CN103063686A

CN103063686A - 切片式高能离子束辐射成像系统

Info

Publication number: CN103063686A
Application number: CN2012105510482A
Authority: CN
Inventors: 程锐; 赵永涛; 王瑜玉; 周贤明; 雷瑜; 孙渊博; 肖国青
Original assignee: Institute of Modern Physics of CAS
Current assignee: Institute of Modern Physics of CAS
Priority date: 2012-12-18
Filing date: 2012-12-18
Publication date: 2013-04-24

Abstract

本发明公开了一种切片式高能离子束辐射成像系统，包括能量衰减器、样品靶架装置和辐射图像获取装置；所述能量衰减器：对入射的高能离子能量进行精确调节；所述样品靶架装置：固定支撑样品并将样品的背景光线屏蔽；所述辐射图像获取装置：将上述经过能量衰减器调整后的高能离子束经过样品后投影的图像进行捕获。即利用一个前置式的可微调的能量衰减器，对不同能量的入射离子束产生辐射图像进行系统性纪录，并对得到的图像进行处理，对所纪录的不同辐射图像进行数学运算，以实现增强辐射图像对比度和对目标内部纵向分层结构信息的获取，最终得到目标样品的内部详细信息。达到操作简单、快捷并且辐射图像分辨率高、对比度好的目的。

Description

切片式高能离子束辐射成像系统

技术领域

本发明涉及辐射成像领域，具体地，涉及一种切片式高能离子束辐射成像系统。

背景技术

目前，X射线辐射成像技术在当今已被广泛应用于多个领域，然而由于其自身的局限性，如X射线的穿透深度有限、动态范围较窄、对物质的密度分辨能力较差等，使其在工业领域，特别是金属材料封装设备的检测方面无法让人满意。在医学应用方面，也存在着明显的不足，尤其是在密度差异很小的软组织生物器官的成像诊断领域。高能离子束（质子和重离子）因其在物质中具有很长的射程，可以实现对大体积物质的诊断，同时离子束辐射成像具有超宽的动态范围、高成像效率、对样品密度和元素组成均敏感等多种特性，愈来愈获得人们的重视。由于离子束对材料密度具有非常高的敏感性，在医学应用领域也同样获得人们的关注。鉴于目前高能离子束在材料改性、诱变育种和放射医疗等方面取得了重大的进展，发展离子束辐射成像技术的条件也趋于成熟。

离子束在物质中射程末端，具有非常陡的射程边界（微米量级），其离子数强度随射程增加快速衰减。因此在辐射成像应用中，对应较厚的样品部分，离子束无法穿透，而对应较薄的样品区域，离子束则能顺利穿透并落在成像膜/闪烁体上，形成有明暗对比的辐射图像。同时由于布拉格峰在该边界区域的存在，使该区域内离子束具有非常高的能损梯度，故能进一步增强辐射图像的对比度。上述方法被称之为射程末端成像法，在该方法的应用中，为获得高对比度的辐射图像，往往需要对入射离子束能量进行多次、细微的调整，使离子束射程边缘落在被测样品的待测区域内，造成该方法的应用过程较为繁琐，限制了其进一步的推广。本发明基于已有的离子束辐射成像经验，自主提出了切片式的离子束辐射成像技术。即利用一个前置式的可微调的能量衰减器，对不同能量的入射离子束产生辐射图像进行系统性纪录，结合配套的图像处理方法，对所纪录的不同辐射图像进行数学运算，以实现增强辐射图像对比度和对目标内部纵向分层结构信息的获取，最终得到目标样品的内部详细信息。该方法具有简便、快捷、对比增强效果明显等显著优点。

