CN106405621B - 一种焦点尺寸测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种焦点尺寸测量方法，所述焦点尺寸测量方法利用X射线管上的锥束铅孔，使用平板探测器采集X射线通过锥束铅孔后的光场图像，得到边沿射线强度分布，即可计算得到焦点尺寸。本发明仅需利用射线管上的铅锥孔，使用平板探测器采集光场图像得到光场边沿射线强度分布，即可计算得到焦点尺寸；操作和测试条件简单，实验结果表明该方法能方便快捷的给出焦点尺寸。

Description

一种焦点尺寸测量方法

技术领域

本发明属于测量技术领域，尤其涉及一种焦点尺寸测量方法。

背景技术

X射线管广泛的应用于医学、材料科学以及工业无损检测等领域的射线成像系统中。焦点尺寸是X射线管的一个重要参数，它显著影响射线成像系统的图像质量，X射线管焦点尺寸是决定射线成像系统极限空间分辨率的主要因素之一。此外，伴随着X射线管的使用，阳极靶表面会变得粗糙进而产生射线漫反射，而阴极灯丝由于老化会改变形状，两者都会一定程度上导致焦点尺寸的变化，因此可以通过焦点尺寸的变化来评估X射线管的老化程度。综上所述，焦点尺寸是射线成像系统空间分辨率的决定性因素，且可用作衡量射线管老化程度与工作状态的重要依据，有必要找到合适的方法对X射线管的焦点尺寸进行测量。

在工业应用中，X射线管焦点尺寸将显著影响射线成像系统的空间分辨率，同时焦点尺寸也可作为衡量射线管工作性能的重要依据。现有测量X射线管焦点尺寸的方法主要有扫描法、针孔法、狭缝法及边界法，这些方法有各自的特点，但在实验测量中均需专门准备特定的测试工具。例如，扫描法需一套准直和扫描系统及闪烁体计数器，针孔法需制作比焦点尺寸小一个量级的针孔板，狭缝法需制作极窄的狭缝板，边界法则需加工外表面由铅覆盖的圆柱钢管。同时以上几种方法对测试条件均有较严格的要求，尤其对X射线管、测试工具及探测器的位置要求严格。此外，一些方法在实际操作中并不简易，例如扫描法需要通过运动平台步进式的扫描焦点区域，耗时长；狭缝法则需要分别拍摄狭缝相互垂直两个方向的图像，并且需保证狭缝两次严格垂直。以上这些都给实际工业应用中X射线管焦点尺寸的测量带来了限制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种焦点尺寸测量方法，旨在解决现有的焦点尺寸测量方法存在操作复杂，耗时长的问题。

本发明是这样实现的，一种焦点尺寸测量方法，所述焦点尺寸测量方法利用X射线管上的锥束铅孔，使用平板探测器采集X射线通过锥束铅孔后的光场图像，得到边沿射线强度分布，即可计算得到焦点尺寸；

通过拍摄X射线管光场，在探测器输出图像数据中找到光场中心点a₀的像素位置，并在光场边沿找到点a₁、a₂、a₃的像素位置，l₁、l₂为射线管几何参数，为已知数据，l₃通过刻度尺测量得到，则x轴方向焦点的长度L由下式求出：

L＝c₁L₁+c₂L₂；

其中L₁、L₂表示线段，c₁、c₂分别表示L₁、L₂对中心X射线出射方向“有效焦点”的贡献系数；L₁、L₂根据相似三角形的几何关系，求出：

y轴方向上，靶面与z轴垂直，焦点的宽度W由下式求出：

W＝W₁+W₂；

其中W₁、W₂由下式求出：

进一步，所述投影系数c₁、c₂由下式求出：

进一步，所述tan(θ₁)、tan(θ₃)由下式求出：

其中，s为探测器像素宽度，α为靶角，l₁、l₂和l₃分别为焦点中心到铅锥孔上表面距离、铅锥孔厚度及铅锥孔下表面到平板探测器距离，θ₁和θ₃分别为射线在a₁和a₃处与探测器的夹角；

