CN102822904A - 小直径x射线管 - Google Patents

Abstract

用于X射线成像的方法和系统能够检查位于单独且远离X射线发生器(104)的位置的物体区域。X射线成像系统(100)包括用于产生X射线(106)的X射线发生器。准直仪(110)过滤产生的X射线以合并产生的X射线并且将产生的X射线在与准直仪的中心线轴平行的方向上移动。小直径管(108)传输定向的X射线并且端保持器(112)将传输的X射线向检查物体发射。准直仪的第一滤光器通过将X射线穿过多个孔可以初步过滤产生的不与准直仪的中心线轴平行的X射线。准直仪的第二滤光器通过将产生的X射线穿过通道可以合并产生的X射线并且将产生的X射线在与准直仪的中心线轴平行的方向上移动。

Description

小直径X射线管

技术领域

本公开内容涉及X射线成像，更具体而言，涉及小直径X射线管的操作。

背景

在一些情况下，各种物体比如交通工具、结构和/或活的生物需要检查异物碎片(FOD)的存在。例如，一件硬件可能在制造或维护期间无意中被留在交通工具内；一个或多个寄生虫可能侵染结构，比如树木或住宅；或者一件外科设备可能在手术期间无意中被留在患者体内。

在一些情况下，对物体进行检查以确定是否存在FOD是重要的。一种用于检查物体存在FOD的技术包括将物体拆卸以视觉搜寻FOD。虽然拆卸提供到达以其它方式难以进入的内部元件的途径，但该技术不总是看似合理的，而且通常麻烦、耗时和/或昂贵。例如，为了检查树木存在寄生虫比如甲虫，将树木拆开是不合理的，因为这可能毁坏树木。此外，将交通工具比如飞行器拆卸以搜寻各种FOD是昂贵且耗时的，特别是当FOD为活的生物且在检查期间在交通工具到处运动时。

概述

公开了使用小直径管检查物体的方法和系统。在一个实施方式中，X射线成像系统包括用于产生X射线的X射线发生器和用于将产生的X射线定向的准直仪。小直径管可以传输定向的X射线并且端保持器(end retainer)可以向检查物体发射传输的X射线。在一些实施方式中，准直仪可以包括用于将产生的不与准直仪中心线轴平行的X射线滤除的第一滤光器，和用于合并(consolidate)产生的X射线并且在与准直仪中心线轴平行的方向上移动产生的X射线的第二滤光器。

在另一个实施方式中，检查物体的方法包括产生X射线，将产生的X射线定向，并且通过小直径管传输定向的X射线。第一滤光器通过将X射线穿过多个孔可以初步过滤产生的移动方向不与管中心线轴平行的X射线。第二滤光器可以将X射线穿过通道(channel)以合并产生的X射线并且在与管中心线轴平行的方向上移动产生的X射线。

在进一步的实施方式中，交通工具检查系统包括用于产生X射线的X射线发生器。小直径管可以传输产生的X射线。小直径管可以包括用于将X射线定向通过小直径管的准直仪。小直径管可以进一步包括用于向交通工具发射传输的X射线的端保持器。

特征、功能和优势可以独立地在本公开内容的各实施方式中实现，或在其它实施方式中结合。

附图简述

参看附图描述了详细说明。在图中，参考编号最左边的数字表示该参考编号首先出现的图。不同图中的相同参考编号表示相似或相同的项目。

图1是说明性的X射线成像系统的示意图。

图2是说明性的小直径管的示意图。

图3是说明性的准直仪的示意图。

图4是检查物体的说明性方法的流程图。

图5是具有弯曲的说明性小直径管的示意图。

图6是制备用于成像的X射线成像系统的说明性方法的流程图。

图7是说明性的飞行器的侧正视图。

详述

综述

X射线成像可以有利地用于对各种物体检查异物碎片(FOD)的存在。本文公开了执行用于检测FOD的X射线成像系统的技术。一些技术包括通过小直径管传输X射线。如本文讨论的，小直径管可以是任何传输频率至少10¹⁶赫兹的X射线的管。例如，小直径管可以传输范围在10¹⁶至10¹⁹赫兹之间的X射线。小直径管的第一滤光器通过将X射线穿过多个孔可以初步过滤X射线。小直径管的第二滤光器可以合并X射线并且通过将X射线穿过通道而在与管中心线轴平行的流动方向上移动X射线。如本文讨论的，这些技术可以在物体比如交通工具、结构和/或活的生物上实施，包括但不限于飞行器、海上船舶、航天器、机动车、机械装置、树木、住宅、外科患者、和其它可能易有FOD的交通工具、结构和/或活的生物。

