CN101287985A - 龙虾眼x射线系统及其制造方法 - Google Patents

Abstract

基于独特龙虾眼(LE)结构、X射线发生器、闪烁体基的检测器和冷却CCD(或增强CCD)的龙虾眼X射线成像系统，以便实时、安全、凝视康普顿散射X射线推测隐藏在地下、集装箱中、墙体、防护墙等后的物体。与现有扫描笔形束系统相比，龙虾眼X射线成像系统的真聚焦X射线光学装置同时从被一个或多个X射线发生器的宽开放锥形束辐照的整个现场区采集弹道康普顿背散射光子(CBP)。龙虾眼X射线成像系统收集(聚焦)的范围在40到120keV(或波长λ＝0.31到0.1)之间的背散射硬X射线比现有背散射成像传感器(BIS)高数千倍，从而产生高灵敏度和信噪比(SNR)并穿透地面、金属壁体等。龙虾眼X射线成像系统的收集效率被优化而减小发射的X射线功率并最小化装置。该装置特别有利且满足基于X射线的检测系统的要求，也就是X射线穿透地面、金属、和其他材料掩蔽体；而且安全和人可便携。这里公开的先进技术也可应用到医学诊断和军事应用，如地雷探测，安全筛选等。

Description

龙虾眼X射线系统及其制造方法

技术领域

[001]本发明涉及采用龙虾眼X射线聚焦技术的改进的X射线成像系统。

背景技术

[002]许多工业和军事应用要求通过隐蔽物，墙体，地面，船体防水壁和船只集装箱非侵入检查物体的能力。为此，人们正在寻求便携式(或手持式)仪器，其可精确分析和显现隐藏在地面，墙体，和防水壁后的材料。检查设备不可以危及检查人员，必须操作简单，必须最小化对商业和私人财产的破坏，同时确保整个空间的可说明性。直接应用是检查人员对空港和其他检查点的非法货物，和海上运输集装箱，船和艇中其他禁运物的检查，以及地雷和简易爆炸装置(IED)。

[003]穿壁或穿地检查方法包括光学，微波，声学，和X射线技术。光学热成像系统不能看到与壁体相同温度的隐藏物体。声学系统不能很好地穿过金属壁体，且金属壁体的低频率对操作员和藏身处是有害的。微波雷达不能穿过金属防水壁。虽然扫描BIS的现有技术X射线可穿过墙体可穿透壁体和内部构造结构，但它们的体积大，昂贵，最重要的是有危害。为了组装X射线图像，目前BIS使用昂贵的，质量大，视角有限，带有光电倍增管(PMT)和X射线扫描笔形束(pencilbeam)的闪烁检测器。发生扫描笔形束效率低且对操作员和隐藏在壁体后面的人员有害。没有安全的手持式，人工便携的仪器。因此，现有技术X射线检查系统也不能满足船舱检查的要求。

发明内容

[004]为了克服这些限制，本发明包括基于独特的龙虾眼(LE)结构，X射线发生器，闪烁晶体，CCD(或强化CCD)以及隐藏在地面下、集装箱中，壁体，防护壁等后面物体的实时、安全、凝视康普顿(康普顿)背散射X射线检查的图像处理模块的新型龙虾眼X射线成像系统。与现有扫描笔形束系统比较，龙虾眼X射线成像系统的真聚焦X射线光学装置同时从来自X射线发生器的宽开口笔形束(凝视)辐照的整个场面采集弹道康普顿背散射光子(CBP)。龙虾眼X射线成像系统收集(聚焦)的范围在40到120keV(或波长λ＝0.31到0.1

)的背散射硬X射线比现有BIS设备高数以千倍，因此产生高灵敏度和信噪比(SNR)和高穿透金属壁体能力。龙虾眼X射线成像系统的收集效率被优化从而减小发射的X射线功率并小型化设备。该设备满足基于X射线检查的要求：X射线穿透地面，金属和其他防护壁；检查人员的安全；人工便携性。龙虾眼X射线成像系统的重要优势是其可穿透地面，墙体，防护壁，和壳体，包括金属壳体，同时在满足下列考虑时保护人员安全。

[005]龙虾眼X射线成像系统的设计基于下列考虑：

·为背散射优化的能量范围在40到120keV，与常规医用X射线胸腔检查相同；42％的50keV(或λ＝0.25

)的X射线光子穿过30密尔(mil)钢墙(等同于1英寸塑料，或8英寸干木)；

·检查人员总的X射线辐照剂量至关重要。该剂量是光子数目及其能量的函数。通过初步估计，货物检查等的龙虾眼X射线成像系统操作员将接收近似自然辐照水平的辐照。

[006]货物检查的龙虾眼X射线成像系统操作涉及下列实时过程：

·以开放锥形(open cone)X射线辐照隐蔽物体后面的物体；

·收集背散射弹道X射线光子；

·处理在多个CCD帧内收集的信息；

·恢复具有高角度分辨率隐藏物体的暗X射线图像。

[007]所公开的龙虾眼X射线成像系统技术相比现有方法的优点包括：

·操作员以安全的辐照水平穿过金属和其他壁体观察康普顿背散射；

·通过凝视瞬间对整个FOV采集X射线图像，也就是无需扫描；

·与现有大体积笔形束扫描系统比较，利用来自X射线发生器的所有X射线通量；

·对于X射线CBP远程检测，具有高角度分辨率；

·与扩散背景比较，显著增强焦斑内X射线强度，并因此具有比其他X射线传感器明显高的SNR和灵敏度，尽管X射线强度水平低得多；

·优选手持式，人员便携式并易于低成本制造的元件和技术。

[008]龙虾眼X射线成像系统精确满足IED实时(无延迟)检测或对集装箱，卡车，船只和艇中禁运物品康普顿背散射光子穿壁成像的需要。该成像系统穿过金属壁体且对于检查人员来说是安全的，并由于龙虾眼(LE)X射线光学装置的真聚焦能力而具有增强的分辨率和SNR。

