CN114930466A - 封闭式x射线斩波轮 - Google Patents

Abstract

一种斩波轮组件，其包括配置为使X射线束变窄的准直仪，斩波轮具有配置为面向准直仪方向的平面，以及被配置为接收斩波轮的壳体。所述的斩波轮包括中心轴、平面内的多个狭缝、沿准直仪方向从所述平面延伸的第一突出部和从平面沿准直仪方向延伸的第二突出部。所述狭缝相对于中心轴径向向外延伸。所述第一突出部位于所述多个狭缝的径向外侧，所述第二突出部位于所述多个狭缝的径向内侧。每个突出部围绕中心轴设置为360度。所述壳体包括内壁，当所述斩波轮接收在所述壳体中时，所述内壁包括配置为接收所述第一突出部的第一凹槽和配置为接收所述第二突出部的第二凹槽。

Description

封闭式X射线斩波轮

发明背景

1.发明领域

本发明一般涉及的是x射线反向散射仪器。更为具体地，至少一个实施方案涉及一种具有封闭式斩波轮的x射线反向散射仪器。

2.相关技术讨论

反向散射x射线成像通常用于安全检查，以检测位于隐藏区域的违禁品，例如，隐藏在汽车或卡车车身的实心金属面板后面的违禁品。一般来说，这种方法包括将相对较窄的x射线束引导到固体表面的仪器。X射线能量穿过表面并反射或散射表面远端的任何物品。仪器使用从物品反射或散射的x射线创建物品的图像。

X射线反向散射仪器中包括屏蔽用以提高仪器操作员和仪器附近人员在使用时的安全性。早期的X射线反向散射仪器通常是安装在固定位置或借助轮式推车移动的大型重型设备。然而，现今的仪器通常以便携式手持形式提供。这些手持式仪器为屏蔽带来了额外的挑战，因为操作员在仪器产生X射线能量时离仪器很近。

通常，X射线反向散射仪器包括X射线源、用于使X射线源产生的X射线束变窄的准直仪和容纳在壳体内的斩波轮。这些是光源组件，可将电子管产生的X射线聚焦成可用于扫描的光束。壳体由已知可提供X射线屏蔽的材料制成。当仪器产生X射线能量时，驱动电机耦合到斩波轮以旋转斩波轮。所述斩波轮包括一组狭缝，用于从准直仪接收的X射线能量中产生较小的X射线能量“铅笔束(pencil beam)”。通常，四个狭缝以九十度的间隔围绕斩波轮定位。

在实践中，构建具有足够屏蔽的X射线反向散射仪器以完全消除从仪器中逸出的X射线能量是不切实际的。相反，仪器的设计应符合OSHA法规，该法规允许操作员使用X射线仪器，前提是操作员在给定时间段内接受的X射线能量不超过既定的安全阈值。在某些情况下，法规允许进行暴露量大于所述阈值的操作，但前提是个人已完成认证的辐射培训。

现在参考图1，其示出了根据现有技术的斩波轮组件100的横截面。组件100包括准直仪120、斩波轮122、壳体124和包括轮毂132的电机126。所述斩波轮122包括源侧表面128。所述壳体124包括内表面130、源侧X射线开口134和目标侧X射线开口136。电机126在轮毂132处连接至斩波轮122。所述横截面图显示了斩波轮的旋转角度，所述旋转角度不会将四个狭缝(未示出)中的任何一个放置在靠近源侧X射线开口134和目标侧X射线开口136的位置。

在操作中，X射线能量由位于斩波轮组件100左侧的X射线源(未示出)提供。X射线能量被引导至准直仪120，准直仪120用于使引导至斩波轮122的X射线变窄。光束通过源侧开口134到达斩波轮122。斩波轮122以这样的速度旋转，使得在每次旋转器件的已知时间段内，狭缝之一至少部分地与源侧开口134对齐，同时与目标侧开口136对齐。当狭缝至少部分地与开口134、136对齐时，准直光束进入源侧开口134，穿过狭缝并通过目标侧开口136离开壳体124。

当与斩波轮122的实心区域的总表面积相比时，狭缝的尺寸相对较小。结果，在斩波轮122每次旋转的大部分时间里，斩波轮122的实心区域位于源侧开口134和目标侧开口136之间。当斩波轮122的实心区域在源侧开口134前面旋转时，X射线能量从斩波轮122的部分散射。X射线以各向同性的方式从内表面130散射到位于源侧表面128和内表面130之间的区域中。因此，散射的X射线能量可以在从垂直于源侧表面128的方向到基本上平行于源侧表面128的方向的范围内传播。也就是说，X射线能量可以在平面源侧表面128和平面内表面130之间的区域中径向向外传播，从而能量被引导至壳体的外半径。