说明性的系统

图1是说明性的X射线成像系统100的示意图。在一个实施方式中，X射线成像系统100是X射线后向散射系统。X射线后向散射系统可以比传输X射线系统有利，因为X射线后向散射系统可以从物体的同侧传输并接收X射线束(即，为了检查该物体，操作人员只需接近物体的一侧)。X射线后向散射的另一个益处是其通常比传输X射线系统投射更少的辐射，因而其通常需要更小的禁区(exclusion area)。

在图1的说明性的X射线成像系统100中，电源102可以对X射线发生器104供电。X射线发生器104可以是可操作的以产生X射线106。X射线发生器104可以使用任何本领域众所周知的技术产生X射线。例如，X射线发生器104可以是真空管，并且包括用于将电子发射入真空管的阴极。阳极可以收集从阴极射出的电子以形成通过X射线发生器104的电流。为了产生X射线，电子从阴极脱离(boil off)并且与阳极在高能量电场下碰撞。如果碰撞的电子具有足够的能量，它们可以将电子从靶金属原子的内壳敲撞出来。当电子从较高状态落下时，发出具有精确能量的X射线光子以填补在电子从内壳敲撞出来时产生的空穴。

产生的X射线106可以从X射线发生器104传送至小直径管108。小直径管108可以由一个或多个层组成。小直径管108可以包括接近连接至X射线发生器104的管末端的准直仪110。准直仪110可以过滤产生的X射线106和/或将产生的X射线106定向在期望的流动方向上。另外，小直径管108可包括用于向检查物体发射定向的X射线114的端保持器112。定向的X射线可以与检查物体的检查区域接触，这最终能够产生检查物体的检查区域的X射线图像。

在一些情况下，端保持器112可设计用于适合特定的成像应用。例如，端保持器112可以包括显示装置，用于当X射线成像系统100对物体成像时显示检查物体的实时或近似实时的X射线图像。例如，在这些情况下，可以调整(tailor)端保持器112以将X射线成像系统100用作手持式检测器。

在一些实施方式中，X射线成像系统100可以包括用于接收反射的X射线的检测器116和/或用于吸收接近端保持器112的反射的X射线的辐射屏蔽。检测器116和/或辐射屏蔽可以是可拆卸的，以便其可现场组装并且当不使用时容易存放。

小直径管108有利地减少了操作人员为了检查物体需要携带的重量。例如，通过经小直径管108将重的电源和/或X射线发生器与端保持器112分离，装置的使用者只需将端保持器112移动至期望的检查位置以对物体成像。另外，由于使用者只需将端保持器112朝向检查物体，所以X射线成像系统100可用于检查小的或难以进入的区域。例如，X射线成像系统100可用于从交通工具内部检查机动车，因为使用者仅需在机动车内部移动端保持器112和小直径管108的一部分。在一些情况下，小直径管108重量轻，以便单个使用者可以与小直径管的一个或多个部分一起移动端保持器112而无需机械辅助或另一个使用者辅助。

图2是说明性的小直径管元件200的示意图。说明性的小直径管元件200图示说明图1小直径管108的A-A截面视图中的部件。X射线传输管202可位于小直径管108的核心处。X射线传输管202可以由任何适合于传输X射线的材料比如(但不限于)铜形成。覆盖层204可包围X射线传输管202。在一些情况下，覆盖层204是低折射率覆盖层，用于支持X射线传输通过小直径管108。金属层206可以包围覆盖层204。金属层206可以由适合于阻挡X射线的金属形成，比如铅、钨、铜或铝。热塑性涂布层208可以包围金属层206以对X射线传输管202提供额外的保护。最后，光缆护套层210比如聚氯乙烯(PVC)光缆护套可以包围热塑性涂布层208以对小直径管108提供耐久性和柔韧性。