[009]所公开实施例的最重要特征是龙虾眼透镜结构的高度的制造和组装概念的创新。该概念允许所有抛光和修整在平面部件上执行并实现以真90度角和高几何精度完好形成的LE构型。

[010]本发明的其他方面涉及龙虾眼透镜的光学特征，包括源自背散射目标最近位置的散焦补偿和入射X射线的能量分布。也公开了使用龙虾眼透镜作为分光计，该分光计在分析壁体材料时有用。

[011]这里公开的新型成像系统在医学诊断和军事应用，如探雷等也有有利的应用。

[012]下面的参考文献由相应的数字标记：

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附图说明

[013]本发明的各种实施例，特征和优点将在参考下面附图阅读本详细说明书后更完全地理解：

[014]图1是用于有限距离物体的龙虾眼透镜操作几何构型的示意图；

[015]图2是说明LE透镜的横向放大Mt作为与类似于凸面镜物体距离的函数的关系图；

[016]图3为变迹目的示出在1D投影中龙虾眼透镜成像系统的本地轴(local axis)；

[017]图4是根据总外部反射附近菲涅耳(Fresnel)反射分布的点响应函数的1D分布模(distribution module)平方图；

[018]图5是光学传递函数模的1D分布；

[019]图6是X射线源，样品，和龙虾眼透镜的1D几何构型；

[020]图7示出散射角θ作为等式(21和22)的角度的检测器位置函数的关系图；

[021]图8是具有60度锥形角的龙虾眼检测器阵列横截面的图。

[022]图9是示出X射线源和θ＝0的龙虾眼中心特定几何构型的图，其中样品表面是绕PP’轴旋转的椭圆，其中PP’是椭圆焦距；

[023]图10是示出散射角几何构型的图；

[024]图11是龙虾眼检测器和物体的3D几何构型；

[025]图12是传输到物体的X射线脉冲和包括多散射部分的背散射X射线接收脉冲的时间线；

[026]图13是计算的作为X射线能量函数的36密尔，48密尔，56密尔，65密尔和75密尔厚金属钢板透射的X射线脉冲的曲线；

[027]图14包括图14A和14B，是用在优选实施例中的独特龙虾眼机构的图和照片；

[028]图15是龙虾眼光学装置的焦平面中计算的强度分布图；

[029]图16是凝视成像X射线检查系统的检测模块的概念性说明图；

[030]图17是凝视数字检测器(SDD)的结构和操作原理的图；以及

[031]图18-21图解说明图14A和14B中龙虾眼结构的平格条的制造概念。

具体实施方式

非天文物体的龙虾眼成像

[032]现有技术的龙虾眼透镜应用对天文物体聚焦，即无穷远(x＝∞)物体。其中球面像差占主要地位。相对比，在非天文物体的情形中，即有限距离处的物体，与龙虾眼透镜半径R(x～R)可比，其中散焦占主要地位，因为图像区改变其位置。为了证明这一点，考虑图1中龙虾眼透镜几何构型。为了获得龙虾眼成像等式，考虑点光源D，其成像B和曲率中心C。本地光轴DC，连接D和C。对于连续物体点，与仅有一个轴的典型光学透镜系统对比，有连续轴。从三角形ABC，可以看到：

β＝2γ+α    (1)

且从三角形DAC，可以看到：

θ_c＝α+γ    (2)

其中θ_c为总外部反射(TER)的截止角(cutoff angle)，也就是，通常在0.3°-0.5°范围内。对于这类小TER角，等式(1)可变换为下面的透镜成像等式：

$\frac{a}{y}=\frac{2a}{R}+\frac{a}{x},$ 或 $\frac{1}{y}=\frac{2}{R}+\frac{1}{x},$ 或(3)

$\frac{1}{x}-\frac{1}{y}=-\frac{2}{R};$ 或 $\frac{1}{y}=\frac{1}{f}+\frac{1}{x}---\left(4\right)$

其中f＝R/2    (5)

[033]这是有限远物体距离x处龙虾眼透镜的图像等式。从等式(4)和(5)，可得出散焦Δy：

$\mathrm{\Δy}=f-y=\frac{y}{x}f=\frac{f^2}{x+f}=f\frac{1}{1+\frac{x}{f}}---\left(6\right)$

对于小(x/f)比率，散焦显著。例如，对于R＝6厘米，f＝3厘米，且x＝1厘米，我们可以有Δy＝0.9毫米；同时对于x＝50厘米，和20厘米，我们分别有Δf＝1.7毫米和3.9毫米。散焦的相对变化与物体距离的相对变化可比(较小)：

$\left|\frac{d\left(\mathrm{\Δy}\right)}{\mathrm{\Δy}}\right|=\left(\frac{x}{x+f}\right)\left|\frac{\mathrm{dx}}{x}\right|=\left(\frac{1}{1+\frac{f}{x}}\right)\left|\frac{\mathrm{dx}}{x}\right|\≤\left|\frac{\mathrm{dx}}{x}\right|---\left(7\right)$

