X射线管结构（精选十篇）
X射线管结构 篇1
关键词：人耳解剖结构,鼓膜修补,人工耳蜗,X射线,相位衬度成像。
0 引言
人耳包括外耳、中耳和内耳三部分。由于位觉感受器也位于内耳,因此人耳可声音感知和运动状态感知,又叫位听器。外耳道是一条自外耳门至鼓膜的弯曲管道,由软骨和骨质构成。外耳道与中耳以鼓膜为界。鼓膜为半透明的薄膜,呈浅漏斗状,凹面向外,边缘固定在骨质腔上。经过外耳道传来的声波,能引起鼓膜的振动。中耳的主要组成部分是三块听小骨:锤骨、砧骨和镫骨,镫骨的底板附着在内耳的卵圆窗上。三块听小骨之间由韧带和关节衔接,组成为听骨链。鼓膜的振动可以通过听骨链传到卵圆窗,引起内耳里淋巴的振动[1]。
一般将内耳分为前庭、半规管和耳蜗三部分,具体结构各文献报道有差异,尚未有统一结论。由结构复杂的弯曲管道组成,所以又叫迷路,由骨迷路和膜迷路构成。骨迷路由致密骨质围成,是位于颞骨岩部内曲折而不规则的骨性隧道。膜迷路是套在骨迷路内的一封闭的膜性囊。膜迷路内充满内淋巴液,骨迷路和膜迷路之间的腔隙内被外淋巴液填充,且内、外淋巴液互不相通。前庭和半规管是位觉感受器的所在。耳蜗是听觉感受器的所在。鼓膜的振动引起三块听小骨的同样频率的振动。振动传导到听小骨以后,由于听骨链的作用,大大加强了振动力量,起到了扩音的作用。听骨链的振动引起耳蜗内淋巴液的振动,刺激内耳的听觉感受器,兴奋后所产生的神经冲动沿位听神经中的耳蜗神经传到大脑皮层的听觉中枢,产生听觉[2]。
临床中比较常见的听觉障碍是鼓膜穿孔或耳蜗中毛细胞损伤所至。鼓膜具有一定的弹性和韧性,在正常的情况下不容易损伤、穿孔。直接原因多见于头部受外伤,合并颞骨骨折损伤鼓膜,或者反复中耳炎会使鼓膜穿孔增大、中耳粘连硬化,造成鼓膜穿孔。鼓膜穿孔最好的治疗方法是鼓膜修补[3],它不仅可提高听力,还可重新建立一道屏障,防止中耳炎反复发作。鼓膜修补的方法有手术及烧灼两种。烧灼方法无须开刀,简便易行,但受条件限制较多。手术方法是在耳内或耳后开刀,取自体组织植入鼓膜位置,多取自身的骨膜、静脉或颞肌筋膜。但植入体的尺寸大小,如面积和薄厚,对恢复正常听力影响很大,需要准确得到中耳的结构,并建立准确的中耳有限元模型。
80%以上的重度或极重度耳聋是耳蜗中毛细胞损伤所至。人工耳蜗植入是目前应用于临床治疗双侧重度或极重度感音神经性耳聋的唯一方法[4]。人工耳蜗的工作原理是通过人工耳蜗装置,将语言声音信号转换成电信号(替代了缺损毛细胞的功能)直接刺激听神经,使患者重获听觉功能。人工耳蜗装置包括体外装置和体内植入装置两部分,体外装置采集语音信号并转换为电信号,电信号经过特殊的数字化处理,按照特定的语音处理策略编码,通过载在耳后的无线发射线圈传送到体内植入装置;体内植入装置的接收线圈接收到信号后,经过解码芯片解码,使植入耳蜗的电极阵列产生具有声音特征的电流,直接刺激听神经产生听觉。人耳耳蜗研究的关键技术之一是听觉仿声机制,即耳蜗的感音过程和机理。精确的人耳组织形态结构在理解听觉形成机制、听觉系统建模、语音识别和处理等很多方面都有着很重要的应用,是研究耳蜗的感音过程和机理的关键。这一切均依赖于人耳解剖结构在微米级上的结构成像。在临床中,除可以根据中耳有限元模型提高鼓膜修补手术效果外,其应用价值还包括三个方面:研究中耳生理、病理传声特性;辅助设计人工听小骨等。
但软组织的X射线吸收率很低,吸收衬度很小,无法表现组织内部结构。因此通常的CT成像不能建立人耳的三维解剖结构。由此必须寻找新的成像方法,以解决以精细结构和低吸收组织为特点的人耳结构成像。近年来,X射线相位衬度成像方法的研究和应用发展迅速,理论和技术均在不断的更新。从成像机理看,X射线相衬成像利用弱吸收组织相位变化比吸收变化敏感得多的特点,反应X射线与物质作用时产生的多种效应(散射、折射、吸收等),将这些效应转变为强度变化,在成像装置上形成图像。从实验技术上看,获得X射线相位信息的方法主要有干涉法[5]、衍射增强法[6]和同轴(inline)法[7]3种。同轴法由于装置简单和操作方便,用于临床备受关注。1995年前后,澳大利亚科学家Wilkins领导的研究小组和法国欧洲同步辐射加速器装置(ESRF)的科学家们分别采用微聚焦点光源[8,9]和同步辐射装置[10,11],应用同轴方法得到了X射线相位衬度图像。采用同步辐射装置作为光源的相位衬度计算机X射线断层摄影术的研究Andrei V Bronnikov等也已经取得了很大的进展[14,15,16]。近几年,国内的X射线相位衬度成像研究也取得了较好的进展[12,13]。已有数家单位建有同步辐射装置,其中上海光源(Shanghai Synchrotron Radiation facility,SSRF)[17]是一台高性能的第三代同步辐射光源。下面介绍采用上海光源和同轴法拍摄人耳结构的成像过程。
