CN114927403A - 一种x射线源及基于x射线的高速轨道检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种X射线源及基于X射线的高速轨道检测方法，一种X射线源包括用于产生电子束的直线射频加速器、用于产生X射线的旋转靶；用直线射频加速器代替传统的直流高压X射线管。所述电子束采用掠入射反射的方式轰击旋转靶以产生X射线，加速管内部为真空腔，旋转靶设置于真空外；在将旋转靶置于真空腔外部的基础上，对旋转靶进行直接冷却。配合设置于铁轨沿线的准直探测器阵列，X射线产生装置可用于高速轨道检测，检测方法包括如下步骤：通过直线射频加速器产生电子束；电子束轰击在旋转靶上产生X射线；X射线穿透铁轨后被准直探测器阵列接收，获得铁轨内部缺陷信号。

Description

一种X射线源及基于X射线的高速轨道检测方法

技术领域

本发明属于X射线无损检测领域，具体涉及一种X射线源及基于X射线的高速轨道检测方法。

背景技术

X射线源在工业检测、科学仪器、医疗影像及治疗等领域具有的广泛应用。在工业影像应用中，X射线源中的电子束轰击靶材料产生X射线，穿透物体，携带物体的密度信息并被探测器接收。在很多应用场景，例如炮弹穿甲、高速铁轨的无损成像中，X射线成像面临很大的困难：物体尺寸较大而且是高密度的金属，一般的射线穿透能力不够，需要0.6MV以上的超硬X射线才能获得较为清晰的图像；另一方面物体处于高速运动状态，为了获得毫米级甚至更高精度的分辨率，X射线的剂量必须足够高。由于绝大多数电子束功率最终以热量的形式沉积在靶材中，如果电子束功率太大，就会将靶熔毁。

为了降低靶材中的功率密度，提高散热率，目前一般采用的是旋转靶技术。在功率相对较低、电子束能量较高(约10MV以上)的时候，采用小焦点旋转透射靶是可行的。但是透射靶无法利用靶角的投影效应来分散电子束功率，即使采用旋转透射靶也不能使用过高的功率，而且大功率下透射靶的散热需求和机械强度决定了靶需要一定的厚度，由于靶属于高原子序数材料，因此靶也会导致X射线剂量的显著损失。

但是对于大功率的电子束，采用透射靶，束流焦点尺寸有限，功率密度太大会熔毁靶盘，一般采用旋转反射靶，利用反射角的投影效应显著降低靶面功率密度。但是当X射线管中的电子束能量进一步提高之后，例如0.6MV以上，甚至达到10MV能量的电子束，打靶产生的X射线剂量分布存在显著的角度非均匀性，传统的垂直反射式出光(电子束和X射线出束方向垂直)，X射线利用率不高，从而加重了靶的等效热负荷。

另一方面，为了提高穿透性，需要提高X射线能量，但是普通的直流高压X射线管及其功率源在高电压绝缘上都面临很大困难，一般X射线用直流高压电源输出的高压不超过0.6MV，少数技术路线可以实现3MV的水平，但是体积非常庞大，通常需要很大的房间来安装。

因此，可移动式的大功率、小焦斑的超硬X射线源实现难度非常大，目前没有相应的技术方法和产品。

发明内容

一方面，为了满足更高的X射线穿透力需求；本申请提供了一种X射线源，包括用于产生电子束的直线射频加速器及用于产生X射线的旋转靶；用直线射频加速器代替传统的直流高压X射线管，以直线射频加速方法代替传统的直流高压加速方法，提高射线穿透能力和转换效率，极大降低了功率系统的尺寸和高电压的危险性。

所述直线射频加速器包括加速管、与加速管相连的电子枪、与加速管相连的磁控管。电子枪发射电子，磁控管在磁控管电源的驱动下产生50-100kW的高功率微波，电子在加速管中经高功率微波加速后形成0.6-25MV的电子束。