[034]例如，当距离x改变1％时，散焦变化小于1％。散焦斑(defocusing spot)Δ为：

$\frac{\mathrm{\Δ}}{{\mathrm{R\θ}}_c}=\frac{1}{1+\frac{x}{R}}---\left(8\right)$

这总结在表1中。

表1对于R＝6厘米的散焦斑Δ

[035]已经获得近轴条件下的龙虾眼透镜成像等式(3)或(4)，其自动满足，因为θ_c＜＜1。第二个假设是龙虾眼通道的宽长比约为弧度θ_c，因此仅考虑一个(或3D中两个)TER，如图1所示，这里仅示出一个光学轴。实际上，这类轴可提供给龙虾眼透镜附近的任意点光源。因此如果检测器表面是离散的(以像素形式)，则光学轴组是连续的，或离散的组。

[036]龙虾眼几何构型孔径面积为πa²，这里a是半径，存在下面关系：

$\frac{a}{{\mathrm{R\θ}}_c}=\frac{1}{1+\frac{R}{x}}---\left(9\right)$

表2中总结了几何构型。

表2R＝6厘米的几何构型孔径直径2a

[037]因为对于较高的a值和较低的Δ值(较低的散焦，这可提供模糊图像)，龙虾眼透镜的性能比较高(更好的收集功率(collectionpower))，我们可引入透镜质量系数Q，其形式为：

$Q\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}\frac{a}{\mathrm{\Δ}}---\left(10\right)$

从等式(8)和(9)，我们可得到

$Q=\frac{x}{R}---\left(11\right)$

即，与距离x成比例。距离越大，则透镜性能越好。

[038]有三种通用透镜放大：横向(M_t)；角度(M_q)，和纵向(M₁)，其中

$M_t=\frac{1}{1+\frac{x}{f}}---\left(12a\right)$

$M_{\mathrm{\θ}}=1+\frac{x}{f}---\left(12b\right)$

M_l＝(M_t)²    (12c)

这里M_t值在图2中示出。

[039]图2示出龙虾眼透镜和凸面镜之间的类比。我们看到成像等式(4)对凸面镜也成立，除非我们需要以反射镜情形中的虚像取代龙虾眼情形中的实像。因此，像差在两种情形中都相同，龙虾眼情形例外，可以自动满足近轴近似(由于θ_c＜＜1)；因此，在龙虾眼透镜的情形中三级(Seidel)几何像差非常小，在天文情形中减小到球面像差(这里x＝∞)。

变迹(apodization)

[040]在散焦的情形中，或其他几何(塞德耳(Seidel))像差可通过应用变迹技术补偿。变迹的一般思路在许多关于傅立叶(Fourier)光学的书籍有解释，最著名的是文献【1】，J.W.Goodman，“Introductionto Fourier Optics”。坐标系统在图3中示出。在1D投影中，坐标ξ说明散焦斑Δ的位置。其轮廓遵从总外部反射(TEF)附近区域的Fresnel反射。在实践中，我们有多能级X射线束；即X射线光子不是单色能量的，而是具有一定能量分布。结果，在Fourier光学语言中等于点响应函数的散焦斑函数的轮廓没有尖锐的边缘，如图4所示。

[041]在角坐标中，ξ_c位置等于θ_c位置，这里θ_c为TER截止角。从图1中可以看到

2ξ_c＝Δ(13)

[042]从Fourier光学数学理论，对于非相干系统，点响应函数h(ξ)的模平方是光传递函数(OTF)的逆Fourier变换，其形式为：

|h(ξ_x，ξ_y)|²＝F^-1{OTF(f_x，f_y)}(14)

这里(ξ_x，ξ_y)是通常的2D情形中本地焦平面的坐标，因此，对于截止位置：

${{\mathrm{\ξ}}_x}^2+{{\mathrm{\ξ}}_y}^2={{\mathrm{\ξ}}_c}^2=\left({\frac{\mathrm{\Δ}}{2}}^2\right),---\left(15\right)$

和

$\mathrm{OTF}(f_x,f_y)=\hat{F}\left\{{h({\mathrm{\ξ}}_x,{\mathrm{\ξ}}_y)|}^2\right\}=$

$\frac{\stackrel{+}{\∫}\underset{-}{\overset{\∞}{\∫}}{\left|\stackrel{\‾}{h}({\mathrm{\ξ}}_x,{\mathrm{\ξ}}_y)\right|}^2\exp \{-i2\mathrm{\π}(\mathrm{fx}\·\mathrm{\ξx}+\mathrm{fy}\·\mathrm{\ξy})\}{\mathrm{d\ξ}}_x{\mathrm{d\ξ}}_y}{\∫\∫{\left|h({\mathrm{\ξ}}_x,{\mathrm{\ξ}}_y)\right|}^2{\mathrm{d\ξ}}_x{\mathrm{d\ξ}}_y}---\left(16\right)$

其中h(ξ_x，ξ_y)是归一化的点响应函数。

[043]进一步的细节可在Goodman的《Introduction to FourierOptics》中找到。OTF模，或|OTF(f_x，f_y)|称为调制传递函数(MTF)。变迹操作由下式提供：

$\widehat{I_g}(f_x,f_y)={\left(O\hat{T}F\right)}^{-1}(f_x,f_y)\hat{I}i(f_x,f_y)---\left(17\right)$

等式(16)所示，这里

是归一化的物体几何强度分布的2D Fourier变换，而是图像几何强度分布，其与图2中所示点响应卷积。因为|h(ξ_x，ξ_y)|²是(ξ_x，f_y)坐标的平滑函数，其2D Fourier变换也是(f_x，f_y)空间频率坐标的平滑函数，因此空间频率截止值f_c是

$f_c=\frac{1}{{\mathrm{\ξ}}_c}---\left(18\right)$

如图5所示。

[044]为了提供有效的变迹，我们需要提供公式(5)的数值计算，其中I_i(ξ_x，ξ_y)图像强度分布在本地焦平面测量，而h(ξ_x，ξ_y)可从ETR附近的Fresnel反射分布分析计算。然后

