CN115684223A - 基于x射线康普顿散射及瑞利散射的成像装置及成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于X射线康普顿散射及瑞利散射的全场成像装置及方法。该方法采用的成像装置由X光管、针孔准直镜头、CCD相机和样品台组成。首先布局X光管、样品和CCD相机位置，形成较大的散射X射线探测角度，CCD相机与可变焦的针孔准直镜头配合使用，采集受到X光管照射的样品原始图像；随后通过综合滤波得到有用的单像素事件，将所有单像素事件经过频谱统计得到X射线光谱，对像素强度阈值筛选获得康普顿散射和瑞利散射光子分布图像；再采用密度筛选算法滤除康普顿散射图像中的背景像素事件，并利用聚类算法划分不同种类样品的像素事件区域，计算各个区域的瑞利散射与康普顿散射的强度比（R/C）可对有效原子序数有一定差异的样品作区分。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于X射线康普顿散射及瑞利散射的全场成像装置及成像方法，属于物质表面分布成像检测领域。
背景技术
随着分析技术的发展，人们不再满足于传统的定性和定量分析，在研究物质表面各化学成分的空间分布方面提出新的需求，X射线成像技术（XRFI）是其中一种重要手段。
全场X射线荧光成像（FF-XRFI）技术能利用大面积初级X射线光束照射样品，样品经辐照后产生的次级X射线，经过准直器定向引导被CCD收集得到元素分布信息，这种方式具有节省时间、空间分辨率高和无需扫描的特点。然而，使用CCD相机探测器的全场X射线元素分布成像系统的最佳工作范围为5keV-30keV的较宽能量段，而在探测低原子序数元素（Z<12）物质时存在缺陷。
X射线康普顿散射成像技术是通过探测从被照物体中发射出来的康普顿散射线来对物体进行成像，可以突出显示由低原子序数元素组成的密度较大的物质。但该设备通常采用扫描成像的方式，需要复杂的束状X射线源。并且该技术只利用康普顿散射原理突出显示原子序数低、密度大的物质，难以利用有效原子序数原理对物质进行准确区分。
因此，针对上述技术难点，本发明采用全场成像的方式，利用瑞利散射和康普顿散射强度比（R/C）与物质有效原子序数密切相关的原理，开发了一种基于X射线康普顿散射及瑞利散射的全场成像方法，既能够同时采集大面积探测区域内的物质信息从而对物质表面分布成像，又能够利用R/C实现对低原子序数物质的区分。
发明内容
本发明的技术目的在于提出一种基于X射线康普顿散射及瑞利散射的全场成像装置及方法，实现对低原子序数物质的成像检测和区分。
本发明提供了一种基于X射线康普顿散射及瑞利散射的成像装置，包括X光管、针孔准直器、CCD相机和样品台，X光管的X射线可直接照射到样品台上的待测样品，CCD相机、针孔准直器和样品台的摆放位置为：CCD相机透过针孔准直器拍摄样品台上探测区域的可见光图像，调整待测样品在样品台上的位置，使待测样品位于探测区域的中心。
进一步的，X光管阳极靶材料为钼或铑。
进一步的，针孔准直器为可变焦的针孔准直镜头，针孔准直器的材料为钨，厚度不小于0.2mm。
进一步的，CCD相机前端使用的可见光屏蔽材料为黑色高分子塑料薄膜，CCD相机成像系统放大率为1。
进一步的，待测样品有效原子序数具有差异。
本发明还提供了一种基于X射线康普顿散射及瑞利散射的成像装置的成像方法，包括以下步骤：
步骤一：CCD相机透过针孔准直器拍摄样品台上探测区域的可见光图像，调整待测样品在样品台上的位置，使待测样品位于探测区域的中心，使X光管的X射线直接照射到样品台上的待测样品，CCD相机采集受到X光管照射的待测样品的原始图像，CCD相机对待测样品重复采集多次原始图像，保存为像素数据；
步骤二：通过综合滤波对像素数据进行筛选，得到单像素事件，对所有的单像素事件进行频谱统计得到X射线光谱，再通过像素强度设定阈值进行筛选，获得康普顿散射光子分布图像和瑞利散射光子分布图像；
步骤三：采用密度筛选算法滤除康普顿散射光子分布图像中的背景像素事件，使用图像聚类算法划分不同种类样品的像素事件区域，聚类结果即为待测样品的二维分布图像，计算各个区域的瑞利散射光子分布图像与康普顿散射光子分布图像的强度比R/C，即可将待测样品作出区分。
