一种具有空间分辨的x射线谱仪及其方法
阅读说明：本技术 一种具有空间分辨的x射线谱仪及其方法 (X-ray spectrometer with spatial resolution and method thereof ) 是由 蔡红春 周少彤 王昆仑 徐强 张思群 任晓东 黄显宾 于 2021-11-09 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种具有空间分辨的X射线谱仪及其方法,谱仪包括成像针孔、铅屏蔽筒、滤片腔、滤片与成像板堆栈；所述铅屏蔽筒前端端部包裹所述成像针孔；所述铅屏蔽筒的后端设置所述滤片腔；所述滤片腔用于容纳所述滤片与成像板堆栈；所述X射线辐射源产生的辐射通过所述成像针孔,辐照在所述滤片与成像板堆栈上,所述滤片与成像板堆栈的多个成像通道上得到辐射源不同能段的辐射图像。本发明能够对高能X射线进行测量,能够同时获得高能X射线的具有空间分辨的辐射图像和辐射能谱。(The invention discloses an X-ray spectrometer with spatial resolution and a method thereof, wherein the spectrometer comprises an imaging pinhole, a lead shielding cylinder, a filter disc cavity, a filter disc and an imaging plate stack; the end part of the front end of the lead shielding cylinder wraps the imaging pinhole; the rear end of the lead shielding cylinder is provided with the filter disc cavity; the filter disc cavity is used for accommodating the filter disc and the imaging plate stack; the radiation generated by the X-ray radiation source passes through the imaging pinhole and irradiates the filter and the imaging plate stack, and radiation images of different energy sections of the radiation source are obtained on a plurality of imaging channels of the filter and imaging plate stack. The invention can measure the high-energy X-ray and can simultaneously obtain the radiation image and the radiation energy spectrum of the high-energy X-ray with spatial resolution.)
技术领域
本发明属于高能X射线探测技术领域，具体涉及一种具有空间分辨的X射线谱仪及其方法。
背景技术
在有关脉冲高能X射线的科学研究应用中，需要对高能X射线的辐射图像和辐射能谱进行测量。高能X射线具有很短的波长和很强的穿透性，难以采用透镜、曲面反射镜等方式成像，通常采用针孔成像的原理实现高能X射线的成像，但传统的针孔成像装置只能获取单幅辐射图像，无法为高能X射线辐射源进一步的分析和应用提供更加全面可靠的辐射数据。
综上，传统的针孔成像装置存在以下局限：
(1)一次测试仅能获取单幅辐射图像，测试效率低；
(2)仅能获得辐射图像，而无法获得辐射能谱数据。
而高能X射线辐射能谱的测量，通常采用带热释光剂量片的叠片能谱探测器，这些探测设备只能探测高能X射线辐射的能谱，无法同时得到高能X射线的辐射图像。
发明内容
针对现有技术无法同时获得高能X射线的不同能段的辐射图像的局限，本发明提供了一种具有空间分辨的X射线谱仪。本发明能够对高能X射线进行测量，能够同时获得高能X射线的不同能段的多幅辐射图像，能够为高能X射线源的进一步研究和应用快速提供全面可靠的数据支撑。
本发明通过下述技术方案实现：
一种具有空间分辨的X射线谱仪，包括成像针孔、铅屏蔽筒、滤片腔、滤片与成像板堆栈；
所述铅屏蔽筒前端端部包裹所述成像针孔；
所述铅屏蔽筒的后端设置所述滤片腔；
所述滤片腔用于容纳所述滤片与成像板堆栈；
所述X射线辐射源产生的辐射通过所述成像针孔，辐照在所述滤片与成像板堆栈上，所述滤片与成像板堆栈的多个成像通道上得到辐射源不同能段的辐射图像。
优选的，本发明的成像针孔采用厚针孔；
所述厚针孔由钨块上的双面倒锥形针孔构成。
优选的，本发明的钨块的厚度为10cm，所述倒锥形针孔的最小处直径为1.5mm。
优选的，本发明的滤片与成像板堆栈由不同材料和厚度的滤片和成像板堆叠而成。
优选的，本发明的滤片与成像板堆栈的每个成像通道包括依次堆叠的一层滤片和一层成像板；
所述滤片与成像板堆栈的成像通道数以及每个通道的滤片参数根据需要测量辐射源能谱的范围确定。
优选的，本发明的铅屏蔽筒由铝外壳包裹屏蔽铅层组成；
所述铅屏蔽筒能够对1MeV的射线吸收率超过80％。
优选的，本发明的铝外壳的厚度为12mm，所述屏蔽铅层的厚度为25mm。
优选的，本发明的滤片腔由预设厚度的铝外壳包裹屏蔽铅层组成。
优选的，本发明的滤片与成像板堆栈包括至少10个以上成像通道，以提高能谱反解时结果的可信度。
第二方面，本发明提出了一种高能X射线源的辐射能谱获取方法，包括：
采用本发明所述的X射线谱仪获取X射线辐射源不同能段的多幅辐射图像；对获取的多幅辐射图像进行处理，得到高能X射线源的辐射能谱。
本发明具有如下的优点和有益效果：
