因为辐射,而是手机自动调整白平衡以及红外线的作用。


小结:
※α射线只要用0.5mm厚的玻璃就能阻挡。
※虽然和专业设备比不来,但是旧手机存世量大,作为发挥剩余价值可以玩玩。
※个人感觉CMOS类似于半导体探测器,但器件用途不同所以效果还是有差距的。不过可以考虑通过软件算法来优化。
※因为没有能谱仪,只能推测没有完全暴露CMOS之前所拍到的大部分是铀矿衰变产生的β、γ射线以及轫致辐射,而且镜头组件屏蔽效果很好,尤其是外面那一层金属壳。
※成像元件直接裸露是最好,但是会对红外线极度敏感,导致射线信号淹没在白天的红外线中,真要探测射线的话必须对摄像头进行改造。
※关键是面积!手机摄像头的感光面积仍然太小,虽然同样都无法检测α射线,但玻璃管的盖革计数器灵敏度高很多,这一方面有器件用途的原因,另一方面就是探测面积了。也许可以用老旧的单反改造试试。
※有钱建议上RodTech版主的那种闪烁体......
完....
2016-4-6 20:43:20
1楼
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可以做成随机数源
2楼
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https://www.youtube.com/watch?v=rNe1UBfJvoo
radioactivity counter
该公司实测校准了大量手机摄像头与剂量率的关系,直到20Sv/Hr



用胶布和铝箔盖住摄像头



可以比较准确(但需要用很长时间eg10min)测出准确剂量率
3楼
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对于大尺寸感光元件,可以直接买二手单反相机,只是价钱。。
4楼
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开下脑洞,用NI 视觉助手,生成个二值化-粒子计数程序,再用正规仪器校正下,可以充当盖格计数器了,硬件成本很低的,软件成本嘛用D版的也没啥。
北落师门(作者)
5楼
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引用 RodTech:
https://www.youtube.com/watch?v=rNe1UBfJvoo
radioactivity counter
该公司实测校准了大量手机摄像头与剂量率的关系,直到20Sv/Hr



用胶布和铝箔盖住摄像头 ...
还有这种公司....
6楼
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我曾经也做过实验,是CCD的,见下帖:
https://www.kechuang.org/t/40219
不过没有像楼主这样细致的做半定量实验,研究方法也很草率,应该向楼主学习。

然后我当年的问题再次浮现:为何只有白色和红色的点,却没有黄色绿色/绿色蓝色的点。
7楼
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好文,好文!
8楼
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楼主可以3块摄像头制作一个验证双缝干涉的实验。将光源衰减为单个光子一个一个输出,通过双缝的光分别经过一个分光器,一路投射到各自的检测屏上,一路合成投射到公共的屏上,所以一共3块屏。3块屏同时记录,把同一时刻采到的光子分类,然后归纳出该光子是经过了哪个缝。根据这个信息还原公共屏上的图像,则无干涉条纹,因为光子被观测了。
北落师门(作者)
9楼
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引用 power_rdx:
对于大尺寸感光元件,可以直接买二手单反相机,只是价钱。。
蹲矿坛捡漏收垃圾[s::lol]
10楼
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引用 虎哥:
我曾经也做过实验,是CCD的,见下帖:
https://www.kechuang.org/t/40219
不过没有像楼主这样细致的做半定量实验,研究方法也很草率,应该向楼主学习。

然后我当年的问题再次浮现:为何只有白色和红色的...
这是可能因为射线能量太大,导致一个像素区域的三原色都达到饱和,所以输出的是白色。三原色像素一般是通过滤色膜配合感光单元实现的。
北落师门(作者)
11楼
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引用 虎哥:
我曾经也做过实验,是CCD的,见下帖:
https://www.kechuang.org/t/40219
不过没有像楼主这样细致的做半定量实验,研究方法也很草率,应该向楼主学习。

