兼具辐射强度和辐射能谱测量的硬X射线成像系统

技术领域

本发明属于物理中光学测试的技术领域，具体涉及一种兼具辐射强度和辐射能谱测量的硬X射线成像系统。

背景技术

磁约束等离子体中，射频波加热、电流驱动的效率和一些磁流体动力学不稳定性的爆发都与快电子密切相关，虽然快电子在等离子体中所占的比重非常小，但对等离子体的稳定性和磁约束装置（如托卡马克装置）的安全运行有重要影响。快电子、本底电子和离子发生库伦碰撞时会产生韧致辐射，从而释放出硬X 射线，硬X 射线携带了快电子的诸多信息，如射频波功率沉积位置和快电子的时空演化特征等；因此，对硬X射线进行测量诊断对于托卡马克装置等离子体实时反馈控制和快电子物理研究等有重要意义。

传统的硬X射线诊断系统一般只能进行辐射强度测量或能谱测量，具有较大的局限性，这是由于仅进行辐射强度测量，测得数据所包含快电子的信息较少，难以进行深入的物理分析，而仅进行辐射能谱测量，其时间分辨率较低，无法用来做等离子体的实时反馈和控制，适用性较差。因此，需要设计一种兼具辐射强度测量和辐射能谱测量的硬X射线成像系统，同时获取硬X射线的辐射强度和辐射能谱的二维分布，以便进行托卡马克装置等离子体实时反馈控制和快电子物理研究。

发明内容

针对现有技术的上述不足，本发明的目的在于提供兼具辐射强度和辐射能谱测量的硬X射线成像系统，解决目前硬X射线诊断系统测量单一的技术问题，取得降低系统局限性、提高研究适用性的效果。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

兼具辐射强度和辐射能谱测量的硬X射线成像系统，包括支撑单元，支撑单元包括具有输入端、第一输出端和第二输出端的支撑管，探测单元与输入端连接以用于将硬X射线转换为可见光并输入至支撑管内，支撑管内设有分光单元以用于将所述可见光分为两路并分别通过第一输出端和第二输出端输出，辐射能谱测量单元与第一输出端连接以用于根据接收到的可见光获取硬X射线的辐射能谱信息，辐射强度测量单元与第二输出端连接以用于根据接收到的可见光获取硬X射线的辐射强度信息。

进一步地，所述支撑管为T型三通管并包括横管和与横管垂直连通的竖管，横管的一端作为所述输入端，横管的另一端作为所述第一输出端，竖管远离横管的一端作为所述第二输出端。

进一步地，分光单元包括聚焦透镜、第一平行光透镜、第二平行光透镜和分光镜；聚焦透镜同轴设于输入端内并固定，第一平行光透镜同轴设于第一输出端内并固定，第二平行光透镜同轴设于第二输出端内并固定，分光镜倾斜设于横管内并固定，分光镜位于聚焦透镜和第一平行光透镜之间，分光镜的一面朝向聚焦透镜和第二平行光透镜，另一面朝向第一平行光透镜，聚焦透镜、第一平行光透镜和第二平行光透镜的轴线均经过分光镜的中心。

进一步地，支撑单元还包括第一连接管、第二连接管和第三连接管，辐射能谱测量单元连接于第一连接管内，第一连接管与第一输出端同轴且可拆卸密封连接，辐射强度测量单元连接于第二连接管内，第二连接管与第二输出端同轴且可拆卸密封连接，探测单元连接于第三连接管内，第三连接管与输入端同轴且可拆卸密封连接。

进一步地，支撑管沿分光镜分割为两个可拆卸密封连接的支撑管段。

进一步地，第一连接管与第一输出端通过第一连接环实现可拆卸密封连接，第二连接管与第二输出端通过第二连接环实现可拆卸密封连接，第三连接管与输入端通过第三连接环实现可拆卸密封连接，两个支撑管段于相接处通过第四连接环实现可拆卸密封连接。

