CN113866978B - 一种用于高能射线的脉冲调制装置及斩波片结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于高能射线的脉冲调制装置及斩波片结构，包括围绕中心块均匀环绕固定的多组扇形的斩波叶片，斩波叶片上设置有用于阻挡高能射线的阻挡层，相邻的斩波叶片之间设有空置区，阻挡层采用有屏蔽高能射线作用的金属材料、防穿透性辐射的材料，本发明通过使用有屏蔽高能射线作用的金属材料、防穿透性辐射的材料作为阻挡层，来与斩波叶片相相结合的形式，实现高能射线的间歇性斩断，不仅能够解决单使用有屏蔽高能射线作用的金属材料、防穿透性辐射的材料作为斩波叶片时，因材料的质地较软，叶片在高速转动过程中易变形、易折断的缺陷，同时又能兼顾斩波叶片的厚度，使其能在相对较薄的情况下，对光焦点的精确斩断，实现调制波形的控制。

Description

一种用于高能射线的脉冲调制装置及斩波片结构

技术领域

本发明涉及一种机械调制光学斩波器，尤其是一种用于高能射线的脉冲调制装置及斩波片结构。

背景技术

光学斩波器是一种能够把连续光调制成脉冲光的装置，其原理是：在一定时间内使连续光通过，另外的时间内使连续光不通过，使用这种方式将连续光切割为脉冲光。可以通过确定光通过的时间与不通过的时间和斩波器的斩波频率来确定光波调制后的平均光强、脉冲持续时间和脉冲间隔等参数。这种装置广泛应用于激光调制系统、测量系统或者激光加工系统中。高能射线(例如X射线)的调制可分为机械调制、模拟调制和数字调制。模拟调制方法的缺点是调制精度较低、无法准确反映光子的到达时刻。数字调制方法的缺点是研制实现难度较大、工艺水平要求较高。机械调制相比模拟调制和数字调制的优势在于，采用机械结构遮挡的方式进行X射线的脉冲调制，实现难度较小，调制方式便捷。但是现有技术中，利用光学斩波器通常被用来调制可见光与近红外光，并没有针对X射线的调制功能。虽然利用传统的机械遮挡的方式(如斩波器)从原理上可以实现将连续的高能射线调制成脉冲光，但是就X射线等具有极高穿透特性的高能射线而言，无法使用常规材料进行调制。

如专利一种光学斩波器、光调制系统及其进行光调制的方法(公告号为CN106291916B)其中光学斩波器包括：固定件，固定件具有周面；多个凸起，位于周面上呈间隔排布，凸起具有朝向光线入射方向的第一表面；反射层，覆盖凸起的第一表面。本发明技术方案在位于固定件周面上的多个凸起表面设置反射层。本发明利用反射原理，在进行光调制时，凸起表面的反射层将大部分光能反射，能够有效减少凸起吸收的能量。在大功率光照条件下，凸起吸收能量的减少，能够有效保护凸起不被烧坏，从而减少光学斩波器受损现象的出现。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于高能射线的脉冲调制装置及斩波片结构，通过使用有屏蔽高能射线作用的金属材料或防穿透性辐射的材料作为阻挡层，来与斩波叶片相结合的形式，实现高能射线的间歇性斩断，不仅能够解决单使用有屏蔽高能射线作用的金属材料或防穿透性辐射的材料作为斩波叶片时，因有屏蔽高能射线作用的金属材料或防穿透性辐射的材料的质地较软，叶片在高速转动过程中易变形、易折断的缺陷，同时又能兼顾斩波叶片的厚度，使其能在相对较薄的情况下，对光焦点的精确斩断，实现调制波形的控制。

本发明提供了如下的技术方案：

一种用于高能射线斩波片结构，包括围绕中心块均匀环绕固定的多组扇形的斩波叶片，斩波叶片上设置有用于阻挡高能射线的阻挡层，且相邻的斩波叶片之间设有用于通过高能射线的空置区，阻挡层采用有屏蔽高能射线作用的金属材料或防穿透性辐射的材料。

优选的，有屏蔽高能射线作用的金属材料可以为铅、钽，防穿透性辐射的材料可以为含铅玻璃、橡胶、石墨、改性聚乙烯、聚氯乙烯。

优选的，斩波叶片上开设有一容纳槽，阻挡层铺设固定在容纳槽内，容纳槽为U形，且其U形的一侧固定在中心块外，另一侧固定于一加固圈内，且加固圈上设置有多组弧形的叶片槽，叶片槽沿轴向贯穿加固圈，且叶片槽的两端延伸至相邻的两组斩波叶片的内侧边缘，用以供光电门的线性光源通过，且加固圈的设置，配以均匀分布在中心块外的斩波叶片，也解决了斩波叶片边缘由于厚度较薄的原因，在实际加工与使用时易出现偏折，而导致光电门测量频率不够准确或频率漂移等问题。