进一步的，步骤二中，通过综合滤波对像素数据进行筛选具体为：采用分离强度阈值和事件强度阈值对像素数据进行综合滤波；对所有的单像素事件进行频谱统计得到X射线光谱具体为：对所有的单像素事件的强度信息做频数统计，经过能量刻度后得到X射线光谱。
进一步的，步骤二中，通过像素强度设定阈值进行筛选，获得康普顿散射光子分布图像和瑞利散射光子分布图像具体为：根据X光管阳极靶线的康普顿散射峰能量和瑞利散射峰能量设定其对应的像素强度感兴趣范围，表示为ROI，筛选像素数据在此范围内的所有单像素事件并记录其像素位置，对其像素位置矩阵进行累加，即得到康普顿散射光子分布图像和瑞利散射光子分布图像。
进一步的，步骤二中，X光管阳极靶线的康普顿散射峰能量和瑞利散射峰能量分别为X光管阳极靶线在待测样品中产生的康普顿散射和瑞利散射。
与现有技术相比，本发明所具有的优点：
本发明将X射线全场成像技术与康普顿散射、瑞利散射结合，采用大面积探测方式实现了对低原子序数物质表面的二维分布成像检测，并利用瑞利散射与康普顿散射的强度比实现了对有效原子序数有一定差异的轻基体样品之间的区分。本发明既弥补了全场X射线荧光成像技术在低原子序数样品分布检测方面的缺陷，又解决了X射线康普顿散射成像技术难以对物质进行准确区分的问题。
附图说明
图1为本发明的技术路线图；
图2为本发明的结构示意图；
图3为实施例中塑料拼接样品的X射线光谱图；
图4为实施例中不同种类塑料样品的康普顿散射光子分布图；
图5为实施例中不同种类塑料样品的瑞利散射光子分布图。
图中：X光管-1、针孔准直器-2、CCD相机-3、样品台-4、待测样品-5。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。
实施例1：塑料拼接样品的二维分布成像检测。
一、全场X射线成像原始图像采集：
（1）选择由尼龙Nylon（1个）、聚乙烯PE（2个）、聚氯乙烯PVC（1个）和聚四氟乙烯PTFE（1个）四种有效原子序数有一定差异的塑料圆柱组成的拼接样品为待测样品5，待测样品5外层采用铅皮包裹以减少周围的散射。
（2）移除X光管1的X射线窗口，使用CCD相机3透过针孔准直器2拍摄样品台4上探测区域的可见光图像，调整待测样品5位于探测区域中心。
（3）安装X光管1的X射线窗口，设置钼靶X光管1管电压为45kV，管电流为800μA，X射线散射角为130°，CCD相机3Bin分级数值为4，单次拍摄曝光时间为1s，重复采集记录原始图像，保存为像素数据。
二、散射光子二维分布成像及不同种类样品区分：
（1）设置分离强度阈值为312，事件强度阈值为400，对像素数据进行综合滤波筛选出单像素事件，对所有单像素事件的强度信息做频数统计，经过能量刻度后得到X射线光谱如图3所示。其中能够明显看到X光管1靶线的康普顿散射峰、瑞利散射峰以及Pb元素特征峰。
X射线的能量与像素强度的标准刻度公式如下：
其中E表示X射线在CCD相机3的像素上沉积的能量；
I表示CCD相机3采集的像素强度信息。
（2）根据X射线光谱中Mo的康普顿散射峰和瑞利散射峰能量设定其对应的像素强度感兴趣范围（ROI），其中康普顿散射峰强度范围为1304~1375，瑞利散射峰强度范围为1393~1422。筛选在此范围内的所有单像素事件并记录其像素位置，在其对应像素矩阵位置累加，得到康普顿散射和瑞利散射光子分布图像。
（3）采用密度筛选算法滤除康普顿散射光子分布图像周围的散射背景。利用K-means聚类算法划分不同塑料样品的像素事件区域，聚类结果即可作为各个塑料样品的二维分布图像，不同种类塑料样品的康普顿散射光子分布如图4所示。将此区域轮廓应用于瑞利散射光子分布图像，不同种类塑料样品的瑞利散射光子分布如图5所示。再计算各个区域的R/C，结果如表1所示。
表1 不同塑料的R/C值
| 塑料种类 | Nylon | PTFE | PE | PVC |
| R/C值 | 0.0949 | 0.128 | 0.0625 | 0.311 |
