一种具有碟式斩波轮的点扫描装置

技术领域

本发明涉及X射线背散射成像检查技术领域，具体涉及一种用于X射线背散射成像系统的具有碟式斩波轮的点扫描装置。

背景技术

X射线背散射成像检查技术是利用X射线束扫描照射被检物，探测接收被检物的背散射线，经分析处理后再成像的检查技术。背散射探测采用点扫描技术，具有射线辐射剂量低、对炸药和毒品等轻质材料探测图像突显的特点，被广泛应用在人体、货物、车辆的安全检查领域，进行缉私、缉毒、反恐防爆检查。

X射线背散射成像设备，通常采用斩波轮准直技术，将X射线准直形成连续旋转的笔形射线束，逐点连续扫描被检物体，完成点扫描背散射成像检查。最常用的点扫描装置通常有切轮准直装置、筒型跳线准直装置、盘式狭缝准直装置等几种型式。

其中，切轮准直装置由于完全套装X射线源外围，绕射线源旋转，切轮旋转机构的轴承直径要求大于射线源外形尺寸，导致切轮回转半径大，转动惯量大，不能高速旋转扫描，影响探测图像分辨率，成像质量不高，也导致整个探测设备尺寸重量增大。筒型跳线准直装置的各出射角笔形射线束，存在射线束截面不同的问题，而且是断续扫描，影响探测成像质量，同时入射螺旋狭缝和出射螺旋狭缝的加工复杂，制作成本高。盘式狭缝斩波轮准直狭缝在旋转到不同位置时，笔形射线束出射角不同，射线束截面不同，扫描探测成像质量受到影响。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明旨在提供一种具有碟式斩波轮的点扫描装置。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种具有碟式斩波轮的点扫描装置，包括碟式斩波轮、X射线源部件和扇形准直器；所述碟式斩波轮包括轮毂、定位轮盘、管柱准直器、定位机构和铅屏蔽环，所述铅屏蔽环固定并覆盖在所述轮毂的内周面，所述定位轮盘固定在所述轮毂的外周面并与之同轴，所述定位轮盘上设有多个定位机构以及管柱准直器，所述管柱准直器的一端穿过并固定连接轮毂以及铅屏蔽环，另一端连接于所述定位机构；所述管柱准直器的内部具有沿长度方向延伸的管柱准直孔，管柱准直孔的入口端与轮毂的内圈相通，管柱准直孔的出口端与外部相通；所述扇形准直器和X射线源部件相固定，所述X射线源部件的射线源心位于所述扇形准直孔的扇形准直孔的中轴线上并且与轮毂的中轴线位于同一直线；扇形准直器位于所述轮毂的内圈，用于将X射线源部件产生的X射线准直形成扇形射线束并向轮毂内周面方向发射；各管柱准直孔的中心轴线相交于射线源心并且和扇形准直孔的中轴线位于同一平面，相邻的管柱准直孔的中心轴线的夹角相等并且大于扇形准直孔的圆心角，在同一时刻最多只有一个管柱准直孔的入口端位于扇形准直孔的出射范围内；轮毂传动连接于动力装置并由动力装置驱动旋转。

