CN106568787A - 基于激光的微焦点伽马射线ct装置及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于激光的微焦点伽马射线CT装置，包括真空靶室、伽马射线产生装置、前准直器、旋转样品台、后准直器、成像记录仪和图像处理系统；伽马射线产生装置设置在真空靶室内；前准直器用于减小伽马射线的发散角，使其呈锥束状；旋转样品台与前准直器位置相对，用于放置样品并将其旋转一周，以使伽马射线顺次将样品的三维平面全部透射；后准直器与旋转样品台位置相对，用于将透射样品后的伽马射线传入至成像记录仪，以便成像记录仪将其转化为数字信号并记录；图像处理系统用于将数字信号处理为样品的三维图像信息。本发明解决了高能伽马射线分辨率低的问题，其伽马射线光子能量范围在100keV‑10MeV，对金属精密元件的CT成像分辨率可达100μm量级。

Description

基于激光的微焦点伽马射线CT装置及其实现方法

技术领域

本发明涉及先进无损检测、逆向工程、材料组织分析等领域，具体涉及的是一种基于激光的微焦点伽马射线CT装置及其实现方法。

背景技术

计算机断层成像技术(Computed Tomography，CT)是通过对物体进行不同角度的射线投影测量而获取物体横截面信息的成像技术。

断层成像的概念最早由挪威物理学家Albel在1826年针对轴对称物体的横截面信息恢复而提出，奥地利数学家J.Radon在1917年发展了Albel的思想，使成像对象扩展到任意形状的二维截面。Radon提出了投影图像重建的基本数学理论，指出任何物体均可用无限多个投影来表示；反之，如果知道无限多个投影，便可重建该物体对象。最初把断层成像技术应用于医学领域的当属Oldendorf,他在1961年研制了用伽马射线进行透射型成像的初级装置。直到1963年才由美国物理学家Cormack首先提出用断层的多方向投影重建断层图像的代数计算方法。第一台临床用的计算机断层成像扫描装置于1967-1972年间由英国EMI公司的工程师Hounsfield研制成功，Hounsfield和Cormack两人也由于他们对CT技术的卓越贡献而共同获得1979年诺贝尔物理和医学奖。

断层成像技术可以采用不同的射线和粒子束，如X射线、伽马射线、中子、质子、超声波、微波等。如果用于成像的射线或者粒子是由检测对象内部发射的，则称为发射型CT；如果探测数据是根据射线方向透过检测对象后得到的，则称为透射型CT；如果检测数据是根据能量从检测对象内部反射而获得的，则称为反射型CT。透射型X射线CT是目前历史最为悠久和研究应用最为广泛的断层成像技术。

CT根据其发展的时序、成像几何和扫描方式的不同，可分为五代CT系统。第一代CT是单源单探测单元系统，采用平移-旋转的类平行束扫描方式。此类CT结构简单，成本低，但是射线利用率低，检测时间长，目前已极少应用。第二代CT使用单源小角度扇形射束和多探测元，由于射线扇束角小，不能完全包容被检断层，故仍采用平移-旋转扫描方式。第三代CT采用了具有大扇角、宽扇束的单射线源和多探测元系统，使得扫描方式简化为单一的旋转运动，因此其便于控制、检测效率高，只需旋转一周即可检测一个断层。第四代CT采用的也是一种宽扇束单源，只有旋转运动的扫描方式，但它有由相当多探测元形成的固定圆环，仅由射线源快速旋转扫描，其特点是扫描速度快、成本高。第五代CT又称为电子CT，由一个电子束X射线源和一组固定的环形探测元阵列等部件组成，扫描时，射线源、探测器和检测对象都保持静止不动。系统通过电磁线圈对电子束进行聚焦，再利用变化的偏转线圈来改变电子束的照射方向，轰击不同方向的钨靶，以进行不同角度的投影测量。

随着实时有源面阵探测器等硬件技术的发展，锥束CT系统的研制近年来正在飞速发展，它利用快速采集的二维投影数据直接重建检测对象的三维断层图像。此类CT又称为体积CT扫描系统。与传统的二维CT相比，VCT具有扫描速度快，图像分辨率较高、辐射利用率高等优点。

工业CT与医学CT成像原理相同，但具有自己的特点，最大区别就是工业检测件的密度高、架构复杂、形状各异等，加之成像精度要求高，工业CT常采用穿透能力强的高能和焦斑小的辐射源。工业CT在非接触、不破坏的情况下获得物体的内部信息，与射线照相、超声等常规的无损检测手段和无损评价法相比，具有检测速度快、空间及密度分辨率高等优点。

