CN101076218B - 产生具有不同能量的x射线的设备、方法及材料识别系统 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于产生具有不同能量的X射线的设备、方法及其材料识别系统。该方法，包括：产生第一、第二、第三和第四脉冲电压；根据第一和第二脉冲电压产生分别具有第一和第二束流负载的第一和第二电子束；基于所述第三和第四脉冲电压产生分别具有第一和第二功率的第一和第二微波；利用第一和第二微波分别对第一和第二电子束进行加速，以产生加速的第一和第二电子束；以及用加速的第一和第二电子束轰击靶，以产生具有不同能量的第一和第二X射线。本发明产生的不同能量的X射线可在海关、港口、机场等场所对大型集装箱货物进行不开箱检查并实现对被检物体的材料识别。

Description

产生具有不同能量的X射线的设备、方法及材料识别系统
技术领域
本发明涉及用于大中型物体辐射透视成像的电子直线加速器，特别涉及一种产生具有不同能量的X射线的电子直线加速设备和方法以及材料识别系统，能够对海运、航空集装箱等大中型客体中的材料进行识别。
背景技术
现有的基于辐射透视成像的货物检查系统一般都是让单能射线与被检物体相互作用后，探测穿透被检物体的射线并得到图像。这种系统能够反映出被检物体的形状和质量厚度的变化，但却不能对被检物的材料属性进行识别。
随着对全球反恐的关注程度越来越高，人们对危险品、违禁品的检查要求也越来越高，并因此提出了各种不同的检测手段。其中利用双能X射线成像来识别材料的方法，能实现物质有效原子序数的区分，在低能段(＜450keV)被广泛使用。众所周知，低能段X射线与物质发生相互作用时，光电吸收和康普敦散射效应占主导，光电吸收效应对应的衰减系数与原子序数的关系是μphoto∝Z4，因此，双能法能很好的把原子序数的差别区分开来。
但在，高能段(＞1MeV)X射线与物质发生相互作用时，电子对产生和康普敦散射效应占主导，电子对产生效应对应的衰减系数与原子序数的关系有μpair∝Z，这使得双能法在高能段对应的原子序数区分灵敏度小，因此对系统的探测精度要求很高。在美国专利US6069936和国际申请WO 0043760中，都采用了单个高能X射线源，通过特定材料的吸收来获得两束不同能谱的X射线。但是因为单个高能X射线产生的原始能谱只有一个，经特定材料吸收而具有不同能谱的两束射线在经过较大质量厚度被检物体衰减后，能谱便会变得几乎一样，此时将不再能够区分物质有效原子序数。如果使用两个射线源，分别产生初始能量和能谱不同的两束高能X射线来实现物质材料识别，系统会过于复杂，造价高昂。
因此，人们一直以来认为在高能段用双能法来实现大型客体检查并识别物质材料是不实用的。
发明内容
鉴于现有技术中的上述问题，完成了本发明。本发明的目的是提供一种产生具有不同能量的X射线的电子直线加速器和方法以及材料识别系统，其能交替产生能量水平有明显差异的不同能谱的电子束，并通过电子束打靶交替产生不同能谱的X射线。利用这两种能量的X射线与物质相互作用，可以实现对大中型客体的非侵入性的检查和其物质材料的识别。
在本发明的第一方面，提出了一种用于交替产生具有不同能量的X射线的设备，包括：脉冲调制装置，用于产生第一脉冲电压、第二脉冲电压、第三脉冲电压和第四脉冲电压；电子束产生装置，用于根据所述第一脉冲电压和第二脉冲电压产生分别具有第一束流负载和第二束流负载的第一电子束和第二电子束；微波产生装置，用于基于所述第三脉冲电压和所述第四脉冲电压产生分别具有第一功率和第二功率的第一微波和第二微波；电子束加速装置，用于利用所述第一微波和第二微波分别对所述第一电子束和第二电子束进行加速，以产生加速的第一电子束和第二电子束；以及靶，用于被所述加速的第一电子束和第二电子束轰击，以产生具有不同能量的第一X射线和第二X射线。
根据本发明的实施例，所述电子束产生装置是栅控电子枪，而脉冲调制装置包括栅极脉冲幅度交替变化的电源。