在一些情况下，说明性小直径管元件200的分层与电信产业中使用的典型光纤器件光缆类似，除了说明性的小直径管元件包括处于核心的X射线传输管202和在X射线穿过小直径管108时遏制X射线的金属层206。

图3是用于在期望的流动方向上定向和/或过滤X射线的说明性准直仪元件300的示意图。说明性的准直仪元件300图示说明图1的准直仪110B-B截面视图中的功能和部件。由X射线发生器104产生的X射线106可以穿过第一连接螺帽(connector nut)302进入准直仪110。如图3中所示，当进入第一连接螺帽302时，产生的X射线106可以从X射线发生器104在各个(随机)方向上投射。

准直仪110可以包括用于过滤X射线的第一滤光器304。当进入第一连接螺帽302之后，产生的X射线106可遇到第一滤光器304。第一滤光器304可含有多个孔306。产生的对准孔306且与准直仪110的中心线轴308平行的X射线106穿过第一滤光器304。例如，因为其对准孔306，平行X射线310穿过第一滤光器304。产生的未对准孔306的X射线106将被第一滤光器304阻挡并且将不穿过小直径管108。在一些情况下，准直仪110可以与小直径管108共享共同的中心线轴308。

准直仪110可以进一步包括用于进一步在期望的流动方向上定向和/或过滤X射线的第二滤光器312。穿过第一滤光器304的X射线(例如，平行X射线310)可以遇到第二滤光器312。第二滤光器312可以包括通道314，以会聚平行X射线310，以便将其合并而且在与准直仪的中心线轴308平行的方向上移动。通道314可以具有圆锥形以合并平行X射线310并将其在与中心线轴308平行的方向上移动。例如，随着其离开第二滤光器312，会聚的X射线316平行并接近准直仪110的中心线轴308。在穿过第二滤光器312之后，会聚的X射线316可以行进通过小直径管108。在一些情况下，随着其离开准直仪110并且行进通过小直径管108，会聚的X射线316可以穿过第二连接螺帽318。

准直仪110的各种元件比如第一连接螺帽302、第一滤光器304、第二滤光器312和第二连接螺帽318可以由金属材料比如铅、钨或铝形成。

说明性的方法

图4是检查物体的说明性方法400的流程图。描述操作的顺序并非意欲被理解为限制，并且任何数量的所述框图可以任何顺序合并和/或与执行该方法并行。除方法400之外，遍及本公开内容描述的其它方法也应当被相应地解读。方法400可以通过图1的X射线成像系统100执行。

在402，X射线发生器104产生X射线。一般而言，通过将高速电子在物体上撞击产生高能光子(即高频不可见光)而产生X射线。

在404，产生的X射线从X射线发生器104传送至准直仪110，在那里被定向和/或过滤。在404，准直仪110可以使用一个或多个滤光器(例如，第一滤光器304和第二滤光器312)，用于定向和/或过滤X射线。在一些情况下，具有多个孔的圆形滤光器(例如，第一滤光器304)通过仅允许在与准直仪110中心线轴平行且对准孔的方向上移动的X射线穿过滤光器（一个或多个）而过滤X射线。在进一步的情况下，具有通道的圆形滤光器(例如，第二滤光器312)会聚X射线以便使X射线在准直仪110的中心线轴附近合并。

在406，X射线传输通过小直径管108。在一些情况下，小直径管足够长以使得使用者能够将管定位和/或定向在检查物体处以便成像。小直径管的最小长度可以在2和20英尺之间变化，这取决于成像环境。例如，当用于对飞行器交通工具成像时，小直径管的长度可以至少是10英尺。在一些实施方式中，小直径的长度至少是3英尺长。在一些实施方式中，小直径管108具有柔性材料，使得使用者能够将管在一个或多个位置弯曲。例如，使用者可以将管弯曲以将管定位和/或定向在检查物体处以便成像。另外，使用者可以在成像期间将管弯曲以对成像物体的多个部分成像，而不使X射线成像系统断电(power down)或重新定位。

在408，X射线从小直径管108射向检查物体。射出的X射线可用于产生检查物体的X射线图像。例如，从小直径管108射出的X射线可以从检查物体反射并被检测装置接收以产生检查物体的X射线图像。