1 实验设备、实验过程和结果
1.1 实验设备
上海光源的BL13w1(X射线成像及生物医学应用)线站成像,试验台如图1所示。
1.2 样本的制备
取人耳的中耳部分,去除外围的无关组织,切割研磨为大小约为1.5×1.5×3 cm的标本,在4%的甲醛溶液(formalin)中保存,在成像半小时前取出,并用棉球吸干水分,将样品置于透明的塑料薄膜中。成像时,沿外耳道方向水平置于样品架上,设法固定。
1.3 实验过程
将样本在上海光源的BL13w1(X射线成像及生物医学应用)线站成像。摄像系统分辨率约为11μm,能量约为15 Ke V。CT成像时共拍摄1000余幅图像,最后在BL13w1线站的工作站上通过重建得到350余幅断层图像,其中部分图像如图2所示。
1.4 3D重建结果
通过Amira软件,将断层图像重建为三维图像,部分断面(视角)的图像如图3所示。
1.5 结果分析
结果表明,对于人耳软组织等弱吸收或吸收差异很小的样品,利用相位衬度X射线成像能够得到比传统的吸收衬度成像高质量的图像,如从图2、3中可以分辨出鼓膜、中耳关节及其韧带等精细结构.这对于一般用CT或MRI成像是不可能获得的。这些结构信息为建立中耳有限元模型提供基础。中耳有限元模型的临床应用价值非常重要,概括起来主要包括三个方面:研究中耳生理、病理传声特性;提高听力重建手术效果;辅助设计人工听小骨。
2 结论和展望
2 X射线衍射仪的结构及物相分析 篇2
实验学时：2
一、实验目的
1.了解X射线衍射仪的构造及基本原理
2.了解衍射仪法测得粉末衍射花样的基本特征，并掌握定性分析方法 3.测试并鉴别一个粉末样品
二、实验内容
本实验涉及了三个知识点： 1．X射线衍射仪的构造及基本原理 2．X射线衍射物相定性分析的原理 3．多相粉末样品的鉴别 三．实验原理、方法和手段
（一）X射线衍射仪的基本构造
本实验使用的X射线衍射仪。仪器主要分为如下几部分：X射线发生器、X射线测角仪、辐射探测器、电脑。主要部件如图1所示，简述如下：
1.X射线管
图1 X射线管示意图
X射线管是由玻璃外罩将发射X射线的阴极与阳极密封在高真空(10-5~10-7mmHg)之中的管状装置。
（1）阴极：由绕成螺线形的钨丝组成，用高压电缆接负高压，并加到灯丝电流，灯丝电流发射热电子。管壳做成U形，目的是加长阴极与阳极间放电的距离。
（2）阳极：又称靶，是使电子突然减速和发射X射线的地方，靶材为特定的金属材料（例如铜靶，钼靶等）。靶安装在靶基上（多为铜质），靶基底部通冷却水管，在工作过程中不断喷水冷却，并与衍射仪的管座相接并一起接地。
操作时由高压电缆接预高压，并加以灯丝电流，管壳应经常保持干燥清洁。2．测角仪
测角仪安装在衍射仪前部，用于安置试样，各类附件及各种计数器，其相对位置如图2所示：
（二）测角仪的工作原理
入射线从X射线管焦点S出发,经过入射光阑系统DS投射到试样P表面产生衍射,衍射线经过接收光阑系统RS进入计数器C。注意：试样台H、计数器C可以分别独立地沿测角仪轴心转动，工作时试样与计数管以1：2的角速度同时扫描（θ-2θ连动）。试样与计数管的转角度数可在测角仪圆盘上的刻度读出。
（三）X射线物相分析原理
任一种结晶物质都具有特定的晶体结构。在一定波长的X射线照射下，每种晶体物质都给出自己特有的衍射花样，每一种晶体物质和它的衍射花样一一对应，多相试样的衍射花样只是有它所含物质的衍射花样机械叠加而成。
为便于对比和存储，将d和I的数据组代表衍射花样。将由试样测得的d-I数据组与已知结构物质的标准d-I数据组进行对比从而鉴定出试样中存在的物相。
四、实验组织运行要求
分批组织实验，要求学生在实验前预习实验指导书，了解实验内容，实验过程中能独立完成实验指导书中的要求。
五、实验条件
所用仪器设备：日本岛津XRD-6000型X射线衍射仪。实验材料：混合粉末样品
六、实验步骤 1．制备试样
将待测混合粉末样品用样品盛放片盛放，将样品轻轻压紧刮平、固定，就可插到衍射仪的样品台上进行扫描测试.2．辐射的选择
不管是哪种方法,其辐射的选择原则相同.根据化学成分的原则,阳极靶面材料的原子序数Z最好比被测物质的原子序数Z小1-2或相等,即