根据本发明的实施例，所述第一束流负载大于所述第二束流负载，而所述第一功率小于所述第二功率。
根据本发明的实施例，所述第一束流负载小于所述第二束流负载，而所述第一功率大于所述第二功率。
根据本发明的实施例，所述微波产生装置与所述第三脉冲电压和所述第四脉冲电压同步地交替改变磁场强度，以产生所述第一微波和第二微波。
根据本发明的实施例，所述微波产生装置是磁控管或者速调管。
根据本发明的实施例，所述电子束加速装置是行波加速管或者驻波加速管。
在本发明的另一方面，提出了一种用于交替产生具有不同能量的X射线的设备，包括：脉冲调制装置，用于产生第一脉冲电压和第二脉冲电压；电子束产生装置，用于根据所述第一脉冲电压和第二脉冲电压产生分别具有第一束流负载和第二束流负载的第一电子束和第二电子束；微波产生装置，用于与所述第一脉冲电压和第二脉冲电压同步地改变磁场强度，以产生具有第一功率和第二功率的第一微波和第二微波；电子束加速装置，用于利用所述第一微波和第二微波分别对所述第一电子束和第二电子束进行加速，以产生加速的第一电子束和第二电子束；以及靶，用于被所述加速的第一电子束和第二电子束轰击，以产生具有不同能量的第一X射线和第二X射线。
在本发明的另一方面，提出了一种材料识别系统，包括：所述的设备；同步控制装置，用于产生同步控制信号；探测装置，用于根据所述同步控制装置产生的同步控制信号，探测由所述设备产生的第一X射线与第二X射线与被检物体相互作用后的X射线，以产生数字信号；以及图像处理与材料识别装置，用于通过用预定的标定曲线对被检物体的数字信号进行分类，来识别被检物体的材料。
在本发明的又一方面，提出了一种用于交替产生具有不同能量的X射线的方法，包括步骤：产生第一脉冲电压、第二脉冲电压、第三脉冲电压和第四脉冲电压；根据所述第一脉冲电压和第二脉冲电压产生分别具有第一束流负载和第二束流负载的第一电子束和第二电子束；基于所述第三脉冲电压和所述第四脉冲电压产生分别具有第一功率和第二功率的第一微波和第二微波；利用所述第一微波和第二微波分别对所述第一电子束和第二电子束进行加速，以产生加速的第一电子束和第二电子束；以及用所述加速的第一电子束和第二电子束轰击靶，以产生具有不同能量的第一X射线和第二X射线。
在本发明的又一方面，提出了一种用于交替产生具有不同能量的X射线的方法，包括步骤：产生第一脉冲电压和第二脉冲电压；根据所述第一脉冲电压和第二脉冲电压产生分别具有第一束流负载和第二束流负载的第一电子束和第二电子束；与所述第一脉冲电压和第二脉冲电压同步地改变磁场强度，以产生所述第一微波和第二微波；利用所述第一微波和第二微波分别对所述第一电子束和第二电子束进行加速，以产生加速的第一电子束和第二电子束；以及用所述加速的第一电子束和第二电子束轰击靶，以产生具有不同能量的第一X射线和第二X射线。
因此，通过改变加速器的束流负载强度，可以得到不同能量的加速电子束，同时，同步地改变馈入加速管的微波功率，将进一步使两束加速电子束的能量差别增大。这样得到的两束不同能量的电子束打靶后产生的X射线有着较大能量差距，即两束X射线能谱之间的差别明显。
利用本发明，通过改变相关预设定的参数来改变电子枪和微波功率的脉冲高压，可以得到不同能量的电子束，从而得到不同能量的X射线，而不需要改变加速器的结构，可以满足更多的应用范围。
此外，交替产生的能量差别较大的高能X射线可以更准确地实现对大中型客体的材料识别。
此外，本发明通过电路配置来实现两种不同能量的快速切换，克服了传统的能量开关其机械结构的局限性，即机械开关在两种能量间快速切换的困难和寿命短的缺点。
附图说明
图1A是电子枪发射电子的特性；
图1B是加速电子能量随束流负载变化的示意图；
图1C是加速电子能量随馈入微波功率变化的示意图；
图2是根据本发明的实施例，交替产生不同的能量的X射线时，加速器各主要系统的参数之间的关系的示意图；