在工业和科研领域中往往要求在不损伤样品的前提条件下，对样品内部的结构信息进行详细检测，因此对传统的检测手段提出了新的要求。随着现代工业的发展和科学技术的不断创新，辐射成像技术的提出和进步具有着重要实践价值，并受到了世界范围内的广泛关注。常用的X射线辐射成像，由于其自身在样品可检测深度、低动态范围和低密度灵敏度等方面的劣势，在工业和医疗等领域的应用受到了很大的限制。得益于现代加速器技术的极大发展，质子束和重离子束辐射成像技术得到了长足的进步。该辐射成像的突出优点为：检测范围区域大、图像动态范围广、空间分辨率高、对材料种类和密度同时具有高敏感性等。目前常用的质子束和重离子束辐射成像的方法有三种：射程末端法、多次散射法和剩余能量法。其中的射程末端法，由于其原理相对简单，对样品和实验条件要求较低，故应用范围最广。该方法具体指离子束在物质中穿行，在射程末端约微米量级的小范围内，束流强度将急剧下降，直至减少到零，在小尺度范围内存在非常大的入射离子密度梯度。在此区域内同时由于布拉格峰（Bragg Peak）的存在，使得该区域内的能损强度大幅增强。因此该方法在辐射成像应用中具有高纵向空间分辨能力和高效率等特点。具体的将就是对于某个被测样品，由于样品本身存在一定的厚薄或材料种类的变化，若离子的射程小于样品厚度，则该部分离子无法穿透样品形成出射，若样品厚度小于离子射程，则该部分离子将会出射，并被后端探测器记录，由此形成了明暗对比的离子辐射图像。

但是必须指出的是，该方法对离子射程末端位置非常敏感，若没有对离子束能量针对性调整的话，将无法得到高分辨的辐射图像结果。所以应用该辐射成像方法，其中重要工作之一就是针对具体目标靶，不断调整入射离子能量，使离子射程末端落到待检测位置，以形成高分辨、高对比度的辐射图像。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种切片式高能离子束辐射成像系统，以实现操作简单、快捷并且辐射图像分辨率高、对比度好的的优点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种切片式高能离子束辐射成像系统，包括能量衰减器、样品靶架装置和辐射图像获取装置；

所述能量衰减器：对入射的高能离子能量进行精确调节；

所述样品靶架装置：固定支撑样品并屏蔽环境的背景光线；

所述辐射图像获取装置：将上述经过能量衰减器调整后的高能离子束经过样品后投影的图像进行捕获。

根据本发明的优选实施例，所述能量衰减器由多片调节精度为50微米左右厚的铝箔排列设置构成。

根据本发明的优选实施例，所述样品靶架装置包括第一铜片和第二铜片，第一铜片和第二铜片将样品夹持在中间，所述第一铜片的厚度为10mm，所述第二铜片的厚度为1mm，所述第一铜片和第二铜片采用黄铜材料。

根据本发明的优选实施例，所述辐射图像获取装置包括

闪烁体和数码相机，所述

闪烁体为含有0.15%Tl的

晶体，其厚度为0.5mm，上述高能离子束经过样品后成像在

闪烁体上，并被数码相机捕获。

根据本发明的优选实施例，所述高能离子束为重离子束或质子束。

根据本发明的优选实施例，所述重离子束的能量为80 MeV/u~600MeV/u，强度需高于10⁷pps/cm²。

根据本发明的优选实施例，所述质子束能量为50MeV~250MeV，强度需高于10⁸pps/cm²。

根据本发明的优选实施例，所述产生的辐射图像横向分辨可达百微米量级，纵向分辨为50 微米。

本发明的技术方案，提出一种切片式的重离子束辐射成像技术，即利用一个前置式的可微调的能量衰减器，对不同能量的入射离子束产生辐射图像进行系统性纪录，并对得到的图像进行处理，对所纪录的不同辐射图像进行数学运算，以实现增强辐射图像对比度和对目标内部纵向分层结构信息的获取，最终得到目标样品的内部详细信息。达到操作简单、快捷并且辐射图像分辨率高、对比度好的目的。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明实施例所述的切片式高能离子束辐射成像系统结构示意图；

图 2a至图2f 为应用切片式高能离子束辐射成像系统进行插片式辐射成像技术的原始圆珠笔辐射成像结果；

图 3a至图3c 为辐射成像后的图像经过图像处理过程后优化的辐射图像。

结合附图，本发明实施例中附图标记如下：

1-能量衰减器；2-高能离子束；3-铜片；4-样品；5-

闪烁体；6-数码相机。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，一种切片式高能离子束辐射成像系统，包括能量衰减器、样品靶架装置和辐射图像获取装置；

