CN116087239A - 一种探测物体内部多元素分布的方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种探测物体内部多元素分布的方法和系统，属于元素分析与成像领域。包括向待测物发射负缪子束，使用阵列探测器系统捕获逃逸射线，得到逃逸射线被所述探测器系统捕获时的位置信息和电压信号；基于所述电压信号得到被捕获的所有所述逃逸射线对应的总能谱图；基于所述总能谱图确定需要成像的元素；基于所述元素的能谱范围确定用于成像的待分析逃逸射线；基于所述待分析逃逸射线的位置信息得到所述待分析逃逸射线对应的空间点；基于所述空间点进行成像，得到所述元素在待测物内部的三维分布。本发明的方法几乎没有核污染，并且相对于小孔成像原理的成像方法可在相同时间内捕获更多数量的射线，提高探测效率，实现快速成像。
Description
技术领域
本发明属于元素分析与成像领域，尤其涉及一种探测物体内部多元素分布的方法和系统。
背景技术
材料元素分析与成像技术被广泛的应用于不同的科学领域。现有的多种元素分析技术，如X-Ray Fluorescence(XRF),Proton-induced X-ray Emission(PIXE),RutherfordBackscattering Spectrometry(RBS),Nuclear Reaction Analysis(NRA)等，都存在一些问题，比如电子跃迁产生的X射线能量低，用中子进行元素分析时容易引起核污染等。
在材料元素分析与成像领域中，使用μ-进行元素分析与成像是一种全新的技术，当前对μ-进行元素分析与成像的方法都是基于小孔成像原理发展而来的编码成像技术和针孔成像技术，而小孔成像原理的局限性在于屏蔽大量的射线，会导致检测效率低、成像时间久。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种探测物体内部多元素分布的方法和系统，使用负缪子束流源发射μ-，使用阵列探测器捕获射线时不需要屏蔽射线，利用捕获的所有射线进行快速成像。
一方面，本发明提供了一种探测物体内部多元素分布的方法，具体包括如下步骤：
向待测物发射负缪子束，使用阵列探测器系统捕获逃逸射线，得到逃逸射线被所述探测器系统捕获时的位置信息和电压信号；
基于所述电压信号得到被捕获的所有所述逃逸射线对应的总能谱图；
基于所述总能谱图确定需要成像的元素；
基于所述元素的能谱范围确定用于成像的待分析逃逸射线；
基于所述待分析逃逸射线的位置信息得到所述待分析逃逸射线对应的空间点；
基于所述空间点进行成像，得到所述元素在待测物内部的三维分布。
进一步的，所述探测器系统包括水平方向的第一探测器平面和垂直方向的第二探测器平面；使用所述探测器系统探测待测物时，将待测物放置于所述两个探测器平面包围的空间范围内；
所述待分析逃逸射线对应的空间点包括分别与第一探测器平面和第二探测器平面对应的空间点；
基于所述空间点进行成像，得到所述元素在待测物内部水平方向和垂直方向的分布。
进一步的，所述得到第一探测器平面和第二探测器平面对应的空间点，包括：
分别构建与第一探测器平面、第二探测器平面平行的多个数学平面；
基于第一探测器平面或第二探测器平面捕获的待分析逃逸射线的所述位置信息确定该逃逸射线所在的直线；
基于所述直线和每个所述数学平面的交点得到所述逃逸射线第一探测器平面或第二探测器平面对应的空间点。
进一步的，所述第一探测器平面和第二探测器平面分别包括两层探测器；所述两层探测器分别由像素单元组成，所述像素单元相互独立工作，第一层探测器处于接近待测物的一侧，第二层探测器处于远离待测物的一侧。
进一步的，所述使用阵列探测器系统捕获逃逸射线，得到逃逸射线被所述探测器系统捕获时的位置信息和电压信号包括：
所述两层探测器的第一层的像素单元探测到逃逸射线并产生第一电压信号，所述两层探测器的第二层的像素单元捕获逃逸射线并将所捕获逃逸射线的能量转换为第二电压信号；
