CN116067996A - 一种基于激光的高能ct成像装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于激光的高能CT成像装置和方法，包括激光发射器、激光传输系统、气体靶、真空室、前准直器、样品台、后准直器和成像记录系统，还包括转换靶、金属薄膜磁带系统、能谱测量系统、束斑测量系统和定位标记；气体靶采用倾斜方式，斜向着对转换靶的旋转靶盘片喷气；转换靶用于在成像时供高能电子束穿过；金属薄膜磁带系统用于在调试时阻挡剩余的激光；能谱测量系统用于在调试时获取高能电子束的能谱；束斑测量系统用于在调试时获取高能电子束的束斑大小；定位标记固定在样品台周围，不随样品运动；以根据成像需求调整高能CT成像装置的能谱，并且进一步减小束斑的大小，以得到更清晰的样品图像。

Description

一种基于激光的高能CT成像装置和方法

技术领域

本发明涉及激光成像技术领域，具体而言，涉及一种基于激光的高能CT成像装置和方法。

背景技术

计算机断层成像技术（CT）是通过对物体进行不同角度的射线投影测量获取物体横截面信息的成像技术。现有高能CT（射线能量为数个MeV）基于小型电子加速器产生高能X射线，X射线光斑通常在1-2mm，限制了空间分辨率。高能CT成像装置通过利用激光产生高能X射线，光斑可以控制到100μm以下，从而大幅提升高能CT的空间分辨率。然而，现有基于激光的高能X射线CT主要用于试验研究，尚未形成可靠的成像装置，在电子束调试、光斑控制、长时间稳定工作和图像校正方面存在诸多不足。

有鉴于此，本说明书提出了一种基于激光的高能CT成像装置和方法，以根据成像需求调整高能CT成像装置的能谱，并且进一步减小束斑的大小，以得到更清晰的样品图像。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于激光的高能CT成像装置，包括激光发射器、激光传输系统、气体靶、真空室、前准直器、样品台、后准直器和成像记录系统，还包括转换靶、金属薄膜磁带系统、能谱测量系统、束斑测量系统和定位标记；所述气体靶采用倾斜方式，斜向着对所述转换靶的旋转靶盘片喷气，以产生高能电子束；所述转换靶用于在成像时供所述高能电子束穿过，产生高能X射线；所述金属薄膜磁带系统用于在调试时阻挡剩余的激光；所述能谱测量系统用于在调试时获取所述高能电子束的能谱；所述束斑测量系统用于在调试时获取所述高能电子束的束斑大小；所述定位标记固定在样品台周围，不随样品运动，以对成像数据进行校正。

进一步的，所述气体靶包括气体靶喷口和屏蔽片；所述转换靶包括旋转靶盘片；所述屏蔽片上设置有开孔，所述激光束通过所述屏蔽片上的开孔，打到所述旋转靶盘片上；所述倾斜方式为所述气体靶喷口朝所述旋转靶盘片倾斜。

进一步的，所述转换靶包括旋转靶盘片和运动伺服机构；所述旋转靶盘片与所述运动伺服机构相连接，通过所述运动伺服机构调整所述旋转靶盘片，以使每一个高能电子束脉冲在所述旋转靶盘片上的落点不重叠；所述运动伺服机构还用于在调试所述高能电子束时，将所述旋转靶盘片移出所述高能电子束的落点范围。

进一步的，所述金属薄膜磁带系统包括轮组和金属薄膜卷；所述轮组用于移动所述金属薄膜卷，以使用所述金属薄膜卷未被照射的区域接收剩余的激光。

进一步的，所述束斑测量系统包括束斑荧光屏、束斑反射镜和束斑相机；在调试所述高能电子束的束斑时，将所述束斑测量系统移动到所述高能电子束的传输轴线上；所述高能电子束直接穿过所述束斑荧光屏，形成发光点；所述束斑反射镜将所述束斑荧光屏上的发光点的图像和强度反射至所述束斑相机。

进一步的，所述能谱测量系统包括能谱磁铁、能谱荧光屏、能谱反射镜和能谱相机；在调试所述高能电子束的能谱时，将所述能谱测量系统移动到所述高能电子束的传输轴线上；所述能谱磁体用于在调试时偏转所述高能电子束，以使所述高能电子束穿过所述能谱荧光屏，形成发光点；所述能谱反射镜将所述能谱荧光屏上的发光点的图像和强度反射至所述能谱相机。