优选的，斩波叶片上固定有容纳腔，容纳腔内封装有阻挡层。

优选的，空置区设置有用于加强连接在相邻的两组斩波叶片之间的加强部。

优选的，加强部为与斩波叶片组合形成圆板的扇形，且斩波叶片外端向外沿径向延伸出一弧形的延伸部，延伸部的弧长与容纳腔的内腔边缘两端弧长相同，且延伸部上固定有抵接限位在容纳腔端部的横梁。

优选的，横梁的顶面为由斩波叶片中心朝向斩波叶片边缘向下倾斜的斜坡型或为与斩波叶片平行设置。

优选的，斩波叶片、加固圈的材料可以为不锈钢、弹簧钢、铝、铜、塑料或聚四氟乙烯聚合物。

优选的，加强部、容纳腔的材料可以为不锈钢、弹簧钢、铝、铜、塑料或聚四氟乙烯聚合物。

基于上述一种用于高能射线的斩波片结构的脉冲调制装置，包括：

斩波片结构，斩波片结构如上述本发明的一种用于高能射线的斩波片结构；

斩波座，斩波座包括底座、支架、叶片连接件和光电门，底座上通过支架固定有叶片连接件，中心块转动连接在叶片连接件内，且与旋转驱动部的旋转轴驱动连接，底座上安装有则用于测量斩波叶片的转动频率。

本发明的有益效果是：

1、本发明的斩波叶片的边缘通过横梁或加固圈固定，从而能有效地改善斩波叶片厚度较薄导致变形，进而避免了因为斩波叶片边缘过薄导致的光电门测量频率不够准确或频率漂移等问题；

2、本发明提出了利用斩波叶片的U形容纳槽放置有屏蔽高能射线作用的金属材料、防穿透性辐射的材料作为阻挡层，从而可有效地改善有屏蔽高能射线作用的金属材料、防穿透性辐射的材料质地软，不易做成阻挡叶片的缺点，使斩波叶片既有稳定的厚度来阻挡高能射线，又能避免因为有屏蔽高能射线作用的金属材料、防穿透性辐射的材料的形变导致的阻挡失败现象；

3、相对于传统的光学调制器，X射线光学斩波器采用高速旋转的特殊斩波叶片，由于槽数选择可以有多种，因此对应的高能射线斩波频率可以在1～10KHz之间。且通过调整阻挡层和空置区的数量和比例，可以提升可调斩波器的调制精度，通过选择多种槽数比的斩波叶片进行斩波，从而不仅能够有效地解决X射线穿透性强的问题，而且也使得调制器不容易被高光功率损伤；

4、本发明的高能射线阻挡调节装置结构简单，体积小节省空间，构造成本较低，同时遮挡材料的选择也保证了高能射线的阻挡效果，可靠性高，构造成本低。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是实施例1中本发明的结构示意图；

图2是实施例2中本发明的结构示意图；

图中的标记：1为中心块，2为斩波叶片，3为空置区，4为容纳槽，5为加固圈，6为叶片槽，7为加强部，8为容纳腔，9为延伸部，10为横梁。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，一种用于高能射线的斩波片结构的结构示意图，在本实施例中，包括围绕中心块1均匀环绕固定的多组扇形的斩波叶片2，斩波叶片2上设置有用于阻挡高能射线的阻挡层，且相邻的斩波叶片2之间设有用于通过高能射线的空置区3，阻挡层采用有屏蔽高能射线作用的金属材料、防穿透性辐射的材料，且在本实施例中所采用的的阻挡层为铅材料层。

斩波叶片2上开设有一容纳槽4，铅材料层铺设固定在容纳槽4内。

容纳槽4为U形，且其U形的一侧固定在中心块1外，另一侧固定于一加固圈5内，且加固圈5上设置有多组弧形的叶片槽6，叶片槽6沿轴向贯穿加固圈5，且叶片槽6的两端延伸至相邻的两组斩波叶片2的内侧边缘，用以供光电门的线性光源通过，且加固圈5的设置，配以均匀分布在中心块1外的斩波叶片2，也解决了斩波叶片2边缘由于厚度较薄的原因，在实际加工与使用时易出现偏折，而导致光电门测量频率不够准确或频率漂移等问题。