进一步地，所述碟式斩波轮还包括有轴承悬臂架和驱动轴部件，所述驱动轴部件连接于所述轴承悬臂架顶部的轴承，其一端和驱动电机的输出轴传动连接，另一端则和轮毂传动连接。

进一步地，所述X射线源部件远离扇形准直器的一端连接有支撑底座，所述支撑底座的底面和轴承悬臂架的底面位于同一水平面上。

进一步地，管柱准直器采用能够有效屏蔽X射线且具有满足设计要求的机械结构强度的高密度材料制成。

进一步地，所述管柱准直孔的截面形状为圆形或矩形。

进一步地，轮毂采用优质结构钢制成，定位轮盘采用高强度铝制成。

进一步地，所述定位轮盘上沿圆周方向设有多个等半径的动平衡配重孔，各动平衡配重孔之间等角度设置。

更进一步地，所述轮毂上沿圆周方向设有多个等半径的动平衡辅助配重孔，动平衡辅助配重孔之间等角度设置。

进一步地，轮毂上设有多个列同步信号光电孔，所述列同步信号光电孔的数量和管柱准直器的数量相同并且沿圆周方向分布，每两个相邻的管柱准直器之间均设有一个列同步信号光电孔，并且列同步信号光电孔的中心位于相邻两个管柱准直孔的中心轴线的夹角的角平分线上；所述列同步信号光电孔沿中轴线方向上的两侧分别设有两块列同步信号控制板，其中一块列同步信号控制板上设有光电发射端，另一块列同步信号控制板上设有光电接收端；扇形准直孔的两侧边界沿轮毂旋转方向依次为旋入边界和旋出边界，每当有管柱准直孔的入口端旋转到达扇形准直孔的旋入边界时，均恰好有一个列同步信号光电孔分别和光电发射端和光电接收端对应。

更进一步地，其中一个列同步信号光电孔的正上方或正下方设置有轮同步信号光电孔；其中一块列同步信号控制板上设有两个光电发射端，另一块列同步信号控制板上设有两个光电接收端，两个光电发射端和两个光电接收端分别位于一垂直直线上；当正上方或正下方设有轮同步信号光电孔的列同步信号光电孔旋转至和两块列同步信号控制板对应时，该列同步信号光电孔恰好和其中一个光电发射端和光电接收端对应，该轮同步信号光电孔恰好和另一光电发射端和光电接收端对应。

本发明的有益效果在于：

1)本发明中，斩波轮部件采用新型碟式结构，轮盘、轮毂和管柱准直器的设计有助于优化斩波轮尺寸、简化斩波轮结构、降低斩波轮转动惯量、提高斩波轮转速，进而提升探测图像分辨率，实现斩波轮高速、小型、轻量、经济。

2)本发明通过采用定位轮盘和定位机构实现管柱准直器的设置，保证管柱准直器可靠连接与精准定位，使笔形射线束扫描更精准，改善探测图像质量。

3)本发明采用钨铁镍合金等能够屏蔽X射线又具有一定机械结构强度的高密度材料制成管柱准直器，确保准直后的笔形射线束等截面，射线束能量聚中在高能区域，提高射线探测穿透力。

4)本发明中，斩波轮产生同步光电信号控制探测器信号采集的同时，控制斩波轮驱动电机限位制动，确保斩波轮制动后，管柱准直器都不在扇形准直孔范围内，防止在非检测工作时有射线照射泄漏。

附图说明

图1为本发明实施例中点扫描装置的总体结构示意图；

图2为本发明实施例中点扫描装置的横向截面示意图；

图3为图2中的B所示方向的截面示意图；

图4为图3的局部A放大示意图；

图5为本发明实施例的光路设计示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明作进一步的描述，需要说明的是，本实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围并不限于本实施例。

本实施例提供一种具有碟式斩波轮的点扫描装置，如图1-4所示，包括碟式斩波轮、X射线源部件4和扇形准直器3；所述碟式斩波轮包括轮毂11、定位轮盘12、管柱准直器13、定位机构14和铅屏蔽环15，所述铅屏蔽环15固定并覆盖在所述轮毂11的内周面，所述定位轮盘12固定在所述轮毂11的外周面并与之同轴，所述定位轮盘12上设有多个定位机构14以及管柱准直器13，所述管柱准直器13的一端穿过并固定连接轮毂11以及铅屏蔽环15，另一端连接于所述定位机构14；所述管柱准直器13的内部具有沿长度方向延伸的管柱准直孔131，管柱准直孔131的入口端与轮毂11的内圈相通，管柱准直孔131的出口端与外部相通；所述扇形准直器3和X射线源部件4相固定，所述X射线源部件4的射线源心401位于所述扇形准直孔的扇形准直孔的中轴线上并且与轮毂11的中轴线位于同一直线；扇形准直器3位于所述轮毂11的内圈，用于将X射线源部件4产生的X射线准直形成扇形射线束并向轮毂11内周面方向发射；各管柱准直孔131的中心轴线相交于射线源心401并且和扇形准直孔的中轴线位于同一平面，相邻的管柱准直孔131的中心轴线的夹角相等并且大于扇形准直孔的圆心角，在同一时刻最多只有一个管柱准直孔131的入口端位于扇形准直孔的出射范围内；轮毂11传动连接于动力装置并由动力装置驱动旋转。