Z靶 衍射仪选用采用计数率的闪烁计数器SC-70，可以实现70万CPS的计数线性。 4．测量参数的选择 测量参数的选择应该说比较繁复，它包括光阑、时间常数、扫描速度、倍率等，受很多因数制约，只能靠实验的积累。 5.衍射实验 对待测样品进行衍射实验，电脑显示衍射花样。6.XRD实验分析（1）计算机检索 实验室配备了PDF卡片库，采用该系统可检索全JCPDS-PDF卡片。只要将待测样品的实验衍射数据（d-I）及其误差(d±△d)考虑输入，也可以输入样品的元素信息以及物相隶属的子数据库类型（有机、无机、金属、矿物等），计算机按照给定的程序将之与标准的花样进行匹配、检索、淘汰、选择，最后输出结果。 （2）分析各个峰的归属（3）计算聚合物材料的结晶度 七、实验报告 要求如下： 1．简述X射线衍射仪技术的原理及各主要部分的作用 2．掌握物相定性分析的基本原理 3．分析混合粉末样品衍射实验结果 八、安全防护 【关键字】数字化X射线影像；成像质量；X射线摄影条件 【中国分类号】R814.4【文献标识码】A【文章编号】1044-5511（2011）11-0018-01 数字化X线成像（digital radiografhy,DR）是将X线摄影装置或透视装置同计算机相结合，使X线信息由模拟信息转化为数字信息，形成数字化图像的成像技术［1］。数字化X线成像（DR）可分为计算机X成像（computed radiografhy, CR）、数字X线荧光成像（digital fluorograghy,DF）和平板探测器（flat panel detectors）数字X线成像这三种。目前基于平板探测器的DR系统具有更高的量子检出效率(DQE)［2］。也就是说，对于平板探测器而言，计算机X成像（CR）具有更高的成像质量。对X射线摄像影像技术也有着重要的作用。 1.方法 1.1X线摄影设备:在计算机X成像（CR）与平板探测器成像系统的对比试验的过程中，整个过程所使用的成像系统仪器均采用飞利浦CR进口X线机。所使用的飞利浦CR进口X线机的主要参数为：像素矩阵为2560×3072，探测器有效面积为35cm×53cm，图像显示器象素矩阵为2560×2048，像素单元尺寸为13μm，焦点-探测器距离为180cm，X射线管焦尺寸为0.5mm，管电压为120kVp。平板探测器（flat panel detectors）的主要参数为：像素矩阵为3121×3121，探测器有效面积为43cm×43cm，图像显示器象素矩阵为2560×2048，像素单元尺寸为13μm，焦点-探测器距离为180cm，X射线管焦尺寸为0.5mm，管电压为120kVp。以上所有的参数如表1。 表1 所使用X线摄影设备成像参数 1.2摄影体模:摄影体模采用5cm厚的CDRAD2.0对比度-细体模，采用模拟胸部X线摄影，根据摄影系统X线发生器与X线管构造的不同，X射线剂量条件也不同。可以根据CDRAD2.0对比度-细体模的试验实际所测量出来的曝光剂量作为判断的依据。 1.3 图像质量对比的标准与评价:计算机X成像（CR）与平板探测器成像系统的成像质量分别运用计算影像质量表征因子（IQF）进行对比分析，根据ANOVA所具有的检测能力，由计算影像质量表征因子（IQF）为摄影影像的质量作为影像质量的判断标准，从而根据这个标准，对计算机X成像（CR）与平板探测器成像系统的成像质量进行对比分析。 1.4 统计学处理:对所有记录的数据均采用SPSS13.0统计学软件进行处理。 2. 结果 通过对3位观察者的高分辨率的摄影影像，对计算机X成像（CR）与平板探测器成像系统的不同辐射剂量在CDRAD2.0对比度-细体模影像进行对比观察，根据记录所得的出的计算影像质量表征因子（IQF）值，统计结果见表2。 表2 3位观察者在计算机X成像（CR）与平板探测器成像系统影像所得出的IQF值 注：A为23.7μGy；B为47.4μGy；C为94.8μGy；D为112.7μGy；E为256.4μGy；a为使用计算机X成像（CR）成像系统，b为使用平板探测器成像系统。 上述所有数据均通过SPSS13.0统计学软件进行处理。数据表明在不同成像剂量条件下，计算机X成像（CR）与平板探测器影像的IQF值具有显著的差别。当曝光剂量在低剂量的情况下时，计算机X成像（CR）比平板探测器具有更低的IQF，P<0.05，差别有统计学意义。然而随着曝光剂量的增加，计算影像质量表征因子（IQF）也会逐渐减少。计算机X成像（CR）成像质量更优于平板探测器的成像质量。 3. 讨论 数字化X线成像是将X线摄影装置或透视装着同计算机相结合，使形成影像的X线信息由模拟信息转化为数字信息，形成数字化图像的成像技术。数字化X射线摄影是X射线摄影技术的发展趋势，广义的数字化X射线摄影技术包含了基于平板探测器的数字化X射线摄影技术和基于影像板的X线摄影技术［3］。