钨和钨合金是常见的屏蔽材料，因为它们具有高密度、良好的机械加工性能，并且由于钨的原子序数较高而具有理想的X射线屏蔽性能。然而，钨是一种昂贵的特种金属。不管怎样，现有的方法通常用钨或钨合金制造壳体124，因为它们能够有效地屏蔽从斩波轮散射的大量X射线能量。

发明内容

因此，需要提供一种封闭式斩波轮设计的装置、系统和方法，从而减少到达斩波轮壳体的散射X射线能量，以允许更常见的材料提供斩波轮壳体。根据一些实施方案，斩波轮和相关联的壳体包括提供迷宫式设计(labyrinth design)的结构特征，所述迷宫式设计在X射线能量到达斩波轮的壳体之前增加从斩波轮散射的X射线的X射线能量衰减。在一些实施方案中，分布位于斩波轮上的径向内部位置和径向外部位置的突出部由斩波轮壳体中的凹槽接收。在一个实施方案中，斩波轮和整体突出部由钨或钨合金制成。根据所述实施方案，斩波轮提供一体式衰减，使得壳体由黄铜或具有比钨低的原子序数的另一种材料制成，同时仍大幅度降低在壳体外部传输的X射线能量。

根据一个方面，提供了一种配置为与X射线能量源一起使用的斩波轮组件。所述斩波轮组件包括准直仪，所述准直仪配置用于使由X射线能量源产生的X射线束变窄；斩波轮，其具有配置为面向准直仪的方向的平面；以及壳体，其包括中空的内部区域，所述内部区域配置为接收所述斩波轮。根据一个实施方案，斩波轮包括中心轴、平面中的多个狭缝、沿准直仪方向从平面延伸的第一突出部和沿准直仪方向从平面延伸的第二突出部。在进一步的实施方案中，所述狭缝相对于中心轴径向向外延伸，第一突出部位于多个狭缝的径向外侧，并设置为围绕中心轴成360度，第二突出部位于多个狭缝的径向内侧，并围绕中心轴设置360度。此外，壳体包括面向斩波轮并远离准直仪的方向的内壁，当所述斩波轮接收在所述壳体内时，所述内壁包括配置为接收第一突出部的第一凹槽和配置为接收第二突出部的第二凹槽。

根据另一方面，一种手持式反向散射X射线成像系统包括具有多个手柄的外部壳体、位于所述外部壳体中且可与用所述多个手柄保持的系统一起观看的显示屏、配置为产生X射线束的X射线能量源、配置为缩小X射线束的准直仪，以及具有配置为面向准直仪方向的斩波轮。根据一个实施方案，所述显示屏被配置为显示X射线图像并且X射线能量源位于所述外部壳体内。根据另一个实施方案，斩波轮包括中心轴、相对于中心轴径向向外延伸穿过斩波轮的多个狭缝、沿准直仪方向从表面延伸的第一突出部和沿准直仪方向从平面延伸的第二突出部，所述第一突出部位于所述多个狭缝的径向外侧，围绕所述中心轴设置为360度，所述第二突出部位于所述多个狭缝的径向内侧，围绕中心轴设置360度。根据可替换的实施方案，手持式反向散射X射线成像系统包括外部壳体，所述外部壳体仅提供一个手柄，例如，在一个外形类似于雷达枪的外壳中。

根据另外一个方面，提供了一种在配置生成X射线能量的准直光束的反向散射成像系统的操作期间产生衰减的X射线能量的方法。根据一个实施方案，所述方法提供包括内缘和外缘的斩波轮，所述斩波轮被配置为在平面内旋转，以周期性地中断基本上垂直于所述平面定向的X射线能量准直光束，在包括基本上平行于所述斩波轮平面的方向上产生散射X射线能量的中断；将所述斩波轮封闭在壳体中，在斩波轮和壳体的内表面之间留有间隙，所述间隙基本上平行于所述斩波轮的平面；包括在斩波轮外缘处的第一突出部，所述第一突出部沿垂直于平面的方向延伸到间隙中，以及包括位于所述斩波轮的内缘处的第二突出部，所述第二突出部沿垂直于所述平面的方向延伸到所述间隙中。

