CN107949886B - 用于提供辐射的准直的准直器和生成扫描辐射束的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于提供辐射的准直的准直器和生成扫描辐射束的方法。一种采用长球体形式的准直器包括辐射衰减材料并以包括辐射透射材料的扭曲狭缝为特征。该扭曲狭缝以第一孔和第二孔为特征，第一孔和第二孔被布置成使得对于所述孔中的一个孔中的每个入口点，存在以预定角度通过长球体的主轴‘B’到另一个孔中的点的直接路径，使得形成复合孔。对于每个复合孔，通过长球体的直接路径的长度是恒定的。准直器绕主轴‘B’相对于第一孔处的静止点的旋转在角度上操纵从所述静止点穿过准直器的的复合孔。这样的布置允许来自位于所述点处的源的辐射被准直成波束，所得到的波束在角度上被扫描，并且所得到的准直效果跨扫描的整个角度范围是恒定的。

Description

用于提供辐射的准直的准直器和生成扫描辐射束的方法

技术领域

本发明涉及准直领域，并且更具体地涉及结合简单的设计、用于在多个波束角度上提供恒定准直效果的准直器。

背景技术

准直器被用于许多应用中，以便限定辐射(其可以是电磁波或粒子束)的形状和对准。例如，可以使用准直器来创建二维扇形辐射束或一维笔状辐射束。在准直的特定应用中，诸如那些使用可见或近可见光谱中的电磁辐射的应用，可以使用反射镜和透镜来产生准直波束。然而，对于具有显著较短波长并因此具有较高能量的电磁辐射(诸如X射线和伽玛射线)或者对于粒子束形式的辐射来说，需要用作辐射过滤器的准直器，使得仅沿期望方向行进的辐射能够无阻碍地通过准直器。

准直是物理学和医学的其中希望将辐射的发散源限制在有用的、明确限定的波束中的许多领域所必需的。准直的辐射束的使用使得能够执行许多不同的分析技术，并且通过使与未接受测试的材料相互作用的辐射量最小化来导致一些成像应用中的提高的分辨率。可能需要准直的辐射束的示例应用包括X射线和伽玛射线照相术、放射治疗和中子成像。准直器还可以用于过滤来自场景的辐射，使得只有来自特定方向的辐射被允许通过例如检测器。检测来自特定方向的辐射的能力可能是有用的另外的示例应用是对空间的伽马射线观察以及对放射性材料的分析。

通常，用于高能电磁辐射的准直器由诸如钨或铅的高原子序数的材料制成，并且限定了多个孔，辐射可以通过所述孔向目标或检测器行进。入射到准直器主体上的辐射被衰减，使得只有与所述孔对准的射线才能无阻碍地通过。

准直技术的一个常见问题是由于大多数源波被准直器的主体阻挡，所以目标处的通量大大降低。这由于降低性能和图像清晰度或通过增加在相同穿透率下获得相同图像清晰度所需的源功率而阻碍了成像和分析技术。此外，准直效果的不一致性(例如，不同的波束角度)可能进一步使成像和分析技术复杂化。

某些成像应用(诸如，X射线反向散射)需要使用辐射的扫描束来建立对象或视场的二维图像。扫描束可以通过在一个维度上引入辐射源与准直器之间的相对运动来实现以产生一条图像。如果这种一维扫描与正交方向上的对象与源之间的相对移动相结合，则可以组合多个一维条图像以形成二维图像。已知为了创建扫描笔状束，可以将辐射源放置在设置有径向孔的、大型转盘形式的准直器的中心。当盘旋转时，波束被发射穿过每个孔并跨整个视场扫描。然而，这样的盘必然大且重。这会影响整个设备的重量和便携性，需要大量的功率来维持正确的旋转速度，并且需要多个移动部件，所有这些都会增加设备因破损而发生故障的风险。

在US2014/0010351(Rommel)中公开的另选准直器设计利用了间隔开距离d的两个平行板。每个板都包括槽，其中，槽按交叉布置来布置以形成“X”或“+”形。对于从给定角度接近的辐射，只存在穿过两个槽的单个复合孔，然而，当在一个维度上引入源与准直器之间的相对运动时，单个复合孔在横向维度上“移动”。因此，通过上下移动源或准直器，可以创建横向扫描束。

在平行板准直器示例中，通过复合孔的路径长度随着沿所述孔的长度的位移而变化。这导致准直效果的变化以及从准直器射出的波束的尺寸和形状的变化，这两者都对最终图像的质量具有负面影响。该后一个问题在US2014/0010351(Rommel)中通过操纵槽的形状得以解决。通过增加槽朝向障碍物的边缘的宽度，能够保持恒定的波束横截面面积而独立于波束角。然而，路径长度的变化仍然存在，从而影响准直的质量。