本文在计算机X成像（CR）与平板探测器影像系统中，通过CDRAD2.0对比度-细体模影像观察，在X射线摄影过程中，根据所使用的仪器的不同的参数变化，对计算影像质量表征因子（IQF）也会产生不一样的效果，从而，对X射线的摄影影像的质量也受到不同的影响。根据上述的数据显示，说明了随着曝光剂量的增加，计算影像质量表征因子（IQF）也会逐渐减少，也就是说，当曝光剂量在低剂量的情况下时，计算机X成像（CR）比平板探测器具有更低的计算影像质量表征因子（IQF），也就说明计算机X成像（CR）成像质量更优于平板探测器的成像质量。试验结果证明了在不同的成像的剂量条件下，X射线影像检验技术成像质量也不相同。为此，在今后运用X射线摄影影像仪器的过程中，要根据不同的需求来选择不同的设备，从而使得X射线仪器在医学诊断的过程中发挥其最大的作用，提高医疗资源的有效利用率。 参考文献 ［1］苗来生.诊断学 第六版.人民卫生出版社，2009,6:273. ［2］Hakan G.Image quality vs radiation does for a flat-panel amorphous silicon detectoe:a fhantom study.Eur Radiol,2008,11:1704-1709. 关键词：X射线图像,密度探测,内部结构不均匀,图像校正 在多视角X射线密度探测研究方面,美国Kristoph D. Krug[1]在其专利中提出了密度探测的方法%= P / L,其中L代表穿过被检查物品的X射线长度,P代表该射线穿过被检查物品后射线衰减量。目前,公安部一所研制的多视角安检设备就是基于此密度探测原理[2],该方法经过几十年优化改进,具备了很强的自动识别和探测能力。但是,违禁物品种类繁多、性质千差万别,对安全检查提出了更高要求。当前原理和方法是建立在被检查物品内部是均匀的假设之上,因此当遇到内部结构不均匀物品( 颗粒状物品、电子产品、食品等) 时就不适用了。基于变形图像三维空间校正( CAD表的建立) 和被检测物品切片面积快速估计,提出一种新方法对内部结构不均匀物品密度探测进行了研究。 1 实验模拟系统及坐标系 利用公安部第一研究所四视角X射线安检设备,在此基础上对其进行模拟仿真,获得实验研究平台。 该型号安检设备的硬件组成主要包括四部分:X射线源、检测器、通道、传送带,如图1 所示。 在该设备上采集实验所需数字X射线( digitalradiography,DR) 图像。图2 展示了一组( 四幅) 规则圆柱瓶DR图像。其中,图2( a) ~ 图2( d) 分别对应v1到v4所获取图像,为了叙述简单和方便观察后文每组仅展示v4视角图像。 根据图1,建立如图3 所示的三维空间坐标系xyz,原点o点,单位毫米( mm) 。其中v1、v2、v3、v4代表四个X射线源; 原点o位于通道底面中点,x轴对应通道底面宽,水平向右; y轴对应通道高,竖直向上; z轴对应被检测物体运动方向,水平向里。 根据此型号设备和如上图坐标系xyz,在MATLAB2014A环境下建立安检设备算法研究平台[3]。平台中的查看已经建立的四视角安检设备源探关系界面,如图4。 2 方法与仿真实现 之所以当前密度探测方法不能处理内部结构不均匀物品,是因为在计算穿过被检测物品X射线段的长度L时,必须对切片进行三维重建。内部结构不均匀物品在切片重建时出现很大缺陷。 图5 展示了当前密度探测方法对内部结构不均匀物品的重建结果。其中,图5( a) ~ 图5( c) 为四视角安检设备上采集的横放火腿肠、玻璃瓶装花生米、玻璃瓶装小核桃的v4图像; 图5( d) ~ 图5( f) 分别为其对应的切片重建结果。由重建结果计算穿过被检测物品X射线段的长度L,显然会有很大误差,将使密度探测结果发生跳变。 由此,提出了计算内部结构不均匀物品密度的新方法。 式( 1) 中P0为检测到的灰度值,且0 ≤ P0≤ 4 095。 式( 2) 中S代表射线穿过被检测物品一个切片的面积,单位平方毫米( mm2) ; ∑P代表穿过切面S的所有X射线的衰减总和。 2. 1 基于变形图像三维空间校正 通道式X射线安全检查设备中,由于射线源源心到探测器位置、源心到设备通道位置、设备通道到探测器位置三者间的距离变化较大,使采集到的图像在通道不同位置缩放程度不一致,导致物体轮廓发生形变( 实际表现为物体形状存在一定视觉差异) 。所以,使用X射线的衰减总和( 投影灰度值的和) 必须对其进行灰度校正。 为保证同一物质在通道不同位置所检测的X射线的衰减总和( 投影灰度值的和) 相同,提出了一种应用成像比例一致原则的形变图像三维空间自动校正方法。