附图说明

所附附图并非旨在按比例绘制。在所述附图中，各图中所示的每个相同或几乎相同的部件由相同的数字表示。为了清晰起见，并非每个组件都在每幅图中有所标记。在所述附图中：

图1示出了包括在根据现有技术的X射线反向散射仪器中的元件；

图2示出了根据一个实施方案的斩波轮组件的等距视图；

图3示出了根据一个实施方案的图2的斩波轮组件的分解图；

图4示出了根据一个实施方案的图2的斩波轮组件的横截面图，所述横截面位于穿过斩波轮组件中心的垂直平面内；以及

图5示出了根据一个实施方案移除斩波轮的图4的横截面图。

具体实施方式

本发明不限于用以下描述或附图中所示的构件的构造和布置细节的应用。本发明能够以其他实施方案和以各种方式实施或实践。此外，本文使用的措辞和术语是处于描述的目的，不应被视为限制。本文中使用的“包括(including)”、“包括(comprising)”或者“具有(having)”、“包含(containing)”、“涉及(involving)”及其变体的使用旨在包括其后列出的项目及其等效物以及附加项目。

现在参考图2，其示出了根据一些实施方案的斩波轮组件200。所述斩波轮组件200包括壳体240、驱动电机245和预准直仪247。所述壳体240包括源侧壳体249和目标侧壳体251。所述预准直仪247包括源侧开口253。斩波轮位于壳体240内，如下文所述和图3所示。在一些实施方案中，所述斩波轮组件200包括在手持式反向散射仪器中。仪器中还包括一个X射线源，包括一个X射线阳极。在操作中，X射线源的输出被引导到源侧开口253，X射线能量在此处进入预准直仪247，在那里被引导到壳体240中。

根据所示实施方案，通过使用紧固件将源侧壳体249紧固到目标侧壳体251来组装壳体240，例如使用螺钉、螺栓或其他紧固硬件。所述壳体240可以由至少在一定程度上有效阻挡X射线能量以提供屏蔽的各种金属中的任何一种制成。根据一些实施方案，所述壳体240由黄铜制成。与钨相比，使用黄铜的优点包括成本更低和重量更轻。如下文更为详细描述的，斩波轮组件200的各种实施方案包括添加到斩波轮以增加屏蔽的整体有效性，而不需要由更昂贵且原子序数更高的材料(例如钨)制造壳体240。

根据示出的实施方案，所述预准直仪247连接到所述源侧壳体249的外部表面。还需要用提供屏蔽的材料制造预准直仪。根据各实施方案，预准直仪247由钨或钨合金制成。

根据一些实施方案，所述电机245是无刷直流电机。在一个实施方案，所述电机是Maxon EC32 FL。

现在参考图3，其示出了图2的斩波轮组件200的分解图。所述分解图示出了当斩波轮组件200完全组装时，位于壳体240中的斩波轮241、轮毂243和直线准直仪255。所述斩波轮241具有由内圆周246和外圆周248限定的整体环形形状。内圆周246在斩波轮248的中心区域中限定了具有直径D1(如图4所示)的开口250。轮毂243包括实心圆盘状形状和中心开口252。轮毂243的外径尺寸设计成使轮毂243位于开口250内并在内圆周246处连接到斩波轮241。中心开口252的尺寸设计成接收包括在电机245中的轴。在操作中，电机245驱动轮毂243以旋转轮毂243和斩波轮241。

直线准直仪255用于在X射线能量束进入壳体240后到达斩波轮241之前进一步形成X射线能量束。根据所示实施方案，直线准直仪255固定在源侧壳体249中的开口内，以使其与预准直仪247对齐。根据另一个实施方案，直线准直仪255连接到源侧壳体249的内表面。还需要用提供屏蔽的材料制造直线准直仪255。根据各实施方案，所述直线准直仪255由钨或钨合金制成。

多个狭缝242位于所述斩波轮241内。根据所示实施方案，狭缝242以90度间隔隔开，并径向延伸斩波轮241的内圆周246和外圆周248之间的大部分距离。

斩波轮包括内部突出部254和从斩波轮241延伸的外部突出部256。每个突出部254、256从表面沿源侧壳体249的方向轴向延伸。在所示实施方案中，内部突出部254位于斩波轮241的内圆周246附近，外部突出部256位于斩波轮241的外圆周248附近，每个都围绕斩波轮241的轴线设置360度。

现在参考图4，示出的是根据一个实施方案的斩波轮组件200的横截面图。图4示出了第一直径D1和第二直径D2。根据所示实施方案，第二直径D2是斩波轮241的外径。横截面图示出了位于斩波轮241的源侧的平坦表面258。内部突出部254和外部突出部256沿源侧壳体249的方向基本上垂直于平坦表面258延伸。内部突出部254限定斩波轮241的内缘，外部突出部256限定斩波轮241的外缘。

