CN102288627A - 一种x射线远距离主动成像装置及其拼接式龙虾眼光学系统的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种X射线远距离主动成像装置及其拼接式龙虾眼光学系统的制作方法。X射线远距离主动成像装置包括X射线管、电视系统、拼接式龙虾眼光学系统、面阵X射线探测器和机电系统；所述拼接式龙虾眼光学系统由小的扇环形的公硅片和母硅片沿着半径方向的双向上的连接槽拼接成的。拼接式龙虾眼光学系统的制作方法包括制作硅片外形、开连接槽及抛光镀膜和安装步骤。本发明优点是：用较小的硅片，组成较大的龙虾眼光学系统的X射线远距离主动成像装置，探测器的灵敏度高，增大了龙虾眼光学系统的有效接收口径，提高了龙虾眼单通道的长宽比，增加了龙虾眼光学系统的长度，且制作工艺简便，成本低。
Description
技术领域
本发明涉及一种X射线远距离主动成像装置及其拼接式龙虾眼光学系统的制作方法，属于X射线探测技术领域，适合于穿透探测，特别适用于X射线远距离穿墙探测。
背景技术
X射线是一种对物质有一定穿透能力的电磁波，适合于穿透探测，尤其是对隐藏在金属遮挡物后的目标的成像探测，已经广泛应用于医疗和安检领域。
X射线成像探测仪根据其X射线光源、探测器和目标的相对位置分为穿透式探测和反射式探测。其中穿透式探测需要将光源和探测器分别放置于目标的两侧，依靠检测透射的X射线来对目标进行成像，因此，透射式X射线探测仪通常作用距离较短，常用于工业零件的探伤和医疗检查。而反射式探测是探测X射线照射目标后的逆向康普顿散射回波，其优点在于作用范围远，X射线光源和探测器能够一体化集成，便于携带和操作。在军事和安检领域有着更广泛的应用前景。
在基于逆向散射的面阵X射线成像探测仪中，龙虾眼光学系统是其中的关键部件之一。它克服了传统的空心导管的灵敏度不高、可视角度很小的缺点。美国物理公司曾提出一项专利（专利公开号：CN 101287985A），用于便携式的龙虾眼X射线成像探测仪。使用激光微水刀在圆形硅片切割出细密的狭缝，在硅片表面镀金属膜，然后将硅片垂直拼接起来。这种方法能简易的制作出较短的龙虾眼光学系统。为了提高探测器的作用距离，常使用硬X射线（60～120keV）作为主动成像探测仪的光源。但硬X射线的波长短，在金属表面掠射角更小，为了提高探测器的灵敏度，要增大龙虾眼光学系统的有效接收口径，需要提高龙虾眼单通道的长宽比，即加大圆形硅片狭缝的密度，增加龙虾眼光学系统的长度。前者加大了工艺实现难度，而后者需要较大的整块硅片，这意味着龙虾眼光学系统生产成本的提高。
发明内容
本发明的一个的目的是：克服现有技术的缺点和困难，提供一种用较小的硅片，组成较大的龙虾眼光学系统的X射线远距离主动成像装置，实现提高探测器的灵敏度，增大龙虾眼光学系统的有效接收口径，提高龙虾眼单通道的长宽比，即加大圆形硅片狭缝的密度，增加龙虾眼光学系统的长度，且制作工艺简便，成本低的目的。
本发明的另一个的目的是：提供一种用于X射线远距离主动成像装置所用的拼接式龙虾眼光学系统的制作方法。
本发明X射线远距离主动成像装置的技术方案是：
一种X射线远距离主动成像装置，包括X射线管、电视系统、拼接式龙虾眼光学系统、面阵X射线探测器和机电系统；所述机电系统包括伺服模块、X射线管驱动模块、选通控制模块和图像处理模块；电视系统与伺服模块联通，X射线管与X射线管驱动模块联通，面阵X射线探测器包括三个接口：第一个接口与拼接式龙虾眼光学系统联通，第二个接口与选通控制模块 联通，第三个接口与图像处理模块 联通；所述拼接式龙虾眼光学系统硅片是由小的扇环形的公硅片和母硅片沿着半径方向的双向上的连接槽拼接成的拼接式硅片。