主要步骤包括: ①根据设备探测器数量与通道尺寸,计算设备标准像素投影距离; ②计算每个探测器对应通道实际投影距离; ③根据探测器实际投影距离与标准像素投影距离间的比例关系,计算校正图像中每个像素与实际图像映射像素( 组) ,即是CAD( central address distribution) 表; ④利用此映射像素( 组) 对应像素灰度值,插值计算出校正图像对应位置灰度值,完成形变图像校正过程。 利用映射像素( 组) ,校正图像插值计算公式如下。 式( 3) 中A表示校正图像,F表示原始图像,t表示插值系数,i1、i2、i3表示一组映射像素( 组) ,即是一组CAD值。 图6 展示的是一块厚直钢板倾斜( 空气背景下) 放置于传送带采集图像校正前后的结果。其中,图6( a) 为直接采集未经校正图像v4视角图像,可以看出,原本呈规则矩形的钢板在图6 ( a) 中弯曲形变严重,安检人员很难通过图像判断出被检物体的原始形状; 图6 ( b) 为利用本文方法获得的校正图像,其中图6( b) 利用公式( 3) 插值计算获得。图中钢板弯曲现象得到了有效校正,图像观察效果与钢板实际视觉效果吻合良好。 图7 展示的是葡萄酒瓶( 检测盒内) 倾斜放置于传送带采集图像校正前后的结果。其中,图7( a)为直接采集未经校正v4图像; 图7( b) 为逐行利用式( 3) 插值计算获得的三维空间校正图像。 实验结果表明,该方法有效改善了图像形变现象,在不同空间位置最大程度还原形变图像,保持图像一致性,消除了在密度计算过程中空间位置对计算X射线衰减总和的影响。 2. 2 被检测物品切片面积快速估计 由式( 2) 可知,计算密度特征另一重要环节是被检测物品的切片面积。由于内部结构不均匀,不能对其三维重建,提出对其切片面积快速估计的方法。 主要步骤为: ①采集被检查物品四个视角的DR图像进行预处理( 剔除背景,分割出被检查物品) ; ②根据源探关系找到每个视角被检查物品的起始特征点,并标记; ③连接每个视角中射线源与特征点形成八条线段,计算四个视角的每个射线源与被检查物品起始和终止交线围成的交点区域八边形,计算八边形八个顶点坐标; ④根据八边形八个顶点坐标利用B样条曲线对被检查物品轮廓拟合,根据特征对其进行修正[4]; ⑤根据修正后的轮廓曲线方程计算被检查物品切片面积S和重心坐标。 图8 展示的是使用安检设备算法研究平台对类圆柱体被检查物品指定位置切片面积计算的结果。其中,图8( a) 采集的一组四个视角DR图像; 图8( b) 显示的是预处理后的被检查物品; 图8( c) 显示的是每个视角中射线源与特征点围成的交点区域切片八边形; 图8( d) 修正的B样条曲线拟合结果。 图9 所示的是对横放火腿肠截面拟合的结果。与图5( d) 重建的横放火腿肠截面相比,图5( d) 有许多孔洞缺陷,且两端圆角特征消失,图9 所示更接近真实切片形状轮廓。 3 实验结果及分析 3. 1 内部结构均匀物品的处理 以大圆瓶纯净水为例,模拟其在安检设备中的可能姿态,计算密度特征值。以空气为背景在公安部第一研究所某型号四视角安检设备上采集各姿态图像,并计算密度特征。如图3 三维空间坐标系所示,把瓶口放在原点o处,在XOZ平面瓶中心线与Z轴夹角每45°旋转采集8 个姿态。将上述8 个姿态的瓶中心线与Y轴夹角调整为45°和135°采集16个姿态。去除重复和极端情况,选取4 种代表性姿态如图10。其密度探测结果展示在表1 中。 以爆炸物模拟物不同三种型体为例,如图11。其中,图11( a) ~ 图11( c) 分别为圆柱体、长方体、薄片体,其密度探测结果展示在表2 中。 从表1、表2 中可以看出: 本方法可以对内部结构均匀物品进行处理,且不同姿态下的同种物质以及爆炸物模拟物的探测密度值具有较好的稳定性,可以描述该物品的密度特征。 X射线管结构 篇3
X射线管结构 篇4
3. 2 内部结构不均物品处理
对火腿肠、小核桃、花生米、开心果、榛子等内部结构不均匀物品进行密度探测后。选取三种代表性物品如图12,其密度特征展示在表3 中,可以发现不同物品区分性良好,可作为识别物品的特征。
3. 3 数据分析
从表1、表2 和表3 可以看出,使用本方法对被检查物品进行密度探测表现出了较好的稳定性和区分性,可以将当前不能处理的内部结构不均匀物品与爆炸物区分开来,说明方法是有效可行的。实验数据表明,被检查物品空间姿态越简单,探测密度值越稳定; 空间姿态越复杂,其密度值波动越大,且呈现偏小趋势。主要原因: 一是图像三维空间矫正时,参考点选用的是切片重心,空间姿态越复杂,重心位置越不能代表切片整体空间位置水平,矫正后的灰度值有偏差,引起密度波动; 二是空间姿态越复杂,其切片外部轮廓越复杂,快速估计修正难度大,面积结果偏大,引起密度值偏小; 三是被检查物品背景复杂,背景剔除不彻底对密度值造成影响。
