会聚x射线成像装置和方法制造方法及图纸

提供了用于产生高对比度的x射线和/或γ射线的射线图像的技术。该图像受到来自与对象相关的背景辐射的极小影响。本发明专利技术利用来自激光康普顿源的低发散度、准单能的x射线或γ射线输出结合x射线光学技术来产生会聚x射线或γ射线光束，由此产生特定对象的高对比度的x射线图像。要进行成像的对象放置于x射线光学组件与该组件产生的x射线光束的焦点之间的会聚光束的路径内。然后，使光束穿过位于光束焦点处的光学厚度的针孔。然后，在针孔的下游通过适当的2D探测器阵列记录对象的倒置x射线图像。

Converging X-ray imaging device and method

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】会聚x射线成像装置和方法相关申请的交叉引用本申请要求2017年7月31日提交的题为“利用激光康普顿源进行高对比度的会聚x射线成像”的美国临时专利申请第62/539,452号的优先权，其内容通过引用并入本文。对于在联邦资助的研究或开发下所做出的专利技术权利的声明根据美国能源部和劳伦斯利弗莫尔国家安全有限责任公司之间针对劳伦斯利弗莫尔国家实验室的运作的第DE-AC52-07NA27344号的合同，美国政府拥有本专利技术的权利。
本技术涉及x射线成像，更具体地说，涉及用于产生高对比度的x射线和/或γ射线的放射线图像的技术，该放射线图像受到来自与对象相关的背景辐射的极小影响。
技术介绍
在常规的x射线照相中，通过将要进行成像的对象放置在x射线准点源与二维探测器系统(例如，x射线胶片、x射线CCD照相机、闪烁体或照相机)之间来产生所需对象的x射线图像。图1示出了利用旋转的阳极轫致辐射源的常规点投影x射线成像。射线图像的分辨率由x射线源的空间范围和装置的几何放大倍数设定。自1896年威廉伦琴首次发现x射线以来，以这种方式进行了医学x射线成像。在伦琴的例子中，x射线源是基于高能电子束10撞击金属靶12所产生的轫致辐射。轫致辐射源向各个方向产生多色x射线。在实际应用中，通过在x射线管周围放置金属挡板/准直器14将源的发射限制为辐射的锥体。射线图像/x射线图像由具有足够穿透对象16的能量的弹道x射线产生。对象内具有较高衰减的成分(例如，特征18)在探测器20上形成暗区。能量不足以穿透对象的低能x射线被对象吸收，并且在医学应用中形成被患者接收的大部分不希望的剂量。并非所有具有足够穿透对象的能量的光子都以弹道路径行进并对图像22有贡献。实际上，在医疗程序中，在探测器平面处入射的大部分光子(有时超过90％)是路径已被对象内的康普顿散射进行了改变的光子。这些散射的光子在入射到探测器上时会降低图像的对比度和分辨率，即它们会使图像模糊。医学界已经开发出各种方案来减轻由于散射辐射引起的图像劣化，其中最常见的是放置在探测器系统附近的高原子量材料(例如，铅)的成角度的栅格板。栅格材料的角度设置成与轫致辐射源的自然发散相匹配，即与从源行进到探测器的弹道光子路径平行。该方法虽然在减小由于散射辐射引起的模糊方面有些效果，但也减少了到达探测器的弹道光子的数量，限制了分辨率，增加了图像所需的剂量，并增加了整个成像系统的复杂性。在其他x射线成像应用中，要通过外部x射线源进行成像的对象也可能产生照射到探测器系统上的辐射，由此降低图像的对比度和质量。一个例子是由高能激光照亮的冲击材料的成像。在这种情况下，受激光照射的材料会产生高能电子，该高能电子继而在对象内产生热辐射和线状x射线辐射。这种对象产生的背景x射线辐射源也将与来自背光源的任何弹道x射线一起入射到探测器系统上。为了产生有用的图像，射线照相x射线源必须具有足够克服这种自然背景的通量。对强放射性物质(例如，废核燃料组件)进行成像时会出现类似的问题。图2示出了辐射对象或产生x射线散射24的对象的常规点投影x射线成像。注意图2的记录图像26与图1的记录图像22之间的差异。图1和图2中的共同元件标有相同的附图标记。
技术实现思路
本文公开了利用激光康普顿源进行高对比度的会聚x射线成像。本技术包括一种方法，通过该方法能够产生高对比度的x射线和/或γ射线的射线照相图像，其受到来自与对象相关的背景辐射的极小影响。该技术利用来自激光康普顿源的低发散度、准单能的x射线或γ射线输出结合x射线光学技术来产生会聚x射线或γ射线光束，由此产生特定对象的高对比度的x射线图像。将要进行成像的对象放置于x射线光学组件与该组件产生的x射线光束的焦点之间的会聚光束的路径内。然后，光束穿过位于光束焦点处的光学厚度的针孔。该针孔中的直径被设计成类似于x射线或γ射线焦斑的直径。以这种方式，来自对象的不穿过针孔的所有散射辐射和/或自发射都被剔除并且不会照射到探测器系统上。然后，在针孔的下游，通过适当的2D探测器阵列记录对象的倒置x射线图像。根据几何结构的细节，根据本专利技术到达探测器系统的背景辐射量可以相对于传统的x射线点投影成像的减小多个量级。