进一步的，在对样品进行成像时，将所述能谱测量系统移动到高能X射线的传输轴线上，以偏转成像过程中产生的剩余电子。

进一步的，所述定位标记有多个，分别设置在所述样品台处的所述高能X射线的四周。

进一步的，所述成像记录系统包括成像荧光屏、成像反射镜和成像相机；所述成像荧光屏用于接收从所述后准直器发射出来的高能X射线；所述成像反射镜用于将所述成像荧光屏上的图像反射至所述成像相机。

本发明的目的在于提供一种基于激光的高能CT成像方法，包括：将旋转靶盘片移出高能电子束的落点范围；将束斑测量系统移动到高能电子束的传输轴线上，对所述高能电子束的束斑进行调试；将能谱测量系统移到高能电子束的传输轴线上，对所述高能电子束的能谱进行调试；将所述旋转靶盘片移动至所述高能电子束的落点范围内；将样品放置在样品台上，并对所述样品进行成像；基于定位标记对所述成像进行处理，得到样品图像；在调试能谱、调试束斑和样品成像的过程中，气体靶斜向着对转换靶的旋转靶盘片喷气。

本发明实施例的技术方案至少具有如下优点和有益效果：

本说明书中的一些实施例，通过将气体靶倾斜放置，斜向着对所述转换靶的旋转靶盘片喷气，可以减小气体靶的后表面与旋转靶盘片的前表面的距离，获得更小束斑的X射线。

本说明书中的一些实施例，通过设置金属薄膜磁带系统，可以用于阻挡激光，避免激光对真空窗口的破坏。

本说明书中的一些实施例，通过在样品透射时，将能谱测量系统移动到高能X射线的传输轴线上，以使能谱磁铁可以对剩余电子进行偏转。

本说明书中的一些实施例，通过设置能谱测量系统和束斑测量系统，可以对高能电子束进行能谱测量和束斑测量，以在对样品透射前对高能电子束进行参数测量，实现对电子束参数的直接调控。

本说明书中的一些实施例，通过定位标记，使本装置具备对CT测量数据的位置校正功能，可以克服激光产生高能X射线源的位置波动，提高了CT系统空间分辨率。

本说明书中的一些实施例，通过将能谱测量系统、束斑测量系统、成像记录系统采用离轴成像设计，通过反射镜反射荧光屏上的发光点的图片，使得相机可以避免被高能电子束或高能X射线直接照射。

附图说明

图1为本发明一些实施例提供的一种基于激光的高能CT成像装置的示例性结构图；

图2为本发明一些实施例提供的气体靶部分的示例性局部放大图；

图3为本发明一些实施例提供的一种基于激光的高能CT成像方法的示例性流程图；

图标：3-气体靶、4-高能电子束、5-转换靶、6-高能X射线、7-金属薄膜磁带系统、8-真空室的真空窗口、9-能谱磁铁、12-前准直器、13-样品台、14-定位标记、15-后准直器、101-超短脉冲激光器、102-激光束、201-传输反射镜、301-气体靶喷口、302-屏蔽片、501-旋转靶盘片、502-运动伺服机构、1001-能谱荧光屏、1002-能谱反射镜、1003-能谱相机、1101-束斑荧光屏、1102-束斑反射镜、1103-束斑相机、1601-成像荧光屏、1602-成像反射镜和1603-成像相机。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

图1为本发明一些实施例提供的一种基于激光的高能CT成像装置的示例性结构图。如图1所示，该成像装置包括激光发射器、激光传输系统、气体靶3、真空室、前准直器12、样品台13、后准直器15、成像记录系统、转换靶5、金属薄膜磁带系统7、能谱测量系统、束斑测量系统和定位标记14。

激光发射器用于发射激光脉冲，激光传输系统用于接收激光脉冲，并将激光脉冲传输至气体靶3，气体靶3采用倾斜方式，斜向着对转换靶的旋转靶盘片喷气并尽可能地远离激光传输系统，以产生高能电子束4，高能电子束4打到转换靶5上，产生高能X射线6，金属薄膜磁带系统7用于在调试时阻挡剩余的激光，高能X射线6从真空室的真空窗口8射出，通过前准直器12透射样品台13上的样品，后经过后准直器15到达成像记录系统，得到样品图像，基于固定在样品台周围，不随样品运动的定位标记14，对成像数据（即，样品图像）进行校正。