进一步的技术方案是：
所述的X射线远距离主动成像装置，其每片公硅片)和母硅片的表面沿半径方向切割长度为a的连接槽，该连接槽6的宽度大于硅片厚度；拼接式龙虾眼光学系统硅片厚度相同，选值范围为150~500μm ，宽度为4a。
所述的X射线远距离主动成像装置，其每片公硅片和母硅片的两面抛光，表面粗糙度r.m.s≤0.5nm，且两面镀金属膜。
所述的X射线远距离主动成像装置，其第n片公硅片的内半径r1内和外半径r1外与龙虾眼光学系统外径R的关系式为：
r1内＝R－4na r1外=R－4(n－1)a ；
第n片母硅片的内半径r2内和外半径r2外与龙虾眼光学系统外径R的关系式为：
r2内＝R－4na－2a r2外= R－4na＋2a 。
所述的X射线远距离主动成像装置，其X射线管发射光子能量在60~120keV的X射线脉冲。
所述的X射线远距离主动成像装置，所述电视系统包括可见光CCD和前端的接收光学系统，用于对观测目标进行瞄准。
所述的X射线远距离主动成像装置，其电视系统的接收光学系统的光轴和拼接式龙虾眼光学系统的视场中心轴以及X射线管发射X光束的中心轴彼此平行。
所述的X射线远距离主动成像装置，所述面阵X射线探测器，包括前端的填充了闪烁材料的平面多微通道板和后方的ICCD相机；前端MCP将X射线转换为可见光，后方ICCD用于检测可见光信号。
本发明提出一种适用于X射线远距离主动成像装置的拼接式龙虾眼光学系统的制作方法，其硅片是由小的扇环形的公硅片和母硅片沿着半径方向的双向上的连接槽拼接成的拼接式硅片，制作步骤为：
A、制作硅片外形：在确定龙虾眼光学系统外径R后确定每块硅片几何尺寸：
第n片公硅片的内半径r1内和外半径r1外与龙虾眼光学系统外径R的关系式为：r1内＝R－4na r1外=R－4(n－1)a ；
第n片母硅片的内半径r2内和外半径r2外与龙虾眼光学系统外径R的关系式为：r2内＝R－4na－2a r2外= R－4na＋2a ；
B、开连接槽：硅片表面沿半径方向切割或刻蚀出长度为a、宽度大于硅片厚度的方形连接槽；所有硅片厚度相同，为150~500μm，宽度为4a；
C、抛光镀膜：硅片两面抛光，表面粗糙度r.m.s≤0.5nm，且两面镀金属膜；
D、安装：将第n片母硅片外半径上的连接槽同第n片公硅片内半径上的连接槽互相插入；将第n片母硅片内半径上的连接槽同第n+1片公硅片外半径上的连接槽互相插入，从而得到以小的硅片组装成大的龙虾眼光学系统。
结合本发明X射线远距离主动成像装置的原理，对本发明技术方案和技术效果进一步说明如下：
拼接式龙虾眼光学系统由较小的公母扇环形硅片两面镀金属膜后，沿着半径方向双向切割安装槽，将公硅片序列和母硅片序列按照合适的方式拼接，能够用较小的硅片拼接成较大的龙虾眼光学系统。机电系统根据电视系统接收到的信号驱动电机，调整X射线远距离主动成像装置所对的方位，并控制X射线管向预期方位发射一束X射线脉冲，照射隐藏在遮蔽物（金属、混凝土或木材）的远距离目标。拼接式龙虾眼光学系统接收逆向散射的X射线回波，耦合到面阵X射线探测器，该探测器的选通时间能够被控制，将接受到的信号经过处理后，输出还原后的目标图像。