说明性的操作

在一些情况下，小直径管108可弯曲以使X射线成像系统100的操作人员能够将小直径管移动至期望的成像位置。在小直径管108近似是直的情况下，行进通过小直径管的X射线将一般沿小直径管的中心线轴移动。然而，如果小直径管108中有弯曲，则X射线可偏离中心线轴。

图5是说明性的弯曲小直径管500，显示传输通过小直径管108的弯曲502时的X射线。在一些实施方式中，除弯曲502之外，小直径管108还包括第一伸直部分504和第二伸直部分506。小直径管108具有跟随弯曲502的中心线轴508。由于X射线一般与可见光属于同一电磁波族(family)，因此行进通过小直径管108的X射线遵循对于可见光已确立的原理，比如内全反射原理(Principle of Total InternalReflection)。一般而言，光纤器件的内全反射原理阐明，当光的入射角超过临界值时，光无法从玻璃纤维逸出，相反会反弹。当应用于图5的说明性的弯曲小直径管500时，内全反射原理阐明，如果小直径管108中的弯曲502超过临界弯曲角，则至少一部分X射线将不期望地被金属层206吸收或阻挡，而不是行进通过小直径管108。

在图5中，弯曲角θ_g通过小直径管108中的弯曲502的弯曲半径R限定。弯曲角θ_g越大，弯曲的曲率更平缓；同样地，弯曲角θ_g越小，弯曲的曲率更剧烈。当弯曲前面的X射线510遇到弯曲502时，一部分的X射线510可被小直径管的金属层206吸收/阻挡。同样地，一部分的X射线可从金属层206反射并继续行进通过小直径管108，如在图5中表示为弯曲后面的X射线512。如果弯曲角θ_g达到或超过临界的弯曲角θ_g,crit，则X射线被金属层206吸收/阻挡的部分可超过X射线从金属层反射的部分，并且不期望地降低由X射线成像系统产生的图像质量。因此，在成像期间保持小直径管的弯曲角θ_g小于临界弯曲角θ_g,crit是重要的。

临界弯曲角θ_g,crit可定义在等式1中。

${\mathrm{\θ}}_{g,\mathrm{crit}}\≈\frac{{\mathrm{\ω}}_p}{\mathrm{\ω}}$

等式(1)

在等式1中，ω_p表示等式2中定义的X射线传输管202的物体等离子体频率；并且ω表示等式3中定义的行进通过X射线传输管202(因此通过小直径管108)的X射线的X射线频率。

${\left({\mathrm{\ω}}_p\right)}^2\≈1.9E^{33}\frac{(Z-2)\mathrm{\ρ}}{A}$

等式(2)

在等式2中，Z表示X射线传输管202的原子序数，ρ表示X射线传输管的质量密度，并且A表示X射线传输管的原子量。

$\mathrm{\ω}=\frac{2\mathrm{\πC}}{\mathrm{\λ}}$

等式(3)

在等式3中，C表示光速，并且λ表示行进通过小直径管108的X射线的X射线波长。

等式1-3可用于计算各种X射线传输管的临界弯曲角θ_g,crit。例如，表1总结了在不考虑X射线传输管表面加工的情况下针对铝、钨和铜计算的临界弯曲角θ_g,crit。

表1：各种X射线传输管的临界弯曲角θ_g,crit

	铝	钨	铜
				Z	13	74	29
ρ(g/cm^3)	2.7	19.3	8.9
				A	26.98	183.84	63.55
C(m/s)	3.00E+08	3.00E+08	3.00E+08
				λ(m)	5.00E-10	5.00E-10	5.00E-10
ωp 2(rad/sec)2	2.09E+33	1.44E+34	7.18E+33
				ωp(rad/sec)	4.57E+16	1.2E+17	8.48E+16
ω(rad/sec)	3.77E+18	3.77E+18	3.77E+18
				θg，crit(deg)	0.70	1.82	1.29

因此，表1表明铝、钨和铜都似乎是X射线传输管202的可行候选材料。

X射线传输管202的允许弯曲半径R可定义在等式4中。

$R=(\cos \left({\mathrm{\θ}}_{g,\mathrm{crit}}\right)-1/2)\left(\frac{d}{1-\cos \left({\mathrm{\θ}}_{g,\mathrm{crit}}\right)}\right)$

