技术领域
[0001] 本
发明涉及一种测量系统及方法，尤其涉及一种多通道X射线光机能谱测量系统及测量方法。
背景技术
[0002] 原级X射线能谱分布在X射线光管应用中具有重要作用，是评价X射线光管性能指标的重要依据。例如在医学影像、放疗中，能谱分布与
剂量率估算、成像效果之间密切相关。
[0003] 目前，确定
X射线管原级射线能谱分布有两种方法，其中一种最简单的方法是直接测量。这种方法要求有高精
密度、高
分辨率、快速响应的探测器，对于强X射线
光源，该方法难以具体应用。且由于探测器的死时间、测量
电路的响应时间等因素，直接测量强X射线光源时，探测器由于计数率饱和或过载而无法正常工作。因此直接测量的方法，现有探测器难以实现。另外一种常用的方法是半经验公式法，它是通过X射线管本身的参量来表征原级X射线能谱分布。但在实际工作中X射线能谱的分布往往随着工作条件改变产生相应的变化，导致测量过程复杂，人工干预多等问题，所以用本身参量描述的能谱分布很难满足实际测量的需要。
发明内容
[0004] 本发明的目的就在于提供一种解决上述问题，能有效解决测量过程复杂，人工干预多的问题的一种多通道X射线光机能谱测量系统及测量方法。
[0005] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：一种多通道X射线光机能谱测量系统，包括用于探测X射线的剂量
探头、
信号采集电路和PC机，还包括
激光器、光纤
耦合器、
数据采集卡；
[0006] 所述剂量探头包括一屏蔽体，所述屏蔽体为下方敞口的空心圆柱形，且为双层结构，其中外层为
铅屏蔽层、内层为
铜屏蔽层，所述屏蔽体内从上到下
水平设有N层
吸收材料层，每一吸收材料层内设有一由α-Al2O3:C材料制成的探测器圆片，共N个探测器圆片，所述探测器圆片用于吸收对应吸收材料层内的射线，且N个探测器圆片在水平面上不重叠并围合成一圆形；
[0007] 每个探测器圆片分别连接一根探测器光纤，N根探测器光纤分别从对应的吸收材料层侧边引出，并通过光纤耦合器对接一分二光纤；
[0008] 所述一分二光纤分为一组激光传输光纤和一组
辐射探测光纤，所述激光传输光纤为连接到激光器的发射端、辐射探测光纤连接信号采集电路输入端；
[0009] 所述信号采集电路包括光导阵列、
硅光电
二极管阵列和放大电路，所述硅
光电二极管阵列由N个硅光电二极管构成，所述光导阵列位于硅光电二极管的输入端，包括一小端和一大端，所述小端与辐射探测光纤一一对应连接，大端与硅光电二极管输入端形状大小相同，且通过光学耦合剂与硅光电二极管一一对应连接，所述放大电路包括N个
放大器，硅光电二极管的输出端与N个放大器一一对应连接；
[0010] 所述数据采集卡输入端连接放大电路，输出端连接PC机；
[0011] 其中，X射线进入剂量探头，激发N个探测器圆片
辐射发光，形成N路辐射光，所述N路辐射光经对应的N根探测器光纤到达光纤耦合器，再经N根辐射探测光纤对应送入N个硅光电二极管中，由硅光电二极管产生N路
电流信号，经N个放大器转换为
电压信号并幅度调节，形成N路幅度信号输入到数据采集卡中，所述数据采集卡将N路幅度信号转化为N路
数字信号，送入PC机；
[0012] 所述数据采集卡还连接激光器，用于控制激光器发出激
光信号。
[0013] 作为优选：所述吸收材料材质为为
铝、铜或聚乙烯，所述探测器圆片直径为5mm、厚度为0.2mm，密度为2.5g/cm3，且N个探测器圆片围合的圆形与屏蔽体同轴。
[0014] 作为优选：所述硅
光电二极管阵列由8*8个硅光电二极管构成，所述激光器为570nm的绿色激光器。
[0015] 作为优选：所述光导外壁设有纳米
薄膜层，所述硅光电二极管阵列输入端还设有滤片。
[0016] 作为优选：所述数据采集卡与接激光器连接为：数据采集卡的两个IO口分别连接激光器的发射
开关和电源开关，数据采集卡的DAC输出端连接激光器的功率输出端。