也就是说：本发明提出的基于拼接式龙虾眼光学系统的X射线远距离主动成像装置，适用于X射线远距离成像探测。伺服模块用于根据电视系统接收的图像信号驱动电机，来改变基于拼接式龙虾眼光学系统的X射线远距离主动成像系统的方位，从而对特定方向实施X射线探测；X射线管驱动模块提供高压脉冲，对X射线管进行驱动；选通控制模块改变选通的延迟时间；图像处理模块对所述面阵X射线探测器输出的电信号进行处理：通过设定阈值，多帧图像求平均，选通时间匹配对目标以外的物质如空气和遮挡物的逆向散射噪声进行过滤，利用预先构造的龙虾眼光学系统传递函数，基于傅里叶光学原理对所述拼接式龙虾眼光学系统进行相差补偿，输出还原后的目标图像。所述拼接式龙虾眼光学系统是所述X射线远距离主动成像装置的核心元件，用较小的硅片，组成较大的龙虾眼光学系统的X射线远距离主动成像装置，实现提高探测器的灵敏度，增大龙虾眼光学系统的有效接收口径，提高龙虾眼单通道的长宽比，即加大圆形硅片狭缝的密度，增加龙虾眼光学系统的长度，且制作工艺简便，降低制作较大龙虾眼光学系统的成本成本。
附图说明
图1 是本发明所述的X射线远距离主动成像装置的实施例示意图；
图2 是发明拼接式龙虾眼光学系统的公硅片3.11的平面展开示意图；
图3 是发明拼接式龙虾眼光学系统的母硅片3.12的平面展开示意图；
图4 是图2公硅片与图3母硅片展开比较示意图；
图5是本发明拼接式龙虾眼光学系统的硅片组装方式的实施例示意图。
具体实施方式
结合附图和实施例对本发明作进一步说明如下：
实施例1：是本发明所述的X射线远距离主动成像装置的实施例。
一种X射线远距离主动成像装置，有X射线管2、电视系统1、拼接式龙虾眼光学系统3、面阵X射线探测器4和机电系统5；所述机电系统5包括伺服模块5.1、X射线管驱动模块5.2、选通控制模块5.3和图像处理模块5.4；图1中，电视系统1与伺服模块5.1联通，X射线管2与X射线管驱动模块5.2联通，面阵X射线探测器4包括三个接口：第一个接口与拼接式龙虾眼光学系统3联通，第二个接口与选通控制模块5.3 联通，第三个接口与图像处理模块5.4 联通；所述拼接式龙虾眼光学系统3硅片3.1是由小的扇环形的公硅片3.11和母硅片3.12沿着半径方向的双向上的连接槽6拼接成的拼接式硅片。每片公硅片3.11和母硅片3.12的表面沿半径方向切割长度为a的连接槽6，本实施例a为3mm，该连接槽6的宽度大于硅片厚度；连接槽6之间的距离以及连接槽6的数量决定了组装后拼接式龙虾眼光学系统3单元格的尺寸和数量。拼接式龙虾眼光学系统3硅片3.1厚度相同，选值范围为150~500μm，宽度为4a，本实施例硅片3.1厚度为300μm。每片公硅片3.11和母硅片3.12的两面抛光，为超光滑抛光，表面粗糙度为r.m.s≤0.5nm，本实施例r.m.s为0.3 nm，且两面镀金属膜。所述的第n片公硅片3.11的内半径r1内和外半径r1外与龙虾眼光学系统外径R的关系式为：r1内＝R－4na r1外=R－4(n－1)a ；
第n片母硅片(3.12)的内半径r2内和外半径r2外与龙虾眼光学系统外径R的关系式为： r2内＝R－4na－2a r2外= R－4na＋2a 。