虽然目前基于X光的微焦点工业CT的最高分辨率可达几μm至十几μm，但对应的X光光子能量只有几十至几百keV，只能穿透薄的金属和一定厚度的有机物，对于厚度较大的金属元件无法穿透，无法进行检测。而基于伽马射线的工业CT分辨率在mm量级，虽然能够穿透较厚金属，但对金属器件的照相分辨率不足，无法达到精密诊断的需要。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于激光的微焦点伽马射线CT装置及其实现方法，可以针对金属精密元件进行高分辨率CT成像。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

基于激光的微焦点伽马射线CT装置，包括真空靶室、伽马射线产生装置、前准直器、旋转样品台、后准直器、成像记录仪和图像处理系统；所述伽马射线产生装置设置在真空靶室内，该真空靶室用于为伽马射线的产生提供真空环境；所述前准直器也设置在真空靶室内，用于减小伽马射线的发散角，使其呈锥束状；所述旋转样品台设置在真空靶室外，并与前准直器位置相对，用于放置样品并将其旋转一周，以使伽马射线顺次将样品的三维平面全部透射；所述后准直器与旋转样品台位置相对，用于将透射样品后的伽马射线传入至成像记录仪，以便成相记录仪将其转化为数字信号并记录；所述图像处理系统用于将成相记录仪传输的数字信号处理为样品的三维CT图像信息。

进一步地，所述前准直器与旋转样品台之间还设有用于使伽马射线发生偏转、以便将样品的一面完全透射的偏转磁铁。

具体地说，所述伽马射线产生装置包括用于产生飞秒激光的飞秒激光器，与飞秒激光器位置相对、且呈抛物线状的用于将飞秒激光进行反射的反射镜，用于喷出气体并与反射后的飞秒激光相互作用产生高能电子的气体靶组件，以及与前准直器位置相对、且由钨元素制成的用于在高能电子轰击后将电子动能转化为伽马射线的固体靶。

作为优选，所述前准直器和后准直器均由铅材料制成。

作为优选，所述真空靶室为球体状，其横截面直径为3.5m。

作为优选，所述反射镜口径为200mm，焦距为1.2m。

作为优选，所述固体靶厚度为1mm。

作为优选，所述旋转样品台为步进式旋转台。

基于上述装置的结构，本发明还提供了该基于激光的微焦点伽马射线CT装置的实现方法，包括以下步骤：

(1)飞秒激光器产生飞秒激光，并射向反射镜；飞秒激光波长为700～800nm，脉宽为20～30fs，单脉冲能量为0.8～1J，光束直径为120～150mm；

(2)反射镜将飞秒激光聚焦至气体靶组件，并与气体靶组件喷出的气体相互作用产生高能电子；所述气体靶组件喷出的气体压强为500～1000KPa；

(3)部分高能电子加速射向固体靶，并轰击固体靶，使电子与固体靶内的原子相互作用产生伽马射线，该伽马射线的光子能量为0.1～10MeV，且伽马射线的源点尺寸为30～150μm，发散角大于50mrad；

(4)伽马射线经过前准直器，并由前准直器将其发散角减小到5mrad，形成锥束状，然后射向旋转样品台；

(5)伽马射线将旋转样品台上的样品的一面完全透射，然后经后准直器准直后射入成像记录仪中；

(6)成相记录仪将射入的伽马射线转化为数字信号并记录，然后传入至图像处理系统；

(7)控制旋转样品台旋转，改变其角度，使样品的另一面被伽马射线透射，并继续按照步骤(5)、(6)的方式执行；

(8)循环步骤(7)，直至旋转样品台旋转一周后执行步骤(9)；

(9)图像处理系统将接收到的所有数字信号处理，得到样品的三维CT图像。

进一步地，旋转样品台每次旋转的角度为0.5°～5°。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明设计合理、使用方便，其通过设置真空靶室、伽马射线产生装置、前后准直器、旋转样品台、成像记录仪和图像处理系统，利用各个装置和设备的配合，能够很好地获取金属器件的三维CT图像，从而实现对金属器件的无损检测。本发明具有很好的普适性，能够满足机械、航空航天、材料等多个领域无损检测的应用。