准直器的另一设计是立方体扭曲狭缝准直器(solid cuboid twisted slitcollimator)。EP2124231(BAM)中例示了这种准直器。对于该准直器，穿过复合孔的路径长度随沿着狭缝的长度的位移而变化，从而导致可行的准直效果。此外，在需要扫描辐射束的应用中，立方体扭曲狭缝准直器需要往复旋转，而不是连续旋转，由此限制了可实现的扫描速度。

因此，本发明的目的是提供一种结合简单的设计、用于在多个波束角度上提供恒定准直效果的准直器。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种用于提供来自至少一个辐射源的辐射的准直的准直器，该准直器由辐射衰减材料形成，该辐射衰减材料进一步限定具有第一孔和第二孔的扭曲狭缝，所述第一孔和所述第二孔被配置为提供从一个孔中的辐射入口点到另一个孔中的辐射出口点的一系列复合孔，所述扭曲狭缝填充有辐射透射材料，其中，该准直器基本上采用具有穿过其最长维度的主轴的长球体的形式，所述第一孔在与主轴正交的平面内至少部分地围绕长球体延伸，并且所述第二孔相对于主轴以螺旋形式至少部分地围绕长球体延伸，使得从辐射入口点到辐射出口点并以预定角度穿过主轴的所有直接路径具有恒定的长度，以便提供恒定的准直效果。

根据本发明的第二方面，提供了一种产生扫描辐射束的方法，该方法包括以下步骤：

提供根据本发明的第一方面的准直器；

提供至少一个发散辐射源，所述至少一个发散辐射源相对于准直器静止地固定并且基本上被定位在第一孔内；以及

绕主轴旋转准直器，使得从至少一个发散辐射源的位置通过准直器的复合孔改变，由此产生扫描束。

术语“辐射”在广义上用于包括波或亚原子粒子形式的能量，并且不限于电磁辐射。在本发明的一些实施方式中，准直器用于对来自单个发散辐射源的辐射进行准直。在本发明的其它实施方式中，准直器用于对来自空间源的辐射进行准直，该空间源包括多个发散辐射源或由其近似。

术语“长球体”用于描述具有两个相等的半直径(半轴a和半轴b)的三轴椭圆体。因此，长球体在平行于两个半直径的任何平面中都具有圆形横截面。长球体的第三个半轴长于两个相等的半直径并且被称为半轴c。本发明上下文中的主轴是穿过长球体的最长维度(沿着半轴c)的轴线。由绕穿过交叉点的轴旋转的两个重叠相等大小的圆之间的交叉提供长球体的特定示例。当那些相等大小的圆各自剖开另一个圆的中心时提供更具体的示例。本发明提供了基本上采用长球体形式的准直器。在本发明的一些实施方式中，准直仪采用整体长球体的形式。在本发明的其它实施方式中，准直器采用长球体的一部分的形式(例如，在准直器必须符合特定形式因子的情况下)。

辐射衰减材料用于减少入射到其上或穿过它行进的辐射的能量。衰减材料可以是到特定形式的辐射的衰减。衰减材料可以是对于特定形式的辐射完全不透明的。当辐射进入并通过衰减材料时，能量可能会损失，使得辐射不能完全穿过该材料，或者以足够小的能量从该材料中出现，从而可以忽略它。例如，辐射衰减材料可以包括钨。

入射在辐射透射材料上的辐射能够无阻碍地进入并穿过材料。无阻碍用于表示辐射不与辐射透射材料相互作用，或者相互作用达到最小程度，使得为了本发明的目的可以忽略相互作用。辐射透射材料可以是空气，或者可以包括其它合适的材料。

扭曲狭缝可以被描述为通过长球体结构钻出的一系列孔的伪螺旋或螺旋。每个孔都在长球体的外周处开始-外周是包含“半轴a”和“半轴b”的平面(也被称为xy平面)中长球体的圆形横截面的边缘。钻孔虽然与水平xy平面成一定角度φ，同时与水平xy平面中的垂直轴成一定角度θ-相对于第一孔的方向的角度。第一孔具有角度φ₀＝+φ_max和θ₀＝0；每个连续的孔具有角度：φ_n＝φ_n-1+dφ到φ_n＝-φ_max的极限值以及θ_n＝θ_n-1+dθ到θ_n＝2π-dθ的极限值。根据本发明，准直器包括辐射衰减材料并且以扭曲狭缝为特征。术语“第一孔”是指辐射衰减材料中由于通过长球体钻出的孔而在外周处产生的的间隙。术语“第二孔”是指辐射衰减材料中绕主轴围绕长球体盘旋的的间隙，该间隙是由于以预定角度穿过辐射衰减材料离开长球体而钻出的孔产生的。第一孔和第二孔基本上绕长球体延伸。在一些实施方式中，出于结构稳定性的原因，孔不完全绕长球体延伸。在填充扭曲狭缝的辐射透射材料包括固体材料的实施方式中，孔可以完全绕长球体延伸。