进一步，所述焦点尺寸为有效焦点；

使用平板探测器拍摄射线从锥束铅孔出射的光场方法为：连续拍摄多张光场图像，再对多幅图像的光场取平均，作为最终用于计算焦点尺寸的光场强度分布；

使探测器覆盖X射线管整个光场区域，利用平板探测器拍摄X射线管的光场分布，得到光场边沿的几何不锐度a₁a₃。

进一步，在近似条件下，焦点尺寸的L和W分别由下式近似求出，在l₂相对于l₁较小时，即铅锥孔较薄时，该近似计算方法能得到与精确计算方法相近的结果；

进一步，使用的X射线管为单阳极金属陶瓷X射线管；靶材料为钨，靶角α为20°，最大管电压为225kV，铅锥孔厚度l₂＝14.0mm；平板探测器为非晶硅平板探测器，A/D转换为16位；几何位置参数为l₁＝37.0mm，l₃＝131.0mm，β＝16°，s＝0.127mm。

本发明提供的针对现有X射线管焦点测量方法的不足，本发明提出了一种新的焦点测量方法，为锥孔法。该方法最大的特点是除了X射线成像系统中用到的数字平板探测器，不需要借助其他额外的测试工具，且操作相对简单，测试条件易实现。仅需要利用X射线管上的锥束铅孔，使用平板探测器采集光场图像得到光场边沿射线强度分布，即可计算得到焦点尺寸。本发明提出了一种简单实用的焦点尺寸测量方法，为X射线管的使用提供了便利。针对现有X射线管焦点测量方法的不足。本发明除了X射线成像系统中用到的数字平板探测器，不需要借助其他额外的测试工具，且操作相对简单，测试条件易实现。仅需要利用X射线管上的锥束铅孔，使用平板探测器采集光场图像得到光场边沿射线强度分布，即可计算得到焦点尺寸。

本发明的方法的操作和测试条件简单，实验结果表明该方法能方便快捷的给出焦点尺寸；无需额外准备特定的焦点测试工具，可直接利用X射线管上的铅锥孔作为测试工具；易于实现，焦点与铅锥孔位置固定，只需适当调节探测器位置保证垂直于z轴且覆盖光场即可；实验测量时间短(秒量级)，且同时测量得到X射线管焦点尺寸的长L和宽W。

附图说明

图1是本发明实施例提供的焦点尺寸测量方法流程图。

图2是本发明实施例提供的实验原理示意图。

图3是本发明实施例提供的X射线管大焦点中心行列边沿射线强度曲线示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理作进一步描述。

如图1所示：一种焦点尺寸测量方法，该焦点尺寸测量方法为：

S101：利用X射线管上的锥束铅孔，使用平板探测器拍摄射线从锥束铅孔出射的光场；

S102：利用光场边沿的几何不锐度来计算焦点尺寸。

下面结合实验分析对本发明的应用效果作进一步描述。

1.实验

1.1实验方法

X射线管阴极发射的电子束轰击到阳极靶面的面积称作“实际焦点”，而在X射线管的使用中，通常关注的是“实际焦点”在X射线出射方向的投影，即“有效焦点”，它的大小与X射线管的靶角有关，本发明给出的焦点尺寸为“有效焦点”。

X射线管焦点尺寸由横向(x)和纵向(y)两个方向的长度来表示，分别定义为长L和宽W，为横向中心切面(xoz平面)和纵向中心切面(yoz平面)，其分别得到焦点尺寸的L和W。

靶角为α，离靶点中心距离l₁处有厚度为l₂的铅锥孔，张角为2β，且β小于等于α。

靶面垂直于中心X射线出射方向(-z)。

如果焦点为一个理想的点，那么其辐射张角将恰好为2β，但实际情况是焦点存在一定的大小，从焦点处发射的X射线将会受到铅锥孔的调制，表现为焦点一侧发射的X射线将被铅锥孔上边沿阻止而只能到达比β角小的区域，而焦点另一侧发射的X射线能从锥铅孔下边沿到达比β角更大的区域，把这种现象称之为“展宽效应”，这会导致光场的边沿模糊，模糊的范围(a₁a₃)称为“几何不锐度”。

在xoz平面，由于靶面与中心X射线出射方向(-z方向)存在夹角α，导致光场右侧几何不锐度远大于左侧，而在yoz平面，靶面与中心X射线出射方向垂直，因此光场上、下两侧对称。

在离铅锥孔距离l₃处垂直于z轴放置平板探测器并保证探测器覆盖X射线管整个光场区域，利用平板探测器拍摄X射线管的光场分布，得到光场边沿的几何不锐度a₁a₃，再结合焦点、铅锥孔及探测器的几何关系可计算得到焦点尺寸。在下文中，如不作特殊说明，坐标方向的定义均如X射线管焦点尺寸由横向(x)和纵向(y)两个方向的长度来表示，分别定义为长L和宽W。

