CN110006926A - 在管探测器系统中校准x射线管的高压发电机的方法 - Google Patents

Abstract

用于在可预先确定的高压范围内校准X射线管的高压发电机的方法。引入滤光器组，其第一材料位于K边缘以外，而其第二材料的K边缘具有在X射线束的预定的高电压范围内。在X射线管的高压发电机处调节高压设定值并拍摄滤光器组的X射线图像。将滤光器组的其他X射线图像设置在其他高电压设定值。为每个特定的高电压设定值形成第一和第二材料的X射线图像信号之间的比率。基于高压发电机的设定来确定高压设定值，其中该比率具有极值。计算该高压设定值与第二材料的K边缘的值的差值。通过计算的差值校正高压设定值。

Description

在管探测器系统中校准X射线管的高压发电机的方法

本发明涉及一种在可预先确定的高压范围内、在管探测器系统中校准X射线管的高压发电机的方法。

在X射线管中，施加的高压限定了电子的动能，这随即限定了X射线的最大能量。由于具有增加的X射线能量的材料中X射线吸收较低，X射线的最大能量对辐射防护非常重要。铅厚度的设计基于最大可调高压。X射线管内的定心和聚焦也是基于高压而设定的，因此高压发电机正确设置高压是非常重要的。由于X射线管和高压发电机之间的高压测量分配器必须电连接，因此高压(例如，高压测量)的检查与高成本相关联。这通常意味着必须铺设两根高压电缆。这种测量结构代表了高转换成本。

本发明的目的是提供一种简单的装置，通过该装置可以在X射线管中检查所施加的高压。

该目的通过具有权利要求1的特征的方法来实现。这提供了具有以下步骤的校准程序：

a)在X射线管和X射线探测器之间的X射线束中引入具有至少两个由不同材料制成的滤光器的滤光器组，其中第一滤波器的第一材料的K边缘位于可预先确定的高压区域之外，而第二滤波器的第二材料的K边缘位于可预先确定的高压区域内；

b)在X射线管上设定所需的高电压值，并拍摄由X射线检测器设定的滤光器的X射线图像；

c)在X射线管上以高压的其他设定值取得滤波器组的进一步X射线图像；

d)针对高压的每个单独期望值，形成第一材料和第二材料的X射线图像中的信号之间的比率；

e)确定高电压设定值，在该设定值下，该比率具有极值；

f)计算该高压设定值与第二材料的K边缘值的差值；

g)通过计算的差值校正高压设定值。

这简化了测量过程，因为可以使用相同的仪器同时测量所需的信号。所使用的测量仪器可在标准X射线系统中使用。

由于使用(平面)检测器代替现有技术中已知的剂量计，因此有利的是X射线检测器的表面可以分成单独的区段，利用这些区段可以使用许多不同的(测试)滤光器-也显着地多于本发明的至少两个-直接放置在X射线探测器的前面，从而测试几个高压值而不必同时改变测量设置。事实上，代替了荧光信号，测量材料的传输信号-第一滤波器的传输信号-其边缘能量远离第二滤波器的边缘能量，其第二滤波器的K边缘在待测量的高电压范围内，与使用荧光信号时不同，不需要额外的屏蔽来将信号与散射辐射分开。另外，使用传输信号的结构比荧光信号需要更少的空间。在材料测试系统的小舱中，因此避免了必须找到能够以合适的屏蔽在适当距离处测量荧光信号的位置的问题。滤光器组尽可能靠近X射线探测器放置，使各个滤光器后面的信号尽可能少地重叠。因此，测量设置减少到四个部分和测量布置。根据本发明获得的信号是成比例的，并且电子的能量由比率曲线和相应滤波器的已知边缘能量来确定。

本发明的一个有利的改进方案提供了，在X射线管和X射线探测器之间引入用于X射线束的射束硬化的预滤器。这实现了信号改良，从而更准确地评估结果。

本发明的另一个有利的改进方案提供了，预滤器由铁、铜或铝制成。利用这些预滤器，可以硬化X射线，同时利用X射线探测器获得足够的亮度。射束硬化实现了信号改良，并因此快速检测光电效应，以更好地确定电子的最大能量并因此确定所施加的高电压。