术语复合孔用于描述由于第一孔和第二孔的布置形成扭曲狭缝而提供的通过准直器的孔。对于第一孔中的每个点，存在以预定角度通过长球体的主轴到第二孔中的点的直接路径，从而形成复合孔。直接路径穿过辐射透射材料。

通过确保通过准直器的所有路径长度(从第一孔中的入口点到第二孔中的出口点)为相同的长度，可以形成具有恒定截面的准直波束以及恒定准直效果，而不管辐射已经经过的复合孔。这由长方体、圆柱形或球形准直器无法实现。

准直器可以被配置成至少绕主轴旋转。旋转可以以固定或可变的速率连续进行。在本发明的实施方式中，提供一个发散辐射源并且所述发散辐射源相对于准直器固定静止，使得当准直器绕主轴旋转时，用于来自发散源的辐射的复合孔移动，并且产生辐射的连续扫描束。这相对于往复旋转(back-and-forth rotation)是有利的，因为保持恒定速度所需的机构可以不那么复杂，并且可以实现较高的速度。另选地，在需要以非连续方式操纵辐射束的实施方式中，准直器可以被配置为旋转到特定位置并停留在那些位置。此外，准直器可以被配置为使得其可以绕次轴旋转。该次轴可以与主轴正交，使得绕两个轴的旋转的组合将允许辐射束以二维方式被操纵或扫描。在本发明的实施方式中，旋转准直器使得复合孔的投射跨空间辐射源被操纵或扫描。在该实施方式中，仅源自空间源上的特定位置的辐射能够穿过复合孔的每个投射。然后可以检测到穿过复合孔的辐射。

准直器可以在第一孔内包含凹部，该凹部完全环绕长球体，适合于限制至少一个辐射源或检测器。凹部可以继续超出孔本身的程度。如果辐射源是发散源，则可能特别期望辐射源位于准直器的外表面内，以使得发散辐射能够以从最小孔角度(-φ_max)到最大孔角度(+φ_max)的所有角度直接穿过孔。此外，更密封的源需要较少的附加屏蔽来防止不必要的辐射泄漏。在诸如X射线反向散射成像的实际应用中，辐射源可以是阳极靶，电子入射到所述阳极靶上，并且从所述阳极靶产生X射线并随后被准直。以类似的方式，在准直器被用于跨多个角度扫描场景以进行辐射的实施方式中，可能期望检测器位于准直器的外表面内。

在本发明的实施方式中，特别是发散辐射源相对于准直器被安装在固定位置并且位于第一孔的凹部内的实施方式，以及准直器以恒定速度旋转的实施方式，可以在平行于旋转轴的方向上跨视场扫描辐射束。由准直器扫描的立体角可以达到120°，并且斑点尺寸和形状在整个角度范围内保持恒定。

附图说明

图1示出了根据现有技术的平行板准直器；

图2示出了根据现有技术的立方体准直器；

图3示出了用于测试准直器视场的实验布置的示意图；

图4示出了根据本发明的准直器；

图5a和图5b示出了根据本发明的、用于限定准直器中的扭曲狭缝的设计过程；

图6示出了由根据本发明进行准直的可见辐射束产生的辐射斑点的图像；以及

图7示出了由根据本发明进行准直的可见辐射束产生的辐射斑点的一组叠加静止图像，每个斑点表示以不同角度进行准直的波束。

附图仅用于说明目的，并且不按比例。

具体实施方式

图1示出了根据US2014/0010351(Rommel)的平行板准直器10。板11、12彼此平行布置并且间隔开距离d。板11、12由对于待准直的辐射不透明的材料制成，并且设置有对于待准直的辐射透明的细长孔13、14。孔13、14以“X”的形式布置，使得对于从给定角度接近的辐射仅存在允许辐射穿过两个板11、12的单个复合孔15。因此，单个准直的辐射束穿过准直器10。