[0017] 一种多通道X射线光机能谱测量系统的测量方法，包括以下步骤：
[0018] (1)建立一种多通道X射线光机能谱测量系统，将剂量探头安装在需要测量的X射线光
管束流出射窗前面，并与束流在在同一方向，探测器圆片从下到上依次为第一个到第N个；
[0019] (2)需测试X射线的能谱分布 X射线进入剂量探头，依次被N层吸收材料层吸收，并激发对应层的探测器圆片辐射发光，形成N路辐射光，经N根探测器光纤、光纤耦合器、N根辐射探测光纤、N个光导进入N个硅光电二极管中，由硅光电二极管产生N路电流信号，经N个放大器转换为电压信号并幅度调节，形成N路幅度信号输入到数据采集卡中，所述数据采集卡将N路幅度信号转化为N路数字信号，送入PC机，这N路数字信号为N个探测器圆片的
吸收剂量率，且第i个探测器圆片的吸收剂量率为Di，i＝1-N；
[0020] (3)获取响应函数矩阵：
[0021] (31)预设一X射线强度为M，最大
能量为EN，在0-EN中选取N个能量从小到大排列，构成能量集合E，其中，第j个元素为Ej；
[0022] (32)采用蒙特卡洛模拟方法，计算强度为M，能量为Ej的X射线进入剂量探头、穿透第i层吸收材料层后，在第i层探测器圆片上产生的吸收剂量率 则对应的响应系数为[0023] (33)根据步骤(32)，计算强度为M，能量为E内其他元素的X射线，所对应的响应系数，所有的响应系数构成一响应函数矩阵A；
[0024] (34)根据下式，得到X射线的能谱分布
[0025]
[0026] 作为优选：还包括以下步骤，
[0027] (4)PC机计算得到X射线能谱分布 后，控制激光器产生激光；
[0028] (5)所述激光经激光传输光纤、光纤耦合器后、探测器光纤后进入探测器圆片，激发探测器圆片中沉积的辐射能量，产生光释光信号，所述光释光信号送入信号采集电路中，由数据采集卡将N路幅度信号转化为N路数字信号；送入PC机；这N路数字信号为光释光条件下的N个探测器圆片的吸收剂量率，
[0029] (6)根据步骤(2)得到的光释光条件下的N个探测器圆片的吸收剂量率，按步骤(3)的方法，得到光释光信号的能谱分布
[0030] (7)比较 和 若误差大于20％，则重新测量。
[0031] 本发明中，剂量探头的结构特殊，其中，屏蔽体外层为铅屏蔽层，用于屏蔽周边散射X射线进入剂量探头中造成干扰，内层为铜屏蔽层采用高纯度Cu制成，用于屏蔽Pb产生的X射线。吸收材料层用于吸收经剂量探头入射的X射线，而每层吸收材料层内的探测器圆片，则用于受该层吸收材料层吸收的X射线激发而发光。实际设计中，由于本发明探测器圆片采用α-Al2O3:C材料制成，则传输中所使用的光纤均选择符合A该材料发光中心
波长的光纤。且整个剂量探头要求密闭遮光。探测器圆片错位设置，能有效避免因为探测器圆片对辐射射线吸收和散射，造成探测器响应函数不一致的技术
缺陷，减小Al2O3:C对辐射射线吸收和散射影响。
[0032] 本发明连接了激光器，采用激光器实现光释光进行
退火，使探测器圆片中受X射线激发的离子回到初态，节省了仪器操作时间，同时减少探测器拆卸带来的麻烦。
[0033] 本发明由于通过光纤耦合器连接激光器和硅光电二极管阵列，所以采用一分二光纤，将激光的激光传输光纤和硅光电二极管的辐射探测光纤分开，减小了系统的复杂度。且硅光电二极管阵列采用8*8阵列，可以实现64路输入。
[0034] 光导采用上小下大的结构，将光纤的点光源转换为面光源送入硅光电二极管中，但由于光导外壁设有纳米薄膜层，能实现每路光的完全隔离。
[0035] 数据采集采用低噪声数据采集卡，
采样速率为5k/s，数据采集卡同时可以采集64路数据；各路数据采集后，进行数据收集和打包，形成标准数据包格式，通过网口或者USB将数据传输到PC机，由PC机
软件进行读取并进行
数据处理。
[0036] 本发明测量方法的思路为：在剂量探头使用前需要刻度出剂量探头的响应函数。刻度方法可以采用理论计