所述位置信息包括分别产生第一、第二电压信号的像素单元的中心位置坐标；所述电压信号包括所述第二电压信号。
进一步的，所述空间点的坐标(x',y',z')的关系满足：
其中，(i,j,k)＝(x2-x1,y2-y1,z2-z1)，表示所述逃逸射线的方向矢量；(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)分别表示所述第一或第二探测器平面的两层探测器产生的第一、第二电压信号的像素单元的中心位置坐标；z'＝z1-nΔz，n表示所述空间点所在数学平面与z1的间隔数，Δz表示相邻数学平面的间隔。
进一步的，所述第一电压信号和第二电压信号的产生时间差Δt满足333≤Δt≤666ps。
进一步的，所述基于所述电压信号得到被捕获的所有所述逃逸射线对应的总能谱图包括：
基于第一探测器平面、第二探测器平面捕获的所有逃逸射线的能量信息分别得到第一探测器平面捕获的逃逸射线对应的总能谱图以及第二探测器平面捕获的逃逸射线对应的总能谱图；
其中能量信息由下式计算：
其中，
表示已知射线能量E会产生U的电压信号；U0表示第二电压信号，E0表示所述逃逸射线的能量信息。
进一步的，所述探测器系统还包括第三探测器平面，所述第三探测器平面分别和所述第一、第二探测器平面垂直；使用所述探测器系统探测待测物时，将待测物放置于所述三个探测器平面包围的空间范围内；
所述待分析逃逸射线对应的空间点包括分别与第一探测器平面、第二探测器平面和第三探测器平面对应的空间点；
基于所述空间点进行成像，得到所述元素在待测物内部的三维分布。
另一方面，本发明还提供了一种探测物体内部多元素分布的系统，包括：
负缪子束流源，用于向待测物发射负缪子束；
阵列探测器系统，用于捕获逃逸射线，得到所述逃逸射线被所述探测器系统捕获时的位置信息和电压信号；
信号处理模块，用于基于所述位置信息和电压信号，得到所述逃逸射线对应的空间点；
计算机成像模块，用于基于所述空间点，得到水平和垂直方向的元素分布图。
本发明至少可以实现下述之一的有益效果：
通过对待测物发射μ-介子，利用μ-具有极强的穿透性和被原子捕获时发射高能X射线(μ-X rays)的特性，可以对待测物进行多元素分析与成像，由于μ-被原子核捕获发生核反应的数目相比与阿伏伽德罗常数的数目来说很少，经实验检测核污染几乎没有，因此相对于传统成像方法，具有低污染的特点。
通过不屏蔽射线的方法捕获探测时产生的高能射线，使得探测器面积大大增加，可在相同时间内捕获更多数量的射线，可以显著缩短探测时间，提高探测效率，实现快速成像。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为实施例一的方法流程图；
图2为实施例二的靶样品示意图；
图3为实施例二使用阵列探测器系统探测射线的示意图；
图4为实施例二第一探测器平面对应的总能谱图；
图5为实施例二第二探测器平面对应的总能谱图；
图6为实施例二计算空间点的原理图；
图7为实施例二第一探测器平面对应的Ti元素密度分布二维图；
图8为实施例二第二探测器平面对应的Ti元素密度分布二维图；
图9为实施例二分别使用实施例二方法和针孔成像方法检测到的射线能量对比图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
方法实施例
实施例1
本发明的一个具体实施例，公开了一种探测物体内部多元素分布的方法和系统，具体包括如下步骤：
步骤S01、向待测物发射负缪子束，使用阵列探测器系统捕获逃逸射线，得到所述逃逸射线被所述探测器系统捕获时的位置信息和电压信号。
具体的，使用设好参数的负缪子束流源向待测物发射负缪子束。
具体的，参数包括能量大小和束斑尺寸。
具体的，缪子能量大小的选择取决于特征x射线能否穿透待表征物体的穿透深度。可选的，能量大小的范围是45-150MeV/c。