进一步地，探测单元包括X射线探测器和屏蔽准直器，X射线探测器连接于第三连接管内，屏蔽准直器与第三连接管远离输入端的一端连接。

进一步地，屏蔽准直器包括屏蔽体，屏蔽体与第三连接管远离输入端的一端连接，屏蔽体上横向贯穿开设有圆锥形或棱锥形的通过孔，通过孔与第三连接管同轴，通过孔的大径端朝向第三连接管。

进一步地，辐射能谱测量单元包括沿第二连接管轴向依次设置的第一光路准直器、光电探测器、模数转换模块和FPGA能谱在线算法模块，第一光路准直器靠近第一输出端设置。

进一步地，辐射强度测量单元包括沿第三连接管轴向依次设置的第二光路准直器、成像镜头组件和高速相机，第二光路准直器靠近第二输出端设置。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

本发明所述兼具辐射强度和辐射能谱测量的硬X射线成像系统，将具有输入端、第一输出端和第二输出端的支撑管作为可见光通道，输入端连接有探测单元以接收硬X射线并将其转换为可见光输入支撑管内，在支撑管内设置分光单元，从而将自输入端输入的可见光分为两路，将两路可见光分别通过第一输出端和第二输出端输出，使辐射能谱测量单元和辐射强度测量单元同时对由硬X射线转换得到的可见光进行测量，从而获取硬X射线的辐射能谱和辐射强度。本发明通过支撑单元将探测单元、辐射能谱测量单元和辐射强度测量单元集成到一起，并通过分光单元实现辐射能谱测量单元和辐射强度测量单元对硬X射线的同步测量，有效解决了目前硬X射线诊断系统测量单一的问题，有利于降低硬X射线成像系统的局限性，可适用于托卡马克装置等离子体实时反馈控制和快电子物理研究。

附图说明

图1为实施例的兼具辐射强度和辐射能谱测量的硬X射线成像系统的结构示意图；

图2为实施例所述分光单元的组成和与支撑管的结构关系示意图；

图3为实施例所述支撑单元的结构示意图；

图4为实施例所述辐射能谱测量单元的组成和与第一连接管的结构关系示意图；

图5为实施例所述辐射强度测量单元的组成和与第二连接管的结构关系示意图；

其中，屏蔽体1，X射线探测器2，分光单元3，聚焦透镜3-1，分光镜3-2，第一平行光透镜3-3，第二平行光透镜3-4；辐射能谱测量单元4，光电探测器4-1，第一光路准直器4-2，模数转换模块4-3，FPGA能谱在线算法模块4-4；辐射强度测量单元5，第二光路准直器5-1，成像镜头组件5-2，高速相机5-3；支撑单元6，第三连接管6-1，第三连接环6-2，第四连接环6-3，第一连接环6-4，第一连接管6-5，第二连接环6-6，第二连接管6-7，横管6-8，竖管6-9。

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。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例：

请参见图1，兼具辐射强度和辐射能谱测量的硬X射线成像系统，包括支撑单元6，支撑单元6包括具有输入端、第一输出端和第二输出端的支撑管，探测单元与输入端连接以用于将硬X射线转换为可见光并输入至支撑管内，支撑管内设有分光单元3以用于将所述可见光分为两路并分别通过第一输出端和第二输出端输出，辐射能谱测量单元4与第一输出端连接以用于根据接收到的可见光获取硬X射线的辐射能谱信息，辐射强度测量单元5与第二输出端连接以用于根据接收到的可见光获取硬X射线的辐射强度信息。