斩波叶片2、加固圈5的材料可以为不锈钢、弹簧钢、铝、铜、塑料或聚四氟乙烯聚合物。

基于上述一种用于高能射线的斩波片结构的脉冲调制装置，包括：

斩波片结构，斩波片结构如上述本发明的一种用于高能射线的斩波片结构；

斩波座，斩波座包括底座、支架、叶片连接件和光电门，底座上通过支架固定有叶片连接件，中心块1转动连接在叶片连接件内，且与旋转驱动部的旋转轴驱动连接，底座上安装有则用于测量斩波叶片2的转动频率。

其中旋转驱动部可使用电机和主机箱进行斩波测试，主机箱是电子控制系统，由显示界面、电机、中央控制模块、操作面板组成，电机在主机箱电机驱动的驱动下来带动斩波叶片2绕中心块1所在中心轴旋转，其作为稳定的频率源为斩波叶片2提供稳定的频率驱动，可以通过改变电机两端的电压从而改变电机的转动速度，电机的额定电压范围是0～12V，符合极性的电压就可以使电机转动，电机的转速与电压值成一定的比例关系，控制电压越大，电机速度越快。

中央控制模块负责发出相应的控制信号，控制电机转动特定角度；

电机驱动按照中央控制模块发出的控制信号驱动电机旋转，为描述方便，本实施例中使用步进电机作为驱动电机，但本发明不限于使用步进电机；步进电机直接带动固定占空比斩波叶片2旋转，为方便描述，本实施例中的固定占空比斩波叶片2，共6片扇叶，每个扇叶的张角为30度，两个扇叶中的间隙张角也为30度，但本发明不限于使用上述斩波叶片2；

操作面板通过液晶显示器来控制和设置斩波器的功能，配合前面板的控制旋钮，通过旋转和按下操作即可实现功能；

从频率控制方面来说，在控制电机的电路上有两个光电门，可以检测到斩波叶片2的转动频率，每个光电门的其中一端是线性光源，另一端是光敏电阻，当光从叶片槽6中透过，射到光敏电阻上时，光电门的输出端是低电平，当光线被旋转的斩波片结构阻挡时，光电门输出高电平。光电门的输出信号经过单路施密特触发反相器闸后反相，作为反馈信号传回主机箱。当叶片稳定转动时，光电门的输出电压波形为规则方波。

光电门的输出信号频率就是斩波叶片2的转动频率，将这个信号传回主控芯片，测量其频率就可以得到电机的转速，电信号的频率测量则利用定时计数器来实现，使用两个定时计数器，T1计数器的作用是数脉冲个数，以上面所说的输出信号的上升沿或下降沿作为时钟源，当计数到n时产生中断，所以电机频率反馈信号要接到主控芯片的T1外部计数器输入口，T2则作为计时器使用，当T1启动开始数脉冲，T2也同时启动计时，当数到n个脉冲，T1产生中断，此时，利用T2计算n个脉冲所用的时间，这样就可以算出每个脉冲的时间，得到电机转动的频率。

如图1所示，斩波叶片2为共6片扇叶的固定占空比叶片，设其厚度为X毫米。为了避免由于旋转时离心对斩波器的影响，斩波叶片2不宜太重，因此需要尽可能减小斩波叶片2的厚度，同时，由于铅材料层质地的特性，直接作为扇叶的主要材料会因厚度过小导致扇叶产生形变，因此不能仅使用铅材料层，解决方案中，在每个扇叶开一个深度为X/2毫米的材料容纳槽4，铅制阻挡层通过该容纳槽4固定在阻挡层扇叶中，材料容纳槽4为扇形凹槽。

所述斩波叶片2通过叶片连接件安装于支架处，通过铅制阻挡层调制高能射线，对于高能射线的阻挡是可调的，通过每片扇叶容纳阻挡层与否来控制斩波片的阻挡占空比。

实施例2

如图2所示，一种用于高能射线的斩波片结构的结构示意图，在本实施例中，包括围绕中心块1均匀环绕固定的多组扇形的斩波叶片2，斩波叶片2上设置有用于阻挡高能射线的阻挡层，且相邻的斩波叶片2之间设有用于通过高能射线的空置区3，阻挡层采用有屏蔽高能射线作用的金属材料、防穿透性辐射的材料，且在本实施例中所采用的的阻挡层为铅材料层。

空置区3设置有用于加强连接在相邻的两组斩波叶片2之间的加强部7。斩波叶片2上固定有容纳腔8，容纳腔8内封装有上述为铅材料层的阻挡层，从而使得阻挡层材料更易固定，斩波叶片的有效阻挡范围为容纳腔的内腔边沿。