应注意的是，这种架构的前提条件是与现有的x射线光学元件兼容的x射线或γ射线源，其通常需要准准直和准单能的输入来实现最佳性能。本专利技术的应用包括但不限于具有显著自发射的对象(例如，激光等离子体、放射性材料、来自对象内的x射线或γ射线激发成分的线状发射等)以及因x射线或γ射线照射而产生大量散射辐射的对象(例如，医学射线照相、工业射线照相等)的射线照相。附图说明图1示出了利用旋转的阳极轫致辐射源进行的常规点投影x射线成像。图2示出了辐射对象或产生x射线散射的对象的常规点投影x射线成像。图3示出了空间范围与会聚x射线光束的横向尺寸相比较小的对象的会聚成像。图4示出了较大对象的会聚成像，其中通过相对于x射线光束轴线扫描对象而获得了完整的2D图像。图5示出了角度相关的激光康普顿光谱。图6是通过光刻硅产生的复合折射x射线光学元件的视图。具体实施方式在本技术中，利用x射线光学元件操纵来自激光康普顿x射线源的输出光束，以在距产生激光康普顿x射线的激光和电子相互作用点处固定距离处形成焦点。将要进行成像的对象放置于激光和电子相互作用点与通过x射线光学元件形成的激光康普顿光束焦点之间。将针孔放置于激光康普顿光束焦点的位置处。图3示出了空间范围与会聚x射线光束的横向尺寸相比较小的对象的会聚成像。针孔由高衰减材料构成并被构造为具有足够的厚度，以阻挡不穿过针孔的任何x射线辐射。穿过针孔的激光康普顿x射线辐射由常规的二维x射线探测器系统收集，例如x射线胶片、x射线CCD。这种设置存在两种成像构造。在第一种成像构造中，与对象放置位置处的光束直径相比，该对象较小。在这种情况下，在图3所示的探测器阵列处产生整个对象的倒置x射线图像。在第二种成像构造中，与对象放置位置处的激光康普顿光束直径相比，该对象较大。在这种情况下，通过在光束方向和针孔位置相对于彼此固定的情况下相对于彼此扫描整个对象和光束来获得对象的完整图像。图4示出了较大对象的会聚成像，其中通过相对于x射线光束轴线扫描对象而获得了完整的2D图像。在这两种情况下，来自对象的散射辐射和/或自发射都被阻挡而无法到达探测器阵列，并且产生了高质量的高对比度的射线图像。更具体而言，图3的示例性实施方式示出了由复合折射x射线透镜32聚焦到焦点34的准单能的激光康普顿x射线光束30。光束30穿过焦点34传播到探测器36。元件38包括与焦点34位于同一位置的针孔39。元件38的材料和厚度必须足以阻止除穿过针孔孔眼的光束之外的光束通过。在一个实施方式中，该元件由铅或其他高衰减材料制成，并且具有大于10微米的厚度。将对象40放置于透镜32与光束30的焦点34之间。该图示出了对象40内的特征42。与光束30的横向尺寸相比特征42较小，即，光束完全覆盖特征42。该图示出了从透镜到对象的距离44、从本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种方法，包括：/n提供x射线或γ射线的输出光束；/n引导所述输出光束穿过至少一个x射线和/或γ射线光学元件，以产生指向焦点的会聚光束；/n将对象定位在所述输出光束或所述会聚光束的路径内，以产生改变光束；/n设置孔眼，其开口位于所述改变光束的焦点位置处，其中所述改变光束的至少一部分穿过所述开口以产生发散光束；以及/n探测所述发散光束。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170731 US 62/539,4521.一种方法，包括：
提供x射线或γ射线的输出光束；
引导所述输出光束穿过至少一个x射线和/或γ射线光学元件，以产生指向焦点的会聚光束；
将对象定位在所述输出光束或所述会聚光束的路径内，以产生改变光束；
设置孔眼，其开口位于所述改变光束的焦点位置处，其中所述改变光束的至少一部分穿过所述开口以产生发散光束；以及
探测所述发散光束。


2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述输出光束是通过激光康普顿源提供的准单能的x射线或γ射线的输出光束。


3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个x射线和/或γ射线光学元件包括至少一个折射x射线透镜。


4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个x射线和/或γ射线光学元件包括至少一个复合x射线光学元件。


5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述对象定位在所述会聚光束的路径内。


6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个x射线和/或γ射线光学元件包括至少一个准直光学元件，其后方是至少一个聚焦光学元件，其中所述输出光束首先通过所述至少一个准直光学元件进行准直并且之后通过所述至少一个聚焦光学元件进行聚焦，以产生所述会聚光束。