激光传输系统包括传输反射镜201和离轴抛物面聚焦镜，传输反射镜201接收激光传输系统中超短脉冲激光器101发射出的激光束102，并将激光束102反射至离轴抛物面聚焦镜上，经由离轴抛物面聚焦镜将激光束102聚焦至气体靶3上产生高能电子束4。

气体靶3接收高能电子束4，并将高能电子束4打到转换靶5上，产生高能X射线。关于气体靶3和转换靶5的更多内容，参见图2及其相关描述。

在得到样品图像前，还包括对高能电子束4进行调试，束斑测量系统在调试时获取高能电子束4的束斑大小，并基于预设束斑大小调整高能电子束4的束斑大小；能谱测量系统在调试时获取高能电子束4的能谱，并基于预设能谱调整高能电子束4的能谱。当调整完高能电子束4的能谱和束斑后，再将样品放置在样本台13上进行成像。

金属薄膜磁带系统7包括轮组和金属薄膜卷，轮组用于移动金属薄膜卷，以在对高能电子束4进行调试时使用金属薄膜卷未被照射的区域接收剩余的激光。例如，轮组以传送带的方式带动金属薄膜移动，当金属薄膜磁带系统7接收到激光脉冲的照射时，金属薄膜移动一段距离，以采用未被照射的薄膜区域接收下一个激光脉冲。

上述激光发射器、激光传输系统、气体靶3、转换靶5和金属薄膜磁带系统7均放置于真空室中，高能电子束4与高能X射线6经由真空室的真空窗口8从真空环境中传播进入大气环境。

在真空室的真空窗口8后放置有能谱测量系统、束斑测量系统、前准直器12、样品台13、定位标记14、后准直器15和成像记录系统。

在一些实施例中，束斑测量系统包括束斑荧光屏1101、束斑反射镜1102和束斑相机1103；在调试高能电子束的束斑时，将束斑测量系统移动到高能电子束的传输轴线上；高能电子束直接穿过束斑荧光屏，形成发光点；束斑反射镜将束斑荧光屏上的发光点的图像和强度反射至束斑相机上。例如，束斑荧光屏和束斑反射镜之间呈45°角，当高能电子束以垂直角度穿过束斑荧光屏时，可以认为束斑测量系统被移动到了高能电子束的传输轴线上。启动束斑测量系统，高能电子束穿过束斑荧光屏，形成发光点，束斑相机通过束斑反射镜获取束斑荧光屏上的发光点的位置和强度的图像，通过分析该图像，确定高能电子束的束斑。

在一些实施例中，能谱测量系统包括能谱磁铁9、能谱荧光屏1001、能谱反射镜1002和能谱相机1003；在调试高能电子束的能谱时，将能谱测量系统移动到高能电子束的传输轴线上；能谱磁铁用于在调试时偏转高能电子束，以使高能电子束穿过能谱荧光屏，形成发光点；能谱反射镜将能谱荧光屏上的发光点的图像和强度反射至能谱相机。例如，能谱荧光屏和能谱反射镜之间呈45°角，当未偏转的高能电子束从能谱荧光屏和能谱反射镜之间的夹角通过时，可以认为能谱测量系统被移动到了高能电子束的传输轴线上。启动能谱测量系统，能谱磁铁对高能电子束进行偏转，以使偏转后的高能电子束穿过能谱荧光屏，形成发光点，能谱相机通过能谱反射镜获取能谱荧光屏上的发光点的位置和强度的图像，通过分析该图像，确定高能电子束的能谱。

在一些实施例中，可以先进行束斑测量，然后进行能谱测量。

在一些实施例中，在对样品进行成像时，将能谱测量系统移动到高能X射线的传输轴线上，以偏转成像过程中产生的剩余电子。

能谱磁铁9后设置前准直器12，用于对高能X射线6进行准直。前准直器12后，设置样品台13。样品台13由多个运动伺服机构组成，能够实现对待测样品的搭载、定位以及在CT测量过程中对样品进行旋转或平移。样品台13上设置有多个定位标记，分别设置在样品台13处的高能X射线的四周。例如，设置四个固定的不随样品台运动的定位标记14，用于对CT测量过程中的成像数据进行校正。在一些实施例中，定位标记14为W球体，直径5-10mm。

高能X射线6穿过样品后，进一步穿过后准直器15照射在成像记录系统上，形成具有一定强度分布的图像。成像记录系统包括成像荧光屏1601、成像反射镜1602和成像相机1603。成像荧光屏1601用于接收从后准直器15发射出来的高能X射线；成像反射镜1602用于将成像荧光屏1601上的图像反射至成像相机1603。