4 结论
多视角X射线安检设备当前还没有对内部结构不均匀物品进行研究,提出的基于变形图像三维空间校正和被检测物品切片面积快速估计密度探测的方法,可同时对内部结构均匀和不均匀物品进行处理,且物品密度探测具有很好的稳定性和区分性,并基本排除了物品所在的空间位置和本身姿态对密度特征的影响,对提高安检设备自动检测效率有一定帮助。但在空间位置复杂和物品遮挡严重的情况下,密度特征准确性会降低,对于如何更精准的校正图像( 校正灰度值) ,更有效去除被检查物品遮挡,将是以后研究的方向。
参考文献
[1] Krug Kristoph D.Multiview X-ray based system for detecting contraband such as in baggage.United States Patent 6,088,423,2000-7-11
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[3] 成经国,杨立瑞,陈学亮.多视角X射线安检模拟系统.警察技术,2007;(5):48—50Cheng J G,Yang L R,Chen X L.Multi-view X-ray screening system simulation.Police Technology,2007;(5):48—50
X射线管结构 篇5
大气颗粒物中元素的种态研究,对评价其毒性和污染来源等有很重要的意义.本工作采集了不同地点和不同粒径的大气颗粒物样品,测定了样品中铬、锰、铜和锌的X射线吸收近边结构(XANES)谱,利用该谱分析了这些元素在颗粒物中的种态.结果显示,所采集的`样品中铬主要以三价形式存在,锰主要以二价形式存在,铜也以二价形式存在,而锌主要以硫酸盐存在.用质子激发X射线荧光(PⅨE)法测定了这些元素在样品中的浓度,观察到不同采样点和不同粒径的颗粒物中金属含量的差别,但未看到种态的这种变化.
作 者：王荫淞 李爱国 魏仑 张元勋 李德义 裘惠源 李燕 张桂林 谢亚宁 张静 张元茂 山祖慈 作者单位：王荫淞,李爱国,魏仑,张元勋,李德义,裘惠源,李燕,张桂林(中国科学院上海应用物理研究所,上海,201800)
谢亚宁,张静(中国科学院高能物理研究所,北京,100039)
张元茂,山祖慈(上海市环境监测中心,上海,30)
X射线引发的诺贝尔奖传奇 篇6
1895年11月8日，德国维尔茨堡大学校长伦琴在进行阴极射线实验时，观察到放在射线管附近涂有氰亚铂酸钡的屏幕上发出微光，最后他确信这是一种尚未为人所知的新射线，并将其称为“X射线”。经过几周的紧张工作，伦琴发现：X射线除了能引起氰亚铂酸钡发出荧光外，还能引起许多其他化学制品发出荧光。X射线能穿透许多普通光所不能穿透的物质，特别是能直接穿过肌肉但却不会透过骨胳，伦琴把手放在阴极射线管和荧光屏之间，就能在荧光屏上看到自己的手骨。X射线沿直线运行，与带电粒子不同，X射线不会因磁场的作用而发生偏移。X射线发现仅4天，美国医生就用它找出了病人腿上的子弹。于是，企业家蜂拥而至，出高价购买X射线技术。50万，100万，出价越来越高。“哪怕是1000万，”伦琴淡淡地一笑，说道：“我的发现属于全人类。但愿这一发现能被全世界的科学家所利用。这样，就会更好地服务于人类……”因此，伦琴没有申请专利权。他知道，如果这项技术被一家大公司独占，穷人就出不起钱去照X光照片。因为发现X射线，伦琴获得了1901年诺贝尔物理学奖。
诺贝尔物理奖上的赢家
恐怕伦琴自己也无法预见，他的这一伟大发现将成就多少诺贝尔奖得主。在伦琴X射线的启发下，法国物理学家贝克勒尔于1896年发现了铀射线。这一现象引起了青年居里夫妇的极大兴趣，他们决心研究这一不寻常现象的本质，并最终导致放射性元素钋和镭的发现，为人们认识原子结构提供了可靠的试验依据。贝克勒尔和居里夫妇因此分享了1903年诺贝尔物理学奖。1897年，英国的汤姆逊在关于气体导电性的研究中，借助X射线最终发现了电子，这一发现有力地证明了原子的可分性，汤姆逊因此荣获了1906年的诺贝尔物理学奖。