为了避免靶上高功率密度引起的损伤，同时进一步提高散热效率和射线剂量，在上述方案的基础上，进一步的有：所述电子束采用掠入射反射的方式轰击旋转靶以产生X射线，即以很小的角度轰击旋转靶的圆柱形靶面，形成长条形电子束斑，将靶上的电子束功率密度降低一个量级。电子束轰击靶面后产生X射线，只有与电子束方向在极小夹角内的X射线穿透铁轨后，可以进入准直探测器，利用了电子能量较高时小角度内通量最强的X射线，还能避免靶对剂量的吸收。进一步的，电子束掠入射的角度为1-20度。所采用的X射线角度为0-30度。直线射频加速器产生的电子束能量高于0.6MV，电子束能量越高，X射线的前向性越好，掠入射反射式打靶出光的方式，既有反射靶充分利用靶角分散功率密度的优势，又有充分利用透射靶的前向剂量最大的优势，而且没有射线剂量被透射靶吸收的缺点。

为了提高旋转靶的散热效率，在上述方案的基础上，进一步的有：加速管内部为真空腔，旋转靶设置于真空外；电子束穿透加速管的电子透射窗后轰击空气中的旋转靶，所述电子透射窗的材质为低Z材料，包括但不限于金刚石、铍、金刚石-铜合金、钛膜等。

在将旋转靶置于真空腔外部的基础上，对旋转靶进行直接冷却。通过风冷装置或液冷装置对旋转靶表面进行高效对流或超蒸发散热，可以克服真空内热量只能通过辐射和长距离传导散热的缺点，同时采用表面增强辐射技术进一步提高散热效率。

我国快速增长的运营里程、不断提升运行速度和运行密度伴随着运输安全技术的更高需求。铁路轨道损伤可能导致严重的生命及财产损失，轨道损伤的快速无损检测能够大大提高铁路的使用效率。现有技术可通过采用X射线的方式对铁轨内部缺陷进行检测，提高铁路的通行效率，降低铁路的运行成本。

尽管X射线检测有望大大提高轨道检测的速度，但是现有的X射线产生方式下，X射线管的功率和X射线能量都难以满足轨道高速检测的需求。因为铁轨很厚，一般的无损检测工业X射线管能能量只有160-450kV，无法穿透铁轨；为了实现内部缺陷的分辨，要求穿透后的X射线剂量足够强，探测器才能获得信噪比较高的信号，从而分辨出缺陷，但是目前的工业检测X射线管最大功率一般只有4.5kW左右，不能满足使用要求；要实现1-3mm的缺陷空间分辨率水平，需要X射线的等效焦斑很小，在更高功率下，X射线转换靶就会严重损伤，目前工业X射线管采用的固定转换靶无法满足需求。

为了提高穿透性，还需要进一步提高X射线能量，但是普通的直流高压X射线管及其功率元在高电压绝缘上都面临很大困难。当X射线管中的电子束能量进一步提高之后，X射线通量呈现显著的方向性，工业管为了便于散热采用的反射靶不能利用最大的X射线通量。采用透射靶虽然能解决这个问题，但是透射靶无法利用靶角来分散电子束功率，即使采用旋转透射靶也不能使用过高的功率，而且大功率下透射靶的散热需求和机械强度决定了其需要一定的厚度，也会导致X射线剂量的损失。

基于此，本申请还提供了一种基于X射线的高速轨道检测方法，利用上述的一种X射线源对高速轨道缺陷进行检测，还包括设置于铁轨沿线的准直探测器阵列，大大提高高铁的检修效率；具体包括如下步骤：

T1：通过直线射频加速器产生0.6-25MV的电子束；

T2：电子束轰击在旋转靶上产生X射线；

T3：X射线穿透铁轨后被准直探测器阵列接收，获得铁轨内部缺陷信号。

在上述方案的基础上，进一步的有：步骤T2所述的电子束透射出真空窗后，采用掠入射的方式轰击旋转靶以产生X射线，采用小角度范围的反射X射线用于成像。

在上述方案的基础上，将旋转靶通过隔热支撑杆固定在列车车轮上，通过列车本身的速度带动旋转靶，简化了旋转靶驱动技术的同时解决了旋转靶的冷却需，同时降低靶上热量对车轮的影响。步骤T2所述的旋转靶通过电机驱动或车轮驱动。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1.本发明采用直线射频加速器和旋转靶的方式结合产生X射线，可提高射线穿透能力和转换效率，极大提高了X射线的穿透力。