通过拍摄X射线管光场，在探测器输出图像数据中找到光场中心点a₀的像素位置，并在光场边沿找到点a₁、a₂、a₃的像素位置，l₁、l₂为已知数据，l₃通过测量得到，则x轴方向焦点的长度L由(1)式求出：

L＝c₁L₁+c₂L₂ (1)；

其中L₁、L₂表示线段，c₁、c₂分别表示L₁、L₂对中心X射线出射方向“有效焦点”的贡献系数；L₁、L₂根据相似三角形的几何关系，可由(2)式求出：

投影系数c₁、c₂可由(3)式求出：

tan(θ₁)、tan(θ₃)由(4)式求出：

其中，s为探测器像素宽度，α为靶角，l₁、l₂和l₃分别为焦点中心到铅锥孔上表面距离、铅锥孔厚度及铅锥孔下表面到平板探测器距离，θ₁和θ₃分别为射线在a₁和a₃处与探测器的夹角；

y轴方向上，靶面与z轴垂直，焦点的宽度W由(5)式求出：

W＝W₁+W₂ (5)；

其中W₁、W₂由(6)式求出：

以上给出了焦点尺寸精确计算的方法，在近似条件下，焦点尺寸的L和W分别可由(7)和(8)式近似求出，在l₂相对于l₁较小时，即铅锥孔较薄时，该近似计算方法能得到与精确计算方法相近的结果。

(7)和(8)式分别为：

1.2实验条件

本实验使用的X射线管为工业上广泛使用的COMET公司MXR225/22型号单阳极金属陶瓷X射线管，其中靶材料为钨，靶角α为20°，最大管电压为225kV，铅锥孔厚度l₂＝14.0mm。平板探测器为VARIAN公司PX1313DX型号非晶硅平板探测器，其中像素数目为1024×1024，像素尺寸为0.127mm×0.127mm，A/D转换为16位。其他几何位置参数为l₁＝37.0mm，l₃＝131.0mm，β＝16°，s＝0.127mm。

2.结果与讨论

2.1X射线管光场

利用平板探测器直接拍摄X射线管的光场，其中X射线管管电压为169kV，管电流为0.2mA，平板探测器帧率为30幅/s，连续拍摄150幅光场图像，并取其平均值作为用于计算焦点尺寸的光场图像，以减少统计涨落带来的误差。X射线管的光场主要受阳极效应、展宽效应及靶角的影响，阳极效应导致光场整体为近阴极端射线强度高而近阳极端射线强度低，展宽效应则导致光场边沿模糊且光场区域变大，靶角会导致光场横向两侧边沿不对称，近阴极端边沿展宽明显而近阳极端边沿展宽很窄。

X射线管大、小焦点的光场，光场的强度分布偏向阴极端(x轴方向右侧)，而在纵向上下两侧光场则是对称分布。此外，光场边沿出现模糊，且大焦点的几何不锐度明显大于小焦点。取X射线管大、小焦点光场的中心行和列可绘制X射线强度曲线。

2.2焦点尺寸

焦点尺寸测量方法以及计算公式的推导，通过(1)～(4)式和(5)～(6)式可分别精确计算焦点尺寸的长L和宽W。图3给出了大焦点中心行、列边沿的射线强度分布，图3(a)表示中心行左侧和中心列上侧，图3(b)表示中心行右侧和中心列下侧。a₁、a₂、a₃的实验测量数据及焦点尺寸的计算结果如表1所示。

表1 X射线管大、小焦点尺寸(169kV)

本发明采用了取射线强度范围5％-95％所对应的几何不锐度来计算焦点尺寸，因此，表1中可看到，通过本发明所提出方法得到的焦点尺寸均小于出厂参考值；同时，由于本发明给出的是中心等效焦点，在x轴方向，实际的等效焦点是相对于射线出射方向而言的，越远离中心，实际的等效焦点尺寸越大，而在y轴方向，实际的等效焦点不受影响，因此，宽度W与出厂参考值符合较好，而长度L与出厂参考值相差相对较大。对于沿β方向出射X射线，其等效大焦点的长度L为4.02，等效小焦点的长度L为0.88，均略大于出厂参考值；大、小焦点的测量结果表现出一致性，实验值与出厂参考值相比，大焦点与小焦点尺寸的比值相当。