能量衰减器：对入射的高能离子能量进行精确调节；

样品靶架装置：固定支撑样品并将环境的背景光线屏蔽；

辐射图像获取装置：将经过能量衰减器调整后的高能离子束经过样品后投影的图像进行捕获。

其中，能量衰减器由多片调节精度为50微米左右厚的铝箔排列设置构成。样品靶架装置包括第一铜片和第二铜片，第一铜片和第二铜片将样品夹持在中间，第一铜片的厚度为10mm，第二铜片的厚度为1mm，第一铜片和第二铜片采用黄铜材料。遮蔽用铜片主要是验证切片式高能离子束辐射成像技术，具有对重金属封装样品内部检测的能力，实际运用中按需要可以去掉。辐射图像获取装置包括

闪烁体和数码相机，

闪烁体为含有0.15%Tl的

晶体，其厚度为0.5mm，高能离子束经过样品后成像在

闪烁体上，并被数码相机捕获。高能离子束为重离子束或质子束。重离子束的能量为80 MeV/u~600MeV/u，强度需高于10⁷pps/cm²。质子束能量为50MeV~250MeV，强度需高于10⁸pps/cm²。所产生的辐射图像横向分辨可达百微米量级，纵向分辨为50 微米。该套成像系统的空间分辨样品自身材料有关，对于比铝材料更重的材料，其空间分辨要好于上面的标示值；对于比铝材料轻的材料，空间分辨相对较差。同时质子束相比重离子束，其空间分辨也相比较差。

应用高能离子束流轰击到目标靶系统上，通过前置式能量衰减器不断改变入射束流的能量，调整离子束射程末端在样品中的位置，利用闪烁体与数码相机组成的数据记录系统对不同辐射图像进行记录。结合图像处理软件，对获得的不同辐射图像材料进行分析、比对和数学运算，以增强图像对比度和获得样品的二维形貌与纵向深度上的结构信息等。离子束指重离子束和质子束，目标靶样品材料种类不限，其厚度在毫米量级，可以具有较好的成像质量。但是需要指出的是对于质子束，因其具有很长的射程，特别适用于大体积样品的诊断。不过由于其易被散射的特点，其空间分辨能力相比重离子束较差。并且在射程末端范围内，能损也较低，需要比重离子束强度高一个量级以上的束流产生清晰的辐射图像。所获得的图像空间分辨在微米量级，同时该系统的空间分辨能力与样品材料有关。前端能量衰减器采用铝材料构建，铝箔最小厚度为50 微米，自0.05mm~0.5mm 间可调。成像板采用 CsI 闪烁体，其中含Tl 约0.15%，厚度为0.5mm。数码相机为商用单反相机加匹配镜头的组合。图像处理软件采用具备对多幅图像进行数学计算能力的图像处理软件，如ImageJ 软件等。

如图1 所示，高能离子束由重离子加速器加速，经准直、优化后，引出到实验终端，离子束穿过钛窗入射到置于空气中的样品靶架系统。样品通过样品托支撑，前后用铜板屏蔽，目标样品包裹于其中，以实现屏蔽环境背景光线的目的。在靶前方，通过由一系列铝箔构成能量衰减器，对离子束的入射能量进行调节。在靶后方，通过 CsI 闪烁体和匹配的数字相机对产生的辐射图像进行记录。

不同的入射离子能量，对应着样品中不同的射程末端位置。鉴于离子射程末端能反映出具体位置处的样品形貌信息，可以通过调整入射离子能量的方法，改变离子束末端的位置，对样品进行不同深度的逐层扫描，最终结合图像分析软件，以实现样品二维形貌和纵向结构信息的重建。

图 2 a至图2f展示了应用高能碳离子束入射到圆珠笔样品，结合切片式辐射成像技术，产生的一系列原始成像结果，图2 a-2c 所示，只能模糊的看到笔尖和内部笔芯的图像，图2d-图2e可看到笔尖和内部弹簧的图像，图2f 只能看到笔杆的轮廓和部分笔尖的图像。基于所获得的辐射图像结果，应用图像分析软件，如 ImageJ软件，对所获得的图像按照顺序逐一进行数学上的“减”运算，从而筛选出其中的差异，进而得到束流射程末端在移动过程中，相对应的样品纵向信息。同时需要指出的是，经过该图像运算过程，能够有效提升图像信噪比，获得更高质量的辐射图像结果，如图3a至图3c 所示。