2.本发明提出了掠入射反射式旋转靶技术，实现超硬(0.6MV以上)X射线功率的利用率最大化，既实现了靶面电子束功率密度的显著降低，又最大限度利用了中能电子束的最大X射线通量，还能避免靶对剂量的吸收。

3.本发明采用直线射频加速器代替传统的直流高压X射线管，用于产生0.6-25MV能量的电子束，极大降低了功率系统的尺寸和高电压危险性。

4.本发明在电子束能量足以穿透窗材料的基础上，采用直冷靶技术，真空内旋转靶和外置直冷旋转靶两种散热结构，极大提高了大功率电子束轰击下靶的散热效率；靶和加速管的分离，相比一体化封闭的加速管-靶组件，大大降低了工艺、调试难度和质量成本。

5.本发明提出了车轮驱动旋转靶技术，相比电极驱动技术，更加简便可靠。

6.本发明将一种X射线源应用于高速轨道检测，达到铁路轨道内部缺陷检测检测速度提升的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。在附图中：

图1为实施例1-2的装置结构示意图；

图2为实施例3的装置结构局部示意图；

图3为实施例4的装置结构示意图；

图4为实施例4的装置结构局部示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：01-电子枪，02-磁控管，03-加速管，04-磁控管电源，05-电子枪电源，06-控制系统，07-旋转靶，08-转子驱动电源，09-冷却系统，10-车轮，11-准直探测器阵列，12-铁轨，13-电子透射窗，14-隔热支撑杆，15-高导热轴承。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。

在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

本领域普通技术人员可以理解实现上述事实和方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，涉及的程序或者所述的程序可以存储于一计算机所可读取存储介质中，该程序在执行时，包括如下步骤：此时引出相应的方法步骤，所述的存储介质可以是ROM/RAM、磁碟、光盘等等。

实施例1：

如图1所示，在本实施例中，将一种X射线源应用于高速轨道检测，包括用于产生电子束的直线射频加速器、用于产生X射线的旋转靶07以及准直探测器阵列11；用直线射频加速器代替传统的直流高压X射线管，以直线射频加速方法代替传统的直流高压加速方法，提高射线穿透能力和转换效率，极大降低了功率系统的尺寸和高电压的危险性。

所述直线射频加速器包括加速管03、与加速管03相连的电子枪01、与加速管03相连的磁控管02；电子枪01在电子枪电源05的驱动下发射电子，磁控管02在磁控管电源04的驱动下产生50-100kW的高功率微波，电子在加速管03中经高功率微波加速后形成0.6-25MV的电子束。

实施例2：

如图1所示，在实施例1的基础上，所述电子束采用掠入射反射的方式轰击旋转靶07以产生X射线，加速管03和旋转靶07均设置于真空腔中。以很小的角度轰击旋转靶07的圆柱形靶面，形成长条形电子束斑，将靶上的电子束功率密度降低一个量级。电子束轰击靶面后产生X射线，只有与电子束方向在极小夹角内的X射线穿透铁轨12后，可以进入准直探测器，利用了电子能量较高时小角度内通量最强的X射线，还能避免靶对剂量的吸收。电子束掠入射的角度为1-20度。所采用的X射线角度为0-30度。直线射频加速器产生的电子束能量高于0.6MV，电子束能量越高，X射线的前向性越好，掠入射反射式打靶出光的方式，既有反射靶充分利用靶角分散功率密度的优势，又有充分利用透射靶的前向剂量最大的优势，而且没有射线剂量被透射靶吸收的缺点。

实施例3：

如图2所示，在实施例2的基础上，加速管03内部为真空腔，旋转靶07设置于真空外，通过高导热轴承15以及隔热支撑杆14将旋转靶07和电机驱动装置连接，旋转靶07在转子驱动电源08的驱动下进行工作；电子束穿透加速管03的电子透射窗13后轰击空气中的旋转靶07，所述电子透射窗13的材质为低Z材料，包括但不限于金刚石、铍、金刚石-铜合金、钛膜等。