此外，实验值1与实验值2为两次相隔一周的实验所获得的实验结果，两者几乎一致，表明实验具有较好的重复性和操作性。

2.3管电压对焦点尺寸的影响

利用本发明提出的焦点测量方法进一步探究了工业用常规X射线管的管电压对焦点尺寸的影响，分别选择管电压为75kV、100kV和169kV测量X射线管的焦点尺寸，结果如表2所示。实验结果显示三种管电压下测量得到的X射线管焦点尺寸均几乎一致，表明X射线管焦点尺寸受管电压影响很小。在X射线管的使用中，适当改变管电压将不会显著影响焦点尺寸。

表2三种电压下焦点尺寸测量结果对比

本发明针对现有工业X射线管焦点测量方法中存在的不足，提出了一种新的焦点测量方法——锥孔法。该方法利用平板探测器拍摄射线从铅锥孔出射的光场，利用光场边沿的几何不锐度来计算焦点尺寸。该方法的特点在于实际使用中简洁方便，体现在以下几点：

a.测试条件简单，无需额外准备特定的焦点测试工具，可直接利用X射线管上的铅锥孔作为测试工具。

b.几何条件易于实现，焦点与铅锥孔位置固定，只需适当调节探测器位置保证垂直于z轴且覆盖光场即可。

c.实验测量时间短(秒量级)，且同时测量得到X射线管焦点尺寸的长L和宽W。

本发明详细给出了由几何不锐度计算得到焦点尺寸的计算方法。本发明应用于COMET公司MXR225/22型X射线管，测量结果准确反映了大、小焦点尺寸的比值，焦点尺寸的宽W与参考值相对偏差较小，焦点尺寸的长L与参考值相对偏差较大，L的数值随横轴方向测量角度变化。此外，结果还表明焦点尺寸受管电压的影响较小。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种焦点尺寸测量方法，其特征在于，所述焦点尺寸测量方法利用X射线管上的锥束铅孔，使用平板探测器采集X射线通过锥束铅孔后的光场图像，得到边沿射线强度分布，计算得到焦点尺寸；

通过拍摄X射线管光场，在探测器输出图像数据中找到光场中心点a₀的像素位置，并在光场边沿找到点a₁、a₂、a₃的像素位置，l₁、l₂为射线管几何参数，为已知数据，l₃通过刻度尺测量得到，则x轴方向焦点的长度L由下式求出：

L＝c₁L₁+c₂L₂；

其中L₁、L₂表示线段，c₁、c₂分别表示L₁、L₂对中心X射线出射方向“有效焦点”的贡献系数；L₁、L₂根据相似三角形的几何关系，求出：

y轴方向上，靶面与z轴垂直，焦点的宽度W由下式求出：

W＝W₁+W₂；

其中W₁、W₂由下式求出：

投影系数c₁、c₂由下式求出：

所述tan(θ₁)、tan(θ₃)由下式求出：

其中，s为探测器像素宽度，α为靶角，l₁、l₂和l₃分别为焦点中心到铅锥孔上表面距离、铅锥孔厚度及铅锥孔下表面到平板探测器距离，θ₁和θ₃分别为射线在a₁和a₃处与探测器的夹角。

2.如权利要求1所述的焦点尺寸测量方法，其特征在于，所述焦点尺寸为有效焦点；

使用平板探测器拍摄射线从锥束铅孔出射的光场方法为：连续拍摄多张光场图像，再对多幅图像的光场取平均，作为最终用于计算焦点尺寸的光场强度分布；

使探测器覆盖X射线管整个光场区域，利用平板探测器拍摄X射线管的光场分布，得到光场边沿的几何不锐度a₁a₃。

3.如权利要求1所述的焦点尺寸测量方法，其特征在于，在近似条件下，焦点尺寸的L和W分别由下式近似求出，在l₂相对于l₁较小时，即铅锥孔较薄时，该近似计算方法能得到与精确计算方法相近的结果；

4.如权利要求1所述的焦点尺寸测量方法，其特征在于，使用的X射线管为单阳极金属陶瓷X射线管；靶材料为钨，靶角α为20°，最大管电压为225kV，铅锥孔厚度l₂＝14.0mm；平板探测器为非晶硅平板探测器，A/D转换为16位；几何位置参数为l₁＝37.0mm，l₃＝131.0mm，β＝16°，s＝0.127mm。