CN113984815A - 基于逆康普顿散射x光源的高效康普顿散射成像系统 - Google Patents

基于逆康普顿散射x光源的高效康普顿散射成像系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于逆康普顿散射X光源的高效康普顿散射成像系统，该系统包含：逆康普顿散射X光源、入射X射线准直器、成像物体、康普顿散射X射线准直器和X射线探测器。其中，入射X射线准直器设置在逆康普顿散射X光源和成像物体之间，逆康普顿散射X光源产生的入射X射线为竖直偏振，经入射X射线准直器形成准单色的X射线，并入射至成像物体；康普顿散射X射线准直器设置在X射线探测器和成像物体之间，X射线经成像物体散射获得的散射X射线经过康普顿散射X射线准直器后经X射线探测器探测；X射线探测器设置在与入射X射线垂直的方向上。本发明的成像系统能够显著提升图像重建的精度和成像的效率。

Description

基于逆康普顿散射X光源的高效康普顿散射成像系统
技术领域
本发明涉及一种成像系统，具体涉及一种基于逆康普顿散射X光源的高效康普顿散射成像系统。
背景技术
在X射线成像领域，康普顿散射信号包含了成像物体丰富的物理信息。与传统的透射成像相比，X射线康普顿散射成像具有自己独特的优势，如：(1)射线源和探测器只需放置在成像物体的同一侧，非常适合于大尺寸物体的成像，这在桥梁、地下管道等的检测中显得尤为重要；(2)康普顿散射截面仅依赖于物体的电子密度，与(等效)原子序数Z无关，对于低Z和高Z材料均能够获得较高的衬度；(3)当被测物体的厚度或密度较低时，利用康普顿散射成像可以获得比透射成像更高的灵敏度；(4)散射信号容易解释，其强度正比于材料的密度。
由于电子密度的分布信息在重离子治疗的剂量优化以及射程评估中非常关键，而康普顿散射可以直接给出成像物体电子密度的分布，因此其在医学领域具有重要应用前景。另外，康普顿散射成像在工业无损检测中也有重要的应用，比如飞机引擎发动机、汽车铸件等的无损检测，钢板、土壤密度的测量等等。
目前，康普顿散射成像中所使用的X光源主要为X光管，即利用电子束打靶的方式产生轫致辐射。这种光源的优点在于：造价比较低廉、结构紧凑，并且积分通量也相对较高；其缺点在于：这种利用轫致辐射的方式产生的X射线的能谱是连续谱，即使通过一些滤波技术，最终得到的能谱也相对较宽，利用这种宽谱进行图像重建，重建的精度会显著降低，进而图像的量化分析会引入较大的误差。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于逆康普顿散射X光源的高效康普顿散射成像系统，解决了现有常规X光管的宽谱特性严重影响图像重建的精度而导致图像量化分析误差较大的问题，能够显著提升图像重建的精度和成像的效率。
为了达到上述目的，本发明提供了基于逆康普顿散射X光源的高效康普顿散射成像系统，该系统包含：逆康普顿散射X光源、入射X射线准直器、成像物体、康普顿散射X射线准直器和X射线探测器。
其中，所述入射X射线准直器设置在逆康普顿散射X光源和成像物体之间，所述逆康普顿散射X光源产生的入射X射线为竖直偏振，经入射X射线准直器形成准单色的X射线，并入射至成像物体；所述康普顿散射X射线准直器设置在X射线探测器和成像物体之间，X射线经成像物体散射获得的散射X射线经过康普顿散射X射线准直器后经X射线探测器探测；所述X射线探测器设置在与入射X射线垂直的方向上。
优选地，所述入射X射线准直器的材料为钨或铅。
优选地，该系统的成像模式包含：近场成像和远场成像；当成像模式为近场成像时，该系统采用点扫描或线扫描方式进行成像，在线扫描方式进行成像时，所述康普顿散射X射线准直器为一维平行孔阵列，所述X射线探测器由一维探测器阵列组成；当成像模式为远场成像时，该系统采用面扫描方式成像，康普顿散射X射线准直器为二维平行孔阵列，X射线探测器由二维探测器阵列组成。