本说明书中的一些实施例中通过将能谱测量系统、束斑测量系统、成像记录系统采用离轴成像设计，通过反射镜改变成像记录位置，使得相机可以避免被高能电子束4或高能X射线6直接照射。

图2为本发明一些实施例提供的气体靶部分的示例性局部放大图。

如图2所示，气体靶3包括气体靶喷口301和屏蔽片302；转换靶5包括旋转靶盘片501；屏蔽片302上设置有开孔，经由离轴抛物面聚焦镜聚焦后的激光束通过屏蔽片上的开孔，打到旋转靶盘片501上，产生高能X射线。其中，倾斜方式为气体靶喷口朝旋转靶盘片倾斜，并尽量远离激光传输系统。例如，气体靶喷口301的后表面与旋转靶盘片501的前表面距离为1-2mm。其中，屏蔽片302设置在气体靶喷口前侧（以更靠近激光发射器的位置为前，靠近成像记录系统的位置为后），以防护打靶过程中产生的碎片和等离子体对离轴抛物面聚焦镜的影响。

本说明书中的一些实施例，通过将气体靶倾斜放置，斜向着对转换靶的旋转靶盘片喷气，可以减小气体靶3的后表面与旋转靶盘片501的前表面的距离，获得更小束斑的X射线。传统的气体靶下方还包括附加部分，因此，为了留出该附加部分的位置，需要增大气体靶3与转换靶5的距离，造成气体靶后表面与旋转靶盘的前表面的距离增大，使得束斑过大，造成成像不清晰的问题。本说明书通过将气体靶倾斜放置，使得能将附加装置放置在CT装置内的同时，减小气体靶的后表面和旋转靶盘片的前表面的距离。另外，通过设置屏蔽片302可以防止打靶过程中产生的碎片和等离子体对离轴抛物面聚焦镜造成损坏。

在一些实施例中，转换靶5包括旋转靶盘片501和运动伺服机构502。旋转靶盘片501与运动伺服机构502相连接，通过运动伺服机构502调整旋转靶盘片501，以使每一个高能电子束4在旋转靶盘片501上的落点不重叠。在一些实施例中，旋转靶盘片501的旋转中心与运动伺服机构502相连接，在对样品进行成像时，从旋转靶盘片501的中心开始，以螺旋向外的方式移动旋转靶盘片，以实现激光脉冲的落点在旋转靶盘片上不重叠。当激光束的落点为旋转靶盘片501的最外圈的最后一个落点时，停止激光打靶，更换旋转靶盘片501。运动伺服机构502还用于在调试高能电子束4时，将旋转靶盘片501移出高能电子束4的落点范围。例如，旋转靶盘片501沿水平方向整体移出激光传播轴线。在一些实施例中，旋转靶盘片501的材质可以为W（钨）或其他高Z金属（如，镍等）。

图3为本发明一些实施例提供的一种基于激光的CT成像方法的示例性流程图。如图3所示，本说明书中所提出的CT成像方法包括以下内容：

步骤310，将旋转靶盘片移出高能电子束的落点范围。关于旋转靶盘片和移动旋转靶盘片的更多内容，参见图2及其相关描述。

步骤320，将束斑测量系统移动到高能电子束的传输轴线上，对高能电子束的束斑进行调试。例如，调节电子束的发射角和稳定性。关于束斑测量系统的更多内容，参见图1及其相关描述。

步骤330，将能谱测量系统移动到高能电子束的传输轴线上，对高能电子束的能谱进行调试。例如，调节电子束的能量。关于能谱测量的更多内容，参见图1及其相关描述。

步骤340，将旋转靶盘片移动至高能电子束的落点范围内。关于旋转靶盘片及移动旋转靶盘片的更多内容，参见图1及其相关描述。

步骤350，将样品放置在样品台上，并对样品进行成像。在一些实施例中，可以通过样品台对样品进行三维移动，以获取样品多个角度的透射图。例如，将样品放置在X射线的轴线上后，令样品旋转一周，并在旋转的过程中对样品进行透射；通过对多张样品的不同角度的图像进行组合，获得物体的内部结构。关于样品台和对样品进行成像的更多内容，参见图1及其相关描述。

步骤360，基于定位标记对成像进行处理，得到样品图像。

其中，在样品成像的过程中，气体靶斜向着对转换靶的旋转靶盘片喷气。关于气体靶的更多内容，参见图2及其相关描述。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (10)