图4还示出了源侧壳体249的内表面260。内表面260中设有内凹槽262和外凹槽264。根据所示实施方案，凹槽262、264具有围绕轴线A环形延伸360度的圆形形状。内凹槽262位于相对于轴A的第一半径处。外凹槽264位于相对于轴A的第二半径处，第二半径大于第一半径。内凹槽262的位置使其与内部突出部254对齐。相似地，外凹槽264的位置使其与外部突出部256对齐。也就是说，内部突出部254位于与内凹槽262相同的半径处，外部突出部256位于与外凹槽264相同的半径处。

壳体240还包括源侧开口266和目标侧开口268。根据所示实施方案，预准直仪247在源侧开口266中对齐，直线准直仪255与目标侧开口268对齐。如图4所示，斩波轮位于其绕轴A旋转的点处，使得多个狭缝242中的任何一个都不位于横截面的平面内。在斩波轮旋转的这个阶段，X射线能量的路径在预准直仪247和直线准直仪255之间被阻断，即在源侧开口266和目标侧开口268之间被阻断。

现在参考图5，示出了根据一个实施方案移除斩波轮组件200的横截面图。图5示出了位于壳体240的源侧内壁上的内表面260。根据所示的实施方案，内表面260包括随着与轴A的径向距离增加而升高的大致平面区域。在一个实施方案中，凹槽262、264在第一半径和第二半径中的每一个处被加工到所述平面区域。如图4所示，内凹槽262和外凹槽264的尺寸和位置适合于在完全组装好的斩波轮组件200中容纳内部突出部254和外部突出部256。

再次参考图4，间隙270在整体径向向上从轴A附近延伸到壳体240的外缘。然而，当斩波轮组件200被组装时，间隙270沿轴向延伸，紧邻内部突出部254和外部突出部256。这种几何结构有效地在间隙270的整个径向路径中提供障碍。在各种实施方案中，突出部254、256被加工为斩波轮241的一个组成部分。因此，突出部254、256由钨或钨合金制成。突出部254、256的位置和制造材料在间隙270的整个径向路径中围绕轴A提供了360度的额外屏蔽。此外，包括的两个突出部在斩波轮241的内径和外径处提供了屏蔽。因此，斩波轮241的平坦表面258被支撑，使得从表面258散射的X射线能量无论是径向向内散射还是径向向外散射都被衰减。

例如，在操作中，X射线能量从斩波轮241的平坦表面258散射。一些散射能量基本上平行于平坦表面258传播，例如，在限定间隙270的区域中。所述X射线能量在间隙270内以径向向外的方向不衰减地传播，直到它击中外部突出部256。相似地，一些X射线能量在间隙270内沿径向向内方向不衰减地传播，直到击中内部突出部254为止。因此，本文所述的实施方案提供了一种迷宫式设计，其在斩波轮中添加了结构以进一步衰减X射线能量。结合壳体中提供的凹槽，散射的X射线能量必须通过额外的通道

尽管前述内容是在手持式仪器的背景下描述的，但鉴于本文的公开内容，本领域普通技术人员将理解，斩波轮和斩波轮壳体的实施方案可用于各种X射线仪器中的任何一种，而不管其大小和便携性如何。例如，包括具有突出部254、256的斩波轮和包括凹槽262、264的壳体的斩波轮组件可包括在大型X射线仪器中，所述大型X射线设计用于在固定位置或可移动平台上使用。

因此，已经在此描述了本发明的至少一个实施方案的几个方面，应当理解的是，本领域技术人员可以很容易地进行各种改变、修改和改进。此类改变、修改和改进旨在成为本发明的一部分，并在本发明的精神和范围内。因此，前述描述和附图仅作为实施例。

Claims (17)

1.一种配置用于与X射线能量源一起使用的斩波轮组件，所述斩波轮组件包括：

准直仪，其配置用于使所述X射线能量源产生的X射线束变窄；

斩波轮，其具有配置为面向准直仪方向的平面表面，中心轴，在所述平面表面中的多个狭缝，所述狭缝相对于所述中心轴沿径向向外方向延伸，从所述平面表面沿准直仪方向延伸的第一突出部，所述第一突出部位于多个狭缝的径向外侧并设置为围绕中心轴成360度，从所述平面表面沿准直仪方向延伸的第二突出部，所述第二突出部位于所述多个狭缝的径向内侧并设置为围绕中心轴成360度；以及

壳体，其包括中空内部区域，所述中空内部区域被配置为接收所述斩波轮，所述壳体包括内壁，所述内壁面向所述斩波轮并远离所述准直仪的方向，当所述斩波轮接收在所述壳体内时，所述内壁包括配置为接收所述第一突出部的第一凹槽和配置为接收第二突出部的第二凹槽。