在X射线发现之初有许多人想证明X射线属于电磁波，并采用传统的光栅技术进行实验，但都无果而终。德国科学家劳厄认为，如果X射线属于电磁波，应该是波长极短的电磁波。传统的光栅因缝隙过大无法产生干涉现象，应该使用更加精细的光栅，他推测有规则原子三维排列的晶体可能具有这样的作用。劳厄根据这个判断推测，只要X射线的波长和晶体中原子的间距具有相同的数量级，那么当用X射线照射晶体时就可以观察到干涉现象。显然，劳厄只是利用晶体这种材料来证明X射线属于电磁波。劳厄的设想很快就被实验证实了，一举解决了X射线的本性问题，意外的收获是，这种方法给研究晶体的微观结构提供了一个强有力的工具，从而揭开了更多“诺贝尔级”研究的序幕。随后从光的三维衍射理论出发, 劳厄根据几何学理论迅速完成了X射线在晶体中的衍射理论，成功地解释了实验结果。劳厄的这项工作为在实验上证实电子的波动性奠定了重要基础，对此后的物理学发展做出了卓越贡献。爱因斯坦曾称劳厄的实验为“物理学最美的实验”。因证明X射线属于电磁波，劳厄获得了1914年的诺贝尔物理学奖。
利用劳厄发现的X射线通过晶体可发生衍射现象，英国学者布拉格父子对晶体结构进行了深入研究。小布拉格提出，晶体对X射线的衍射在形式上可视为晶体中原子面对X射线的反射。利用其父老布拉格发明的电离室，1913年小布拉格证实了这一观点，并导出了X射线反射存在条件的方程，即著名的布拉格公式。1914年，布拉格父子俩率先测定出了氯化钠、氯化钾和金刚石等晶体的结构。利用X射线衍射的结果，他们能够分析晶体内部原子的排列方式、离子团结构、原子大小及核间距等。根据对晶体密度的研究，他们精确测定了阿佛加德罗常数，并因此获得了1915年的诺贝尔物理学奖。
在化学与生理学领域夺魁
1916年，荷兰科学家德拜发展了劳厄用X射线研究晶体结构的方法，采用粉末状晶体代替较难制备的大块晶体。经X射线照射后，粉末状晶体样品在照相底片上可得到同心圆环衍射图样，该技术可用来鉴定样品的成分，并可决定晶胞大小。1936年德拜获得诺贝尔化学奖，其中X射线晶体制备技术是获奖的部分原因。
利用X射线衍射技术，小布拉格的学生霍金奇测定出生物大分子的空间结构，获得1964年的诺贝尔化学奖。小布拉格刚开始只是用X射线确定了简单晶体的结构，而他的学生霍金奇则成功采用老师建立的技术确定了胰岛素和胃蛋白酶的结构，成为第一个用X射线结晶学成功解析生物化学结构的学者，并因此获得诺贝尔化学奖。
玻尔、薛定谔和小布拉格的得意门生鲍林，也利用了X射线衍射作用，研究化学键的性质和复杂的分子结构而获得了1954年诺贝尔化学奖。他不仅是化学领域的超级明星，还在1962年获得诺贝尔和平奖。
小布拉格的另一位高徒佩鲁茨改进了X射线的分辨率，运用重原子技术发现了血红蛋白的结构，从而获得了1962年诺贝尔化学奖。佩鲁茨是发现DNA双螺旋结构的沃森和克里克的实验室导师，其实DNA双螺旋结构的提出也是因为采用了X射线衍射技术看清楚了DNA结构。
米歇尔和胡伯尔同样是利用X射线结晶分析法测定出蛋白质复合体结构，也就是细菌的光合作用中心之蛋白质复合体的三维空间结构，共享了1988年的诺贝尔化学奖。1979年的诺贝尔医学或生理学奖，由柯麦科和豪恩斯弗尔德分享，以表彰他们发明了计算机X射线断层摄影术(CT)。因为在核磁共振成像领域的成就，美国科学家劳特布尔和英国科学家曼斯菲尔德获得2003年诺贝尔医学或生理学奖。实质上，核磁共振成像的技术思路正是来自X射线断层摄影术。
一个基本物理现象的发现，引发了10余次诺贝尔奖，这样的情况或许是空前绝后的。伦琴如果天上有知，这个不愿意为自己的发现申请专利，只希望自己的发现能为全人类造福的科学巨人，真应该心满意足了。也许伦琴大师根本不在意这些，其对人类的巨大贡献也绝非是一枚诺贝尔奖章就可以诠释的。
X射线管结构 篇7
从实际工艺方面考虑,方孔尺寸很小,通常只有微米级,因而在实际的制作和加工过程中,Angel型平面方孔对技术方面的要求比较高,而Schmidt型相对简单些。但是目前没有文献对两种方孔的聚焦和成像效果的性能参数进行专项对比。现建立有限物距的成像系统,比较Angel型和Schmidt型的聚焦和成像的信噪比和空间分辨率。
1 龙虾眼的结构
1. 1 Schmidt型
由多组平面反射镜组成的Schmidt结构( 图1) ,是以一维结构为基础,把两个一维结构进行正交叠加得到的二维聚焦系统[6]。由多组平行玻璃平板构成的Schmidt型X射线龙虾眼光学系统,研究X射线聚焦和成像。
1. 2 Angel型
微小元胞组成的Angel结构( 图2) ,与真实的龙虾眼很相似,是一个截面是正方形的平面方孔阵列,光线通过互相垂直的两个反射面各反射一次后会被聚焦或成像。当入射角接近或小于全反射临界角的时候,光线发生全反射,当入射角大于全反射临界角时,光线会被孔壁吸收,不能聚焦或成像。这种结构制作方式比较复杂,一般表面粗糙度比较难于控制[7]。
2 光路的理论分析
2. 1 入射焦面的光线分析
