CN108445024A - 一种高速物体x射线实时成像系统及系统的成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速物体X射线实时成像系统及系统的成像方法，属于X射线成像领域，本发明通过具有脉冲式高频率的X射线源、图像增强器；快衰减时间的闪烁体、高速CCD相机及计算机的系统组合。以及利用该系统的成像方法。本发明能够对高速运动的物体进行实时成像，在极短时间内材料内部的变化情况，或者是终端弹道学的物理运动规律，可以观察到光学相机无法拍测到的物体运动，如炮弹几种目标的终端弹道的运动方式、材料收碰撞后的微观变化。

Description

一种高速物体X射线实时成像系统及系统的成像方法

技术领域

本发明属于X射线成像领域，涉及一种对高速运动物体的高速成像，具体是指一种高速物体X射线实时成像系统及系统的成像方法。

背景技术

与普通的成像技术相比，X射线成像技术有其特有的优势，特别是针对于普通光学相机无法拍摄到的事物。而目前的光学相机虽然可以对高速运动的物体进行高速成像，但是其仍有相当大的局限性。而结合X射线成像的特点，在现有技术中，依靠快衰减的闪烁体和可以进行高速成像的CCD相机，并通过像增强器，从而实现X射线高速成像。

当前X射线成像技术已经相当成熟，并且X射线成像的应用也相当广泛，在能量不高的情况下，对人体的伤害也在可接受的范围之内。目前X射线成像可应用与工业检伤、医学成像、安检等方面，并且可以达到较高的空间分辨率。

但是目前的X射线成像大多是针对一个运动缓慢甚至静止的物体进行成像，所得到的结果很难体现出时间特性，难以对高速运动的物体进行实时成像，例如在极短时间内材料内部的变化情况，或者是终端弹道学的物理运动规律等等，以往的X射线成像都很难捕捉到这一情形。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的问题，公开了一种高速物体X射线实时成像系统及系统的成像方法，本发明实时成像主要通过具有脉冲式高频率的X射线源、图像增强器；快衰减时间的闪烁体、高速CCD相机及计算机的系统组合，通过该发明可以观察到光学相机无法拍测到的物体运动，如炮弹几种目标的终端弹道的运动方式、材料收碰撞后的微观变化。

本发明是这样实现的：

一种高速物体X射线实时成像系统，其特征在于，所述的系统按照成像的流程依次包括：X射线源，图像增强器，透镜组合及高速CCD相机；X射线源发射出X射线穿过被照射物体进入图像增强器，其中的光线从图像增强器中传出进入透镜组合；所述的图像增强器（像增强器）位于X射线源、被照射物体所在的一条直线上，像增强器与X射线源的距离按照被照射物体所在的位置进行调整以保证被照射物体可以完全成像在像增强器上。

所述的图像增强器包括闪烁体、光阴极和微通道板；闪烁体分为第一部分闪烁体、第二部分闪烁体；第一部分闪烁体通过光阴极与微通道板耦合，微通道板与第二部分闪烁体耦合。第一部分闪烁体、第二部分闪烁体、微通道板高度相同，且高度可调节；第二部分闪烁体的种类与第一部分闪烁体相同。

所述的透镜组合包括全反射镜及具有放大功能的组合透镜，放大倍数与所选择的成像的空间分辨率有关，透镜组合与第一部分闪烁体位于同一高度；第二部分闪烁体种类与第一部分闪烁体相同或者在保证光衰减时间不超过实际需求的情况下选择光产额较高的闪烁体；第二部分闪烁体采用阵列式的原因与所述第一部分闪烁体采用阵列式结构的原因相同，即有利于提高成像空间分辨率；全反射镜将光路旋转，高速CCD相机则沿光路放置。

透镜组合起放大作用，可在一定程度上提高系统的空间分辨率；同时采用全反射镜的结构，可以避免X射线直接照射对CCD相机造成损坏。CCD相机与透镜组合需要紧密联合在一起，以避免外部光源对成像造成的影响。