图3是同时改变束流负载和馈入微波功率时加速电子能量变化的示意图；
图4A是根据本发明实施例的电子直线加速器的构成示意图；
图4B是由构成了如图4A所示的脉冲调制器401的、输出电压不同的两台小型刚管脉冲调制器(hard limiter)分时地向二极电子枪供电示意图；
图5是根据本发明实施例的电子直线加速器产生的两种不同能量的X射线的能谱之间的差别的示意图；以及
图6是使用了本发明的电子直线加速器来对集装箱货物进行无损检测并实现材料识别的识别系统的示意图。
具体实施方式
下面对照附图详细说明本发明的实施例。
图1A是电子枪发射电子的特性。图1B是加速电子能量随束流负载变化的示意图。图1C是加速电子能量随馈入微波功率变化的示意图。图2是根据本发明的实施例，交替产生具有不同能量的X射线时，加速器各主要系统的参数之间的关系示意图。
如图1A所示，在不同的电压幅值下，电子枪有不同的电子发射能力。驱动电子枪的脉冲调制器产生的两个不同高压幅值使电子枪发射不同电流强度的电子束流，即得到图2所示的具有不同束流负载10a和11a的电子束流。
束流负载效应的公式表示为： E = AP - BI ，其中E为加速电子能量，I为加速电子束的束流强度，P为馈入加速段的微波功率，A和B为预定的常数。根据束流负载效应，不同的电子束流被加速将得到不同能量的高能电子束。
图1B是示出了束流负载效应的示意图。如图1B中的曲线2所示，束流负载的强度越大，束流在加速管里被加速得到的能量越小。当脉冲电子束的强度较大时，即束流负载强度较强，往加速管馈入较小的微波功率。因此，可以得到相对能量更小的电子束。相反，当电子束的束流负载较小时，将馈入较大功率的微波，得到相对能量更大的电子束。
图3是同时改变束流负载和馈入微波功率时加速电子能量变化的示意图。如图3所示，在改变束流负载的同时，同步的改变馈入微波的功率，电子束最终被加速的得到能量将进一步变化。从而实现两种不同束流负载的被加速电子束之间的更大能量差距。
因此，具有束流负载10a和11a的第一电子束和第二电子束若在完全相同的条件下加速，将得到两个不同能量的电子束。同时，改变馈入加速管的微波功率，分别得到微波功率为10b和11b的第一微波和第二微波。如图2所示，第一微波的功率大于第二微波的功率。
加速束流的加速管在不同微波功率下，加速束流的特性如图1C中的曲线3。从图1C中可以看出，在束流负载一定时，馈入的微波的功率越大，束流被加速得到的能量越大。如果系统运行第一模式，即高能模式下，在第一电子束具有束流负载10a的情况下，用微波功率为10b的第一微波加速该电子束，得到具有电子束能量10c的高能电子束。然后，让这高能电子束打靶产生能量为10d的高能X射线。
如果系统运行在第二模式，即低能模式下，将向加速管中馈入功率为11b的第二微波，其幅值小于第一微波的功率10b，对束流负载为11a的第二电子束进行加速，得到具有电子束能量11c的低能电子束。然后用该低能电子束打靶产生能量为11d的低能X射线。这样，系统按高能模式和低能模式交替变换，如此得到能量交替变化的X射线。
图4A是根据本发明实施例的电子直线加速器的构成示意图。如图4A所示，该实施例的电子直线加速器400为一交替产生双能X射线的电子直线加速器。该电子直线加速器400包括：信号发生器403、与信号发生器403连接的第一和第二脉冲调制器401和404、与第一脉冲调制器401连接的电子枪402、与第二脉冲调制器404连接的磁控管405、与电子枪402和磁控管405连接的加速管406和被加速管406产生的射线轰击的靶407。