当准直器10围绕水平轴“A”上下旋转时，复合孔15的位置相对于固定的辐射源(未示出)从一侧移动到另一侧。效果是准直的辐射束跨视场横向扫描。

通过将辐射源相对于固定准直器上下移动来实现相同的效果。

图2示出了根据EP2124231(BAM)的立方体准直器20。准直器21的主体由对于待准直的辐射不透明的材料制成，并且设置有对于待准直的辐射透明的细长孔23、24。孔23、24以“X”的形式布置，使得对于从给定角度接近的辐射仅存在允许辐射穿过准直器20的单个复合孔25。

孔23、24通过穿过准直器并限定由准直器限制辐射的体积的两个双曲抛物面连接。这被称为扭曲狭缝。

在可见光波长下工作的立方体准直器的示例由发明人进行建模并且被3D打印为用于X射线准直器的光学代用品。使用图3所示的实验装置测试了四个版本。使用三轴“Zaber机动平台”31来将光源(LED)32顺序移动到准直器33后面的体积附近，同时网络摄像机34记录并整理每个点处发射的光的图像，如在由遮光板36、37保护的纸图像屏幕35上所观看的。给出最大视场的准直器是第一孔与第二孔之间的角度最大的那些准直器。

已经证明，用于通过绕相对轴旋转来在一个轴上操纵波束的立方体扭曲狭缝准直器的概念已被发明人发挥作用。然而，它们的局限性在于，路径长度以及由此准直效果随沿着狭缝长度的位移而变化。这会导致波束的大小和形状的变化，这将对最终图像产生负面影响。长方体准直器的另一个问题是无法连续旋转并保持斑点“飞行(flying)”。为了实现该效果，准直器将需要往复旋转，降低了其可以旋转的速度，并进一步限制其使用(例如，替代当前的X射线反向散射飞轮设计)。对这两个问题的解决方案是使围绕特殊形成的长球体的表面的孔弯曲，其中，第一孔与旋转的轴(在该示例中为主轴)正交，并且第二孔(发射经准直的波束的孔)以螺旋形式部分地绕长球体延伸，使得穿过第一孔和第二孔的复合孔的所有直接路径长度(从第一孔中的入口点以预定角度穿过主轴到第二孔中的出口点)具有恒定的长度。

图4例示了具有第一孔43和第二孔44的立方体扭曲狭缝准直器20的长球体改进版(adaptation)40。主要目的是限定扭曲狭缝的形式以及由此相对于旋转轴B(主轴)的孔43、44，其中，外部主体形状41是结果性的而不是驱动因素。虽然在该实施方式中第一孔43并未围绕准直器主体一直延伸，但为了保持立体主体的完整性，在孔43的端部之间提供相对较浅的凹部46以提供环绕长球体的连续凹部。这允许准直器40绕主轴B连续旋转，同时辐射源(未示出)被固定地定位在凹部46的边界内。

为了形成图4中的主体形状，首先相对于旋转轴(在该示例中为主轴)展开扭曲狭缝。扭曲狭缝在

中被创建为具有分别为(0，y)和(+n_x，y)的起点和终点的一组线，其中，y在-n_y和+n_y之间逐步增加。这些线绕y轴旋转，以根据线沿y轴的位置来限定旋转的角度。

这确保了路径被保持在相同的长度，校正了依赖于外部形状(长方体或球体)的表面来指示该长度的问题。然后，将围绕结构的不确定表面延伸的这些相等路径转变(translate)成使得它们的起点在原点处；使用球形极坐标矩阵操作绕z轴旋转以围绕圆周缠绕它们；在被再次转变成初始路径长度的间隔之前。

图5a和图5b示出了来自两个不同视图的、从这些经过变换和转变的路径产生的基本表面结构，并且例示了扭曲狭缝可如何被描述为通过立体长球体结构钻出的无数个孔的伪螺旋。孔各自开始于包含两个相等的半直径的平面中的长球体51的外周处，虽然钻孔以与水平xy平面成某个角度φ同时在水平xy平面中关于它们的起点成某个角度θ(相对于第一个孔的方向的角度)来进行。第一孔具有角度φ₀＝+φ_max和θ₀＝0；每个连续的孔具有角度：φ_n＝φ_n-1+dφ到φ_n＝-φ_max的极限值以及θ_n＝θ_n-1+dθ到θ_n＝2π-dθ的极限值，其中，dθ和dφ是无穷小角度步长。

控制狭缝的笛卡尔(x,y,z)端点52的方程在方程1-3中详细描述。它们被关联到x-y平面中圆周上的各个点上，由以x和y为变量的简单圆方程给出。

x(ρ，φ，θ)＝ρsinφcosθ [方程1]

y(ρ，φ，θ)＝ρsinφcosθ [方程2]

z(ρ，θ)＝ρcosθ [方程3]

