CN104764759B - 一种用于x射线背散射成像系统的跳线飞点扫描装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于辐射成像检测设备领域，具体涉及一种用于X射线背散射成像系统的跳线飞点扫描装置。现有X射线成像检测装置存在X射线泄漏，扫描机构体积过大、刚性差，不适合在狭小空间安装，点扫描的空间分辨率低，信噪比差等问题。采用本发明所述的扫描装置，包括位于X光机内的射线源，连接X光机和扫描器外筒的入射准直器，通过其两端的转轴固定在扫描器外筒内的扫描转筒，同扫描器外筒连接的出射准直器，其特征是：扫描转筒侧壁透刻若干不连续的入射狭缝段和出射狭缝段，在扫描转筒转动的任意时刻能够通过一条入射狭缝段和一条出射狭缝段相对构成唯一的扫描准直孔。具备体积小，扫描转筒刚性高，X射线泄漏少，空间分辨率高的益处。

Description

一种用于X射线背散射成像系统的跳线飞点扫描装置

技术领域

本发明属于辐射成像检测设备领域，具体涉及一种用于X射线背散射成像系统的跳线飞点扫描装置。

背景技术

本发明所涉及的装置主要应用于生成线状X射线束，实现在某一固定方向上周期性的一维线扫描，并由其他机械装置在垂直于线扫描方向上移动，实现二维扫描。

传统的X射线检查系统应用于机场、海港、陆路关卡的货物检查以及在公共场所对人员携带的包裹、行李进行检查。典型的基于X透射能量吸收检测的系统为透射成像系统，通常使用X光机发出的扇形射线束，线探测器获取透射后的X射线能量数据，形成扫描图像；还有一类X射线检查系统为背散射成像系统，使用笔形射线束，配合块状背散射探测器获取图像。也可二者结合，同时使用透射探测器和背散射探测器分别获取数据，同时形成透射图像和背散射图像。

如图1所示，在X射线背散射成像系统中，多采用前置准直装置获得笔形射线束。前置准直装置所构成的点扫描机构配合大块背散射探测器构成背散射成像系统的主体，图1中18表示为某种结构的点扫描器准直装置。

点扫描器有多种结构形式，其旋转机构与X光机扇形射线束的基本几何位置如图2所示。其中，16为射线源，即X光机焦点处，由于焦点面积相当小，X射线源可看作点源。X光机扇形射线束处于XYZ三维直角坐标系的YZ平面内。不同设计的点扫描器的旋转轴分别利用X’、Y、Z轴。

点扫描器类型一：盘形狭缝斩波轮，如图3a、图3b所示，盘形狭缝斩波轮23由具有一定刚性且能遮挡X射线的材料制成，其上开有一系列狭缝24，扇形X射线束面与圆盘垂直，圆盘绕Z轴匀速旋转。在任何时刻，圆盘上只有一个狭缝24与扇形X射线束相交，即任意时刻只能通过一根极细的笔形X射线束透过圆盘，射线束截面为棱形。随着盘形狭缝斩波轮23的转动，X射线束方向改变，实现飞点扫描。其优点是盘形狭缝斩波轮23安装在X光机外部，机械结构简单，缺点是棱形光点面积有变化，在不同位置上光通量不同，同时会有X光泄漏，需要在设备上在额外增加防护层。

点扫描器类型二：

筒形斩波轮，如图4a、图4b所示，将射线源16放置于中心处，筒型斩波轮25以X’轴为旋转轴。扇形X射线束面在任意时刻只能通过一个小孔26射出，形成极细的笔形射线束。射线束投影为椭圆，出射射线横截面面积有变化大。整套机构回转半径大，占用空间，不适合中小型X射线设备的使用。

设有准直器的斩波轮(筒形斩波轮的改进形式)，如图5所示，采取圆盘形主体，在扫描圆盘27上安装径向准直器28，射线源16(即X光机焦点)放置于扫描圆盘27中心处，射线通过扫描圆盘27上的径向准直器28的径向小孔射出。在任意一个时刻，X射线可以从其中的一个小孔射出，形成一束极细的笔形射线束。当扫描圆盘27匀速旋转时，从小孔射出的笔形X射线束从一端移动向另一端，实现一次线扫描，在扫描圆盘27持续旋转过程中，笔形射线束实现周期性的扫描，在其他机械机构的配合下，可实现对被检物体的二维扫描。其优点是从径向准直器28中射出的笔形X射线束截面积相同，缺点与筒形斩波轮25一样，因为将X光机焦点置于圆心处，导致整套机构回转半径大。