高能离子束流为利用中国科学院近代物理研究所兰州重离子加速器研究装置(HIRFL-CSR)提供，能量衰减控制器由铝箔构建，在0.05mm-0.5mm 之间可调，最小可调厚度为50微米。中间样品通过样品托支撑，由1,2两块铜片将样品夹到中间，样品前的铜片厚度为10mm，后面的铜片厚度为1mm，以实现屏蔽环境光线的目的。后端的图像捕获单元通过Tl 含量0.15%的CsI晶体及匹配的数字相机组成。 CsI（Tl）晶体密度4.53g/cm3, 厚度约为0.5mm，产生的荧光波长主要为560nm。采用的数字相机其CCD 尺寸约为23.4x15.6 mm²，像素为1420 万，距离CsI 晶体距离约为55mm，与束流方向夹角约 30度。整个系统通过前端能量衰减器对入射束流能量进行调节，记录下不同能量的样品辐射图像，最终实现高效、高质量的辐射图像获取。

本发明技术方案的其它有益效果：

重离子辐射成像相比传统的 X 射线成像具有诸多的优点，本发明提出的切片式的辐射成像技术，在充分发挥重离子辐射成像特点的同时，进一步简化了操作过程，提升了工作效率，增强了图像质量，同时增加了对样品断层扫描的能力，实现了样品三维结构的重建。

在科研和工业应用领域，利用本发明的技术方案，能够实现对样品高效率的无损伤检测，得到高空间分辨的辐射图像结果。进一步的通过程序化的操作，能够得到大量的样品结构和材料组份信息，在三维空间上构建出样品内部的特征，提升样品的检测能力和检测水平。

特别在医疗卫生领域，利用重离子束对材料密度高敏感性的特点，实现对人体内的软组织结构的高精度诊断。因为重离子束同时具有成像效率高的特点，能够实现低剂量辐照条件下，获得高清晰的图像结果，在医学辐射应用领域具有重要意义。应用该方法还能通过类似医学CT 的操作方式，对体内病变区域进行三维信息的获取，对开展肿瘤治疗具有非常重大实践意义。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种切片式高能离子束辐射成像系统，其特征在于，包括能量衰减器、样品靶架装置和辐射图像获取装置；

所述能量衰减器：对入射的高能离子能量进行精确调节；

所述样品靶架装置：固定支撑样品并屏蔽环境的背景光线；

2.根据权利要求1所述的切片式高能离子束辐射成像系统，其特征在于，所述能量衰减器由多片调节精度为50微米左右厚的铝箔排列设置构成。

3.根据权利要求1所述的切片式高能离子束辐射成像系统，其特征在于，所述样品靶架装置包括第一铜片和第二铜片，第一铜片和第二铜片将样品夹持在中间，所述第一铜片的厚度为10mm，所述第二铜片的厚度为1mm，所述第一铜片和第二铜片采用黄铜材料。

4.根据权利要求1所述的切片式高能离子束辐射成像系统，其特征在于，所述辐射图像获取装置包括

Figure 2012105510482100001DEST_PATH_IMAGE002

闪烁体和数码相机，所述

闪烁体为含有0.15%Tl的

晶体，其厚度为0.5mm，上述高能离子束经过样品后成像在闪烁体上，并被数码相机捕获。

5.根据权利要求1至4任一所述的切片式高能离子束辐射成像系统，其特征在于，所述高能离子束为重离子束或质子束。

6.根据权利要求5所述的切片式高能离子束辐射成像系统，其特征在于，所述重离子束的能量为80 MeV/u~600MeV/u，强度高于10⁷pps/cm²。

7.根据权利要求5所述的切片式高能离子束辐射成像系统，其特征在于，所述质子束能量为50MeV~250MeV，强度为强度高于10⁸pps/cm²。

8.根据权利要求5所述的切片式高能离子束辐射成像系统，其特征在于，所述产生的辐射图像横向分辨可达百微米量级，纵向分辨为50 微米。