在将旋转靶07置于真空腔外部的基础上，对旋转靶07进行直接冷却。通过冷却系统09的高速气流或高速水流对旋转靶07工作面和端面进行高效对流或超蒸发散热，可以克服真空内热量只能通过辐射和长距离传导散热的缺点，同时采用表面增强辐射技术进一步提高散热效率。在电子束能量足以穿透窗材料的基础上，采用直冷靶技术，极大提高了大功率电子束轰击下靶的散热效率；靶和加速管03的分离，相比一体化封闭的加速管03-靶组件，大大降低了工艺、调试难度和质量成本。同时，控制系统06同时与各关节驱动电源及冷却系统09相连，可协同控制各单元的工作状态，并采集相关数据。

实施例4：

如图3及图4所示，在实施例3的基础上，将旋转靶07通过隔热支撑杆14固定在列车车轮10上，用车轮10被动驱动替代电机主动驱动，通过列车本身的速度带动旋转靶07，简化了旋转靶07驱动技术的同时解决了旋转靶07的冷却需，同时降低靶上热量对车轮10的影响，相比电极驱动技术，更加简便可靠。

实施例5：

在实施例4的基础上，本实施例提供一种基于X射线的高速轨道检测装置及方法，包括如下步骤：

T1：通过直线射频加速器产生0.6-25MV的电子束；

T2：电子束轰击在旋转靶07上产生X射线；

T3：X射线穿透铁轨12后被准直探测器阵列11接收，获得铁轨12内部缺陷信号。

采用直线射频加速器和掠入射-反射式旋转靶技术相结合的方法、真空内旋转靶和外置直冷旋转靶两种散热结构，可在铁路轨道检测所需最优X射线能量范围(电子束能量0.6-25MV)和更高功率(电子束功率6-50kW)下实现高铁轨道的内部缺陷检测，提升轨道的检修速度。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种X射线源，其特征在于，包括用于产生电子束的直线射频加速器和用于产生X射线的旋转靶；

所述直线射频加速器包括加速管、与加速管相连的电子枪、与加速管相连的磁控管。

2.根据权利要求1所述的一种X射线源，其特征在于，所述电子束采用掠入射反射的方式轰击旋转靶以产生X射线。

3.根据权利要求2所述的一种X射线源，其特征在于，电子束掠入射的角度为1-20度，所采用的反射X射线角度为0-30度。

4.根据权利要求1所述的一种X射线源，其特征在于，所述加速管内部为真空腔，旋转靶设置于真空外；电子束穿透加速管的电子透射窗后轰击空气中的旋转靶。

5.根据权利要求4所述的一种X射线源，其特征在于，所述电子透射窗为低Z材质。

6.根据权利要求4所述的一种X射线源，其特征在于，通过风冷装置或液冷装置对旋转靶表面进行直接冷却。

7.一种基于X射线的高速轨道检测方法，利用权利要求1-6任意一项所述的一种X射线源对高速轨道缺陷进行检测，其特征在于，还包括设置于铁轨沿线的准直探测器阵列；具体包括如下步骤：

T1：通过直线射频加速器产生0.6-25MV的电子束；

T2：电子束轰击在旋转靶上产生X射线；

T3：X射线穿透铁轨后被准直探测器阵列接收，获得铁轨内部缺陷信号。

8.根据权利要求7所述的一种基于X射线的高速轨道检测方法，其特征在于，步骤T2所述的电子束透射出真空窗后，采用掠入射的方式轰击旋转靶以产生X射线，采用小角度范围的反射X射线用于成像。

9.根据权利要求7所述的一种基于X射线的高速轨道检测方法，其特征在于，将旋转靶通过隔热支撑杆固定在列车车轮上，通过列车自身速度带动旋转靶转动。

10.根据权利要求7所述的一种基于X射线的高速轨道检测方法，其特征在于，步骤T2所述的旋转靶通过电机驱动。

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