圆筒形飞点扫描器，如图6、图7所示，通过在可旋转的扫描转筒29(圆筒型)上透刻螺旋狭缝。装置的优点是可以装在X光机外部，缺点是圆筒形扫描转筒29上同时透刻连续的入射狭缝30和出射狭缝31(其中出射狭缝31长度大于入射狭缝30的长度)，导致扫描转筒29的刚性被极大地削弱。在兼顾扫描转筒29对X射线的屏蔽能力下还需考虑扫描转筒29的刚性性能，对材料的要求比较高。

以上现有技术存在着一些问题，例如：X射线泄漏，斩波轮回转机构过大、刚性差，体积过大不适合在狭小空间安装，点扫描的空间分辨率低，信噪比差等等，有必要针对这些不足提出新的技术方案。

发明内容

针对现有技术中所存在问题，本发明的目的是提供一种用于X射线背散射成像系统的跳线飞点扫描装置，可以解决圆筒形飞点扫描器因为扫描转筒连续透刻所造成的扫描转筒刚性不足，以及其他形式的X光扫描器存在的体积过大，不能在狭小空间安装，存在X射线泄露等等问题。

为达到以上目的，本发明采用的技术方案是一种用于X射线背散射成像系统的跳线飞点扫描装置，包括位于X光机内的射线源，在所述X光机与扫描器外筒之间设有入射准直器，所述扫描器外筒的筒壁上沿轴向设有与所述入射准直器相对应的入射细缝，筒壁的另一侧对称设有出射细缝，出射细缝外侧对应设有出射准直器，在所述扫描器外筒内设有扫描转筒，其中所述扫描转筒侧壁透刻若干不连续的入射狭缝段和出射狭缝段，在扫描转筒转动的任意时刻能够通过一条所述入射狭缝段和一条所述出射狭缝段相对构成唯一的扫描准直孔。

进一步，所述扫描器外筒为空心圆筒，两端轴心位置设有安装孔，所述出射细缝的长度大于且宽度小于所述入射细缝。

进一步，所述扫描转筒为空心圆筒，扫描转筒的侧壁按照圆筒圆周刻度等分为若干个分区，每个分区包含一条所述入射狭缝段和一条所述出射狭缝段；在所述扫描转筒的轴线两端设有与所述扫描器外筒的安装孔相匹配的转轴。

更进一步，所述扫描转筒的侧壁按照圆筒圆周刻度等分为10个分区。

进一步，所述扫描器外筒为厚度均匀的钢制空心圆筒。

进一步，所述扫描转筒为厚度均匀的铅铜合金空心圆筒，所述转轴从所述安装孔中伸出，其中一端转轴安装皮带轮，另一端转轴安装转筒位置传感器。

进一步，所述入射准直器内部具有狭缝，所述狭缝同所述扫描器外筒的所述入射细缝宽度相同；狭缝的一端同所述X光机的出光口狭缝相连，另一端同所述扫描器外筒的所述入射细缝相连；所述狭缝同扫描器外筒的入射细缝相连一端的长度大于所述狭缝同所述X光机的出光口狭缝相连一端的长度，能够保证所述X光机发出的扇形X射线束通过。

进一步，所述出射准直器内部具有狭缝，所述狭缝同所述扫描器外筒的所述出射细缝相连且宽度相同。

进一步，所述入射准直器与所述X光机和所述入射细缝之间以及所述出射准直器与所述出射细缝之间采用钨渗铜板紧密结合。

进一步，所述扫描器外筒通过设置在其两端的固定装置固定于背散射成像设备台架上。

本发明的效果在于：

1.本发明所述的用于X射线背散射成像系统的跳线飞点扫描装置，在入射狭缝段和出射狭缝段构成的每一个扫描段内形成的为连续的飞点，相较于纯粹离散的点扫描方式，在取样时间内通过的光子数可以提高几倍，提高背散射信号计数；可以通过提高采样频率，提高图像的空间分辨率。