本发明的另一有利实施例提供了，预滤器的厚度在0.1mm至10mm的范围内，优选地在0.1mm至3mm的范围内。预滤波器用于射束硬化，必须适应待测试的高压范围。在40kV范围内的电压下，不需要硬化，因为第一滤波器(也称为测试滤波器)和第二滤波器(也称为参考滤波器)吸收非常强烈。在90kV的电压范围内，具有2-3mm铁质预滤器显着改善了信号。

本发明的另一个有利的改进方案提供了，高压的设定值以升序或降序遍历。设置高电压值时无需来回跳转。

本发明的进一步有利的改进方案的滤光器组的第二材料选自以下一组材料：铀、钍、铋、铅、铊、汞、金、铂、铱、钨、钽、铒、钆、钕、铈、钡、碲、锡、银、钯、钼。这使得可以在约20kV至约120kV的电压范围内校准高压发电机。高压的测量精度小于±1％。

本发明的另一个有利的改进方案提供了，滤光器组具有来自第二材料组的另外的第二滤光器。使用的滤光器越多，高压范围就越大，其中可以在不更换滤光器组的情况下执行高压发电机的校准。

本发明的另一个有利的改进方案提供了，滤光器组的第一材料是铜。在8.98kV时，铜的K边缘远离第二滤光器材料的K边缘，其在进行校准的高电压值范围内。

本发明的另一个有利的改进方案提供了，滤光器组的至少一个滤光器的厚度在1μm至10mm的范围内，优选地在10μm至2mm的范围内。选择每个滤光器的厚度，使得相应滤光器后面的信号强度足够强。在低电压下，例如在40kV的范围内，需要非常薄的滤光器，厚度为几百微米，因为在这些能量下的X射线辐射仅具有小的穿透深度。在较高的电压下，例如80kV，必须使滤光器更厚。所选择的厚度通常为数百微米至几毫米。

将参考附图中所示的实施例来解释本发明的其他优点和细节。附图显示：

图1示出了用于执行本发明的方法的结构的示意图，

图2是用于执行本发明的方法的滤光器组的平面图，以及

图3示出了第一和第二滤光材料的吸收系数的图示。

首先，将参考图1和2简要描述用于执行本发明的X射线管1的高压发电机的校准方法的装置的结构。此后，将详细描述本发明的校准方法的实现。

图1显示了用于实施本发明的方法的示意性结构。X射线管1发射X射线束2，其能量和波长取决于实际施加到X射线管1的高压。在X射线束2中，布置有预滤器3，其用于射束硬化。在X射线检测器5的附近-在示例性实施例中为区域检测器-滤光器组4平行于X射线检测器5的表面布置。作为预滤器3，例如，可以使用厚度为2mm的铁板。

在X射线管中，施加的高压限定了电子的动能，这随即又限定了X射线的最大能量。由于具有增加的X射线能量的材料中X射线吸收较低，因此用于辐射防护的X射线的最大能量是非常重要的。由于X射线管1和高压发电机必须电连接到电压测量装置，因此高压检查目前与高成本相关。

图2示出了执行本发明的校准方法所需的滤光器组4的示例性实施例的平面图。关于由刚性材料(例如，碳、丙烯酸玻璃或碳纤维)制成的支撑板8，该材料尽可能对X射线束2透明，总共应用了由(部分)不同材料制成的12个滤光器。根据本发明的第一材料6是必要的，其K边缘9位于远离X射线束2的能量，其中，用于所述高压发电机的高电压值是待校准的。

在本实施例中，铜用作第一滤光器6的第一材料6a。其吸收系数显示在图2的右侧部分。铜的K边缘9的光子能量为8.98keV，远低于灰度显示的校准范围10。总的来说，存在由第一材料6a制成的六个第一滤光器6，它们沿着支撑板8的下边缘和右边缘布置。第一滤光器6的尺寸为25mm×25mm。