本发明的基于逆康普顿散射X光源的高效康普顿散射成像系统，解决了现有常规X光管的宽谱特性严重影响图像重建的精度而导致图像量化分析误差较大的问题，具有以下优点：
本发明的成像系统，基于逆康普顿散射X光源，其产生的X射线为竖直偏振，并且控制X射线探测器设置在与入射X射线垂直的方向上，使得竖直线偏振X射线的康普顿散射截面能够取得最大值，通过入射X射线准直器形成准单色的X射线，利用康普顿散射X射线准直器限定了散射X射线的收集角度，降低收集角度的增大对散射X射线能谱展宽的影响，不仅能够获得最佳的光子利用效率，显著提升成像效率，而且能够提升图像重建的精度。
附图说明
图1为基于常规X光管的康普顿散射成像系统结构示意图。
图2为本发明的基于逆康普顿散射X光源的高效康普顿散射成像系统的结构示意图。
图3为本发明相对论电子和激光之间逆康普顿散射原理图。
图4为本发明在60keV时康普顿散射微分散射截面分布示意图。
图5为基于逆康普顿散射X光源康普顿散射成像的线扫描示意图。
图6为基于逆康普顿散射X光源康普顿散射成像的面扫描示意图。
注：1—常规X光管；2—准直器一；3—成像物体；4—缺陷孔；5—准直器二；6—X射线探测器；10—逆康普顿散射X光源；20—入射X射线准直器；50—康普顿散射X射线准直器；60—X射线探测器。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
基于逆康普顿散射X光源的高效康普顿散射成像系统，该系统包含：逆康普顿散射X光源10、入射X射线准直器20、成像物体3、康普顿散射X射线准直器50和X射线探测器60。其中，入射X射线准直器20设置在逆康普顿散射X光源10和成像物体3之间，逆康普顿散射X光源10产生的入射X射线为竖直偏振，经入射X射线准直器20形成准单色的X射线，并入射至成像物体3。康普顿散射X射线准直器50设置在X射线探测器60和成像物体3之间，X射线经成像物体3散射获得的散射X射线经过康普顿散射X射线准直器50后经X射线探测器60探测。而且，X射线探测器60设置在与入射X射线垂直的方向上。
逆康普顿散射X光源利用相对论电子束和高功率脉冲激光进行对撞来产生高品质的X射线(参见图3)，产生的散射X射线具有准单色、能量连续可调、空间相干性好、高亮度、方向性好、偏振态精确可控等优点，并且整个光源的规模相对紧凑。
逆康普顿散射X光源产生的X射线能量EX和激光光子能量El之间满足如下关系：
Figure BDA0003328990310000041
其中，γ为电子束的洛伦兹因子；a0为激光的归一化矢量大小，在线性散射的情形下a0远小于1，可以忽略；θ为散射X射线的出射角度，在电子束运动的正前方θ＝0，散射X射线具有最高能量EX,max＝4γ2Ei，在激光光子能量El确定的情况下，EX,max与电子能量的平方成正比，即EX,max∝γ2，而电子束能量依赖于加速管中的加速梯度和加速管长度，能够做到连续调节，因此所产生的X射线能量也能够连续调节。
逆康普顿散射X光源用于向成像物体发射X射线束，其焦斑尺寸σX依赖于电子束和激光的聚焦：
Figure BDA0003328990310000042
其中，σe和σl分别为电子束和激光在碰撞点的聚焦尺寸，通常σe在几十微米量级，而σl可压缩至几微米量级，因此光源的焦斑尺寸σX通常在几微米至几十微米量级；X射线的能量视检测物体而定，可在几十keV至几MeV能量区间连续可调，X射线的本征带宽通常小于5％，为了获得最佳的光子利用率，X射线调节为竖直偏振方向，即垂直于光源-物体-探测器所在的平面。
由上述能量关系公式可知，入射X射线的能量EX是角度θ的函数，即所谓的能量-角度关联效应，入射X射线准直器20能够降低这种效应对入射X射线能谱的展宽，使之保持准单色的特性，入射X射线准直器20的材料为钨、铅等。