信号发生器403可以按照预定的参数产生固定频率的高电平和低电平信号。第一脉冲调制器401和第二脉冲调制器404根据信号发生器403产生的信号，分别产生不同幅值的高压，例如具有第一幅值的第一高压和具有与第一幅值不同的第二幅值的第二高压。根据系统不同，第一脉冲调制器401和第二脉冲调制器404的功能可以由同一脉冲调制器来完成。如图4A所示，第一脉冲调制器401根据同步信号将产生不同幅值的电压HV1或LV1输出给电子枪402，第二脉冲调制器404根据同步信号将产生不同幅值的电压HV2或LV2提供给磁控管405。这里，第一脉冲调制器401和第二脉冲调制器404可以采用栅极脉冲幅度交替变化的栅控枪电源来对栅控电子枪供电，或在电子枪402是二极电子枪的情况下，由输出电压不同的两台小型刚管脉冲调制器分时地向二极电子枪供电。第一和第二脉冲调制器产生的脉冲的脉冲间隔可以相等也可以不等。
图4B是由构成了如图4A所示的脉冲调制器401的、输出电压不同的两台小型刚管脉冲调制器(hard limiter)分时地向二极电子枪供电示意图。如图4B所示，高压电源1和高压电源2的输出连接到电子枪的驱动电路，并且该驱动电路与脉冲同步及开关控制电路连接，脉冲同步及开关控制电路根据外部同步信号1和同步信号2对模块401a进行控制以输出高压HV1，对模块401b进行控制以输出相对低压LV1。电子枪402在不同的电压幅值时分别发射电子束的束流负载为10a或11a。而给磁控管提供电压的第二脉冲调制器404与第一脉冲调制器401相似，包括两个模块(未示出)，从这两个模块分别得到不同幅值的电压HV2和LV2。也就是，第二脉冲调制器404中的高压电源1和高压电源2的输出与在脉冲同步及开关控制电路连接，在其控制下分时向磁控管供电。
由第二脉冲调制器404交替输出高低幅值的电压HV2和LV2，使得磁控管405的工作电流交替变化，从而交替得到不同功率的微波，例如具有幅值10b的第一微波和具有幅值11b的第二微波。此外，作为另一实施例，可以控制磁控管使得磁控管405的磁场强度高低交替变化，并同其工作电流脉冲同步以得到不同功率的微波。
因此，实现不同功率微波的馈入可以通过如下两种方法：1.脉冲调制器产生不同幅值的高低电压脉冲，交替输出给磁控管，从而使磁控管工作电流高低交替变化；2.磁控管磁场强度高低交替变化，并同磁控管工作电流脉冲同步。以上两种方法单独或同时采用可以实现磁控管输出微波脉冲功率的交替变化。
磁控管405根据同步信号，分别给诸如行波加速管或者驻波加速管的加速管406馈入不同功率的微波，例如具有幅值10b的第一微波或具有幅值11b的第二微波，对束流负载为10a或10b的第一电子束或者第二电子束进行加速。按照图2的同步加速方式所示，第一电子束或第二电子束在加速管406中被加速，得到不同能量的被加速电子束，例如具有能量10c的第一加速电子束和具有能量11c的第二加速电子束。然后，用不同能量的加速电子束通过交替轰击高效靶407，从而得到高低能交替的X射线束，例如分别具有能量10d和能量11d的第一和第二X射线束。
因此，通过改变加速器的束流负载强度，可以得到不同能量的加速电子束，同时，同步的改变馈入加速管的微波功率，将进一步使两束加速电子束的能量差别增大。这样得到的两束不同能量的电子束打靶后产生的X射线束有着较大能量差距，两束射线能谱之间的差别明显。图5是根据本发明实现的双能加速器输出高能9MeV，低能6MeV时的X射线能谱。曲线51为低能6MeV的能谱，曲线52为高能9MeV的能谱。从图5中可以看出，这两个连续能谱的能量水平有明显的区别。
图6是使用了本发明的电子直线加速器来对集装箱货物进行无损检测并实现材料识别的检查系统的示意图。如图6所示同步控制部分605与加速器400和探测器603连接，并根据预设的参数产生高低电平信号600给加速器400和探测器603。加速器400根据同步信号，交替产生高低能的X射线束606，X射线束经过准直器601后，得到扇形X射线束。
然后，高低能扇形X射线束与被检物体602的几乎同一位置作用后被探测器603采集，并且该探测器603与图像处理和材料识别系统604连接并输出数字信号给图像处理和材料识别系统604。这里，被检物体602以一定速度按图示方向运动，保证高低能的X射线束与被检物体的作用位置差别是可以忍受的近似为同一位置。所以，图像处理和材料识别系统604将得到与被检物体602同一位置作用后的高低能探测信号值D1和D2。