等式(4)

在等式4中，d表示X射线传输管202的直径。

等式1-4可用于计算各种X射线传输管的允许弯曲半径R。在一些情况下，X射线传输管202使用等式1-4确定小直径管108的允许弯曲半径。表2总结了各种管直径的铝、钨和铜的允许弯曲半径R。

表2：各种X射线传输管的弯曲半径R

表2表明较大直径的管需要较大的弯曲半径(也就是更平缓的弯曲曲率)。虽然表2中X射线传输管的直径范围是从0.005英寸至0.05英寸，但管可以具有任何小于6.0英寸的直径。在一些情况下，管的直径可以小于2.0英寸。在进一步的情况下，管的直径可以小于1.0英寸。可选地，管的直径可以小于0.5英寸，比如表2中所示。对于X射线传输管202的各种材料，表2表明对于任何给定管直径，钨可以比铜容忍更强烈的弯曲。

图6是制备用于成像的X射线成像系统的说明性方法600的流程图。方法600可以通过图1的X射线成像系统100执行。方法600的操作顺序并非意欲被理解为限制。

在602，建立X射线成像系统100。在一些情况下，建立X射线成像系统100可以包括将小直径管108连接至X射线发生器104并且使小直径管朝向检查物体。在其它情况下，在602建立X射线成像系统100可以进一步包括将X射线发生器104连接至电源102。

在604，对于小直径管108中是否有任何弯曲进行测定。如果小直径管中没有弯曲(即，从604的“否”分支)，则在618开始成像。如果小直径管中有弯曲(即，从604的“是”分支)，则在606计算临界弯曲角θ_g,crit。在一些情况下，等式1至3可用于基于X射线传输管的物体等离子体频率和行进通过小直径管的X射线的X射线频率在606计算临界弯曲角θ_g,crit。

在608，计算允许弯曲半径R。等式4可用于基于X射线传输管的临界弯曲角θ_g,crit和直径计算允许弯曲半径R。在一些情况下，X射线传输管决定临界弯曲角和小直径管108的允许弯曲半径。

在610，测量小直径管108的弯曲。在610测量弯曲可以包括测量小直径管中所有弯曲的弯曲半径。在612，将测量的小直径管的弯曲与在608计算出的允许弯曲半径R进行比较。如果计算出的允许弯曲半径R不大于测量的弯曲半径(即，从612的“否”分支)，则在618开始成像。如果计算出的允许弯曲半径R大于测量的弯曲(即，从612的“是”分支)，则在614调节小直径管。在614调节小直径管可以包括将小直径管小于允许弯曲半径的弯曲调直。在614重新测量小直径管108的弯曲。

在616，将小直径管重新测量的弯曲与在608计算出的允许弯曲半径R进行比较。如果重新测量的弯曲半径大于计算出的允许弯曲半径R(即，从616的“否”分支)，则在618开始成像。如果重新测量的弯曲半径小于于计算出的允许弯曲半径R(即，从616的“是”分支)，则在614再次调节小直径管。在方法600中，在614持续调节小直径管，直至重新测量的弯曲大于计算出的允许弯曲半径R，此时在618开始成像。在一些实施方式中，使用者可以通过布置小直径管以便将管定向和定位在检查物体用于成像而建立X射线成像系统。一旦管建立，使用者可以挪动(walk)管的长度，视觉检查管中的弯曲。例如，如果电源和/或X射线发生器在成像物体的转角周围，则小直径管将包含至少一个弯曲，以便成像系统可朝向检查物体而不需要移动电源和发生器。对于管中的每个弯曲，使用者可以在614调节管，直至管中的弯曲大于允许弯曲半径。在一些实施方式中，X射线传输管202使得小直径管108能够在使用者在614调节管时保持其形状。可选地，一个或多个管夹可用于使管能够在614处的重新调节期间保持其形状。

图7是说明性的飞行器700的侧正视图，该飞行器可以使用本文公开的技术进行检查。可以理解飞行器700可包括各种已知或未知的部件，特别是如果飞行器已经服役了很多年，比如用于大规模战时服役组装的飞行器(例如，大约1945年等)。因此，X射线成像系统可对飞行器700检查FOD，如本文公开的。