本发明所述兼具辐射强度和辐射能谱测量的硬X射线成像系统，将具有输入端、第一输出端和第二输出端的支撑管作为可见光通道，输入端连接有探测单元以接收硬X射线并将其转换为可见光输入支撑管内，在支撑管内设置分光单元3，从而将自输入端输入的可见光分为两路，将两路可见光分别通过第一输出端和第二输出端输出，使辐射能谱测量单元4和辐射强度测量单元5同时对由硬X射线转换得到的可见光进行测量，从而获取硬X射线的辐射能谱和辐射强度。本发明通过支撑单元6将探测单元、辐射能谱测量单元4和辐射强度测量单元5集成到一起，并通过分光单元3实现辐射能谱测量单元4和辐射强度测量单元5对硬X射线的同步测量，有效解决了目前硬X射线诊断系统测量单一的问题，有利于降低硬X射线成像系统的局限性，可适用于托卡马克装置等离子体实时反馈控制和快电子物理研究。

请参见图1和图2，本实施例中，支撑管的具体结构如下：所述支撑管为T型三通管并包括横管6-8和与横管6-8垂直连通的竖管6-9，横管6-8的一端作为所述输入端，横管6-8的另一端作为所述第一输出端，竖管6-9远离横管6-8的一端作为所述第二输出端。

请参见图1和图2，分光单元3包括聚焦透镜3-1、第一平行光透镜3-3、第二平行光透镜3-4和分光镜3-2；聚焦透镜3-1同轴设于输入端内并固定，第一平行光透镜3-3同轴设于第一输出端内并固定，第二平行光透镜3-4同轴设于第二输出端内并固定，分光镜3-2倾斜设于横管6-8内并固定，分光镜3-2位于聚焦透镜3-1和第一平行光透镜3-3之间，分光镜3-2的一面朝向聚焦透镜3-1和第二平行光透镜3-4，另一面朝向第一平行光透镜3-3，聚焦透镜3-1、第一平行光透镜3-3和第二平行光透镜3-4的轴线均经过分光镜3-2的中心。

请参见图3，支撑单元6还包括第一连接管6-5、第二连接管6-7和第三连接管6-1，辐射能谱测量单元4连接于第一连接管6-5内，第一连接管6-5与第一输出端同轴且可拆卸密封连接，辐射强度测量单元5连接于第二连接管6-7内，第二连接管6-7与第二输出端同轴且可拆卸密封连接，探测单元连接于第三连接管6-1内，第三连接管6-1与输入端同轴且可拆卸密封连接；这样，探测单元、辐射能谱测量单元4和辐射强度测量单元5分别通过第三连接管6-1、第一连接管6-5和第二连接管6-7与支撑管可拆卸密封连接，在保证该硬X射线成像系统内部密封不透光的同时，使该硬X射线成像系统便于组装和拆卸保养、维修。

请参见图2和图3，支撑管沿分光镜3-2所在的面分割为两个可拆卸密封连接的支撑管段；这样，将支撑管于分光镜3-2处分为两个支撑管段，便于在支撑管内安装和拆卸保养分光镜3-2、聚焦透镜3-1、第一平行光透镜3-3和第二平行光透镜3-4。

请参见图3，第一连接管6-5与第一输出端通过第一连接环6-4实现可拆卸密封连接，第二连接管6-7与第二输出端通过第二连接环6-6实现可拆卸密封连接，第三连接管6-1与输入端通过第三连接环6-2实现可拆卸密封连接，两个支撑管段于相接处通过第四连接环6-3实现可拆卸密封连接；这样，支撑单元6用于其余各单元的连接固定以构成该硬X射线成像系统，通过第一连接环6-4、第二连接环6-6、第三连接环6-2和第四连接环6-3使整个系统 内部密封不透光，即使支撑单元6的支撑管内部通光部分密封不透光；通过外部套设的多个连接环对应实现多处可拆卸密封连接，使拆卸更加方便快捷，实施时，第一连接环6-4、第二连接环6-6、第三连接环6-2和第四连接环6-3均可采用法兰结构，如第一连接管6-5和第一输出端外径向凸起形成有一圈连接部，两个连接部组成所述第一连接环6-4，两个连接部密封抵接并通过横向贯穿的螺栓连接或外加环箍固连；第一连接环6-4、第二连接环6-6和第三连接环6-2也可通过过盈配合或螺纹连接实现密封和可拆卸，如第一连接管6-5和第一输出端外共同套设有第一连接环6-4，第一连接环6-4分别与第一连接管6-5和第一输出端过盈配合，或第一连接管6-5和第一输出端外具有外螺纹，第一连接环6-4具有内螺纹，第一连接环6-4分别与第一连接管6-5和第一输出端螺纹连接。