通过快速傅立叶变换(FFT)从I_i计算，而等式(17)被数值计算从而计算作为物体强度分布，其中消除了散焦影响。该类变迹与常规光学系统的不同，常规光学系统在Fourier平面中使用人工变迹函数。这里变迹函数具有自然形式，从Fresnel反射系数的物理角度分布获得。该变迹新方法非常有效，因为除非在无穷大，|OTF|＝MTF没有零值；因此逆操作被良好地定义。

[045]其他类型的散焦效应消除是通过机械变焦实现的，即通过移动检测器平面而零化Δy值，如图6所示。进一步，互补性方法是补偿焦曲面的像场弯曲(field curvature)，因为本地焦平面仅是本地平面，如图1所示。

X射线角度分光计

[046]X射线源(样品)和龙虾眼透镜的特定几何构型定义从样品反射的X射线散射角度。散射角度θ定义为与镜面反射的偏离角，如图6所示。光源S发生的X射线锥形束形式为一束X射线，它入射到轴x的1D投影中限定的样品上，并从样品反射(背散射)到龙虾眼透镜中。每个X射线由入射角α和镜面反射角定义，镜面反射角也表示为α。背散射X射线扩开为锥形且中心在镜面反射附近。根据化学成分或样品材料，通常由Z数限定，作为一束散射X射线的散射锥形束由特定散射横截面定义。Z数越大，则散射锥体越窄。一种射线被引导到龙虾眼透镜的中心0’，并由位于半径为R/2的龙虾眼半球处角度位置为

的检测器接收。因此，从图6获得的α，

，θ之间存在某些关系，其形式如下面三个等式表示的：

x-x₀＝y₀tanφ(19a)

x＝y₁tanα(19b)

α+φ＝θ(19c)

其中有三个未知数α，，θ。消除它们并引入：u＝tanθ，和

我们得到

$u=\frac{x_o+v(y_0+y_1)}{y_1-{\mathrm{vx}}_o-v^2{y}_o}---\left(20\right)$

对于x₀＝y₀＝y₁，上式化为：

$u=\frac{1+2v}{1-v-v^2}---\left(21\right)$

其中对于v＝1/2，且u＝0；则θ₂＝0，如图1所示；对于 $v=(-1+\sqrt{5})/2,$ 或

u＝∞。而且对于v＝0，u＝1，且θ₃＝45°＝γ₃。可以看到，对于x＝0，θ＜0；则θ₂＝0；那么θ＞0；即对于等式(21)，θ角是

的几乎直线的单调函数，如图7所示。

可以看到下面的关系：

几乎是线性的，带有近似倾角系数：

$K=\frac{\mathrm{\Δ\θ}}{\mathrm{\Δ\φ}}=1.5---\left(23\right)$

[047]因此，在击射(或闪光)中，我们获得样品的全角特征，这说明名称“角度凝视分光计”的有效性。对于60°，或π/3锥形角的龙虾眼透镜，如图8所示，检测器具有尺寸δ和空间d，因此占空比为d/δ。假定角度分辨率为1°，则检测器的数目N＝60，检测器之间距离，或像素尺寸为δ+d＝26mm/60＝433μm，对于占空比70/30，该距离被分为303/130。假定R＝5cm，且x＝1m；则横向放大倍数为Mt_c＝1/41，对于433μm的图像分辨率，可以得到物体的分辨率为1.77cm，或对于R＝5cm和x＝20cm，物体分辨率为3.9mm。

[048]如图6所示的平面样品几何构型允许单调的，几乎线性的θ(

)关系，如图7所示。相对比，如果对于任意样品点都总能获得θ＝0，则需要使得样品表面轮廓为旋转椭圆的形式，如图9所示，其中P和P’是椭圆焦点，且椭圆曲线应绕轴∏∏’旋转。

校准

[049]散射角θ的包络线在球面反射角α附近。这样的包络通常取决于α。否则用Fourier语言，系统被称为角度不变光学。即使系统是角度变化的，则一个样品类别中角度变化几乎相同。在这样的近似中，我们可以开发允许校准所有几何构型因子的通用校准过程，如光源距离，样品距离，和龙虾眼距离。在这类情形中，通常的测量公式具有如下形式：

I(θ)＝M(θ)I₀(θ)(24)

其中入射X射线束强度I₀(θ)取决于所有几何构型因子(且难于分析)，M(θ)是要与I₀(θ)分离的未知的样品角度特征。然而，不用分析地分离，我们开发了形式如下的校准曲线：

I_c(θ)＝M_c(θ)I₀(θ)(25)

这里M_c(θ)是用于校准的已知样品的角度特征，而I_c(θ)是通过已知角度曲线(如图7所示)的用于该样品的测量的检测器强度。以等式(25)除以等式(24)可以得到校准公式如下：

$M\left(\mathrm{\θ}\right)=M_c\left(\mathrm{\θ}\right)\frac{I\left(\mathrm{\θ}\right)}{I_c\left(\mathrm{\θ}\right)}---\left(26\right)$