算法和蒙特卡洛模拟计算方法，理论计算法，对于散射较强的材料，误差较大，但计算速度快；蒙特卡洛方法计算
精度较高，但是计算速度较慢。本发明采用蒙特卡洛模拟计算方法方法。
[0037] 谱仪探头安装在需要测量的X射线光管束流出射窗前面，并与束流在在同一方向，能有效防止X射线因剂量探头的屏蔽体引起的误差。
[0039] (1)可以在线测量X射线光机
光谱，利用光纤直接读取α-Al2O3:C晶体的辐射发光和光释光信号，避免了取出剂量片测量的麻烦，提高工作效率；
[0040] (2)本方法可以同时测量辐射发光和光释光信号，可以根据两个测量结果同时计算X射线光管的能谱分布，方便数据对比分析，提高测量结果可靠性。
[0041] (3)本发明中采用硅光电二极管阵列来读读取光辐射信号，同
光电倍增管比较，有效的减小了设备体积，便于携带和现场使用。
附图说明
[0042] 图1为本发明结构示意图；
[0043] 图2为剂量探头结构示意图；
[0044] 图3为剂量探头中探测器圆片与吸收材料层、光纤的结构示意图；
[0046] 图5为信号采集电路的结构示意图；
[0047] 图6为
实施例3中X射线光管
稳定性显示图；
[0048] 图7为实施例5中本发明验证图。
[0049] 图中：1、探测器光纤；2、光纤耦合器；3、激光传输光纤；4、辐射探测光纤；5、滤片；6、铅屏蔽层；7、铜屏蔽层；8、吸收材料层；9、探测器圆片；10、硅光电二极管；11、光导；12、纳米薄膜层。
具体实施方式
[0050] 下面将结合附图对本发明作进一步说明。
[0051] 实施例1：参见图1到图5，一种多通道X射线光机能谱测量系统，包括用于探测X射线的剂量探头、信号采集电路和PC机，还包括激光器、光纤耦合器2、数据采集卡；
[0052] 所述剂量探头包括一屏蔽体，所述屏蔽体为下方敞口的空心圆柱形，且为双层结构，其中外层为铅屏蔽层6、内层为铜屏蔽层7，所述屏蔽体内从上到下水平设有N层吸收材料层8，每一吸收材料层8内设有一由α-Al2O3:C材料制成的探测器圆片9，共N个探测器圆片9，所述探测器圆片9用于吸收对应吸收材料层8内的射线，且N个探测器圆片9在水平面上不重叠并围合成一圆形；
[0053] 每个探测器圆片9分别连接一根探测器光纤1，N根探测器光纤1分别从对应的吸收材料层8侧边引出，并通过光纤耦合器2对接一分二光纤；
[0054] 所述一分二光纤分为一组激光传输光纤3和一组辐射探测光纤4，所述激光传输光纤3为连接到激光器的发射端、辐射探测光纤4连接信号采集电路输入端；
[0055] 所述信号采集电路包括光导阵列、硅光电二极管10阵列和放大电路，所述硅光电二极管10阵列由N个硅光电二极管10构成，所述光导阵列位于硅光电二极管10的输入端，包括一小端和一大端，所述小端与辐射探测光纤4一一对应连接，大端与硅光电二极管10输入端形状大小相同，且通过光学耦合剂与硅光电二极管10一一对应连接，所述放大电路包括N个放大器，硅光电二极管10的输出端与N个放大器一一对应连接；
[0056] 所述数据采集卡输入端连接放大电路，输出端连接PC机；
[0057] 其中，X射线进入剂量探头，激发N个探测器圆片9辐射发光，形成N路辐射光，所述N路辐射光经对应的N根探测器光纤1到达光纤耦合器2，再经N根辐射探测光纤4对应送入N个硅光电二极管10中，由硅光电二极管10产生N路电流信号，经N个放大器转换为电压信号并幅度调节，形成N路幅度信号输入到数据采集卡中，所述数据采集卡将N路幅度信号转化为N路数字信号，送入PC机；
[0058] 所述数据采集卡还连接激光器，用于控制激光器发出激光信号。