然后，根据实现对已知材料属性的物质扫描得到标定曲线关系In(D1/D10)-In(D2/D20)＝f(D1)，对被检物体在双能X射线束作用下采集的数字信号的幅值进行分类，从而最终确定被检物体的材料属性，如：有机物、轻金属、无机物、重金属等，其中D10，D20分别是高低能X射线束的空载值。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (18)

1.一种用于交替产生具有不同能量的X射线的设备，包括：
信号发生器，用于产生信号；
与所述信号发生器连接的第一脉冲调制器，用于产生第一脉冲电压和第二脉冲电压；
与所述信号发生器连接的第二脉冲调制器，用于产生分别与第一脉冲电压和第二脉冲电压同步的第三脉冲电压和第四脉冲电压；
与第一脉冲调制器连接的电子枪，用于根据所述第一脉冲电压和第二脉冲电压产生分别具有第一束流负载和第二束流负载的第一电子束和第二电子束；
与第二脉冲调制器连接的磁控管，用于基于所述第三脉冲电压和所述第四脉冲电压产生第一微波和第二微波，所述第一微波和第二微波分别具有第一功率和与第一功率不同的第二功率；
与电子枪和磁控管连接的加速管，用于接收第一电子束和第二电子束并利用所述第一微波和第二微波分别对所述第一电子束和第二电子束进行加速，以产生加速的第一电子束和第二电子束；以及
靶，用于被所述加速的第一电子束和第二电子束轰击，以产生具有不同能量的第一X射线和第二X射线。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述第一束流负载大于所述第二束流负载，而所述第一功率小于所述第二功率。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述第一束流负载小于所述第二束流负载，而所述第一功率大于所述第二功率。
4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述磁控管与所述第三脉冲电压和所述第四脉冲电压同步地交替改变磁控管的磁场强度，以产生所述第一微波和第二微波。
5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于所述加速管是行波加速管或者驻波加速管。
6.一种材料识别系统，包括：
根据权利要求1～5之一所述的用于交替产生具有不同能量的X射线的设备；
同步控制部分，用于产生同步控制信号；
探测器，用于根据所述同步控制部分产生的同步控制信号，探测由所述设备产生的第一X射线与第二X射线与被检物体相互作用后的X射线，以产生数字信号；以及
图像处理与材料识别系统，用于通过用预定的标定曲线对被检物体的数字信号进行分类，来识别被检物体的材料。
7.一种用于交替产生具有不同能量的X射线的设备，包括：
信号发生器，用于产生信号；
与所述信号发生器连接的脉冲调制器，用于产生第一脉冲电压和第二脉冲电压；
电子束产生装置，用于根据所述第一脉冲电压和第二脉冲电压产生分别具有第一束流负载和第二束流负载的第一电子束和第二电子束；
与所述脉冲调制器连接的磁控管，用于与所述第一脉冲电压和第二脉冲电压同步地改变磁控管的磁场强度，以产生第一微波和第二微波，所述第一微波和第二微波分别具有第一功率和与第一功率不同的第二功率；
与电子束产生装置和磁控管连接的加速管，用于接收第一电子束和第二电子束并利用所述第一微波和第二微波分别对所述第一电子束和第二电子束进行加速，以产生加速的第一电子束和第二电子束；以及
靶，用于被所述加速的第一电子束和第二电子束轰击，以产生具有不同能量的第一X射线和第二X射线。
8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述第一束流负载大于所述第二束流负载，而所述第一功率小于所述第二功率。