其中M(θ)是待求的，M_c(θ)是已知的，I(θ)是测量的，而I_c(θ)是已知的校准曲线。

[050]易于为3D几何构型归纳出该公式。该公式至少可以两种方式应用：

1.角度分光谱

2.对比增强影像

[051]第一情形在上面讨论；第二情形可解释如下。考虑物体(样品)的几何构型，如图11所示。x值越高，则θ角同样越大；因此，如果我们在某个特征为高正x值或高正

值的位置定位物体，则这类物体的图像将仅对具有低Z数的这类物体元素响应，这导致该类物体的对比增强。

时间选通和X射线凝视成像

[052]龙虾眼检测器表面位于半径为R/2的半球上，这里R为龙虾眼透镜半径。该表面的每个点Q具有位于X射线样品上的等价点P，如图11所示。

[053]点θ具有球坐标

且其等价点P具有笛卡尔坐标(x，y)。当点P以速度v移动时，如图11所示，其等价点Q也移动到点Q’。假定速度v，点P在时间t内移动距离为vt。对于特定的硬x射线的情形，如果X射线“碰撞”点P，则样品内出现多散射，特别对于小Z数，这会产生PP’偏移。使用龙虾眼成像等式，距离PP’为：

PP’＝vt    (27)

可简化为：

$\frac{{\mathrm{PP}}^{\′}}{M_t}=\frac{\mathrm{vt}}{M_t}---\left(28\right)$

这里M_t是横向放大倍数。对于R＝6cm，且x＝1m，可以得到M_t＝1/41。假定检测器像素尺寸为100μm，则物体平面内等价尺寸为4.1mm，这实际值，因为可能出现1厘米的偏移。对于x＝1＝1m，龙虾眼和样品之间的时间延迟是(v＝c)：

${\mathrm{\Δt}}_o=\frac{2l}{c}=\frac{200\mathrm{cm}}{{3.10}^{10}\mathrm{cm}/\sec }=6.6n\sec ---\left(29\right)$

[054]因此，对于这样的距离，脉冲持续时间τ必须小于6.6ns，如图12所示。

[055]图12示出两个脉冲，原始发射的脉冲和原始接收的脉冲，后者包括多散射部分。通过测量δt，我们可以推测出样品的性质，如有机或无机，空气，金属等。当然，我们需要以相等的间隔Δt₀发送许多这样的脉冲从而获得合成图像。Z数越低，瞬间偏移值δt越大。时间选通可以是对角度复用的补充：

δx＝cδτ(30)

这里v≈c＝3·10¹⁰cm/s，且δx是由于多散射导致的空间偏移。

X射线的一般性质

[056]通常认为X射线容易穿过软材料，如人体组织和有机聚合物，产生“密度阴影图(density shadowgram)”X射线图像。另一个常识是X射线不能穿透金属。这两种认识都是不正确的。X射线光子通过与软非金属物质相互作用而广泛散射，且部分射线被散射回X射线源。这样的光子就是所谓的弹道背散射光子。同时，18％的平均能量为60keV(或波长

)的X射线光子穿透56密尔钢板(参看图13)。能量为60keV和更高的X射线用作常规胸腔X射线。

现有毛细X射线聚焦光学

[057]X射线的性质抑制了折射性聚焦元素的产生。唯一可能的使用X射线的方式是使用小掠入射角下的平滑金属表面对X射线的反射。经典的X射线反射光学装置质量重，体积大(以米计)，昂贵且难于对准。这导致了基于长，弯曲的，圆形毛细管的Kumakov X射线聚焦光学装置的开发^[2，3]。由于非常小的临界掠射角(对于60keV X射线，≤3.6弧分)，且相对大的内毛细管直径，毛细管必须极长。

[058]此外，毛细管元件相当厚和它们之间的死空间显著减小Kumakov X射线光学装置的填充因子。更先进的LE型聚焦X射线光学基于玻璃滑塌(glass slumped)微通道板(MCP)。然而，现有LE光学装置的光谱范围受限于能量≤4keV(或

)的X射线^[4-6]。具有较小临界掠射角的较硬X射线不能有效地通过玻璃MCP聚焦，这是因为通道的长宽比(纵横比)小^[4-8]。

龙虾眼X射线聚焦光学

[059]龙虾是通过跨其眼睛外侧弯曲的盒式正方形横截面小眼(孔眼)阵列观看世界的。

[060]在甲壳纲动物眼睛中，各细胞或单元短且是矩形的，长是宽的约两倍。光在宽范围的入射角度上被反射从而形成相当快的聚焦。对于硬X射线应用，单元长度必须约是宽度的数百倍，但光学原理与甲壳纲动物的眼睛相同。其与Schmidt的两维装置密切相关，但融合两组正交板和采用球面对称性而非圆柱形对称性消除了优选轴，且视场(FOV)可与理想的一样大。例如，龙虾眼具有略大于180度的FOV。

[061]每个小眼捕获少量从所有角度进入眼睛的光，且来自无数小眼的光被聚焦形成图像。Physical Optics公司的物理学家已经将该结构拷贝到以LE结构组织的长的、中空金属微通道中，从而聚焦硬X射线^[9](参看图14A和14B)。

[062]在LE几何构型中，可以布置使X射线反射以非常低的角度出现。例如，在小于12弧分的角度，金膜反射率高；结果损失少量入射通量。图15示出平行X射线，其具有相同交叉状焦斑上反射(聚焦)的小掠射角。最初，X射线撞击正方形、长中空单元和公共点上的汇聚斑的阵列，将X射线聚焦到单个点上。进入形似正方形隧道的任何单个元素单元的X射线，在两个反射壁体之间反弹并平行于从邻近单元中出射的射束出射。反射的平行X射线通量的光斑的中心区中强度可比入射X射线通量大数千倍。作为真聚焦装置，LE光学装置可在漫射背景下有效地成像物体，并因此改善对暗物体的观察。

[063]借助奇数次反射，通常一个或三个，X射线直线通过检测器的焦曲面。在两个正交壁体之间反射的X射线被发送到共同焦斑。仅撞击一个壁体的射线在一条线上结束，而剩余的直线通过，如图15所示。偶数次反射的射线包括无反射的射线，其对背景噪声有贡献。来自塑料和金属的X射线背散射