可选的，束斑尺寸的直径范围是2mm-216mm。
具体的，阵列探测器系统包括水平方向的第一探测器平面和垂直方向的第二探测器平面，使用所述探测器系统探测待测物时，将待测物放置于所述两个探测器平面包围的空间范围内。
具体的，第一、第二探测器平面均包括两层阵列探测器，所述两层阵列探测器分别由像素单元组成，所述像素单元之间独立工作。处于接近待测物一侧的阵列探测器厚度小于处于远离待测物一侧的阵列探测器。优选的，处于接近待测物的一侧的第一层阵列探测器的平面由微米量级尺寸的像素单元组成，厚度也是微米量级尺寸，处于远离待测物一侧的第二层阵列探测器的平面由毫米量级尺寸的像素单元组成，厚度为毫米量级尺寸。
可选的，所述两层探测器间隔范围90mm-110mm；优选的，所述两层探测器间隔100mm。
可选的，所述每层阵列探测器使用CdZnTe作为灵敏区域材料。
实施时，使用负缪子束流源向待测物发射负缪子束，μ-在待测物中运动存在横向和纵向的扩散，当μ-损失大部分动能时被附近区域内的原子俘获，产生高能μ-X射线，使用所述探测器系统捕获逃逸的μ-X射线。
具体的，使用所述探测器系统对待测物进行探测时，所述第一、第二探测器平面的第一、第二层阵列探测器的像素单元对所捕获的逃逸射线分别产生两个电压信号，当两个电压信号的产生时间差Δt满足预设条件且中间没有其他信号时，确认该两个信号为一组可用信号，分别记录为第一、第二电压信号；其中，第一层阵列探测器的像素单元用于探测到逃逸射线并产生第一电压信号，第二层阵列探测器的像素单元用于捕获逃逸射线并将所捕获逃逸射线的能量转换为第二电压信号。
具体的，时间差Δt需要满足的预设条件基于所述两层探测器间隔和光速(即逃逸射线的速度)计算得到；示例性的，所述两层探测器间隔100mm时，333≤Δt≤666ps。
具体的，所述逃逸射线被所述探测器系统捕获时的位置信息包括分别产生第一、第二电压信号的像素单元的中心位置坐标；所述逃逸射线被所述探测器系统捕获时的电压信号包括所述第二电压信号。
步骤S02、基于所述电压信号得到被捕获的所有所述逃逸射线对应的总能谱图。
具体的，基于所述电压信号得到所述逃逸射线的能量信息，基于第一、第二探测器平面的所有所述能量信息得到第一、第二探测器平面分别捕获的逃逸射线的总能谱图。
具体的，所述能量信息由下式计算：
其中，
表示已知射线能量E会产生U的电压信号；U0表示第二电压信号，E0表示所述逃逸射线的能量信息；具体的，使用已知能量的射线进行定标得到
示例性的，如Na22放射源，会产生1.275MeV能量的gamma射线。
具体的，由于每个探测器平面的所有所述能量信息可能对应多个元素产生的μ-X射线，每个元素具有自己的μ-X射线特征波长，而特征波长的大小取决于能级跃迁过程中释放出的特征能量，因此每个探测器平面相应的总能谱图显示了不同元素对应的μ-X射线光子特征能量。
步骤S03、基于所述总能谱图确定需要成像的元素。
具体的，第一或第二探测器平面相应的总能谱图中不同特征峰对应了相应的元素，选择其中需要成像的一种或多种元素，每次对其中一种元素在对应的第一或第二探测器平面进行成像。
步骤S04、基于所述元素的能谱范围确定用于成像的待分析逃逸射线。
具体的，选定需要成像的元素所对应的能谱范围，选择属于该能谱范围内的能量信息对应的逃逸射线为待分析逃逸射线。
步骤S05、基于所述待分析逃逸射线的所述位置信息计算得到所述待分析逃逸射线的对应空间点。
具体的，所述待分析逃逸射线对应的空间点包括分别与第一探测器平面和第二探测器平面对应的空间点。
具体的，对第一探测器平面和第二探测器平面分别计算每个探测器平面捕获的待分析逃逸射线对应的空间点。
具体的，以第一探测器平面为例，包括如下步骤：
S05-1、构建与第一探测器平面平行的多个数学平面。
基于第一探测器平面，向待测物方向每隔预设间隔做与该探测器平面平行的数学平面。