剩余的第二滤光器7由六种不同的第二材料7a-f，铅、钨、钆、金、铒和钕制成。第二材料7a-f在校准范围10内必须具有它们各自的K边缘的特性。从图3的左侧部分所示的吸收系数的曲线可以看出，铅作为第二材料7a，其K边缘9是88.0keV并且在灰色所示的校准区域10中；在较低的光子能量下，其它边缘远远超出该校准范围10。这同样适用于其他第二材料7b-f；它们各自的K边缘为金(第二材料7b)80.7keV、钨(第二材料7c)69.5keV、铒(第二材料7d)57.5keV、钆(第二材料7e)50.24keV和钕(第二材料7f)43.57keV。第二滤光器7具有与第一滤光器6相同的尺寸，即25mm×25mm。

在下文中，将更详细地讨论本发明的方法。为了执行本发明的校准方法，将滤光器组4放入X射线束2中，如图1所示。在完成校准程序后，将其从X射线束2中移除，以便不干扰设备的操作，例如，在铸件的无损检查中。

在高压发电机设定设定值之后，首先针对每个第一滤光器6(也称为参考滤光器)和每个第二滤光器7(也称为检查滤光器)的滤光器组4后面的传输信号。滤光器厚度和材料的确切限定取决于在实际施加的高电压下X射线束2的能量。在下文中，为简单起见，仅讨论具有第一材料6a(铜)和第二材料7a铅的滤波器6、7。所使用的这两种材料6a、7a的厚度例如对于铅为0.5mm，对于铜为2mm。施加的高压在预定增量的范围内变化，例如0.1kV。然后将测量的信号相对于彼此设置，并绘制为高电压的函数。确定比率曲线的最大值；这表示铅的K边缘9的能量。或者，可以从比率曲线确定大约两条直线：一条用于低于铅的K形边缘9的值，另一条用于高于铅的K形边缘9的值。这两条直线以对应于测试滤光器(第二滤光器7)的K边缘9的能量相交，即铅(88.005keV)。

当要在很宽的电压范围内，例如从40kV至95kV，高压发电机的校准是有用的，对于该电压范围的不同部分，不同的第二材料7a-7f与恒定的第一材料6a铜的比值，其相应的K边缘9处于当前遍历的电压范围内。首先，设定40kV的电压和10W的目标功率。在记录滤光器的传输信号之后，电压增加例如0.1kV-名义上在高压发电机处-并且重复传输信号的传输。这可以达到所需的最终电压。例如，在45kV至55kV的钆范围内(第二材料7e具有K边缘9为50.24keV)、从55kV到65kV的铒(第二材料7d具有K边缘9为57.49keV)、从65kV到75kV的钨(第二材料7c具有K边缘9为69.53keV)，从75kV到85kV的金(第二材料7b具有K边缘9为80.73keV)、从85kV到95kV的铅(第二材料7a具有K边缘9为88.00keV)。

然而，由此可以看出，本发明的方法在其可能的电压范围内受到限制，特别是在其上限方面。可以将铀作为第二过滤器7的材料；那么将达到约115kV的最高可测试高压。使用超铀滤光器扩展测量范围是可能的，但这没有意义，因为超铀的半衰期通常太短。

另外，还可以相对于不同的电压范围改变预滤器3。例如，对于65kV至75kV的电压范围，没有预滤器3可以使用，直到65kV至75kV的电压范围，则是由2mm铁制成的预滤器3以及由3mm铁制成的预滤器3。因此，实现了更好的射束硬化并且可以更快地检测光电效应。

根据本发明，仍然计算用于记录X射线图像的高压发电机的设定值(高电压的设定值)的差值，已经确定了，它属于所考虑的第二材料7a-f的K边缘9。最后，通过计算的差值校正高压发电机处的高电压的该设定值。