对于线偏振的X射线，其康普顿散射的微分截面满足如下关系：
Figure BDA0003328990310000043
其中，σLP为线偏振情形的截面，Ω为空间立体角，re为电子经典半径，ε＝Ef/Ei为发生康普顿散射前后光子能量之比：
Figure BDA0003328990310000051
其中，mec2＝0.511MeV为电子静止能量，me为电子静止质量，c为真空中的光速；
Figure BDA0003328990310000052
和φ分别为散射X射线的极角和方位角。可见，线偏振X射线的康普顿散射截面依赖于方位角φ，当φ＝90°时，线偏振X射线的康普顿散射截面能够取得最大值，因此入射X射线选择竖直偏振方向；当
Figure BDA0003328990310000053
时，线偏振X射线的康普顿散射截面与非偏振情形的差值最大，如图4所示，因此将X射线探测器放置在垂直于入射X射线的方向，能够获得最佳的光子利用效率，显著提升成像效率。
本发明通过利用康普顿散射X射线准直器50限定了散射X射线的出射角度
Figure BDA0003328990310000054
降低散射X射线的出射角度的增大对散射X射线能谱Ef展宽的影响，提升图像重建的精度。而常规X光源的成像系统对探测器设置不做任何限定(图1)，可垂直可不垂直，因其产生的X射线不具备偏振特性，即使特意安排在垂直方向也不会提升康普顿散射截面。
本发明的基于逆康普顿散射X光源的高效康普顿散射成像系统，有两种成像模式：近场成像和远场成像。在近场模式下，成像物体与逆康普顿散射X光源10的距离较近，入射X射线近似为笔形束，成像视野小，可以采用点扫描或线扫描方式进行成像(参见图2，点扫描方式；参见图5，线扫描方式，康普顿散射X射线准直器50为一维平行孔阵列，X射线探测器60由一维探测器阵列组成)；在远场模式下，成像物体与光源的距离较远，入射X射线形成扇形束，成像视野大，可以采用面扫描方式成像(参见图6)。此时，康普顿散射X射线准直器50为二维平行孔阵列，X射线探测器60由二维探测器阵列组成。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (3)

1.基于逆康普顿散射X光源的高效康普顿散射成像系统，其特征在于，该系统包含：逆康普顿散射X光源(10)、入射X射线准直器(20)、成像物体(3)、康普顿散射X射线准直器(50)和X射线探测器(60)；
其中，所述入射X射线准直器(20)设置在逆康普顿散射X光源(10)和成像物体(3)之间，所述逆康普顿散射X光源(10)产生的入射X射线为竖直偏振，经入射X射线准直器(20)形成准单色的X射线，并入射至成像物体(3)；所述康普顿散射X射线准直器(50)设置在X射线探测器(60)和成像物体(3)之间，X射线经成像物体(3)散射获得的散射X射线经过康普顿散射X射线准直器(50)后经X射线探测器(60)探测；所述X射线探测器(60)设置在与入射X射线垂直的方向上。
2.根据权利要求1所述的基于逆康普顿散射X光源的高效康普顿散射成像系统，其特征在于，所述入射X射线准直器(20)的材料为钨或铅。
3.根据权利要求1所述的基于逆康普顿散射X光源的高效康普顿散射成像系统，其特征在于，该系统的成像模式包含：近场成像和远场成像；当成像模式为近场成像时，该系统采用点扫描或线扫描方式进行成像，在线扫描方式进行成像时，所述康普顿散射X射线准直器(50)为一维平行孔阵列，所述X射线探测器(60)由一维探测器阵列组成；当成像模式为远场成像时，该系统采用面扫描方式成像，康普顿散射X射线准直器(50)为二维平行孔阵列，X射线探测器(60)由二维探测器阵列组成。
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