[0059] 本实施例中：所述吸收材料材质为为铝、铜或聚乙烯，所述探测器圆片9直径为5mm、厚度为0.2mm，密度为2.5g/cm3，且N个探测器圆片9围合的圆形与屏蔽体同轴；所述硅光电二极管10阵列由8*8个硅光电二极管10构成，所述激光器为570nm的绿色激光器；所述光导11外壁设有纳米薄膜层12，所述硅光电二极管10阵列输入端还设有滤片5；所述数据采集卡与接激光器连接为：数据采集卡的两个IO口分别连接激光器的发射开关和电源开关，数据采集卡的DAC输出端连接激光器的功率输出端。
[0060] 实施例2：参见图1到图5，一种多通道X射线光机能谱测量系统的测量方法，包括以下步骤：
[0061] (1)建立一种多通道X射线光机能谱测量系统，将剂量探头安装在需要测量的X射线光管束流出射窗前面，并与束流在在同一方向，探测器圆片9从下到上依次为第一个到第N个；
[0062] (2)需测试X射线的能谱分布 X射线进入剂量探头，依次被N层吸收材料层8吸收，并激发对应层的探测器圆片9辐射发光，形成N路辐射光，经N根探测器光纤1、光纤耦合器2、N根辐射探测光纤4、N个光导11进入N个硅光电二极管10中，由硅光电二极管10产生N路电流信号，经N个放大器转换为电压信号并幅度调节，形成N路幅度信号输入到数据采集卡中，所述数据采集卡将N路幅度信号转化为N路数字信号，送入PC机，这N路数字信号为N个探测器圆片9的吸收剂量率，且第i个探测器圆片9的吸收剂量率为Di，i＝1-N；
[0063] (3)获取响应函数矩阵：
[0064] (31)预设一X射线强度为M，最大能量为EN，在0-EN中选取N个能量从小到大排列，构成能量集合E，其中，第j个元素为Ej；
[0065] (32)采用蒙特卡洛模拟方法，计算强度为M，能量为Ej的X射线进入剂量探头、穿透第i层吸收材料层8后，在第i层探测器圆片9上产生的吸收剂量率 则对应的响应系数为
[0066] (33)根据步骤(32)，计算强度为M，能量为E内其他元素的X射线，所对应的响应系数，所有的响应系数构成一响应函数矩阵A；
[0067] (34)根据下式，得到X射线的能谱分布
[0068]
[0069] 实施例3：一种多通道X射线光机能谱测量系统的测量方法，包括以下步骤：
[0070] (1)同实施例2的步骤(1)；
[0071] (2)同实施例2的步骤(2)；
[0072] (3)同实施例2的步骤(3)；
[0073] (4)PC机计算得到X射线能谱分布 后，控制激光器产生激光；
[0074] (5)所述激光经激光传输光纤3、光纤耦合器2后、探测器光纤1后进入探测器圆片9，激发探测器圆片9中沉积的辐射能量，产生光释光信号，所述光释光信号送入信号采集电路中，由数据采集卡将N路幅度信号转化为N路数字信号，送入PC机；这N路数字信号为光释光条件下的N个探测器圆片9的吸收剂量率，
[0075] (6)根据步骤(2)得到的光释光条件下的N个探测器圆片9的吸收剂量率，按步骤(3)的方法，得到光释光信号的能谱分布φ’(E)；
[0076] (7)比较 和 若误差大于20％，则重新测量。
[0077] 实施例4：参见图6，一种多通道X射线光机能谱测量系统及测量方法，系统同实施例1，测量方法同实施例2，在建立多通道X射线光机能谱测量系统时，我们在硅光电二极管10阵列输入端还设有滤片5时，设置两种情况，分别为两片和三片滤片5。然后，打开X射线光管，进行能谱测量。由于X射线光管具有预热时间，需要在X射线光管输出稳定后测量1分钟仪器度数。仪器可同时读取64个数据，该数据如图6所示。图6中，起伏大的曲线表示两片滤片5的情况，下方起伏小的曲线表示三片滤片5的情况。
[0078] 实施例5：参见图7，我们用本发明系统去验证一已知的X射线，其中，X射线的能谱如图7中虚线所示，本发明系统探测到X射线后，通过本发明方法计算出X射线的能谱分布如图7实线所示，从图中可知，本发明方案可行。
[0079] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何
修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