7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述对象定位在所述至少一个准直光学元件和所述至少一个聚焦光学元件之间。


8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述对象包括感兴趣的特征，其小于所述会聚光束的横向尺寸，使得所述会聚光束完全覆盖所述感兴趣的特征。


9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述对象包括感兴趣的特征，其大于所述会聚光束的横向尺寸，使得所述会聚光束不完全覆盖所述感兴趣的特征。


10.根据权利要求9所述的方法，其还包括相对于所述会聚光束的位置扫描所述对象。


11.根据权利要求10所述的方法，其中，探测所述发散光束的步骤包括在扫描所述对象的步骤期间收集所述发散光束的多个图像。


12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述多个图像总体提供所述感兴趣的特征的完整图像。


13.根据权利要求9所述的方法，其中，通过在所述会聚光束的位置和所述开口的位置相对于彼此固定的情况下相对于彼此扫描所述对象和光束来获得所述感兴趣的特征的完整图像。


14.根据权利要求1所述的方法，其中，所述孔眼包括x射线或γ射线高衰减材料。


15.根据权利要求1所述的方法，其中，所述开口包括从针孔和狭缝构成的组合中选择的形状。


16.根据权利要求1所述的方法，其中，所述开口包括锥形孔。


17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述锥形孔与焦点处和所述焦点周围的激光康普顿光束的会聚和/或发散相匹配。


18.根据权利要求1所述的方法，其中，所述开口包括的直径类似于x射线或γ射线在所述开口处的焦斑。


19.根据权利要求18所述的方法，其中，来自所述对象的不穿过所述开口的所有散射辐射和/或自发射被剔除并且不被探测。


20.根据权利要求1所述的方法，其中，所述孔眼由高衰减材料构成并且被构造为具有足够的厚度，以阻挡不穿过所述开口的任何x射线或γ射线。


21.根据权利要求1所述的方法，其中，探测所述发散光束的步骤是利用二维的x射线探测器系统执行的。


22.根据权利要求1所述的方法，其还包括将所述输出光束调谐为刚好高于所述对象内的特定原子种类的特定内壳电离阈值，以增强图像的对比度和/或实现所述对象内的元件材料识别。


23.根据权利要求1所述的方法，其还包括将所述输出光束调谐到所述对象内的特定原子种类的核共振荧光跃迁，以增强对比度和/或实现所述对象内的同位素材料识别。


24.根据权利要求1所述的方法，其中，使用选通探测器系统执行探测所述发散光束的步骤，所述方法还包括对所述探测器系统进行选通，使得其仅在所述发散光束的弹道图像形成光子到达期间才开启，从而进一步区分背景辐射和散射辐射。


25.根据权利要求2所述的方法，其中，所述至少一个x射线和/或γ射线光学元件包括空间变化的结构，使得入射到所述至少一个x射线和/或γ射线光学元件上的所述输出光束的能量较低并且角度较大的激光康普顿光子与所述输出光束的能量较高的同轴激光康普顿光子聚集到相同光斑且有相同光斑尺寸。


26.根据权利要求2的所述方法，其中，所述至少一个x射线和/或γ射线光学元件的色差与所述激光康普顿源的光谱角度相关性相匹配。


27.根据权利要求2所述的方法，其中，所述至少一个x射线和/或γ射线光学元件仅在一个维度上引导所述输出光束在所述焦点处形成焦斑，并使所述输出光束根据激光康普顿物理过程在另一个维度上发散，并且其中所述开口是在聚焦维度上与所述输出光束的焦斑尺寸相匹配的狭缝。


28.根据权利要求27所述的方法，其还包括对所述输出光束进行调谐以增强对比度和/或实现所述对象内的材料识别。


29.根据权利要求2所述的方法，其中，所述至少一个x射线和/或γ射线光学元件包括相对于彼此成90度定向并且聚焦到不同位置的两个一维复合x射线光学元件，其中所述两个一维复合x射线光学元件中的一个产生所述输出光束的一个维度的扇形光束并且另一个产生所述输出光束的线聚焦，其中在所述线聚焦处设置有狭缝以减少背景辐射。


30.根据权利要求29所述的方法，其还包括对所述输出光束进行调谐以增强对比度和/或实现所述对象内的材料识别。


31.根据权利要求2所述的方法，其中，所述至少一个x射线和/或γ射线光学元件包括第一一维复合x射线光学元件和相对于所述第一一维复合x射线光学元件成90度定向的第二一维复合x射线光学元件，其中所述输出光束通过所述第一一维复合x射线光学元件在一个维度上进行准直，然后通过所述第二一维x射线光学元件在另一个维度上进行聚焦，其中在所述焦点处设置狭缝以减少背景辐射。


32.根据权利要求31所述的方法，其还包括...

【专利技术属性】
技术研发人员：克里斯托弗·P·J·巴蒂，
申请(专利权)人：劳伦斯·利弗莫尔国家安全有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国;US