1.一种基于激光的高能CT成像装置，包括激光发射器、激光传输系统、气体靶、真空室、前准直器、样品台、后准直器和成像记录系统，其特征在于，还包括转换靶、金属薄膜磁带系统、能谱测量系统、束斑测量系统和定位标记；

所述气体靶采用倾斜方式，斜向着对所述转换靶的旋转靶盘片喷气，以产生高能电子束；

所述转换靶用于在成像时供所述高能电子束穿过，产生高能X射线；

所述金属薄膜磁带系统用于在调试时阻挡剩余的激光；

所述能谱测量系统用于在调试时获取所述高能电子束的能谱；

所述束斑测量系统用于在调试时获取所述高能电子束的束斑大小；

所述定位标记固定在样品台周围，不随样品运动，以对成像数据进行校正。

2.根据权利要求1所述的基于激光的高能CT成像装置，其特征在于，所述气体靶包括气体靶喷口和屏蔽片；所述转换靶包括旋转靶盘片；

所述屏蔽片上设置有开孔，所述激光束通过所述屏蔽片上的开孔，打到所述旋转靶盘片上；

所述倾斜方式为所述气体靶喷口朝所述旋转靶盘片倾斜。

3.根据权利要求1所述的基于激光的高能CT成像装置，其特征在于，所述转换靶包括旋转靶盘片和运动伺服机构；

所述旋转靶盘片与所述运动伺服机构相连接，通过所述运动伺服机构调整所述旋转靶盘片，以使每一个高能电子束脉冲在所述旋转靶盘片上的落点不重叠；

所述运动伺服机构还用于在调试所述高能电子束时，将所述旋转靶盘片移出所述高能电子束的落点范围。

4.根据权利要求1所述的基于激光的高能CT成像装置，其特征在于，所述金属薄膜磁带系统包括轮组和金属薄膜卷；

所述轮组用于移动所述金属薄膜卷，以使用所述金属薄膜卷未被照射的区域接收剩余的激光。

5.根据权利要求1所述的基于激光的高能CT成像装置，其特征在于，所述束斑测量系统包括束斑荧光屏、束斑反射镜和束斑相机；在调试所述高能电子束的束斑时，将所述束斑测量系统移动到所述高能电子束的传输轴线上；

所述高能电子束直接穿过所述束斑荧光屏，形成发光点；

所述束斑反射镜将所述束斑荧光屏上的发光点的图像和强度反射至所述束斑相机。

6.根据权利要求1所述的基于激光的高能CT成像装置，其特征在于，所述能谱测量系统包括能谱磁铁、能谱荧光屏、能谱反射镜和能谱相机；在调试所述高能电子束的能谱时，将所述能谱测量系统移动到所述高能电子束的传输轴线上；

所述能谱磁体用于在调试时偏转所述高能电子束，以使所述高能电子束穿过所述能谱荧光屏，形成发光点；

所述能谱反射镜将所述能谱荧光屏上的发光点的图像和强度反射至所述能谱相机。

7.根据权利要求6所述的基于激光的高能CT成像装置，其特征在于，在对样品进行成像时，将所述能谱测量系统移动到高能X射线的传输轴线上，以偏转成像过程中产生的剩余电子。

8.根据权利要求1所述的基于激光的高能CT成像装置，其特征在于，所述定位标记有多个，分别设置在所述样品台处的所述高能X射线的四周。

9.根据权利要求1所述的基于激光的高能CT成像装置，其特征在于，所述成像记录系统包括成像荧光屏、成像反射镜和成像相机；

所述成像荧光屏用于接收从所述后准直器发射出来的高能X射线；

所述成像反射镜用于将所述成像荧光屏上的图像反射至所述成像相机。

10.一种基于激光的高能CT成像方法，其特征在于，包括：

将旋转靶盘片移出高能电子束的落点范围；

将束斑测量系统移动到高能电子束的传输轴线上，对所述高能电子束的束斑进行调试；

将能谱测量系统移动到高能电子束的传输轴线上，对所述高能电子束的能谱进行调试；

将所述旋转靶盘片移动至所述高能电子束的落点范围内；

将样品放置在样品台上，并对所述样品进行成像；

基于定位标记对所述成像进行处理，得到样品图像；

其中，在样品成像的过程中，气体靶斜向着对转换靶的旋转靶盘片喷气。

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