进一步，所述的所述X射线源为同步辐射源，具体表现为锥形源。

X射线源产生脉冲式高频率X射线， X射线源发射的X射线能量为几十keV至几百keV，在一种可能的实现方式下，所要探测的物体体积小如研究材料受到碰撞后内部细微的变化， X射线源所发生的X射线能量为几十keV即可；在另一种可能的实现方式下，所要探测的物体体积大，如导弹击中坦克所发生的终端弹道学的物理规律，则需要的X射线能量要达到几百keV；根据被照物的不同选择不同的能量以达到X射线能够成功穿透被照物射入所述像增强器。

进一步，所述的第一部分闪烁体为光衰减时间短的阵列式闪烁体；光衰减时间为47~50ns。相当短的光衰减时间，配合高频率的X射线源可以达到在一秒内拍摄出上千张照片的目标。第一部分闪烁体采用阵列式有利于提高成像空间分辨率。所述的第二部分闪烁体为光产额大的闪烁体或者与第一部分闪烁体相同。

进一步，所述的第一部分闪烁体厚度为毫米量级；第一部分闪烁体用支架固定，支架高度可调节；第一部分的闪烁体选择BaF₂、CeBr₃、LuI₃:Ce或者LYSO。第二部分闪烁体用支架固定在与第一部分闪烁体相同高度，支架高度可调节。第一部分闪烁体将透过被照射物体的X射线第一次转化为可见光；但一般情况下，光衰减时间较短的闪烁体其光产额也比较低，无法满足成像的实际需求。针对这一问题，需要在保证光衰减时间短的情况下增加光产额。故需要用到光阴极与微通道板。

进一步，所述的光阴极为双碱式光阴极。双碱式光阴极主要作用是将可见光子转化为电子；第一部分闪烁体发出可见光子，可见光照射在光阴极上产生光电子。

进一步，微通道板主要起的是电子倍增的作用；微通道板的形状如一聚集了上百万个细微的平行空心玻璃管的薄圆片，每一空心管通道的作用犹如一个连续的打拿极倍增器，一般的薄片两端面镀有镍铬金属薄膜。外环为一圈镀有镍铬金属薄膜但没有通道的实体边，用于提供良好的端面接触以便施加电压；所述微通道板用支架固定与第一部分闪烁体相同高度，支架高度可调节。

进一步，所述的闪烁体均为阵列式，闪烁体阵列之间由硅填充。

进一步，所述的透镜组合由数个光学透镜组成，透镜组合中每个透镜由支架固定，所述透镜组合与第一部分闪烁体固定在同一高度上；所述透镜组合起放大成像作用，具体放大倍数可根据实际情况选择，利用透镜组合可提高成像空间分辨率。

本发明还公开了高速物体X射线实时成像系统的成像方法，系统成像方法具体如下：

步骤一：首先搭建平台，将X射线源、图像增强器和透镜组合摆放在同一条直线，同一高度上，并将高速CCD相机放置在全反射镜反射的光路方向；高速CCD相机与透镜组合为一体化；

步骤二：打开X射线源，根据闪烁体的光衰减时间选择对应的X射线源发射的X射线的频率，使二者相匹配；

步骤三：选择完X射线的频率之后，打开高速CCD相机，并打开计算机上的软件，调整并选择CCD相机的拍摄速率；

步骤四：选择完CCD相机拍摄速率后将X射线源关闭，将被照射的被照射物体放置在X射线源与图像增强器之间，被照射物体的高度和图像增强器保持在同一高度；

步骤五：调整好被照射物体的高度之后，首先打开X射线源，同时观察计算机上是否得到CCD相机传输来的拍摄得到的图像；如果有的话，则进行下一步；如果没有则重复步骤一到步骤四至调出图像为止，在计算机上收集得到图像。