需要说明的是，在上述点扫描装置中，X射线部件4的X射线从射线源心401发出，经过扇形准直器3内的扇形准直孔准直成扇形射线束后向轮毂11内周面的方向发射。轮毂11绕着扇形准直器3高速旋转的过程中，扇形射线束到达轮毂11的内周面上的非管柱准直孔入口端的位置时会被铅屏蔽环15所屏蔽，无法发射到轮毂外部，当到达管柱准直孔入口端时，会从管柱准直孔入口端进入管柱准直孔内，经准直成笔形射线束后从出口端射出照射被检测物体。停止扫描后，轮毂11停止旋转，并且需要保证轮毂11完全静止后，所有管柱准直孔131都不在扇形准直孔的出射范围内，防止在非检测工作时有射线泄漏。

相邻的管柱准直孔131的中心轴线夹角大于扇形准直孔的圆心角，在轮毂11旋转过程中，同一时间内最多只会有一个管柱准直孔131在扇形准直孔的出射范围内，从而始终只有一束射线从碟式斩波轮中射出。随着轮毂11的高速旋转，管柱准直器13在扇形准直孔范围内一并旋转，从而持续有射线经管柱准直孔131准直成笔形射线束后照射被检测物体上，由此完成对被检测物体从上而下的一列扫描。

在本实施例中，所述管柱准直器13包括有四个，相邻的管柱准直孔131的中心轴线夹角为90°，所述扇形准直器3的扇形准直孔的圆心角为86°。

具体地，所述管柱准直器13的准直孔的入口端与轮毂11和铅屏蔽环15螺纹连接。

具体地，在本实施例中，所述碟式斩波轮还包括有轴承悬臂架7和驱动轴部件6，所述驱动轴部件6连接于所述轴承悬臂架7顶部的轴承，其一端和驱动电机1的输出轴传动连接，另一端则和轮毂11传动连接。碟式斩波轮由轴承悬臂架7支撑，可满足高速、高精度轴承的设计使用条件，最终实现斩波轮高速精确、平稳可靠旋转，实现高速扫描，得以提高图像分辨率。驱动电机1的转速可根据扫描速度设定。

进一步地，在本实施例中，所述X射线源部件4远离扇形准直器13的一端连接有支撑底座2，所述支撑底座2的底面和轴承悬臂架7的底面位于同一水平面上，便于装置的定位安装。

进一步地，管柱准直器13采用能够有效屏蔽X射线且具有满足设计要求的机械结构强度的高密度材料制成，如钨铁镍合金。所述管柱准直孔131的截面形状可以为圆形或矩形。

更进一步地，轮毂11采用优质结构钢制成，定位轮盘12采用高强度铝制成，进一步减轻了斩波轮的重量和转动惯量，实现了轻量化设计。

进一步地，所述定位轮盘12上沿圆周方向设有多个等半径的动平衡配重孔121，各动平衡配重孔121之间等角度设置。所述动平衡配重孔121用于碟式斩波轮部件的动平衡校正。本实施例中，各动平衡配重孔121共有8个，每45°设置一个。

更进一步地，所述轮毂11上沿圆周方向设有多个等半径的动平衡辅助配重孔111，动平衡辅助配重孔111之间等角度设置。动平衡辅助配重孔111用于进一步辅助碟式斩波轮部件的动平衡校正。

需要说明的是，所述碟式斩波轮由于加工装配等原因难免会产生偏差，可以利用动平衡测试仪检测检测其不平衡的质量和位置，利用加配重方法在对应位置的动平衡配重孔121或动平衡辅助配重孔111上固定相应的配重，完成动平衡校正。