本发明通过采用针孔结构结合滤片和成像板堆叠的接收方式，从而使该谱仪能够获取高能X射线源在不同能段的多幅辐射图像，为高能X射线源的进一步研究和分析提供更加完全可靠的数据支撑。
本发明还可以根据不同能段的辐射图像，结合现有能谱反解技术，即可得到高能X射线源不同位置的辐射能谱，而无需借助其他硬件即可实现辐射图像和辐射能谱的同时测量。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明的X射线谱仪结构示意图。
图2为本发明的成像针孔及针孔局部放大示意图。
图3为本发明的X射线谱仪原理示意图。
图4为本发明的成像板记录的辐射源一能段的辐射图像。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-辐射源，2-成像针孔，21-钨块，22-倒锥形针孔，3-铅屏蔽筒，4-滤片腔，5-滤片与成像板堆栈，6-对中激光器。
具体实施方式
在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所发明的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本发明的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。
在本发明的各种实施例中，表述“或”或“A或/和B中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“A或B”或“A或/和B中的至少一个”可包括A、可包括B或可包括A和B二者。
在本发明的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本发明的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。
应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件时，可理解为在第一组成元件和第二组成元件之间不存在第三组成元件。
在本发明的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本发明的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例
本实施例提供了一种具有空间分辨的X射线谱仪，如图1所示，本实施例的X射线谱仪包括成像针孔2、铅屏蔽筒3、滤片腔4、滤片与成像板堆栈5、对中激光器6。
铅屏蔽筒3的前端端部(即面向辐射源1的一端端部)包裹成像针孔2，铅屏蔽筒3的后端设置滤片腔4，滤片腔4内部放置有滤片与成像板堆栈5，该滤片与成像板堆栈5包括多个成像通道，用于获取不同能段的辐射图像。
铅屏蔽筒3和滤片腔4保护成像板不受高能X射线直穿光和杂散光的影响。高能X射线源1产生的辐射通过成像针孔2，先后辐照在滤片和成像板上，在多个成像板上得到不同能段的辐射图像。
本实施例在将成像针孔2、铅屏蔽腔3、滤片腔4和滤片与成像板堆栈5装配完成后，采用对中激光器6实现该X射线谱仪与辐射源1的对中。
本实施例的成像针孔2采用厚针孔，用来实现对X射线源进行成像。厚针孔成像的原理如下：X射线具有非常短的波长，其衍射效应可以忽略不计。利用X射线沿直线传播的原理，在对X射线具有足够衰减能力的重金属块体上开针孔，使X射线穿透针孔成像，像由接收介质(成像板)接收记录。
如图2所示，本实施例的厚针孔由一定厚度的钨块21上的双面倒锥形针孔22构成。本实施例根据所需测量辐射源能谱的范围来确定钨块21的厚度，例如，钨块21的厚度可设置为5～15cm；本实施例的倒锥形针孔22最小处直径根据所需空间分辨率确定，例如，针孔最小处直径可设置为0.5～2mm。
本实施例的铅屏蔽筒3用来屏蔽杂散X射线，减少其对辐射图像的干扰，提高图像的信噪比。
本实施例的铅屏蔽筒3由一定厚度(可设置为12mm)的铝外壳包裹铅层(铅层厚度可设置为25mm)组成，其对1MeV的射线吸收率超过80％。
本实施例的滤片腔4由一定厚度的铝外壳包裹屏蔽铅层组成。本实施例的滤片腔4用来放置滤片与成像板堆栈，同时保护堆栈不受杂散X射线的影响，滤片腔4与铅屏蔽筒3紧密相连。
本实施例的滤片腔4的尺寸可根据滤片与成像板堆栈5中成像通道数量的变化而变化，提高了装置的灵活性和可操作性。
本实施例的滤片与成像板堆栈5由不同材料和厚度的滤片和成像板堆叠放置而成，其中，每一成像通道包括依次堆叠的一层滤片一层成像板(IP板)，即高能X射线源发出的辐射先经滤片衰减后再由成像板成像。
本实施例可根据所需测量辐射源能谱的范围，来选取每个通道的滤片参数和总的通道数，成像通道数优选为10个以上。
如图3所示，本实施例的X射线谱仪工作原理如下：
高能X射线源产生的辐射通过厚针孔，先后辐照在滤片和成像板上，在多个成像板上得到辐射源不同能段的多辐图像(如图4所示)；基于不同能段的辐射图像，可获得高能X射线源的辐射能谱。
本实施例根据获得的辐射源不同能段的多幅辐射图像，进行反解能谱，得到该高能辐射源的辐射能谱，具体为：
选取各个通道成像板上待处理区域(如图4中的圆圈处)的信号，谱仪第n个通道成像板记录的信号强度为：
Nk＝∫Rk(E)Φ(x)dE (1)
其中：Nk为第k层成像板记录的信号；Rk(E)为第k层成像板对能量为E的X射线的响应函数；Φ(x)为入射能量为E的X射线的时间积分通量。
为了获得辐射源的能谱，首先对式(1)进行离散处理：
其中：Rkl为第k层成像板的响应函数在第l个能量格子(l＝1，2…，n)的数值；Φl为能量强度在第l个能量格子的积分值；ek为策略数据的偏差。
再进行反解求谱，具体的反解算法流程为：首先，根据已知信息预估计谱Φ0；然后利用预估计谱开始迭代求解，迭代公式为式(3)，最后利用迭代结束判断方法结束迭代，得到反解能谱。
式中：-第i次迭代谱的计算值；
-权重；
ρk-实验测量值的标准差；
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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