然后我当年的问题再次浮现:为何只有白色和红色的...
想法跟refinder差不多,如果有激光照在摄像头上,亮的部分也是白色,只有边缘才会显现激光本身的颜色,亮度溢出了。为何有红色?不知道.....可能跟红外敏感有关
北落师门(作者)
12楼
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引用 牛逼大仙:
开下脑洞,用NI 视觉助手,生成个二值化-粒子计数程序,再用正规仪器校正下,可以充当盖格计数器了,硬件成本很低的,软件成本嘛用D版的也没啥。
这个并不一定是要拆旧手机,可以用电脑摄像头,连安卓手机,或者直接电脑,普及率会很高。但仍然有检出限的问题。程序我是不会写,所以没法做了[s::lol]
13楼
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引用 北落师门:
想法跟refinder差不多,如果有激光照在摄像头上,亮的部分也是白色,只有边缘才会显现激光本身的颜色,亮度溢出了。为何有红色?不知道.....可能跟红外敏感有关
边缘溢出 参考bayer排列,因为现代ccd不是3ccd彩色方案,是1ccd阉割方案
北落师门(作者)
14楼
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摄像头也有能量响应的问题,已知高能γ射线会直接穿透摄像头而几乎不与感光元件作用,在画面上留下十分细小的斑点,可以说几乎看不到,这对软件计数是个很大的挑战。
15楼
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引用 北落师门:
这个并不一定是要拆旧手机,可以用电脑摄像头,连安卓手机,或者直接电脑,普及率会很高。但仍然有检出限的问题。程序我是不会写,所以没法做了
NI视觉助手很好用的,完全傻瓜软件,不用写一行代码,就是效率略低,不如OPENCV和HALCON
16楼
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引用 北落师门:
摄像头也有能量响应的问题,已知高能γ射线会直接穿透摄像头而几乎不与感光元件作用,在画面上留下十分细小的斑点,可以说几乎看不到,这对软件计数是个很大的挑战。
NI视觉助手支持所有DIRECTSHOW的USB摄像头,包括用安卓软件链接到电脑上的手机摄像头。
北落师门(作者)
17楼
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发一个RodTech拍的高能γ射线产生的效果,是很细小的白色斑点。原图太大只截取了部分262493
北落师门(作者)
18楼
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引用 牛逼大仙:
NI视觉助手很好用的,完全傻瓜软件,不用写一行代码,就是效率略低,不如OPENCV和HALCON
那只要是玩玩没问题
19楼
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引用 北落师门:
那只要是玩玩没问题
哈哈,反正我也不信谁敢在电脑上长期运行个辐射监测程序。
20楼
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引用 refinder:
这是可能因为射线能量太大,导致一个像素区域的三原色都达到饱和,所以输出的是白色。三原色像素一般是通过滤色膜配合感光单元实现的。
不是射线能量大,而是电子带电,一个高速运动的电荷打上CCD/CMOS,电磁辐射会影响到周围一圈像素。对应的,中子不带电,所以只影响被击中/穿过的像素。



显然,这和具体CCD/CMOS像素上的滤镜颜色,关系不大(那些滤镜只筛选光子,不筛选电子)。所以一个巨大的白色斑点,是完全合理的。
北落师门(作者)
21楼
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引用 novakon:
不是射线能量大,而是电子带电,一个高速运动的电荷打上CCD/CMOS,电磁辐射会影响到周围一圈像素。对应的,中子不带电,所以只影响被击中/穿过的像素。



显然,这和具体CCD/CMOS像素上的滤镜颜色,关系不大(那些滤镜只筛选光...
γ射线是电磁波
22楼
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α射线  是一张纸就能阻挡
北落师门(作者)
23楼
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引用 novakon:
不是射线能量大,而是电子带电,一个高速运动的电荷打上CCD/CMOS,电磁辐射会影响到周围一圈像素。对应的,中子不带电,所以只影响被击中/穿过的像素。



显然,这和具体CCD/CMOS像素上的滤镜颜色,关系不大(那些滤镜只筛选光...
能量弱无法穿透材料,就是被材料吸收,能量传递给材料。如果能量强,直接穿透,不与物质作用。这就是原因
北落师门(作者)
24楼
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引用 航模发烧友:
α射线  是一张纸就能阻挡
都这么说,那么一张纸如何量化?牛皮纸和转移印花纸所造成的阻挡效果肯定不一样。α射线被阻停会产生微弱的轫致辐射,这是能被盖革管所探测到的,所以会产生不用云母管也能测α射线的错觉
25楼
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α射线只要能量够高,一样可能日穿钢板。能量高起来重粒子也吓死人。
北落师门(作者)
26楼
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引用 虎哥:
α射线只要能量够高,一样可能日穿钢板。能量高起来重粒子也吓死人。
这种情况下是进行核反应了?
27楼
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引用 北落师门:
都这么说,那么一张纸如何量化?牛皮纸和转移印花纸所造成的阻挡效果肯定不一样。α射线被阻停会产生微弱的轫致辐射,这是能被盖革管所探测到的,所以会产生不用云母管也能测α射线的错觉
用哪个纯α射线原,然后用张纸阻挡下,不就知道了[s::lol]
28楼
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引用 航模发烧友:
用哪个纯α射线原,然后用张纸阻挡下,不就知道了
您在搞笑吗 请找个纯alpha射线源 我送您一个诺贝尔奖
29楼
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引用 北落师门:
这种情况下是进行核反应了?
会进行核反应,而且am241的α 也可以进行核反应 比如把钠打成Mg26

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