优选的，预设间隔为0.5mm。
设水平方向的探测器平面所在的二维平面用xy坐标系表示，相应的三维空间xyz坐标系中各个数学平面的间隔表示为Δz＝0.5mm。
如图6，给出了构建数学平面的示意图。
S05-2、基于该探测器平面捕获的待分析逃逸射线的所述位置信息确定该逃逸射线所在的直线。
具体的，所述待分析逃逸射线的方向表示为(i,j,k)＝(x2-x1,y2-y1,z2-z1)，其中(i,j,k)表示方向矢量，(x1,y1,z1)和(x2,y2,z2)分别为产生第一、第二电压信号的像素单元的中心位置坐标。
具体的，基于待分析逃逸射线方向做反向延长线得到该逃逸射线所在的直线。
S05-3、基于所述直线和每个所述数学平面得到所述逃逸射线在该平面对应的空间点。
具体的，所述直线和多个数学平面相交，得到多个交汇点。
用(x',y',z')表示交汇点的坐标，则交汇点坐标满足如下关系：
其中，z'＝z1-nΔz，n表示交汇点所在数学平面与z1的间隔数；
则有
所有交汇点即所述逃逸射线在该平面对应的空间点。
步骤S06、基于所述空间点进行成像，得到所述元素在待测物内部的三维分布。
具体的，基于每个探测器平面对应的所有空间点在该探测器平面投影，得到所述空间点的密度分布二维图，所述密度分布二维图即所述元素在该探测器平面对应的所述分布图。
具体的，第一探测器平面和第二探测器平面分别对应的密度分布二维图，显示了所述元素在待测物内部的三维分布。
作为对本实施例的一个改进，探测器系统还可以包括第三探测器平面，第三探测器平面分别和第一、第二探测器平面垂直；第三探测器平面的结构与第一、第二探测器平面的结构相同，包括第一、第二层阵列探测器用于得到逃逸射线被探测器系统捕获时的位置信息和电压信号。
使用探测器系统探测待测物时，将待测物放置于所述三个探测器平面包围的空间范围内；相应的，待分析逃逸射线对应的空间点包括分别与第一探测器平面、第二探测器平面和第三探测器平面对应的空间点；基于三个探测器平面对应的空间点进行成像，可以得到所述元素在待测物内部的三维分布；其中，各探测器平面对应的空间点采用与步骤S05描述的相同的方式获得。
本实施例公开了一种探测物体内部多元素分布的方法，通过利用μ-具有极强的穿透性和被原子捕获时发射高能X射线(μ-X rays)的特性，可以对待测物进行多元素分析与成像，因此相对于传统成像方法具有低污染的特点；通过不屏蔽射线的方法捕获探测时产生的高能射线，使得探测器面积大大增加，可在相同时间内捕获更多数量的射线，可以显著缩短探测时间，提高探测效率，实现快速成像。
实施例2
本发明的另一个具体实施例，公开了一种探测物体内部多元素分布的方法，具体包括如下步骤：
步骤S11、向待测物发射负缪子束，使用阵列探测器系统捕获逃逸射线，得到所述逃逸射线被所述探测器系统捕获时的位置信息和电压信号。
具体的，使用一个外部尺寸为26.5mm*26.5mm*69mm、由元素Fe构成、中心存在8mm*8mm*2mm的由Ti元素构成小方块区域的靶样品作为待测物。
具体的，设束斑尺寸直径为2mm，向待测物发射106个能量为73MeV的μ-。当μ-穿过靶样品时，可能被Fe和Ti原子捕获，产生相应的特征x射线。
可选的，阵列探测器系统的第一探测器平面的大小为26.5mm*69mm，第二探测器平面的大小为26.5mm*26.5mm，每个探测器平面分别距离靶样品1mm。
使用阵列探测器系统记录探测到的逃逸射线的位置信息和电压信号。
图2示出了本实施例靶样品；图3是使用阵列探测器系统探测射线的示意图。
步骤S12、基于所述电压信号得到被捕获的所有所述逃逸射线对应的总能谱图。
如图4、图5所示为探测本实施例靶样品得到的总能谱图：图4为第一探测器平面对应的总能谱图；图5为第二探测器平面对应的总能谱图。
步骤S13、基于所述总能谱图确定需要成像的元素。