请参见图1，探测单元包括X射线探测器2和屏蔽准直器，X射线探测器2连接于第三连接管6-1内，屏蔽准直器与第三连接管6-1远离输入端的一端连接；X射线探测器2用于将硬X射线转换为可见光，即将射线信号转化为光信号，其最外面是保护层，中间是闪烁体，底部是支撑基板，像素点之间填充硫酸钡；另外，聚焦透镜3-1的材质为普通玻璃，尺寸与闪烁体相当，与闪烁屏的距离为一倍透镜焦距，通过圆环形紧固件安装在输入端内；分光镜3-2是在普通玻璃上镀一层半反射膜而形成，使得入射光有一半透过镜片，另一半被反射到垂直方向，分光镜3-2为椭圆形，其中心与聚焦透镜3-1的距离为一倍透镜焦距，与横管6-8轴向成45度夹角，通过紧固件固定在横管6-8内；第一平行光透镜3-3和第二平行光透镜3-4的材质为普通玻璃，尺寸与闪烁体相当，与分光镜3-2中心距离为一倍透镜焦距，分别通过软橡胶紧固在第一输出端和第二输出端内。

请参见图1，屏蔽准直器包括屏蔽体1，屏蔽体1与第三连接管6-1远离输入端的一端连接，屏蔽体1上横向贯穿开设有圆锥形或棱锥形的通过孔，通过孔与第三连接管6-1同轴，通过孔的大径端朝向第三连接管6-1；设置屏蔽体1用于屏蔽周围X射线，只允许经过通过孔的硬X射线打到X射线探测器2的闪烁屏上，屏蔽体1是由钨铜加工而成的锥形体。

请参见图4，辐射能谱测量单元4包括沿第二连接管6-7轴向依次设置的第一光路准直器4-2、光电探测器4-1、模数转换模块4-3和FPGA能谱在线算法模块4-4，第一光路准直器4-2靠近第一输出端设置；其中，第一光路准直器4-2用于光线的准直，表面上均匀分布有蜂窝状小孔结构，孔内壁涂有吸光材料；光电探测器4-1通过硅光电倍增管将光信号转化为电信号，其最外面是保护层，中间是闪烁晶体（SiPM的组成部件），底部是支撑基板，外围尺寸与闪烁屏相同，硅光电倍增管由多个点阵形晶体单元组成，底部是支撑板，每个晶体单元匹配读出电路，硅光电倍增管的外围尺寸与闪烁屏的尺寸相当，用软橡胶按压固定在输入端内；模数转换模块4-3（ADC模块）用于将SiPM（硅光电倍增管）输出的模拟电信号转化为数字电信号；FPGA能谱在线算法模块4-4将模数转换模块4-3输出的数字化信号快速整理成含时间和能量信息的粒子辐射数据，即输出含有射线能量信息的数据。

请参见图5，辐射强度测量单元5包括沿第三连接管6-1轴向依次设置的第二光路准直器5-1、成像镜头组件5-2和高速相机5-3，第二光路准直器5-1靠近第二输出端设置；其中，第二光路准直器5-1用于光线的准直和调节空间分辨率，表面上均匀分布有蜂窝状小孔结构，孔内壁涂有吸光材料；成像镜头组件5-2用于对可见光进行聚焦，并输出给高速相机5-3的感光元件；高速相机5-3用于直接对视野中的光子进行快速成像。