总之，可以说本发明的方法的基础是光电效应。在这种情况下，使用不同元素材料的特定吸收边缘(特别是K边缘9)以测量实际施加到高压发电机的高电压；这通常不同于名义上所指的高压。测量设备仅限于标准X射线系统(X射线探测器5和X射线管1)中存在的仪器。唯一的附加测量装置(除了用于射束硬化的可选预滤器3之外)是滤光器组4，其包含不同材料6a、7a-7f的过滤器6、7。测量各种滤波器6、7后面的信号，并根据这些测量数据确定施加到高压发电机的实际高压。通过从在高压发电机处设定的标称值减去确定的实际高压值，可以确定两个值之间的偏差并且可以执行高压发电机的校准。

本发明的方法提供了检查X射线系统的高压的良好可能性。与分压器方法相比的最大优点在于测量设备的便利性。分压方法中需要两个高压电缆、电压测量分频器和电压表，而所述滤光器组4具有尺寸为200mm×130mm×10mm、约300g的重量，在本发明的方法中易于储存和运输。其余的测量设备可在系统中使用。另一个很大的优点是滤光器组4不需要校准，因为K边缘9是在任何情况下都不会改变的材料常数。例如，即使当稀土氧化，在K边缘9的位置本身也没有变化。仅添加氧气的K边缘9。然而，由于这远离稀土的K边缘9，这不会影响测量。本发明的方法的另一个优点是：所需的附加装置，即每个系统中常见的滤光器组4，其中系统为目前市场上可以安装的系统。这将实现定期和全自动高压检查。从辐射防护的角度来看，这增加了舱室的安全性，因为用这种方法可以发现可能导致辐射泄漏的过高的故障电压。所获得的数据还可以用作高压发电机的故障或其他问题的早期指示。

附图标记列表

1 X射线管

2 X射线束

3 预滤器

4 滤光器组

5 X射线检测器

6 第一滤光器

6a 第一材料

7 第二滤光器

7a-f 第二材料

8 支撑板

9 K边缘

10 校准区域

Claims (9)

1.用于在预先确定的高压范围内的管检测器系统中校准X射线管(1)的高压发电机的方法，包括以下步骤：

a)将具有至少两个不同材料(6a、7a-f)的滤光器(6、7)的滤光器组(4)放入X射线管(1)和X射线探测器(5)之间的X射线束(2)中，其中第一滤光器(6)的第一材料(6a)的K边缘(9)位于可预先确定的高压区域之外，而第二滤波器(7)的第二材料(7a-f)的K边缘(9)位于可预先确定的高压区域内；

b)在X射线管(1)的高压发电机上设定所需的高压值，并通过X射线检测器(5)拍摄滤光器组(4)的X射线图像；

c)在X射线管(1)的高压发电机的其他高压设定值处进一步拍摄滤光片组(4)的X射线图像；

d)针对高压的每个单独期望值，形成第一材料(6a)和第二材料(7a-f)的X射线图像中的信号之间的比率；

e)基于高压发电机的设置，确定高压的设定值，其中所述比率具有极值；

f)计算所述高电压设定值与第二材料(7a-f)的K边缘(9)的值的差值；

g)通过计算的差值校正高压设定值。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，在X射线管(1)和X射线探测器(5)之间放入用于X射线束(2)的射束硬化的预滤器(3)。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述预滤器(3)由铁、铜或铝制成。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其中所述预滤器(3)的厚度在0.1mm至10mm的范围内，优选地在0.1mm至3mm的范围内。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述高电压的设定值以升序或降序遍历。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述滤光器组(4)的第二材料(7a-f)选自以下材料组：铀、钍、铋、铅、铊、汞、金、铂、铱、钨、钽、铒、钆、钕、铈、钡、碲、锡、银、钯、钼。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述滤光器组(4)还包括由所述第二材料组(7a-f)制成的第二滤光器(7)。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中滤光器组(4)的第一材料(6a)是铜。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述滤光器组(4)的滤光器(6、7)中的至少一个的厚度在1μm至10mm的范围内，优选地在10μm至2mm的范围内。