2.由于扫描转筒上的每个入射狭缝段与每个出射狭缝段相互之间都有分隔，彼此不连通，相比较于采用连续透刻的入射狭缝和出射狭缝的扫描转筒，在扫描转筒采用同一种材料的情况下，转筒的刚性增加；与此相应的是，在同样的装置刚性要求下可以使装置材料的刚性性能降低，尤其对于铅铜合金而言可以在满足装置刚性要求的前提下增加铅材料的含量，可以增加对X射线的遮挡能力，降低X射线的泄漏剂量。由此可以额外获得2个有益效果，其一是减小整台设备的X射线泄漏剂量率，其二是，降低所成图像的本底数值。

3.本发明所述的用于X射线背散射成像系统的跳线飞点扫描装置采取的跳线扫描方式，在小范围内为连续扫描，在大范围内跳变，使扫描点分布更加均匀，尤其是在扫描转筒转速较慢的情况下更有利于后期图像处理的超分辨率重建。

4.筒形的扫描器与X光机分离，X光机和扫描器的相对位置易于调整安装。筒形扫描器回转半径小，对空间的要求降低，可以在较小的空间内使用。

附图说明

图1是X光背散射成像系统示意图；

图2是点扫描器与X光机扇形射线束的基本几何位置示意图；

图3a、图3b是现有技术中的盘形狭缝斩波轮结构示意图；

图4a、图4b是现有技术中的筒形斩波轮结构示意图；

图5是现有技术中的带准直器的筒形斩波轮结构示意图；

图6是现有技术中的圆筒形飞点扫描器结构示意图；

图7是现有技术中的连续刻线式扫描转筒结构示意图；

图8是本发明所述用于X射线背散射成像系统的跳线飞点扫描装置的扫描转筒结构示意图；

图9是本发明所述用于X射线背散射成像系统的跳线飞点扫描装置的结构图；

图10a是本发明所述用于X射线背散射成像系统的跳线飞点扫描装置的横截面示意图；

图10b是本发明所述用于X射线背散射成像系统的跳线飞点扫描装置的固定装置的结构示意图；

图11a-图11c分别是本发明所述用于X射线背散射成像系统的跳线飞点扫描装置的扫描器外筒的俯视、侧视、仰视三视图；

图12是现有技术中连续透刻入射狭缝和出射狭缝的扫描转筒外表层展开示意图；

图13是本发明所述用于X射线背散射成像系统的跳线飞点扫描装置的扫描转筒外表层展开示意图；

图中：1X光机，2入射准直器，3出射准直器，4扫描器外筒，5皮带轮，6位置传感器，7扫描转筒，8转轴，9入射细缝，10出射细缝，11入射狭缝段，12出射狭缝段，13安装孔，14狭缝，15狭缝，16射线源，17固定装置，18点扫描器,19背散射探测器,20准直器,21透射探测器,22被检测物体,23盘型狭缝斩波轮,24狭缝,25筒型斩波轮,26小孔,27扫描圆盘,28径向准直管,29扫描转筒,30入射狭缝,31出射狭缝。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述。

如图9所示一种用于X射线背散射成像系统的跳线飞点扫描装置，包括位于X光机1内的射线源16，连接所述X光机1和扫描器外筒4的入射准直器2，通过其两端的转轴8固定在所述扫描器外筒4内的扫描转筒7，同所述扫描器外筒4连接的出射准直器3，其特征是：所述扫描转筒7侧壁透刻若干不连续的入射狭缝段11和出射狭缝段12，在扫描转筒7转动的任意时刻能够通过一条所述入射狭缝段11和一条所述出射狭缝段12相对构成唯一的扫描准直孔。扫描器外筒4为钢制空心圆筒，具有均匀的壁厚，两侧有固定装置17，可使扫描器外筒4固定于背散射成像设备台架上。

如图9、图11所示，扫描器外筒4与轴平行方向上开入射细缝9，在另一侧上开出射细缝10。入射细缝9和出射细缝10相对于扫描器外筒4的轴线对称。入射细缝9、出射细缝10为平行于扫描器外筒4轴线的直线型缝隙，入射细缝9宽度可略宽，出射细缝10宽度略窄，且出射细缝10长度大于入射细缝9长度。入射细缝9、出射细缝10和扫描器外筒4的轴线处于射线源16和入射细缝9共同限定的平面上。入射细缝9与出射细缝10的长度与位置以能保证X射线扇形束通过为标准。