加强部7为与斩波叶片2组合形成圆板的扇形，且斩波叶片2外端向外沿径向延伸出一弧形的延伸部9，延伸部9的弧长与容纳腔8的内腔边缘两端弧长相同，且延伸部9上固定有抵接限位在容纳腔8端部的横梁10。横梁10的顶面为由斩波叶片2中心朝向斩波叶片2边缘向下倾斜的斜坡型或为与斩波叶片2平行设置，加强部7、容纳腔8的材料可以为不锈钢、弹簧钢、铝、铜、塑料或聚四氟乙烯聚合物。

其中，容纳腔8需要在铅材料层压入之后进行封装，借助铅质材料质地较软的特点，使容纳层填充更紧密，阻挡效果更好。图2中展示了斩波叶片2边缘延伸部9与容纳腔8的内腔边缘宽度一致，使斩波叶片2边缘延伸部9在通过光电门进行频率测量的同时保证高能射线阻挡时间与光电门阻挡时间一致。斩波叶片2边缘由于厚度较薄的原因，在实际加工与使用时易出现偏折的情况，因此采用从容纳腔8外边缘到叶片边缘的横梁10进行加固。横梁10在每片扇叶上为对称分布。

安装时，将铅制阻挡层置于扇叶的扇形滑槽上，并将扇叶尾部固定，以防止铅制阻挡层滑出扇形滑槽；电机驱动启动时，高能射线斩波器通过铅层阻挡层控制高能射线的通过或遮挡，使连续的高能射线信号调整成不连续的高能射线信号。随着叶片的旋转，高能射线被叶片遮挡或者通过相邻叶片的间隙，从而形成脉冲射线。同时，通过控制铅制阻挡层的占空比，铅制阻挡层位于同侧或异侧，能够更精确地调整可调斩波器的调制效果。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于高能射线的斩波片结构，其特征在于，包括围绕中心块均匀环绕固定的多组扇形的斩波叶片，所述斩波叶片上设置有用于阻挡高能射线的阻挡层，且相邻的所述斩波叶片之间设有用于通过高能射线的空置区，所述阻挡层采用有屏蔽高能射线作用的金属材料或防穿透性辐射的材料；

所述斩波叶片上开设有一容纳槽，所述阻挡层铺设固定在所述容纳槽内，所述容纳槽为U形，且其U形的一侧固定在中心块外，另一侧固定于一加固圈内，且所述加固圈上设置有多组弧形的叶片槽，所述叶片槽沿轴向贯穿所述加固圈，且所述叶片槽的两端延伸至相邻的两组斩波叶片的内侧边缘，用以供光电门的线性光源通过。

2.根据权利要求1所述的一种用于高能射线的斩波片结构，其特征在于，所述有屏蔽高能射线作用的金属材料可以为铅或钽，所述防穿透性辐射的材料可以为含铅玻璃或橡胶或石墨或改性聚乙烯或聚氯乙烯。

3.根据权利要求1所述的一种用于高能射线的斩波片结构，其特征在于，所述斩波叶片上固定有容纳腔，所述容纳腔内封装有阻挡层。

4.根据权利要求3所述的一种用于高能射线的斩波片结构，其特征在于，所述空置区设置有用于加强连接在相邻的两组斩波叶片之间的加强部。

5.根据权利要求4所述的一种用于高能射线的斩波片结构，其特征在于，所述加强部为与斩波叶片组合形成圆板的扇形，且所述斩波叶片外端向外沿径向延伸出一弧形的延伸部，所述延伸部的弧长与所述容纳腔的内腔边缘两端弧长相同，且所述延伸部上固定有抵接限位在容纳腔端部的横梁。

6.根据权利要求5所述的一种用于高能射线的斩波片结构，其特征在于，所述横梁的顶面为由斩波叶片中心朝向斩波叶片边缘向下倾斜的斜坡型或为与斩波叶片平行设置。

7.根据权利要求1所述的一种用于高能射线的斩波片结构，其特征在于，所述斩波叶片、所述加固圈的材料可以为不锈钢、弹簧钢、铝、铜、塑料或聚四氟乙烯聚合物。

8.根据权利要求6所述的一种用于高能射线的斩波片结构，其特征在于，所述加强部、所述容纳腔的材料可以为不锈钢、弹簧钢、铝、铜、塑料或聚四氟乙烯聚合物。

9.一种用于高能射线的脉冲调制装置，其特征在于，包括：

斩波片结构，所述斩波片结构如权利要求1至8中任一项权利要求所述；

斩波座，所述斩波座包括底座、支架、叶片连接件和光电门，所述底座上通过支架固定有叶片连接件，所述中心块转动连接在叶片连接件内，且与旋转驱动部的旋转轴驱动连接，所述底座上安装有用于测量斩波叶片转动频率的光电门。

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