[064]当龙虾眼X射线成像系统的X射线发生器辐射水下物体(130kVp(千伏峰值能量)到180kVp X射线谱，其平均X射线能量在40到120keV(或波长λ＝0.31到

))时，其产生两个重要的相互作用：(i)康普顿散射和(ii)光电效应^[10，11]。具有不同平均本地原子数(Z数)和不同电子密度的材料在康普顿散射图像中具有不同强度值^[12]。这些相互作用的相对概率是Z数和材料电子密度的函数。在光电效应中，X射线光子被吸收并发射电子。对于约60keV(

)或更低的X射线光子能量，较高Z数的材料具有较高光电子横截面和较低康普顿散射横截面。对于低Z材料，则相反。在具有高Z数的材料中，如金属，大量X射线辐照光子通过光电效应被材料吸收，且少量光子经康普顿作用被散射。

[065]因此，在凝视成像X射线检查系统图像中金属材料具有低强度值。相对比，诸如塑料的材料具有较低Z数和中等电子密度。当塑料被凝视成像X射线检查系统成像时，许多X射线辐照光子具有康普顿作用，且某些光子被背散射到LE检测器并被其记录或寄存下来，这包括LE光学装置聚焦X射线至耦合到冷却的CCD摄像机(参看图16)的闪烁屏。因此，在康普顿(Compton)背散射成像(CBI)中，低Z材料由背散射的X射线光子的高强度值表示。

现有背散射技术

[066]现有技术X射线康普顿背散射成像(CBI)技术^[11-14]，如横向迁移射线照相术(LMR)^[10，11]可成像土壤的表面，浅表面，或内部结构从而探测地雷。LMR系统具有分开的检测器供成像单次背散射X射线光子(SBP)，该光子与物体原子仅碰撞一次，且成像用于物体探寻的多次背散射光子(MBP)。因为SBP和MBP的数目通常低，且有某些几何交叠，两个图像具有弱信噪比(SNR)和分辨率和严重的几何失真。LMR(以及所有其他CBI技术)不能聚焦硬X射线。建立X射线图像取决于X射线的扫描笔形束和昂贵的，大体积的，具有光电倍增管(PMT)的大面积X射线检测器。分辨率、对比度、FOV和LMR的SNR受扫描笔形束的强度、尺寸和速度限制。LMR具有不超过1m²/min的低采集率^[11-12，14]，且长和复杂的图像重构过程。扫描笔形束的发生效率低；其仅使用发生的X射线的约0.01％并要求重的，引导的，快速旋转的调制盘(chopper wheel)或具有大惯性力矩的旋转瞄准仪。因此，现有技术X射线背散射系统不能满足例如探测掩埋的地雷的要求。

凝视数字X射线成像检测器

[067]用于凝视成像X射线检查系统的凝视数字检测器的实施例包括微通道板(MCP)，其由硅晶片微加工形成并滑塌成与龙虾眼X射线聚焦光学装置的半球形焦曲面一致的半球形。硅MCP的微通道的尺寸、形状和位置由光刻方法确定，并提供＞85％的高填充因子。

[068]现有铅玻璃MCP成本高，重量重，面积有限，且刚硬，而且不能保持微通道的周期性或它们的壁体平滑度。后者引起聚焦性能的显著降低，聚焦性能实际上由MCP结构的几何构型和通道壁体的表面粗糙度决定^[16，15]。

[069]与SOTA铅玻璃MCP对比，硅MCP成本低，重量轻，面积大，且机械稳定。硅MCP由硅晶片通过电化学各向异性刻蚀(ECANE)制造，且滑塌为所需的球形。高纵横比微通道将填充以闪烁材料，如对硬X射线有效的NaI或CsI(Tl)。

[070]用于凝视数字检测器(SDD)的MCP的制造，和随附的微加工以及滑塌技术将包括以下步骤：

(1)阵列中的孔尺寸、形状和位置由光刻方法决定。然后孔通过硅单晶衬底晶片被各向异性刻蚀。

(2)微加工的硅MCP将通过特殊的热循环工艺结合孔壁氧化滑塌为所需的球形。

(3)孔金属化将通过化学真空沉积(CVD)生长形成连续的，平滑的X射线反射孔壁而实现。孔壁的二氧化硅层允许使用具有高Z数的多种不同金属(相对于玻璃MCP技术)。

(4)SDD通常是从可用的，廉价的，直径大于150毫米(6英寸)以上的单晶硅晶片制造的。

(5)根据硅熔化温度大于1400℃并几乎是闪烁材料如NaI或CsI(Tl)熔点两倍的事实，在真空状态下熔化闪烁材料到滑塌硅MCP的微通道中。

[071]图17示出SDD系统的结构和操作原理。SDD将基于读出信号的微通道导向结构，与现有技术全帧CCD通过纤维光锥耦合。纤维光锥的输入表面具有半球形状并与龙虾眼X射线聚焦光学装置的半球形焦曲面一致。光锥的输出表面是平整的并连接到CCD矩阵。SDD含填充因子大于85％的高纵横比导向微通道，其中壁体覆盖有反射性铝层并填充以如碘化钠闪烁材料。该材料吸收硬X射线光子，且量子效率大于90％，并将它们转换为可见光。结果，包铝NaI(Tl)芯是高纵横比光导结构，这将使得闪烁光的闪光亮度足够(集中在几百平方微米的微通道横截面的非常小的面积中)在室温时被CCD阵列检测，高精度地识别X射线辐照的能量含量。