扫描器外筒4两端侧壁轴心位置开有安装孔13，安装孔13内径与扫描转筒7上转轴8外径匹配，之间空隙保证扫描转筒7可以相对于扫描器外筒4无摩擦转动。

如图9、图10所示，X光机1与扫描器外筒4之间加装具有X射线遮挡能力的入射准直器2，在本实施例中入射准直器2外形为梯形，内部具有狭缝14，狭缝14的宽度可与扫描器外筒4上的入射细缝9宽度相同，狭缝14的一端同所述X光机1的出光口狭缝相连，另一端同所述扫描器外筒4的所述入射细缝9相连，所述狭缝14同扫描器外筒4的入射细缝9相连一端的长度大于所述狭缝14同所述X光机1的出光口狭缝相连一端的长度，且狭缝14可使X光机1发出的扇形X射线束通过。入射准直器2与X光机1出光口狭缝和扫描器外筒4上的入射细缝9之间紧密结合(连接处通常采用钨渗铜板)，以保证尽可能小的X射线泄漏。

如图9、图10a、图10b所示，扫描器外筒4的出射细缝10上加装具有X射线遮挡能力的出射准直器3，出射准直器3内部具有狭缝15，所述狭缝15同所述扫描器外筒4的所述出射细缝10相连，狭缝15的宽度可与扫描器外筒4的出射细缝10的宽度相同，且狭缝15可使X光机1发出的扇形X射线束通过。出射准直器3与出射细缝10之间紧密结合(连接处通常采用钨渗铜板)，以保证尽可能小的X射线泄漏。

如图8所示，扫描转筒7为以一定比例铅铜合金铸造的空心圆筒，扫描转筒7侧壁上按照转筒圆周位置透刻入若干射狭缝段11和出射狭缝段12，扫描转筒7具有一定的均匀壁厚，使扫描转筒7对选定的X光机1所发射的最大能量X射线形成有效遮挡。铅铜合金具有一定刚性，这样可以保证扫描转筒7具有较高的刚性在高速旋转时不变形，实现设备的稳定运行。

扫描转筒7外半径比扫描器外筒4内半径略小，扫描转筒7可在有较小空隙的前提下装入扫描器外筒4。扫描转筒7与扫描器外筒4轴线位置相同。

如图9、图11a-图11c所示，扫描转筒7两端安装转轴8，转轴8从扫描器外筒4两端的安装孔13中伸出。其中一端转轴安装皮带轮5，另一端转轴安装转筒位置传感器6。

如图7所示现有技术中的连续刻线式扫描转筒29，按转筒侧壁圆周刻度，将转筒外壁展开(如图12所示)，入射狭缝30与出射狭缝31表现为连续直线。扫描转筒29上的入射狭缝30和出射狭缝31按其在圆形截面的位置刻度。

本发明所述用于X射线背散射成像系统的跳线飞点扫描装置的扫描转筒的侧壁按照圆筒圆周刻度等分为N个分区，对应位置传感器若有n个分度对应一周360度，每一区分配n/N个分度，n/N可以因式分解为a×b，对应信号的空间分辨率为a×N。

在本实施例中，如图12所示，将扫描转筒29按转筒侧壁圆周刻度以36°为一区划分为10个分区，依次编号。连续的入射狭缝30和出射狭缝31被分别分割为10个入射狭缝段和10个出射狭缝段，并按照所在区进行编号，入射狭缝段(1)～(10)分别对应出射狭缝段①～⑩。如图13所示，将入射狭缝段按[10，3，7，4，8，1，5，9，2，6]重新排序，将出射狭缝段按[1，5，9，2，6，10，3，7，4，8]重新排序，并按照该排列顺序及在圆形截面的位置刻度在扫描转筒侧壁透刻入射狭缝段和出射狭缝段，即可获得本发明所设计的扫描转筒7(如图8所示),即每个分区包含互不相连的一条所述入射狭缝段11和一条所述出射狭缝段12。

本实施例中将扫描转筒7分为10个分区的好处在于，对应位置传感器若有1200个分度对应一周360度，每一区分配120个分度，120可以因式分解为24×5、30×4、40×3、60×2，对应信号的空间分辨率为240、300、400、600。如果采用有1800个分度的位置传感器，则转筒可以分为12区，每一区分配150个分度，150可以因式分解为25×6、30×5、50×3，对应信号的空间分辨率为300、360、600。