表1结果表明，不同塑料的R/C值差异较大，说明该方法不仅实现了对不同塑料样品的二维分布成像检测，并利用瑞利散射与康普顿散射的强度比实现了对有效原子序数有一定差异的塑料样品之间的区分。该方法既弥补了全场X射线荧光成像技术在低原子序数样品分布检测方面的缺陷，又解决了X射线康普顿散射成像技术难以对物质进行准确区分的问题。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.基于X射线康普顿散射及瑞利散射的成像装置，其特征在于，包括X光管(1)、针孔准直器(2)、CCD相机(3)和样品台(4)，所述的X光管(1)的X射线可直接照射到样品台(4)上的待测样品(5)，所述的CCD相机(3)、针孔准直器(2)和样品台(4)的摆放位置为：CCD相机(3)透过针孔准直器(2)拍摄样品台(4)上探测区域的可见光图像，调整待测样品(5)在样品台(4)上的位置，使待测样品(5)位于探测区域的中心。
2.根据权利要求1所述的基于X射线康普顿散射及瑞利散射的成像装置，其特征在于，所述的X光管(1)阳极靶材料为钼或铑。
3.根据权利要求2所述的基于X射线康普顿散射就瑞利散射的成像装置，其特征在于，所述的针孔准直器(2)为可变焦的针孔准直镜头，所述的针孔准直器(2)的材料为钨，厚度不小于0.2mm。
4.根据权利要求3所述的基于X射线康普顿散射及瑞利散射的成像装置，其特征在于，所述的CCD相机(3)前端使用的可见光屏蔽材料为黑色高分子塑料薄膜，所述的CCD相机(3)成像系统放大率为1。
5.根据权利要求4所述的基于X射线康普顿散射及瑞利散射的成像装置，其特征在于，所述的待测样品(5)有效原子序数具有差异。
6.使用如权利要求1-5所述的基于X射线康普顿散射及瑞利散射的成像装置的成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：CCD相机(3)透过针孔准直器(2)拍摄样品台(4)上探测区域的可见光图像，调整待测样品(5)在样品台(4)上的位置，使待测样品(5)位于探测区域的中心，使X光管(1)的X射线直接照射到样品台(4)上的待测样品(5)，CCD相机(3)采集受到X光管(1)照射的待测样品(5)的原始图像，CCD相机(3)对待测样品(5)重复采集多次原始图像，保存为像素数据；
步骤二：通过综合滤波对像素数据进行筛选，得到单像素事件，对所有的单像素事件进行频谱统计得到X射线光谱，再通过像素强度设定阈值进行筛选，获得康普顿散射光子分布图像和瑞利散射光子分布图像；
步骤三：采用密度筛选算法滤除康普顿散射光子分布图像中的背景像素事件，使用图像聚类算法划分不同种类样品的像素事件区域，聚类结果即为待测样品(5)的二维分布图像，计算各个区域的瑞利散射光子分布图像与康普顿散射光子分布图像的强度比R/C，即可将待测样品(5)作出区分。
7.根据权利要求6所述的基于X射线康普顿散射及瑞利散射的成像方法，其特征在于，所述的步骤二中，通过综合滤波对像素数据进行筛选具体为：采用分离强度阈值和事件强度阈值对像素数据进行综合滤波；对所有的单像素事件进行频谱统计得到X射线光谱具体为：对所有的单像素事件的强度信息做频数统计，经过能量刻度后得到X射线光谱。
8.根据权利要求7所述的基于X射线康普顿散射及瑞利散射的成像方法，其特征在于，所述的步骤二中，通过像素强度设定阈值进行筛选，获得康普顿散射光子分布图像和瑞利散射光子分布图像具体为：根据X光管(1)阳极靶线的康普顿散射峰能量和瑞利散射峰能量设定其对应的像素强度感兴趣范围，表示为ROI，，筛选像素数据在此范围内的所有单像素事件并记录其像素位置，对其像素位置矩阵进行累加，即得到康普顿散射光子分布图像和瑞利散射光子分布图像。
9.根据权利要求8所述的基于X射线康普顿散射及瑞利散射的成像方法，其特征在于，所述的步骤二中，X光管(1)阳极靶线的康普顿散射峰能量和瑞利散射峰能量分别为X光管(1)阳极靶线在待测样品(5)中产生的康普顿散射和瑞利散射。
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