所述的发射光子能量在60~120keV的X射线脉冲，本实施例为100keV，脉宽在几纳秒到几十纳秒量级的X射线脉冲。其照射到隐藏在遮蔽物后方的目标。由于X射线对不同材料的散射特性不同，因此散射回波会携带这些材料的信息。电视系统1包括可见光CCD和前端的接收光学系统1.1，用于对观测目标进行瞄准。电视系统1的接收光学系统1.1的光轴和拼接式龙虾眼光学系统3的视场中心轴以及X射线管2发射X光束的中心轴彼此平行。所述面阵X射线探测器4，包括前端的填充了闪烁材料（如碘化纳、碘化铯）的平面多微通道板MCP和后方的ICCD相机；前端MCP将X射线转换为可见光，后方ICCD用于检测可见光信号。该探测器的前端放置于拼接式龙虾眼光学系统的平面上。所述面阵X射线探测器采用选通模式，其选通时间能够被调节。当其选通延迟时间与X射线往返便携式X射线主动成像探测仪和目标一次的时间相匹配时，能够消除途中的空气和遮挡物散射引入的噪声，如图1所示，本发明能对被遮挡物遮挡的远距离目标的准确观测和清晰完整地扫描。
实施例2：与实施例1不同的是，每片公硅片3.11和母硅片3.12的表面沿半径方向切割长度为a的连接槽6，a为1.5mm；硅片3.1 厚度相同，厚度为500μm，宽度为4a；硅片3.1 两面抛光，表面粗糙度r.m.s为0.5nm；发射光子能量在60keV的X射线脉冲。
实施例3：与实施例1不同的是，每片公硅片3.11和母硅片3.12的表面沿半径方向切割长度为a的连接槽6，a为4mm；硅片3.1厚度相同，厚度为150 μm，宽度为4a；硅片3.1 两面抛光，表面粗糙度r.m.s为0.05nm；发射光子能量在90keV的X射线脉冲。
实施例4：本发明一种适用于本发明的X射线远距离主动成像装置的拼接式龙虾眼光学系统的制作方法，其硅片3.1是由小的扇环形的公硅片3.11和母硅片3.12沿着半径方向的双向上的连接槽6拼接成的拼接式硅片，制作步骤为：
A、制作硅片外形：在确定龙虾眼光学系统外径R后确定每块硅片几何尺寸：
第n片公硅片3.11的内半径r1内和外半径r1外与龙虾眼光学系统外径R的关系式为：r1内＝R－4na r1外=R－4(n－1)a ；
第n片母硅片3.12的内半径r2内和外半径r2外与龙虾眼光学系统外径R的半径R的关系式为：r2内＝R－4na－2a r2外= R－4na＋2a ；
B、开连接槽：硅片表面沿半径方向切割或刻蚀出长度为a、宽度大于硅片厚度的方形连接槽6，本实施例a为3mm ；所有硅片厚度相同，为300μm，宽度为4a；
C、抛光镀膜：硅片两面抛光，表面粗糙度r.m.s=0.4nm，且两面镀金属膜；
D、安装：将第n片母硅片3.12外半径上的连接槽6同第n片公硅片3.11内半径上的连接槽6互相插入；将第n片母硅片3.12内半径上的连接槽同第n+1片公硅片3.11外半径上的连接槽6互相插入，从而得到以小的硅片组装成大的龙虾眼光学系统。
本发明的权利要求保护范围不限于上述实施例。
Claims (9)
1.一种X射线远距离主动成像装置，其特征在于，包括X射线管（2）、电视系统（1）、拼接式龙虾眼光学系统（3）、面阵X射线探测器（4）和机电系统（5）；所述机电系统（5）包括伺服模块(5.1)、X射线管驱动模块（5.2）、选通控制模块(5.3)和图像处理模块(5.4)；电视系统（1）与伺服模块(5.1)联通，X射线管（2）与X射线管驱动模块（5.2）联通，面阵X射线探测器（4）包括三个接口：第一个接口与拼接式龙虾眼光学系统（3）联通，第二个接口与选通控制模块(5.3) 联通，第三个接口与图像处理模块(5.4) 联通；所述拼接式龙虾眼光学系统（3）硅片(3.1)是由小的扇环形的公硅片(3.11)和母硅片(3.12)沿着半径方向的双向上的连接槽（6）拼接成的拼接式硅片。