(2)本发明利用飞秒激光器、反射镜、气体靶组件和固体靶的配合，可以使伽马射线的光子能量从100keV到几MeV的范围内连续可调，因此其光子能量的动态范围也远远大于现有CT的动态范围，并且本发明的伽马源尺寸只有几十至150μm，远小于普通伽马射线源mm量级的尺寸。因此，本发明很好地将伽马CT的空间分辨率提高了一个数量级，为提高金属器件图像的清晰度提供了良好的保障。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的工作原理示意图。

其中，附图标记对应的名称为：

1-真空靶室，2-飞秒激光器，3-反射镜，4-气体靶组件，5-固体靶，6-前准直器，7-偏转磁铁，8-旋转样品台，9-后准直器，10-成像记录仪，11-图像处理系统。

具体实施方式

下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。

如图1所示，本发明提供了一种基于激光的微焦点伽马射线CT装置，其包括真空靶室1、伽马射线产生装置、前准直器6、旋转样品台8、后准直器9、成像记录仪10和图像处理系统11。

所述的伽马射线产生装置用于产生伽马射线，其设置在真空靶室1内，而该真空靶室1则用于为伽马射线的产生提供真空环境，本实施例中，真空靶室1为球体状，其横截面的直径为3.5m。而具体地说，所述伽马射线产生装置包括用于产生飞秒激光的飞秒激光器2，与飞秒激光器2位置相对、且呈抛物线状的用于将飞秒激光进行反射的反射镜3(口径为200mm，焦距为1.2m)，用于喷出气体并与反射后的飞秒激光相互作用产生高能电子的气体靶组件4，以及与前准直器6位置相对、且由钨元素制成的用于在高能电子轰击后将电子动能转化为伽马射线的固体靶5(厚度为1mm)。

所述的前准直器6也设置在真空靶室1内，其用于减小伽马射线的发散角，使其呈锥束状，本实施例中，前准直器6由铅材料制成。所述旋转样品台8设置在真空靶室1外，并与前准直器6位置相对，该旋转样品台8为步进式旋转台，平台直径为100mm，其用于放置样品(可放置5kg以内的样品)并将其旋转一周，以使伽马射线顺次将样品的三维平面全部透射。所述后准直器9与旋转样品台8位置相对，用于将透射样品后的伽马射线传入至成像记录仪10，以便成像记录仪将其转化为数字信号并记录，本实施例中，后准直器9同样由铅材料制成。所述图像处理系统11则用于将成像记录仪传输的数字信号处理为样品的三维CT图像信息。

下面介绍本发明获得样品三维CT图像信息的过程。

如图2所示，首先，飞秒激光器2产生飞秒激光，并射向反射镜3。飞秒激光的光束参数为：波长700～800nm，脉宽20～30fs，单脉冲能量0.8～1J，光束直径为120～150mm。飞秒激光经过反射镜3，由反射镜将其聚焦至气体靶组件4，并将气体靶组件4喷出的气体电离为等离子体(高能电子)。本实施例中，所述气体靶组件4的喷嘴内径为0.7mm，喷出的气体压强为500～1000KPa，通过调整气体压强可以实现电子能量在20～200MeV范围内的调节。

随后，等离子体中的部分电子加速到100MeV，这些电子轰击固体靶5，并受到固体靶5内部的原子库伦散射作用，产生超强的韧致辐射，此辐射即为伽马射线。本实施例中，伽马射线的光子能量为0.1～10MeV，其可以通过调节电子的能量、固体靶的厚度以及固体靶的材料进行调节，并且本实施例中，伽马射线的源点尺寸为30～150μm，发散角大于50mrad。伽马射线经过前准直器6，并由前准直器将其发散角减小到5mrad，形成锥束状，然后射向旋转样品台8，并将旋转样品台8上放置的样品的一面完全透射(为能进一步令伽马射线完全透射样品的一面，本发明在前准直器6与旋转样品台8之间还设置了偏转磁铁7)，然后经后准直器9准直后射入成像记录仪10中。

成像记录仪10将射入的伽马射线转化为数字信号并记录，然后传入至图像处理系统11。传入数字信号后，控制旋转样品台8旋转，改变其角度(每次旋转的角度为0.5°～5°)，使样品的另一面被伽马射线透射，并继续按照上述方式，使图像处理系统11获取样品该面的数字信号。本实施例中，成像记录仪记录每个旋转角度下的X射线透视照相图像的具体过程是：X射线与闪烁体相互作用产生可见光，可见光被光学系统导入CCD，然后记录。