2.根据权利要求1所述的斩波轮组件，其中所述壳体由具有比钨低的原子序数的材料制成。

3.根据权利要求1所述的斩波轮组件，其中所述壳体包括黄铜。

4.根据权利要求1所述的斩波轮组件，其中所述内壁包括基本上平坦的区域，其中所述第一凹槽和第二凹槽位于所述平坦区域中。

5.根据权利要求1所述的斩波轮组件，其中所述第一突出部限定所述斩波轮的外缘，以及

其中所述第二突出部限定所述斩波轮的内缘。

6.根据权利要求5所述的斩波轮组件，进一步包括电机和配置用于连接到所述电机的斩波轮轮毂，

其中所述斩波轮限定中心开口，以及

其中所述轮毂配置为固定在所述中心开口内。

7.根据权利要求5所述的斩波轮组件，其中所述内壁包括基本上平坦的区域，其中所述第一凹槽和第二凹槽位于所述平坦区域中。

8.一种手持式反向散射X射线成像系统，其包括：

外部壳体，其包括多个手柄；

显示屏，其位于所述外部壳体中，并且在系统被多个手柄固定的情况下是可视的，所述显示屏配置用于显示X射线图像；

X射线能量源，其配置用于产生X射线束，所述X射线能量源位于所述外部壳体内；

准直仪，其配置用于使X射线束变窄；以及

斩波轮，其具有配置为面向准直仪方向的表面，中心轴，相对于中心轴沿径向向外方向延伸穿过斩波轮的多个狭缝，从所述表面沿准直仪方向延伸的第一突出部，所述第一突出部位于多个狭缝的径向外侧，并围绕中心轴设置为360度，从所述表面沿准直仪方向延伸的第二突出部，所述第二突出部位于所述多个狭缝的径向内侧，并围绕中心轴设置为360度。

9.根据权利要求8所述的手持式反向散射X射线成像系统，进一步包括斩波轮壳体，其位于所述外部壳体内并配置用于封装所述斩波轮，

其中所述斩波轮壳体由具有比钨低的原子序数的材料制成。

10.根据权利要求9所述的手持式反向散射X射线成像系统，其中所述壳体包括黄铜。

11.根据权利要求9所述的手持式反向散射X射线成像系统，其中所述斩波轮壳体包括中空内部区域，其配置用于接收所述斩波轮，所述斩波轮壳体包括内壁，所述内壁面向所述斩波轮并且远离所述准直仪的方向，当所述斩波轮被接收在所述中空内部区域时，所述内壁包括配置用于接收第一突出部的第一凹槽和配置用于接收第二突出部的第二凹槽。

12.根据权利要求11所述的手持式反向散射X射线成像系统，其中所述内壁包括基本上平坦的区域，其中所述第一凹槽和第二凹槽位于所述平坦区域中。

13.根据权利要求8所述的手持式反向散射X射线成像系统，其中所述第一突出部限定所述斩波轮的外缘，以及

其中第二突出部限定所述斩波轮的内缘。

14.根据权利要求8所述的手持式反向散射X射线成像系统，进一步包括电机和配置用于连接到所述电机的斩波轮轮毂，

其中所述斩波轮限定中心开口，以及

其中所述轮毂配置用于固定在所述中心开口内。

15.一种在配置用于产生X射线能量的准直光束的反向散射成像系统的操作期间生成衰减的X射线能量的方法，所述方法包括：

提供包括内缘和外缘的斩波轮，所述斩波轮配置用于在平面内旋转，以周期性地中断基本上垂直于所述平面的X射线能量定向的准直光束，所述中断在包括基本上平行于斩波轮平面的方向上产生散射的X射线能量；

将所述斩波轮封装在壳体内，在斩波轮和所述外壳的内表面之间留有间隙，所述间隙基本上平行于斩波轮的平面；

在所述斩波轮的外缘处包括第一突出部，所述第一突出部沿垂直于所述平面的方向延伸到所述间隙中；以及

在所述斩波轮的内缘处包括第二突出部，所述第二突出部沿垂直于所述平面的方向延伸到所述间隙中。

16.根据权利要求15所述的方法，进一步包括：

在所述内表面包括第一凹槽，当所述斩波轮在所述表面旋转时，所述第一凹槽配置用于接收所述第一突出部；以及

在所述内表面包括第二凹槽，当所述斩波轮在所述表面旋转时，所述第二凹槽配置用于接收所述第二突出部。

17.根据权利要求16所述的方法，其中所述斩波轮包括中心轴，其中所述方法包括：

将所述第一突出部围绕所述中心轴设置为360度；以及

将所述第二突出部围绕所述中心轴设置为360度。

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