为便于更好地理解本发明所述兼具辐射强度和辐射能谱测量的硬X射线成像系统，介绍其工作原理如下：

等离子体中快电子韧致辐射产生的硬X射线被闪烁体吸收后产生可见光，分光镜3-2将可见光一分为二，一路光信号继续沿着光线传播方向被硅光电倍增管探测转化为电信号，再由后端的模数转换模块4-3和FPGA能谱在线算法模块4-4分别进行模数转换和能谱计算，输出为含时间和能量信息的粒子辐射数据；另一路光信号沿着原光路垂直方向传播，直接经过成像镜头组件5-2后进入到高速相机5-3，高速相机5-3直接拍摄出光子强度信息；

具体地，硬X射线通过屏蔽体1上的通过孔打到X射线探测器2上，X射线探测器2将硬X射线转换为可见光射向聚焦透镜3-1，聚焦透镜3-1将来自闪烁体的可见光汇聚并输出平行光，分光镜3-2将平行光分为两路，分别输送至第一平行光透镜3-3和第二平行光透镜3-4；

第一平行光透镜3-3将来自分光镜3-2的透射光转化为平行光并输送给辐射能谱测量单元4，辐射能谱测量单元4将光信号转化为电信号，并在线整理和计算，输出含有时间信息和能量信息的数字化信号，即辐射辐射能谱信息；其中，第一光路准直器4-2用于光线的准直，光电探测器4-1通过硅光电倍增管将光信号转化为模拟电信号，模数转换模块4-3将获得的模拟电信号转化为数字电信号，FPGA在线能谱算法将数字信号快速整理成含时间和能量信息的粒子辐射数据；

第二平行光透镜3-4将来自分光镜3-2的反射光转化为平行光并输送给辐射强度测量单元5，辐射强度测量单元5直接对光信号进行图像采集，输出辐射强度信息；其中，第二光路准直器5-1用于光线的准直，成像镜头组件5-2对可见光进行聚焦，高速相机5-3对发出的光子直接成像。

本发明所述兼具辐射强度和辐射能谱测量的硬X射线成像系统，该硬X射线成像系统包含屏蔽准直器、X射线探测器2、分光单元3、辐射能谱测量单元4、辐射强度测量单元5和支撑单元6；该硬X射线成像系统利用射线与闪烁体相互作用发光的特性，将可见光分为两路，一路输出到辐射能谱测量单元4的光电探测器4-1上，并在线进行处理和计算，从而获得硬X射线的辐射能谱时空分布；另一路输出到辐射强度测量单元5的高速相机5-3上，直接对可见光进行成像，从而获得硬X射线的辐射强度时空分布。

本发明所述兼具辐射强度和辐射能谱测量的硬X射线成像系统，是高时空分辨硬X射线二维成像系统，通过分光镜3-2将光路一分为二，通过面阵型的闪烁屏匹配光电转换器件（光电探测器4-1）和高速相机5-3，能够同时测量来自等离子体中的硬X射线辐射强度和辐射能谱，能实时获取快电子时空演化信息，适用于托卡马克等离子体实时反馈控制和快电子物理研究；有效地解决了目前托卡马克等离子体中的硬X射线二维分布测量、辐射测量精度低、时间分辨低以及测量信息单一等问题，并且可以同时获取硬X射线的辐射强度和辐射能谱的二维分布，辐射强度信息可以用于等离子体实时控制，而辐射能谱能用于快电子物理研究，具有较好的应用前景。其中，高时间分辨辐射强度信号可用于破裂缓解和等离子体控制等快过程研究，而辐射能谱时空演化信息可以用来分析射频波驱动效率和快电子分布函数等相关物理问题；采用面阵型X射线探测器2集成度高，可实现较高的空间分辨；高速相机5-3采集速度快，可以实现较高的空间分辨；该硬X射线成像系统结构简单、紧凑，便于安装和维护。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。