本实施例中的用于X射线背散射成像系统的跳线飞点扫描装置，在任意时刻能够通过一条入射狭缝段11和一条出射狭缝段12相交构成唯一的扫描准直孔，只有横截面极小的X光射线可以同时通过并形成笔形射线束。在扫描转筒7匀速旋转过程中笔形X光射线束做周期性的移动，形成一次线扫描，具体表现为跳线扫描方式，即在一条入射狭缝段11和对应的一条出射狭缝段12相交构成的扫描范围内(小范围)为连续的飞点扫描，在扫描转筒的每个分区之间(大范围)为大幅跳变形式。

本发明所述的装置并不限于具体实施方式中所述的实施例，本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围。

Claims (8)

1.一种用于X射线背散射成像系统的跳线飞点扫描装置，包括位于X光机(1)内的射线源(16)，在所述X光机(1)与扫描器外筒(4)之间设有入射准直器(2)，所述扫描器外筒(4)的筒壁上沿轴向设有与所述入射准直器(2)相对应的入射细缝(9)，筒壁的另一侧对称设有出射细缝(10)，出射细缝外侧对应设有出射准直器(3)，在所述扫描器外筒(4)内设有扫描转筒(7)，其特征是：所述扫描转筒(7)侧壁透刻若干不连续的入射狭缝段(11)和出射狭缝段(12)，在扫描转筒(7)转动的任意时刻能够通过一条所述入射狭缝段(11)和一条所述出射狭缝段(12)相对构成唯一的扫描准直孔；所述扫描器外筒(4)为空心圆筒，两端轴心位置设有安装孔(13)，所述出射细缝(10)的长度大于且宽度小于所述入射细缝(9)；所述扫描转筒(7)为空心圆筒，扫描转筒(7)的侧壁按照圆筒圆周刻度等分为若干个分区，每个分区包含一条所述入射狭缝段(11)和一条所述出射狭缝段(12)；在所述扫描转筒(7)的轴线两端设有与所述扫描器外筒(4)的安装孔(13)相匹配的转轴(8)。

2.如权利要求1所述的一种用于X射线背散射成像系统的跳线飞点扫描装置，其特征是：所述扫描转筒(7)的侧壁按照圆筒圆周刻度等分为10个分区。

3.如权利要求1所述的一种用于X射线背散射成像系统的跳线飞点扫描装置，其特征是：所述扫描器外筒(4)为厚度均匀的钢制空心圆筒。

4.如权利要求1所述的一种用于X射线背散射成像系统的跳线飞点扫描装置，其特征是：

所述扫描转筒(7)为厚度均匀的铅铜合金空心圆筒，所述转轴(8)从所述安装孔(13)中伸出，其中一端转轴安装皮带轮(5)，另一端转轴安装转筒位置传感器(6)。

5.如权利要求1所述的一种用于X射线背散射成像系统的跳线飞点扫描装置，其特征是：

所述入射准直器(2)内部具有狭缝(14)，所述狭缝(14)同所述扫描器外筒(4)的所述入射细缝(9)宽度相同；狭缝(14)的一端同所述X光机(1)的出光口狭缝相连，另一端同所述扫描器外筒(4)的所述入射细缝(9)相连；所述狭缝(14)同扫描器外筒(4)的入射细缝(9)相连一端的长度大于所述狭缝(14)同所述X光机(1)的出光口狭缝相连一端的长度，能够保证所述X光机(1)发出的扇形X射线束通过。

6.如权利要求1所述的一种用于X射线背散射成像系统的跳线飞点扫描装置，其特征是：

所述出射准直器(3)内部具有狭缝(15)，所述狭缝(15)同所述扫描器外筒(4)的所述出射细缝(10)相连且宽度相同。

7.如权利要求1、5或6任一项所述的一种用于X射线背散射成像系统的跳线飞点扫描装置，其特征是：

所述入射准直器(2)与所述X光机(1)和所述入射细缝(9)之间以及所述出射准直器(3)与所述出射细缝(10)之间采用钨渗铜板紧密结合。

8.如权利要求1所述的一种用于X射线背散射成像系统的跳线飞点扫描装置，其特征是：所述扫描器外筒(4)通过设置在其两端的固定装置(17)固定于背散射成像设备台架上。