[072]NaI(Tl)中发生的可见光闪光强度与它们的能量成比例，比率约为每100keV光子有4000个可见光光子。NaI(Tl)的衰减长度，例如，对于60keV光子(波长

)是0.5毫米；对于100keV光子(波长

)是1.8毫米；

[073]微通道内由NaI(Tl)闪烁体发射的光传输到相应CCD像素的敏感区，而不会有像素间损耗或色度亮度干扰，类似于光纤光导。在曝光结束时，CCD有源区的电荷将快速(约40毫秒)转移到帧存储区。以该方式，SDD将执行光子计数和能量辨别。为了辨别X射线光子的能量，SDD的CCD必须以高速率寄存帧，以便每个帧中仅寄存几个事件，且闪烁体中每次火花强度可独立测量。用于龙虾眼X射线成像系统的X射线聚焦光学装置的制造

[074]在本发明中，所有抛光和修整是在X射线龙虾眼“平整”部件易于接触的时候对其执行的，但目前大多现有技术这些行为由于不良的可接触性而无法执行。由于本发明在开始制造过程中所有材料表面充分的可接触性，实现了对形成高性能X射线龙虾眼关键的高表面平整度和低表面粗糙度必须的抛光和修整加工。

[075]例如，在多数现有技术中，“角部”难于接触以进行抛光和修整，同时对硬X射线光学装置而言必须的完美抛光和修整90度角是本发明设计的内在特性——且在最后组装新型龙虾眼过程中自动实现。

[076]在前面的现有技术^[4-6]中，表面上看起来相同，但关键“半步”丢失——交叉(十字)结构或两个分开的水平和垂直层交织成单个三维网格状结构，其形成龙虾眼透镜，如本发明中一样。

[077]在本发明中，渐细梯形通道是通过连续减小正方形横截面，实现“理想的”龙虾眼形式因子而三维地形成的。

[078]应该强调本发明不是“产生”龙虾眼形状，而是“制作”龙虾眼形状，同时保持X射线光学的严格要求。

[079]本发明中实施的新颖和独特的制造及组装工艺的结果是成功制造X射线镜面所要求的高几何精度和表面完美度的龙虾眼结构。

[080]本发明龙虾眼制造的架构概念在图18中示出。薄的平整肋条是通过以预定角度和间隔执行的“刀分割”从半球穹顶(参看图19)抽出的。在图18中，我们看到抽出的四个(4)肋条。

[081]中空的半球穹顶最初是从实体球抽出并形成本发明制造架构的基础。切割平面将部分中空球体切成薄片，并以预定的角度和间隔布置，从由绕内周边的点A和A’与绕该“穹顶”的环形部分的外周边点B及B’定义的线段辐射，这些切割平面对切所述穹顶。结果是多个平整肋条，每个平整肋条都是环面的一段。

[082]如图20所示的公肋条和母肋条的几何构型使它们匹配槽的深度，对于公肋条槽长度为u而母肋条为u’，这里u等于u’(u＝u’)。公肋条的高度为2u，母肋条的高度为2u’，以便当布置成交叉和交织设置时，公肋条和母肋条将以公肋条和母肋条的上弯曲边缘齐平的方式“密切配合”到一起，且公肋条和母肋条较低的弯曲边缘也是齐平的。一旦以该方式组装，则原始“半球形穹顶”再次产生，并为“骨架式”而无初始“填充”梯形空腔的“不想要的”实体部分。该精确组装由于公肋条上狭槽宽度为s而母肋条上狭槽宽度为s’而成为可能，以便宽度s等于s’(s＝s’)且公母两个肋条厚度都为t，以便宽度s和s’等于宽度t(s＝s’＝t)。然而，制造公差是在物理实现中，肋条中狭槽的实际宽度为s，+0.001”/-0.000”，而肋条的实际厚度为宽度t’，+0.000”/-0.001”。肋条厚度(t)稍稍偏小，连同肋条中狭槽宽度(s，s’)稍稍偏大使得每个公肋条的主体能够恰好能够滑到母肋条的狭槽中，且使得每个母肋条的主体能够恰好滑到公肋条的狭槽中，允许公肋条和母肋条之间90度(90°)十字交织。

[083]由具有本发明的四(4)对公晶片状肋条和母晶片状肋条的交叉(十字)结构形成的“4X4”龙虾眼在图21中示出。一个“公”肋条以未匹配阶段示出。垂直降低该公肋条至其下面的几乎全部结构，以便与四(4)个“母”肋条“匹配”，所述“母”肋条被设计来接收公肋条从而形成“4X4”龙虾眼形式。

[084]可以理解这里公开的构成X射线成像技术领域的重要进步。背散射X射线应用中龙虾眼透镜技术的新用途提供意义深远的改进，该改进在大量成像情形，如货物集装箱检查，掩埋的地雷探测和甚至在医学诊断中可有利地应用。而且，独特龙虾眼制造概念允许相对容易和低成本组装极其有效和精确地用于X成像目的。而且，对龙虾眼光学或光学装置和检测器物理更好的理解为改进最终图像发生和在诸如光谱学或分光术的新应用中使用该结构提供机会。因此，其范围仅由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (30)

1.基于背散射的X射线凝视成像设备，其包括：

用于以非扫描宽束辐照选择的目标的至少一个X射线发生器；

用于接收来自所述辐照目标的X射线背散射的X射线聚焦装置；

相对所述聚焦装置设置以便从所述接收的X射线背散射形成图像的检测器。

2.如权利要求1所述的成像设备，其中所述聚焦装置包括龙虾眼结构。

3.如权利要求2所述的成像设备，其中所述龙虾眼结构包括交织的薄晶片平整肋条的交叉排列，所述肋条被配置为整体三维网格阵列，该阵列形成连续减小的正方形横截面的多个相接的通道。