进一步，所述的光路方向为90度方向。

进一步，该方法还可以应用于研究高功率激光照射下的材料内部变化规律，具体步骤如下：

步骤一：首先搭建平台，将X射线源、图像增强器和透镜组合摆放在同一条直线，同一高度上，并将高速CCD相机放置在全反射镜反射的光路方向；高速CCD相机与透镜组合为一体化；

步骤二：打开X射线源以及激光源（利用激光源只是一种引起被照射物体内部形变的方式之一，激光的频率是和被照射物体的内部形变相关，除激光之外也可以采用敲击的方式。采用激光源可以更好的对能量进行一个定量化的计算。）根据闪烁体的光衰减时间选择对应的X射线源发射的X射线的频率、激光源发射的激光的频率，使三者相匹配；

步骤三：选择完X射线的频率、激光的频率之后，关闭高功率激光源，并打开高速CCD相机，并打开计算机上的软件，调整并选择CCD相机的拍摄速率；

步骤四：选择完CCD相机拍摄速率后将X射线源关闭，将被照射的被照射物体放置在X射线源与图像增强器之间，被照射物体的高度和图像增强器保持在同一高度；

步骤五：调整好被照射物体的高度之后，首先打开X射线源，同时观察计算机上是否得到CCD相机传输来的拍摄得到的图像；如果有的话，则进行下一步；如果没有则重复步骤一到步骤四至调出图像为止。

步骤六：在计算机上得到所成的图像之后打开高功率激光源，调节激光源的频率并发射激光照射在被照射物体上；

步骤七：在计算机上收集得到的图像；并进行处理；

步骤八：得到图像后，先关闭激光源，再关闭X射线源，最后关闭CCD相机，最后收起装置；

步骤九：整理拍摄得到的照片，对比得出被照射物体在被高功率激光照射下的内部变化规律。

本发明相比较与现有技术的有益效果在于：

1）本发明采用脉冲式高频率X射线源，可以在每一次脉冲进行一次对观测物体的快速照射，可以有效的将时间间隔极短的物体信息通过穿过的X射线裹挟而出；

2）本发明采用快速闪烁体与微通道板耦合的方式，解决闪烁体光衰减时间短但是光产额低的问题，闪烁光通过光阴极产生的光电子在微通道板中经过电子倍增再打到所述第二部分闪烁体上，可以有效的提高可见光亮度；

3）本发明采用透镜组合及全反射镜，可以对成像进行放大，从而提高成像的空间分辨率；全反射镜可以使光路呈L型，可以达到保护CCD相机的目的；

4）本发明利用高速CCD相机，可以对产生的闪烁光进行快速成像，相机体积不大，方便携带；

5）利用本发明的系统以及方法，当前高速成像可按照成像速率分为50-500帧的highspeed区、500-100000的very high speed区、100000-10⁷的ultra high speed区和高于10⁷的super high speed区，本发明的成像速率属于ultra high speed，可基本满足特定条件下的X射线成像；

6）本发明结构简单，搭建方便，具体的元器件体积大小可以按照成像要求选择。

附图说明

图1是本发明高速物体X射线实时成像系统的结构示意图；

图2是本发明高速物体X射线实时成像系统成像方法示意图；

图3是本发明的图像增强器结构示意图；

图4是本发明实施例的阵列式闪烁体的结构示意图；

图5是本发明受到高功率激光照射下的材料内部变化规律的系统结构示意图；

其中，3.1-第一部分闪烁体，3.2-光阴极，3.3-微通道板，3.4-第二部分闪烁体。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚，明确，以下参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当指出此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的系统可应用于微观和宏观的高速运动物体的快速成像，空间分辨率可在微米至毫米量级间自行选择。

图1是本发明的高速成像系统的结构示意图。高速成像装置包括：X射线源（同步辐射源）、图像增强器、透镜组合（包括全反射镜）、高速CCD相机和计算机信息处理部分。高速CCD相机选择日本生产的高速CCD相机，型号可选择Hyper Vision HPV-X2，其最快拍照速率可达到上万帧每秒。