具体的，探测器的能量分辨率为10KeV，总能谱图中，1235KeV为Fe元素的Kα特征峰，915KeV为Ti元素的Kα特征峰，515KeV为正电子湮没产生的特征峰，265KeV为Fe元素的Lα特征峰。
步骤S14、基于所述元素的能谱范围确定用于成像的待分析逃逸射线。
具体的，选定需要成像的元素Ti，对应选择915KeV这一能量区间，基于所述能量信息确定待分析逃逸射线。
步骤S15、基于所述待分析逃逸射线的所述位置信息计算得到所述待分析逃逸射线的对应空间点。
具体的，如图6，示意了对探测器系统的每个探测器平面分别计算该平面捕获的待分析逃逸射线对应的空间点。
步骤S16、基于所述空间点进行成像，得到所述元素在待测物内部的三维分布。
具体的，图7显示了第一探测器平面对应的Ti元素密度分布二维图；图中可见Ti元素分布面积为8mm*2mm。
图8显示了第二探测器平面对应的Ti元素密度分布二维图；图中可见Ti元素分布面积为8mm*8mm。
图9呈现了对于该靶样品，分别使用本实施例方法和针孔成像方法检测到的射线能量对比：
图9上部呈现使用本实施例方法，第一探测器平面和第二探测器平面在915keV峰分别检测到16649个和1515个计数；图9下部呈现使用针孔成像方法，水平方向的探测器和垂直方向的探测器分别在915keV的峰值中检测到254和13个计数。由此可见，当使用本实施例方法时，检测到的有效射线的数量显著增加，水平方向和垂直方向的探测效率分别提高了65.5倍和116.5倍。
系统实施例
一种探测物体内部多元素分布的系统，包括负缪子束流源、阵列探测器系统、信号处理模块和计算机成像模块。
负缪子束流源，用于向待测物发射负缪子束。
阵列探测器系统，用于捕获逃逸射线，得到所述逃逸射线被所述探测器系统捕获时的位置信息和电压信号。
信号处理模块，用于基于所述位置信息和电压信号，得到所述逃逸射线对应的空间点。
计算机成像模块，用于基于所述空间点，得到水平和垂直方向的元素分布图。
相比于现有技术，本实施例提供的一种探测物体内部多元素分布的系统的有益效果与实施例一提供的有益效果基本相同，在此不一一赘述。
需要说明的是，上述实施例基于相同的发明构思，未重复描述之处，可相互借鉴。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种探测物体内部多元素分布的方法，其特征在于，包括如下步骤：
向待测物发射负缪子束，使用阵列探测器系统捕获逃逸射线，得到逃逸射线被所述探测器系统捕获时的位置信息和电压信号；
基于所述电压信号得到被捕获的所有所述逃逸射线对应的总能谱图；
基于所述总能谱图确定需要成像的元素；
基于所述元素的能谱范围确定用于成像的待分析逃逸射线；
基于所述待分析逃逸射线的位置信息得到所述待分析逃逸射线对应的空间点；
基于所述空间点进行成像，得到所述元素在待测物内部的三维分布。
2.根据权利要求1所述的探测物体内部多元素分布的方法，其特征在于，所述探测器系统包括水平方向的第一探测器平面和垂直方向的第二探测器平面；使用所述探测器系统探测待测物时，将待测物放置于所述两个探测器平面包围的空间范围内；
所述待分析逃逸射线对应的空间点包括分别与第一探测器平面和第二探测器平面对应的空间点；
基于所述空间点进行成像，得到所述元素在待测物内部的三维分布。
3.根据权利要求2所述的探测物体内部多元素分布的方法，其特征在于，所述得到第一探测器平面和第二探测器平面对应的空间点，包括：
分别构建与第一探测器平面、第二探测器平面平行的多个数学平面；
基于第一探测器平面或第二探测器平面捕获的待分析逃逸射线的所述位置信息确定该逃逸射线所在的直线；
基于所述直线和每个所述数学平面的交点得到所述逃逸射线第一探测器平面或第二探测器平面对应的空间点。
4.根据权利要求3所述的探测物体内部多元素分布的方法，其特征在于，所述第一探测器平面和第二探测器平面分别包括两层探测器；所述两层探测器分别由像素单元组成，所述像素单元相互独立工作，第一层探测器处于接近待测物的一侧，第二层探测器处于远离待测物的一侧。