重复循环上述步骤，直至旋转样品台8旋转一周后，利用图像处理系统11将接收到的所有数字信号进行处理(采用CT重建算法)，即可得到样品的三维CT图像。

本发明通过设计一种新型的伽马射线CT装置及金属精密元件三维CT图像获取方式，有效地解决了高能伽马射线分辨率低的问题，其伽马射线光子能量范围在100keV～10MeV之间，对金属精密元件的CT成像分辨率可达100μm量级，完全满足了精密诊断的需要。因此，相比现有技术来说，本发明技术进步十分明显，其具有突出的实质性特点和显著的进步，非常适合用于多个领域(例如机械、航空航天、材料等)的无损检测。

上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于激光的微焦点伽马射线CT装置，其特征在于，包括真空靶室(1)、伽马射线产生装置、前准直器(6)、旋转样品台(8)、后准直器(9)、成像记录仪(10)和图像处理系统(11)；所述伽马射线产生装置设置在真空靶室(1)内，该真空靶室用于为伽马射线的产生提供真空环境；所述前准直器(6)也设置在真空靶室(1)内，用于减小伽马射线的发散角，使其呈锥束状；所述旋转样品台(8)设置在真空靶室(1)外，并与前准直器位置相对，用于放置样品并将其旋转一周，以使伽马射线顺次将样品的三维平面全部透射；所述后准直器(9)与旋转样品台(8)位置相对，用于将透射样品后的伽马射线传入至成像记录仪(10)，以便成相记录仪将其转化为数字信号并记录；所述图像处理系统(11)用于将成相记录仪传输的数字信号处理为样品的三维CT图像信息。

2.根据权利要求1所述的基于激光的微焦点伽马射线CT装置，其特征在于，所述前准直器(6)与旋转样品台(8)之间还设有用于使伽马射线发生偏转、以便将样品的一面完全透射的偏转磁铁(7)。

3.根据权利要求1或2所述的基于激光的微焦点伽马射线CT装置，其特征在于，所述伽马射线产生装置包括用于产生飞秒激光的飞秒激光器(2)，与飞秒激光器(2)位置相对、且呈抛物线状的用于将飞秒激光进行反射的反射镜(3)，用于喷出气体并与反射后的飞秒激光相互作用产生高能电子的气体靶组件(4)，以及与前准直器(6)位置相对、且由钨元素制成的用于在高能电子轰击后将电子动能转化为伽马射线的固体靶(5)。

4.根据权利要求1所述的基于激光的微焦点伽马射线CT装置，其特征在于，所述前准直器(6)和后准直器(9)均由铅材料制成。

5.根据权利要求1所述的基于激光的微焦点伽马射线CT装置，其特征在于，所述真空靶室(1)为球体状，其横截面直径为3.5m。

6.根据权利要求3所述的基于激光的微焦点伽马射线CT装置，其特征在于，所述反射镜(2)口径为200mm，焦距为1.2m。

7.根据权利要求3所述的基于激光的微焦点伽马射线CT装置，其特征在于，所述固体靶(5)厚度为1mm。

8.根据权利要求1、2或4～7任一项所述的基于激光的微焦点伽马射线CT装置，其特征在于，所述旋转样品台(8)为步进式旋转台。

9.权利要求3～8任一项所述的CT装置的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)飞秒激光器产生飞秒激光，并射向反射镜；飞秒激光波长为700～800nm，脉宽为20～30fs，单脉冲能量为0.8～1J，光束直径为120～150mm；

(2)反射镜将飞秒激光聚焦至气体靶组件，并与气体靶组件喷出的气体相互作用产生高能电子；所述气体靶组件喷出的气体压强为500～1000KPa；

(3)部分高能电子加速射向固体靶，并轰击固体靶，使电子与固体靶内的原子相互作用产生伽马射线，该伽马射线的光子能量为0.1～10MeV，且伽马射线的源点尺寸为30～150μm，发散角大于50mrad；

(4)伽马射线经过前准直器，并由前准直器将其发散角减小到5mrad，形成锥束状，然后射向旋转样品台；

(5)伽马射线将旋转样品台上的样品的一面完全透射，然后经后准直器准直后射入成像记录仪中；

(6)成相记录仪将射入的伽马射线转化为数字信号并记录，然后传入至图像处理系统；

(7)控制旋转样品台旋转，改变其角度，使样品的另一面被伽马射线透射，并继续按照步骤(5)、(6)的方式执行；

(8)循环步骤(7)，直至旋转样品台旋转一周后执行步骤(9)；

(9)图像处理系统将接收到的所有数字信号处理，得到样品的三维CT图像。

10.根据权利要求9所述的实现方法，其特征在于，旋转样品台每次旋转的角度为0.5°～5°。