4.如权利要求3所述的成像设备，其中每个所述平整肋条具有抛光的反射性表面和多个隔开的匹配狭槽以便与其他平整肋条交织。

5.如权利要求1所述的成像设备，包括多个X射线发生器以便增加由所述聚焦装置接收的X射线背散射。

6.如权利要求1所述的成像设备，其中所述检测器包括将所述聚焦的X射线背散射转换为电子图像的数字装置。

7.如权利要求6所述的成像设备，其中所述数字装置包括由纤维光锥耦合到CCD矩阵的闪烁屏。

8.如权利要求7所述的成像设备，其中所述闪烁屏包括微通道板，该微通道板具有填充有闪烁材料的多个微通道。

9.如权利要求1所述的成像设备，其中辐照在所述辐照目标上的X射线的能量水平不显著比平均环境X射线辐照大。

10.一种X射线检查系统，其用于产生至少一个隐藏在壁体后面的物体的图像；所述系统包括：

至少一个X射线源，其发生开放锥形X射线辐照以便辐照待检查区域，该区域包括所述壁体和物体；

数字X射线成像检测器，其用于将X射线图像转换为电子图像；

基于龙虾眼的X射线聚焦结构，其用于接收和聚焦从所述检查区背散射的X射线辐照至所述成像检测器上以便成像所述的至少一个物体。

11.如权利要求10所述的X射线检查系统，其包括多个所述X射线源，每个都向着待检查的所述区产生开放锥形X射线辐照。

12.如权利要求10所述的X射线检查系统，其中所述X射线源开放锥形辐照是非扫描的凝视型X射线束。

13.如权利要求10所述的X射线检查系统，其中所述基于龙虾眼的X射线聚焦结构包括交织的薄晶片平整肋条的交叉排列，所述肋条被配置为形成多个相接通道的整体三维网格阵列，所述相接通道具有连续减小的正方形横截面。

14.如权利要求13所述的X射线检查系统，其中每个所述平整肋条涂敷有X射线反射性材料。

15.如权利要求13所述的X射线检查系统，其中每个所述平整肋条具有多个隔开的狭槽以便与其他所述平整肋条交织。

16.一种龙虾眼透镜，包括：

交织的薄晶片平整肋条的交叉结构，其被配置为形成多个相接通道的三维阵列，所述相接通道具有连续减小的正方形横截面。

17.如权利要求16所述的龙虾眼透镜，其中所述平整肋条经配置提供具有选择长度和横截面的所述通道以便聚焦入射X射线。

18.如权利要求17所述的龙虾眼透镜，其中每个所述平整肋条具有对所述入射X射线高度反射的表面。

19.如权利要求16所述的龙虾眼透镜，其中每个所述平整肋条具有多个隔开的狭槽以便与其他所述平整肋条交织。

20.如权利要求16所述的龙虾眼透镜，其中每个所述平整肋条是具有内周边和外周边的环面的段。

21.如权利要求19所述的龙虾眼透镜，其中每个所述平整肋条是具有内周边和外周边的环面的段，且其中第一多个所述平整肋条具有从所述内周边延伸的所述狭槽，而第二多个所述平整肋条具有从所述外周边延伸的所述狭槽。

22.如权利要求21所述的龙虾眼透镜，其中所述交织的平整肋条的交叉结构通过沿所述狭槽精确地垂直匹配所述第一多个平整肋条和所述第二多个平整肋条而形成。

23.如权利要求22所述的龙虾眼透镜，其中所述平整肋条的厚度基本等于所述狭槽的宽度，且所述狭槽的长度基本等于沿所述环面的半径所述内周边和所述外周边之间距离的一半。

24.一种X射线成像系统，包括：向最近目标区产生X射线能量的至少一个X射线源，具有焦曲面供接收从所述目标区反射的背散射X射线的检测器，和将所述背散射的X射线聚焦到所述检测器焦曲面的龙虾眼透镜；用于减少无意散焦像差的散焦效应补偿器，所述补偿器至少基于a)变迹、b)焦曲面移动、和c)焦曲面场区补偿之一。

25.一种角度凝视分光计，其包括：

X射线源，其相对待分析样品设置在第一选择位置；

龙虾眼透镜，其相对所述样品设置在第二选择位置，所述透镜具有聚焦表面；和

多个X射线检测器，其设置在所述聚焦表面上作为检测器阵列，这些检测器选择性彼此隔开，从而基于源自所述样品X射线的背散射产生的散射锥形的横截面几何构型提供输出，该输出是所述样品材料的指示。

26.如权利要求25所述的角度凝视分光计，进一步包括：

校准样品，其具有已知的散射角特性以便为选择的X射线源和龙虾眼透镜相对待分析样品的位置生成校准曲线。

27.一种产生被检查区图像的方法，所述方法包括以下步骤：

以X射线能量辐照所述区；

定位检测器以便从所述辐照区接收X射线背散射；以及

在所述区和所述检测器之间设置X射线龙虾眼透镜以便在所述检测器上聚焦所述X射线背散射。

28.如权利要求27所述的方法，其进一步包括配置所述检测器以便转换所述聚焦的X射线背散射为被检查的所述区的电子图像的步骤。

29.如权利要求27所述的方法，其进一步包括相对所述被检查区定位所述龙虾眼透镜的步骤，以便所述区的图像仅对具有低Z数元素的物体响应，从而增强这类物体在最终图像中的对比。

30.如权利要求27所述的方法，其进一步包括采用多个X射线源辐照所述区的步骤从而增加从所述区背散射的X射线。

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