在该实施方式中，飞行器700包括含有机翼组件704的机身702、尾翼组件706和着陆组件708。飞行器700进一步包括一个或多个推进装置710、控制系统712和许多能够适当操作飞行器700的其它系统和子系统。应当理解飞行器中包含的很多部件可以使用本文公开的X射线成像系统技术进行成像。

虽然图7中所示的飞行器700一般代表商用客机，但本公开内容的教导也可应用于检查其它易受FOD影响的交通工具、结构和/或活的生物，包括战斗机、货运飞机、旋翼飞机、其它类型的有人驾驶或无人驾驶飞行器、地面车辆、船舶、机械装置、树木、住宅、外科患者等。

结语

虽然对本公开内容的实施方式已经进行了说明和描述，如上所述，但在不偏离本公开内容的精神和范围的情况下可以进行各种改变。因此，本公开内容的范围不受限于这些实施方式的公开。相反，应当完全通过参照权利要求确定该公开内容。

Claims (15)

1.X射线成像系统，包括：

X射线发生器，其用于产生X射线；

准直仪，其用于将所述X射线定向在流动方向，所述准直仪的第一末端可操作地连接至所述X射线发生器；

小直径管，其可操作地连接至所述准直仪的与所述X射线发生器相对的第二末端，所述小直径管用于将所述X射线从所述准直仪沿所述流动方向向检查物体传输；以及

端保持器，其连接至所述小直径管的与所述X射线发生器相对的末端，所述端保持器用于将所述X射线发射至检查区域。

2.权利要求1所述的X射线成像系统，其中所述准直仪包括：

第一滤光器，其用于过滤产生的X射线；和

第二滤光器，其用于会聚所述产生的X射线。

3.权利要求2所述的X射线成像系统，其中所述第一滤光器和所述第二滤光器由铅、钨或铝材料形成。

4.权利要求1所述的X射线成像系统，其中所述小直径管包括：

X射线传输管；

覆盖层，其包围所述X射线传输管；

金属层，其包围所述覆盖层；

热塑性涂布层，其包围所述金属层；以及

光缆护套层，其包围所述热塑性涂布层。

5.权利要求1所述的X射线成像系统，其中所述准直仪包括滤光器，该滤光器具有多个孔以过滤产生的X射线。

6.权利要求1所述的X射线成像系统，其中所述准直仪包括滤光器，该滤光器具有通道以合并产生的X射线并且将所述产生的X射线在与所述准直仪的中心线轴平行的方向上移动。

7.权利要求1所述的X射线成像系统，其中所述X射线发生器与所述端保持器分开至少10英尺的距离。

8.权利要求1所述的X射线成像系统，其中所述准直仪与所述小直径管共享共同的中心线轴。

9.检查物体的区域的方法，所述方法包括：

使用X射线发生器产生X射线；

使用准直仪过滤来自所述X射线发生器的产生的X射线，以阻挡未对准的X射线束并且允许对准的X射线束穿过所述准直仪；

使所述对准的X射线传输通过小直径管；并且

将所述对准的X射线射向所述物体。

10.权利要求9所述的方法，其中所述准直仪与所述小直径管共享共同的中心线轴。

11.权利要求9所述的方法，其中所述X射线发生器是X射线后向散射成像系统的一部分。

12.权利要求9所述的方法，其中所述过滤产生的X射线包括：

将所述X射线穿过具有多个孔的第一滤光器以滤除基本不与所述准直仪的中心线轴平行的部分所述X射线；并且

将所述X射线穿过具有通道的第二滤光器以合并所述X射线并将所述X射线在与所述准直仪的中心线轴平行的方向上移动。

13.权利要求12所述的方法，其中所述第一滤光器和所述第二滤光器由铅或钨材料形成。

14.权利要求9所述的方法，进一步包括：

计算所述小直径管的临界弯曲半径；并且

调节所述小直径管，直至所述小直径管的所有弯曲半径都大于所述临界弯曲半径。

15.权利要求9所述的方法，其中所述小直径管包括：

位于所述小直径管的核心的X射线传输管；

包围所述X射线传输管的覆盖层；

包围所述覆盖层的金属层；

包围所述金属层的热塑性涂布层；以及

包括所述热塑性涂布层的光缆护套层。

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