图2是根据本发明的成像方法的流程示意图。首先X射线源选择的是同步辐射源，同步辐射源相对于其他的X射线源而言，首先其具有很好的空间相称性、高频脉冲性并且发射出的X射线能量可以较为精准的确定；所述X射线源为同步辐射源，具体表现为锥形源，其角度可以根据实际情况进行选择。X射线源发射出一定能量的X射线穿过被照射物体进入像增强器（图像增强器），像增强器位于X射线源和样品所在的一条直线上。像增强器与X射线源的距离可以按照光束传播的方向按需要进行调整。可见光从像增强器中传出进入所述透镜组合，

透镜组合由数个光学透镜组成，透镜组合中每个透镜由支架固定，透镜组合与第一部分闪烁体3.1固定在同一高度上；透镜组合起放大成像作用，具体放大倍数可根据实际情况选择，利用透镜组合可提高成像空间分辨率；透镜组合包括全反射镜，全反射镜可以改变光路的传输路径，可以将X射线和可见光分离，因为X射线穿透性较强，可以穿过全反射镜而可见光则则反射镜面发生全反射，从而达到分离的目的，如图1所示，全反射镜将光路旋转90度。高速CCD相机（CCD相机）沿着光路放置，并进行拍照，最后将得到的拍摄照片传入计算机内进行处理。

图3是图像增强器的具体结构示意图，如图3所示，所述图像增强器由第一部分闪烁体3.1、第二部分闪烁体3.4、光阴极3.2和微通道板3.3组成，其中：

第一部分闪烁体3.1为光衰减时间短的阵列式闪烁体，光衰减时间为47~50ns。第一部分闪烁体3.1采用阵列式有利于提高成像空间分辨率；第一部分闪烁体3.1的厚度为毫米量级；第一部分闪烁体3.1用支架固定在一定高度，支架高度可调节；第一部分闪烁体3.1将透过被照射物体的X射线第一次转化为可见光；第一部分的闪烁体3.1可以选择BaF₂、CeBr₃、LuI₃:Ce或者LYSO等等；但一般情况下，光衰减时间较短的闪烁体其光产额也比较低，无法满足成像的实际需求，故此需要用到光阴极和微通道板；光阴极为双碱式光阴极，双碱式光阴极相对于普通的光阴极具有较高的量子效率，可以较大程度的利用所述第一部分闪烁体3.1所发出的荧光，主要作用是将可见光子转化为光电子；第一部分闪烁体3.1发出可见光子，可见光照射在光阴极3.2上产生光电子；第一部分闪烁体3.1通过所述光阴极3.2与所述微通道板3.3耦合，微通道板主要起的是电子倍增的作用；所述微通道板的形状如一聚集了上百万个细微的平行空心玻璃管的薄圆片，每一空心管通道的作用犹如一个连续的打拿极倍增器，一般的薄片两端面镀有镍铬金属薄膜。外环为一圈镀有镍铬金属薄膜但没有通道的实体边，用于提供良好的端面接触以便施加电压；微通道板3.3用支架固定在与第一部分闪烁体3.1相同高度，支架高度可调节；所述微通道板3.3与第二部分闪烁体3.4耦合；第二部分闪烁体3.4的种类与第一部分闪烁体3.1相同或者在保证光衰减时间不超过实际需求的情况下选择光产额较高的闪烁体；第二部分闪烁体3.4采用阵列式的原因与第一部分闪烁体3.1采用阵列式结构的原因相同；第二部分闪烁体3.4用支架固定在与第一部分闪烁体3.1相同高度，支架高度同样可调节；需要注意的是所述第一部分闪烁体3.1、光阴极3.2、微通道板3.3和所述第二部分闪烁体3.4耦合的距离越短越好，紧紧贴近最佳，这有利于减少粒子在像增强器中的渡越时间，从而提高时间分辨率。