9.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述第一束流负载小于所述第二束流负载，而所述第一功率大于所述第二功率。
10.根据权利要求7所述的设备，其特征在于所述加速管是行波加速管或者驻波加速管。
11.一种材料识别系统，包括：
根据权利要求7～10之一所述的用于交替产生具有不同能量的X射线的设备；
同步控制部分，用于产生同步控制信号；
探测器，用于根据所述同步控制部分产生的同步控制信号，探测由所述设备产生的第一X射线与第二X射线与被检物体相互作用后的X射线，以产生数字信号；以及
图像处理与材料识别系统，用于通过用预定的标定曲线对被检物体的数字信号进行分类，来识别被检物体的材料。
12.一种用于交替产生具有不同能量的X射线的方法，包括步骤：
通过信号发生器产生信号；
通过与信号发生器连接的第一脉冲调制器产生第一脉冲电压和第二脉冲电压；
通过与所述信号发生器连接的第二脉冲调制器产生分别与第一脉冲电压和第二脉冲电压同步的第三脉冲电压和第四脉冲电压；
使用与第一脉冲调制器连接的电子枪，根据所述第一脉冲电压和第二脉冲电压产生分别具有第一束流负载和第二束流负载的第一电子束和第二电子束；
使用与第二脉冲调制器连接的磁控管，基于所述第三脉冲电压和所述第四脉冲电压产生第一微波和第二微波，所述的第一微波和第二微波分别具有第一功率和与第一功率不同的第二功率；
通过与电子枪和磁控管连接的加速管，接收第一电子束和第二电子束并利用所述第一微波和第二微波分别对所述第一电子束和第二电子束进行加速，以产生加速的第一电子束和第二电子束；以及
用所述加速的第一电子束和第二电子束轰击靶，以产生具有不同能量的第一X射线和第二X射线。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述第一束流负载大于所述第二束流负载，而所述第一功率小于所述第二功率。
14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述第一束流负载小于所述第二束流负载，而所述第一功率大于所述第二功率。
15.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，与所述第三脉冲电压和所述第四脉冲电压同步地交替改变磁控管的磁场强度，以产生所述第一微波和第二微波。
16.一种用于交替产生具有不同能量的X射线的方法，包括步骤：
通过信号发生器产生信号；
通过与所述信号发生器连接的脉冲调制器产生第一脉冲电压和第二脉冲电压；
通过电子束产生装置，根据所述第一脉冲电压和第二脉冲电压产生分别具有第一束流负载和第二束流负载的第一电子束和第二电子束；
通过与所述脉冲调制器连接的磁控管，与所述第一脉冲电压和第二脉冲电压同步地改变磁控管的磁场强度，以产生所述第一微波和第二微波，所述第一微波和第二微波分别具有第一功率和与第一功率不同的第二功率；
通过与电子束产生装置和磁控管连接的加速管，接收第一电子束和第二电子束并利用所述第一微波和第二微波分别对所述第一电子束和第二电子束进行加速，以产生加速的第一电子束和第二电子束；以及
用所述加速的第一电子束和第二电子束轰击靶，以产生具有不同能量的第一X射线和第二X射线。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述第一束流负载大于所述第二束流负载，而所述第一功率小于所述第二功率。
18.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述第一束流负载小于所述第二束流负载，而所述第一功率大于所述第二功率。
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