进一步地，轮毂11上设有多个列同步信号光电孔112，所述列同步信号光电孔112的数量和管柱准直器13的数量相同并且沿圆周方向分布，每两个相邻的管柱准直器13之间均设有一个列同步信号光电孔112，并且列同步信号光电孔112的中心位于相邻两个管柱准直孔131的中心轴线的夹角的角平分线上；所述列同步信号光电孔112沿中轴线方向上的两侧分别设有两块列同步信号控制板5，其中一块列同步信号控制板5上设有光电发射端，另一块列同步信号控制板5上设有光电接收端；扇形准直孔131的两侧边界沿轮毂旋转方向依次为旋入边界和旋出边界，每当有管柱准直孔131的入口端旋转到达扇形准直孔的旋入边界时，均恰好有一个列同步信号光电孔112分别和光电发射端和光电接收端对应。

在本实施例中，和4个管柱准直器13相对应，轮毂11上相应按分度4×90°设有4个列同步信号光电孔112。

需要说明的是，两块列同步信号控制板独立固定设置，不随轮毂旋转。轮毂旋转的过程中，设有光电发射端的列同步信号控制板持续发生红外光束，当有列同步信号光电孔与之对应时，红外光束穿过列同步信号光电孔被设有光电接收端的列同步信号控制板接收，产生列同步信号。设有光电接收端的列同步信号控制板将列同步信号传送到信号采集系统，信号采集系统利用该列同步信号对探测信号进行时序同步标定，供计算机图像再生处理并成像显示探测图像。在本实施例中，每转会产生4列的时序光电信号。

进一步地，在本实施例中，其中一个列同步信号光电孔112的正上方或正下方设置有轮同步信号光电孔113；其中一块列同步信号控制板5上设有两个光电发射端，另一块列同步信号控制板5上设有两个光电接收端，两个光电发射端和两个光电接收端分别位于一垂直直线上；当正上方或正下方设有轮同步信号光电孔113的列同步信号光电孔112旋转至和两块列同步信号控制板5对应时，该列同步信号光电孔112恰好和其中一个光电发射端和光电接收端对应，该轮同步信号光电孔113恰好和另一光电发射端和光电接收端对应。

轮同步信号光电孔转动至和两块列同步信号控制板对应时，位置对应的光电发射端发出的红外光束穿过轮同步信号光电孔并被对应的光电接收端接收，由此产生轮同步信号，对应的列同步信号控制板将轮同步信号传送到信号采集系统，该轮同步信号一方面可以用于实时检测斩波轮转速，另一方面可以划分标定第一列探测信号的产生时序，而后续依次产生的是第二、第三、第四列探测信号，而且利用该轮同步信号可以测定所述管柱准直器13的制动停止位置(本实施例为45°转角)，确保非检测射线出射。

需要说明的是，由于图像质量及分辨率受扫描光斑大小和扫描速度影响，在一定条件下，扫描光斑直径越小、扫描速度越高，图像的分辨率就越高，图像质量就越好。因此，要提高扫描图像的分辨率及图像品质，需要适当减小扫描光斑尺寸并提高斩波轮转速。

如图5所示，D1表示射线出射区域的外径，D2表示射线准直孔径，当X射线出射点在D1圆心外围时，出射的X射线加大光斑尺寸，应尽量屏蔽其出射。其中，L1、L2表示轮毂11的半径为R1时准直孔长度，L1表示管柱准直器延伸至轮毂11外，L2表示管柱准直器的长度和轮毂11的厚度相同。L3表示轮毂11的半径为R2时的准直孔长度，R1小于R2，并且L3等于L2。从图6可以看出，L1、L2、L3分别对应X射线的出射夹角β1、β2、β3不同，其中L1所对应的出射角β1最小，对应的光斑最小，满足分辨率最高、单次检测剂量最小的设计要求。当X射线出射点在小于或等于直径D1位置时，准直长度L1、L3的准直光斑效果相同，L2的准直光斑效果相对最差。另外，轮毂半径为R2时的结构尺寸、重量及其转动惯量较大，制造难度及加工成本升高。因此本实施例采用较小的轮毂半径以及较长的管柱准直器长度，可以实现斩波轮结构轻量小型化设计。

对于本领域的技术人员来说，可以根据以上的技术方案和构思，给出各种相应的改变和变形，而所有的这些改变和变形，都应该包括在本发明权利要求的保护范围之内。