图4是第一部分闪烁体3.1、第二部分闪烁体3.4的阵列式的示意图，闪烁体型号可能不同但结构基本相同，每一部分的闪烁体均为阵列式，图4中方孔代表的是闪烁体， 孔与孔之间由硅填充，使用硅的原因是因为在孔壁较薄的情况下容易产生光串扰，而使用硅则可以减少折射从而减少因为发生光串扰而导致的空间分辨率变差的情况。

图5所示用于研究受到高功率激光照射下的材料内部变化规律的结构示意图，。下面将结合图5 进行详细的操作步骤介绍。

步骤一：首先搭建平台，将X射线源、成像探测器和透镜组合摆放在同一条直线，同一高度上，并将CCD相机放置在全反射镜反射的光路方向，这里选择的是90度方向；CCD相机与透镜为一体化；

步骤二：做好防护措施，打开X射线源和激光源，根据闪烁体的光衰减时间选择合适的X射线源发射的X射线的频率和激光源发射的激光的频率，使三者相匹配；

步骤三：选择完合适的频率之后，关闭高功率激光源，并打开CCD相机，并打开计算机上的软件，开始进行简单调整并选择CCD相机的拍摄速率；

步骤四：选择完CCD相机拍摄速率后将X射线源关闭，将被照射的材料（样品）放置在X射线源与图像增强器之间，被照射材料的高度和图像增强器保持在同一高度；

步骤五：调整好被照射材料的高度之后，首先打开X射线源，同时观察计算机上是否得到CCD相机传输来的拍摄得到的图像；如果有的话，则进行下一步；如果没有则重复步骤一到步骤四至调出图像为止；

步骤六：在计算机上得到所成的图像之后打开高功率激光源，按照之前挑好的频率发射激光照射在被照射材料上；

步骤七：在计算机上收集得到的图像；并进行处理；

步骤八：得到图像后，先关闭激光源，再关闭X射线源，最后关闭CCD相机，最后收起装置；

步骤九：整理拍摄得到的照片，对比可得出材料在被高功率激光照射下的内部变化。

Claims (10)

1.一种高速物体X射线实时成像系统，其特征在于，所述的系统按照成像的流程依次包括：X射线源，图像增强器，透镜组合及高速CCD相机；

X射线源发射出X射线穿过被照射物体进入图像增强器，其中的光线从图像增强器中传出进入透镜组合；

所述的图像增强器位于X射线源、被照射物体所在的一条直线上，像增强器与X射线源的距离按照被照射物体所在的位置进行调整，调整至以被照射物体可以完全成像在像增强器上；

所述的图像增强器包括闪烁体、光阴极（3.2）和微通道板（3.3）；闪烁体分为第一部分闪烁体（3.1）、第二部分闪烁体（3.4）；第一部分闪烁体（3.1）通过光阴极（3.2）与微通道板（3.3）耦合，微通道板（3.3）与第二部分闪烁体（3.4）耦合；

第一部分闪烁体（3.1）、第二部分闪烁体（3.4）、微通道板（3.3）高度相同，且高度可调节；第二部分闪烁体（3.4）的种类与第一部分闪烁体（3.1）相同； 所述的透镜组合包括全反射镜及组合透镜，透镜组合与第一部分闪烁体（3.1）位于同一高度；全反射镜将光路旋转，高速CCD相机则沿光路放置。

2.根据权利要求1所述的一种高速物体X射线实时成像系统，其特征在于，所述的所述X射线源为同步辐射源，具体表现为锥形源。

3.根据权利要求1所述的一种高速物体X射线实时成像系统，其特征在于，所述的第一部分闪烁体（3.1）为光衰减时间短的阵列式闪烁体；光衰减时间为47~50ns；第二部分闪烁体（3.4）为光产额大的闪烁体或者与第一部分闪烁体相同。

4.根据权利要求1所述的一种高速物体X射线实时成像系统，其特征在于，所述的第一部分闪烁体（3.1）厚度为毫米量级；第一部分闪烁体（3.1）用支架固定，支架高度可调节；第一部分的闪烁体（3.1）选择BaF₂、CeBr₃、LuI₃:Ce或者LYSO。