2.根据权利要求1所述的一种X射线远距离主动成像装置，其特征在于，每片公硅片(3.11)和母硅片(3.12)的表面沿半径方向切割长度为a的连接槽（6），该连接槽（6）的宽度大于硅片厚度；拼接式龙虾眼光学系统（3）硅片(3.1)厚度相同，选值范围为150~500μm，宽度为4a 。
3.根据权利要求1或2所述的一种X射线远距离主动成像装置，其特征在于，每片公硅片(3.11)和母硅片(3.12)的两面抛光，表面粗糙度r.m.s≤0.5nm，且两面镀金属膜。
4.根据权利要求1或2所述的一种X射线远距离主动成像装置，其特征在于，第n片公硅片(3.11)的内半径r1内和外半径r1外与龙虾眼光学系统外径R的关系式为：
r1内＝R－4na r1外=R－4(n－1)a ；
第n片母硅片(3.12)的内半径r2内和外半径r2外与龙虾眼光学系统外径R的关系式为：
r2内＝R－4na－2a r2外= R－4na＋2a 。
5.根据权利要求1所述的一种X射线远距离主动成像装置，其特征在于， X射线管（2）发射光子能量在60~120keV的X射线脉冲。
6.根据权利要求1所述的一种X射线远距离主动成像装置，其特征在于，所述电视系统（1）包括可见光CCD和前端的接收光学系统(1.1)，用于对观测目标进行瞄准。
7.根据权利要求1所述的一种X射线远距离主动成像装置，其特征在于，电视系统（1）的接收光学系统(1.1)的光轴和拼接式龙虾眼光学系统（3）的视场中心轴以及X射线管（2）发射X光束的中心轴彼此平行。
8.根据权利要求1所述的一种X射线远距离主动成像装置，其特征在于，所述面阵X射线探测器（4），包括前端的填充了闪烁材料的平面多微通道板（MCP）和后方的ICCD相机；前端MCP将X射线转换为可见光，后方ICCD用于检测可见光信号。
9.一种适用于权利要求1所述的一种X射线远距离主动成像装置的拼接式龙虾眼光学系统的制作方法，其特征在于，硅片(3.1)是由小的扇环形的公硅片(3.11)和母硅片(3.12)沿着半径方向的双向上的连接槽（6）拼接成的拼接式硅片，制作步骤为：
A、制作硅片外形：在确定龙虾眼光学系统外径R后确定每块硅片几何尺寸：
第n片公硅片(3.11)的内半径r1内和外半径r1外与龙虾眼光学系统外径R的关系式为：r1内＝R－4na r1外=R－4(n－1)a ；
第n片母硅片(3.12)的内半径r2内和外半径r2外与龙虾眼光学系统外径R的关系式为：r2内＝R－4na－2a r2外= R－4na＋2a ；
B、开连接槽：硅片表面沿半径方向切割或刻蚀出长度为a、宽度大于硅片厚度的方形连接槽（6）；所有硅片厚度相同，为150~500μm，宽度为4a；
C、抛光镀膜：硅片两面抛光，表面粗糙度r.m.s≤0.5nm，且两面镀金属膜；
D、安装：将第n片母硅片(3.12)外半径上的连接槽（6）同第n片公硅片(3.11)内半径上的连接槽（6）互相插入；将第n片母硅片(3.12)内半径上的连接槽同第n+1片公硅片(3.11)外半径上的连接槽（6）互相插入，从而得到以小的硅片组装成大的龙虾眼光学系统。
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| CN102288627B (zh) | 2013-10-02 |
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