其中：

ρ＝孔的长度

θ＝[0∶n∶2π]

在

中产生的代码给出了通过关联这些相同点所限定的穿过立体主体的一系列束线的起点和终点；将这些点扩展为具有半径和长度给出了可用于生成3-D计算机辅助设计(CAD)模型的立体表面的简化表示。所得到的起点和终点在长球体的表面上形成两个不同的孔。引起最终扭曲狭缝宽度的每个束线的半径可以变化以适应所需的准直程度。

发明人已经确定，在本发明的实施方式中，准直器可以用于在120°的立体角上扫描准直辐射束；可以在表1中找到完整的参数详细信息。

表1：给出准直器的初始参数的表，如用于生成模型的起点和终点的

代码中所使用的。

表中的参数为：pathLength，其为从圆周上的每个点到表面上的相对点的、长球体的直径(即，被准直通过的材料辐射的宽度)；numberOfPaths，其为(最终)圆柱形孔的起点和终点的数量；numberOfSpheroidRings限定了多少点被用于创建主体表面，尽管最终表面被显著减小以减少计算时间；greatestBeamAngle被用来限定与路径的x-y平面的最大和最小角度；而Opening Diameter是穿过立方体的路径的直径。

图3中所示的相同实验装置被用于确定准直器的扫描束实施方式的FoV，除了在这种情况下准直器33被放置在固定有LED 32的旋转台上之外。

由准直器的扫描束实施方式在距准直器的垂直轴～170mm处给出的FoV为(500+/-10)mm，其图像可以在图6中看到。这比立方体扭曲狭缝准直器的等效FoV大一个数量级。暗色斑块60是为了测试准直器的实施方式而选择的实验装置的人工制品。

图7示出了一组叠加的静止图像，所述图像例示了由扫描束准直器产生的光斑的大小和形状是恒定的，仅从最大角度到最小角度稍微不同。这对诸如X射线反向散射的成像应用是有益的，因为它将在整个图像上提供更均匀的照明，从而减少失真。

主波束FoV任一侧的、图6和图7中可以看到的两个光点来自在圆周处环绕内表面的边缘的光。斑点处于恒定的位置，因此可以通过图像处理或利用小的附加准直在最终系统中移除。

虽然已经描述了光学准直器，但是对于本领域技术人员显而易见的是，用于其它类型的辐射的准直器将通过其它材料和其它制造技术来制造。例如，3-D模型可以用于制造塑料模具，在所述塑料膜具中，可以铸造粉末状钨合金，无需复杂加工昂贵的固体钨块。长球体的形状可根据需要缩放以适于应用。

举例来说，假设圆周直径为50mm，在源的前方旋转的钨扫描束准直器的惯性矩比绕源旋转的铜飞轮小～100倍。这将减小所需的扭矩，并从而将功耗降低-16％。这些计算没有考虑转盘的阻力角动量，其可以进一步改善这种功率减小。

Claims (6)

1.一种用于提供来自至少一个辐射源的辐射的准直的准直器，所述准直器由辐射衰减材料形成，所述辐射衰减材料进一步限定具有第一孔和第二孔的扭曲狭缝，所述第一孔和所述第二孔被配置为提供从一个孔中的辐射入口点到另一个孔中的辐射出口点的一系列复合孔，所述扭曲狭缝填充有辐射透射材料，

其中，所述准直器基本上采用具有穿过所述准直器的最长尺寸的主轴的长球体的形式，所述第一孔在与所述主轴正交的平面中至少部分地绕所述长球体延伸，并且所述第二孔相对于所述主轴以螺旋形式至少部分地绕所述长球体延伸，使得从辐射入口点到辐射出口点并以预定角度穿过所述主轴的所有直接路径具有恒定的长度，以便提供恒定的准直效果。

2.根据权利要求1所述的准直器，所述准直器被配置为绕所述主轴旋转。

3.根据权利要求1或2所述的准直器，其中，所述第一孔包含凹部，所述凹部完全环绕所述长球体，所述凹部适于限制至少一个辐射源或检测器。

4.根据权利要求1或2所述的准直器，其中，所述辐射透射材料包括空气。

5.根据权利要求1或2所述的准直器，其中，所述辐射衰减材料包括钨。

6.一种生成扫描辐射束的方法，所述方法包括以下步骤：

提供根据权利要求1所述的准直器；

提供至少一个发散辐射源，所述至少一个发散辐射源相对于所述准直器静止地固定并且基本上被定位在所述第一孔内；以及

绕所述主轴旋转所述准直器，使得从所述至少一个发散辐射源的位置通过所述准直器的复合孔改变，由此生成扫描束。

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