5.根据权利要求4所述的探测物体内部多元素分布的方法，其特征在于，所述使用阵列探测器系统捕获逃逸射线，得到逃逸射线被所述探测器系统捕获时的位置信息和电压信号包括：
所述两层探测器的第一层的像素单元探测到逃逸射线并产生第一电压信号，所述两层探测器的第二层的像素单元捕获逃逸射线并将所捕获逃逸射线的能量转换为第二电压信号；
所述位置信息包括分别产生第一、第二电压信号的像素单元的中心位置坐标；所述电压信号包括所述第二电压信号。
6.根据权利要求5所述的探测物体内部多元素分布的方法，其特征在于，所述空间点的坐标(x',y',z')的关系满足：
其中，(i,j,k)＝(x2-x1,y2-y1,z2-z1)，表示所述逃逸射线的方向矢量；(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)分别表示所述第一或第二探测器平面的两层探测器产生的第一、第二电压信号的像素单元的中心位置坐标；z'＝z1-nΔz，n表示所述空间点所在数学平面与z1的间隔数，Δz表示相邻数学平面的间隔。
7.根据权利要求6所述的探测物体内部多元素分布的方法，其特征在于，所述第一电压信号和第二电压信号的产生时间差Δt满足333≤Δt≤666ps。
8.根据权利要求6所述的探测物体内部多元素分布的方法，其特征在于，所述基于所述电压信号得到被捕获的所有所述逃逸射线对应的总能谱图包括：
基于第一探测器平面、第二探测器平面捕获的所有逃逸射线的能量信息分别得到第一探测器平面捕获的逃逸射线对应的总能谱图以及第二探测器平面捕获的逃逸射线对应的总能谱图；
其中能量信息由下式计算：
其中，
表示已知射线能量E会产生U的电压信号；U0表示第二电压信号，E0表示所述逃逸射线的能量信息。
9.根据权利要求1-8任一项所述的探测物体内部多元素分布的方法，其特征在于，所述探测器系统还包括第三探测器平面，所述第三探测器平面分别和所述第一、第二探测器平面垂直；使用所述探测器系统探测待测物时，将待测物放置于所述三个探测器平面包围的空间范围内；
所述待分析逃逸射线对应的空间点包括分别与第一探测器平面、第二探测器平面和第三探测器平面对应的空间点；
基于所述空间点进行成像，得到所述元素在待测物内部的三维分布。
10.一种探测物体内部多元素分布的系统，其特征在于，包括：
负缪子束流源，用于向待测物发射负缪子束；
阵列探测器系统，用于捕获逃逸射线，得到所述逃逸射线被所述探测器系统捕获时的位置信息和电压信号；
信号处理模块，用于基于所述位置信息和电压信号，得到所述逃逸射线对应的空间点；
计算机成像模块，用于基于所述空间点，得到水平和垂直方向的元素分布图。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN117110343A (zh) * | 2023-10-23 | 2023-11-24 | 中国科学技术大学 | 元素分布探测装置、标定测试方法及元素分布探测方法 |
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2023
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| CN117110343A (zh) * | 2023-10-23 | 2023-11-24 | 中国科学技术大学 | 元素分布探测装置、标定测试方法及元素分布探测方法 |
| CN117110343B (zh) * | 2023-10-23 | 2024-03-29 | 中国科学技术大学 | 元素分布探测装置、标定测试方法及元素分布探测方法 |
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