5.根据权利要求1所述的一种高速物体X射线实时成像系统，其特征在于，所述的光阴极（3.2）为双碱式光阴极。

6.根据权利要求1所述的一种高速物体X射线实时成像系统，其特征在于，所述的微通道板（3.3）的形状为聚集了若干个细微的平行空心玻璃管的薄圆片，薄片两端面镀有镍铬金属薄膜；外环为一圈镀有镍铬金属薄膜但没有通道的实体边；所述微通道板（3.3）用支架固定与第一部分闪烁体（3.1）相同高度，支架高度可调节；且闪烁体均为阵列式，闪烁体阵列之间由硅填充。

7.根据权利要求1所述的一种高速物体X射线实时成像系统，其特征在于，所述的透镜组合由数个光学透镜组成，每个透镜由支架固定，与第一部分闪烁体（3.1）固定在同一高度上。

8.根据权利要求1~7任一所述的高速物体X射线实时成像系统的成像方法，其特征在于，所述的系统成像方法具体如下：

步骤一：首先搭建平台，将X射线源、图像增强器和透镜组合摆放在同一条直线，同一高度上，并将高速CCD相机放置在全反射镜反射的光路方向；高速CCD相机与透镜组合为一体化；

步骤二：打开X射线源，根据闪烁体的光衰减时间选择对应的X射线源发射的X射线的频率，使二者相匹配；

步骤三：选择完X射线的频率之后，打开高速CCD相机，并打开计算机上的软件，调整并选择CCD相机的拍摄速率；

步骤四：选择完CCD相机拍摄速率后将X射线源关闭，将被照射的被照射物体放置在X射线源与图像增强器之间，被照射物体的高度和图像增强器保持在同一高度；

步骤五：调整好被照射物体的高度之后，首先打开X射线源，同时观察计算机上是否得到CCD相机传输来的拍摄得到的图像；如果有的话，则进行下一步；如果没有则重复步骤一到步骤四至调出图像为止，在计算机上收集得到图像。

9.根据权利要求8所述的高速物体X射线实时成像系统的成像方法，其特征在于，所述的光路方向为90度方向。

10.根据权利要求8所述的高速物体X射线实时成像系统的成像方法，其特征在于，该方法还可以应用于研究高功率激光照射下的材料内部变化规律，具体步骤如下：

步骤一：首先搭建平台，将X射线源、图像增强器和透镜组合摆放在同一条直线，同一高度上，并将高速CCD相机放置在全反射镜反射的光路方向；高速CCD相机与透镜组合为一体化；

步骤二：打开X射线源以及激光源（或者其他能够引起被照射物体内部形变的方式），根据闪烁体的光衰减时间选择对应的X射线源发射的X射线的频率、激光源发射的激光的频率，使三者相匹配；

步骤三：选择完X射线的频率、激光的频率之后，关闭高功率激光源，并打开高速CCD相机，并打开计算机上的软件，调整并选择CCD相机的拍摄速率；

步骤四：选择完CCD相机拍摄速率后将X射线源关闭，将被照射的被照射物体放置在X射线源与图像增强器之间，被照射物体的高度和图像增强器保持在同一高度；

步骤五：调整好被照射物体的高度之后，首先打开X射线源，同时观察计算机上是否得到CCD相机传输来的拍摄得到的图像；如果有的话，则进行下一步；如果没有则重复步骤一到步骤四至调出图像为止；

步骤六：在计算机上得到所成的图像之后打开高功率激光源，调节激光源的频率并发射激光照射在被照射物体上；

步骤七：在计算机上收集得到的图像；并进行处理；

步骤八：得到图像后，先关闭激光源，再关闭X射线源，最后关闭CCD相机，最后收起装置；

步骤九：整理拍摄得到的照片，对比得出被照射物体在被高功率激光照射下的内部变化规律。