从光轴上一个点光源发出的光线经过龙虾眼光学系统后,在互相垂直的两个侧壁发生的反射光线汇聚到像点,照射到CCD上有三种类型光线,如图3,研究系统的一个维度,光线分为两种: 经过龙虾眼镜片反射的光线1,直接穿过龙虾眼镜片之间微孔的光线2。
二维的龙虾眼的光线分为三种: 第一种是在两个维度上都没有经过镜片反射的光线,由图3 中的光线2 组成,它们直接穿过镜片之间的微孔,对成像没有贡献,在CCD上形成大致均匀的本底信号,叫做EE光; 第二种是只在一个维度上经过镜片反射而另一个正交的维度上直接穿过镜片的光线,在两个维度上分别由图3 中的光线1 和光线2 组成,根据光线反射和穿过所在维度的不同,分别叫做OE或EO光,在CCD上分别形成了的十字心的垂直线和水平线; 第三种是在两个正交的维度上都经过镜片反射的光线,在两个维度上均由图3 中的光线1组成,这种光线聚焦在CCD上十字心的中心位置点,形成中心亮斑,叫作OO光[8]。
对X射线波段来说全反射角较小[9]。在镜片长度和方孔边长比例在两个数量级以内的时候,发生单次反射。
假设X射线是各向同性的光源,考虑二维龙虾眼的第一种光线[10]。根据对一维龙虾眼的分析,Schmidt型的龙虾眼直接穿过镜片之间微孔的能量是Angel型龙虾眼的1~4倍,而总面积没有变化,所以Schmidt型龙虾眼CCD上接收的本底信号的光通量是Angel型的4倍。考虑二维龙虾眼的第二种光线。由于十字心的长度是由图3中第2种光线引起,而Schmidt型的龙虾眼在产生第二种光线的角度是Angel型的2倍,所以Schmidt型的龙虾眼十字心单个峰的长度是Angel型的2倍。第二种是考虑Schmidt型龙虾眼单个镜片长度是Angel的0.5倍,从一维的结果直接得出从这个角度Schmidt型龙虾眼的十字臂照度是Angel的0.5~1倍。不考虑两个方面的相关性,总体上Schmidt型龙虾眼的十字臂照度是Angel的0.5~2倍。考虑二维龙虾眼的第三种光线,与第二种光线相似,对于各向同性的光源,相同条件下Schmidt型龙虾眼的聚焦效率是Angel型的~0.5-~1.5倍。
假设: 各向同性光源; 龙虾眼镜片面积足够大;CCD能够接收所有穿过龙虾眼镜片的光; 单个镜片的长度远小于焦距; 且模型的其他条件相同。分别对比三种光线对应的Schmidt和Angel型龙虾眼性能,根据以上分析有表1。表中的数值是Schmidt与Angel性能参数的比值。
2. 2 焦点在空间中弥散
龙虾眼具有较高的分辨率,较大的视场角等优势[11]。视场角,原理上可以达到360°无死角; 分辨率,根据光路的结构特征,龙虾眼的角分辨率具有一定的限制。图4 显示了从一个理想点发出的光在成像时无法完美地聚焦,焦点在空间中有一定的弥散。
由于龙虾眼的镜片具有一定的长度,从一点发出的光线被镜片反射时的位置具有一定的区间,相应地这些不同的光线形成的像的位置具有一定的区间。同时,对于一个理想的点光源,根据图4 中光路中蕴含的对称性可知: 从同一点发出的光线,如果照射到龙虾眼镜片沿长度方向上的同一个位置时,所成的像在光轴线上。假设镜片的长度相对于物距可以忽略,根据几何关系,像在光轴上的弥散最大能达到镜片长度的1 倍,从而在光轴方向上限制了龙虾眼的分辨率。
另一方面,由于CCD所在的面垂直于光轴,根据图4 所示可知: 对于从一个理想点光源发出的光线,在垂直于光轴方向上,会有一定的弥散。根据这种分析方法可知: 在垂直于光轴方向上,像的弥散最大达到镜片与镜片之间的宽度的2 倍,从而在CCD平面的方向上限制了龙虾眼的分辨率。所以,龙虾眼在像方沿光轴方向上理想条件下的空间分辨率最差的情况是龙虾眼的单个方孔的长度,沿垂直于光轴的二维平面内两个维度分辨率分别最差是龙虾眼的单个方孔内孔径的2 倍。
通常分辨率较高的情况下龙虾眼单个孔的宽度为30 μm,长度是宽度的100 倍左右,相应地龙虾眼沿光轴的分辨率是3 mm左右,垂直于光轴的分辨率是60 μm左右。
讨论具体的Angel型和Schmidt型龙虾眼的性能。当Schmidt型龙虾眼第一层镜面在水平方向分布,在方孔的镜片长度相对于方孔边长的比值较小约为10 时,光线在水平方向的弥散与竖直方向焦点的弥散相同,在这个比值较大约为50 时,光线在水平方向的弥散比竖直方向焦点的弥散更大。同时Schmidt型龙虾眼在光轴方向上焦点的弥散也相应地和Angel型相比相同或更大。
3 仿真模拟
3. 1 Tracepro软件
Tracepro是非序列光线追踪,其光线追钟方法是蒙特卡罗( Monte-Carlo MTC) 光线追迹方法[12]。这个软件特点是以实体对象构建光路系统,当光线数量足够多时能更接近真实情况,具有强大的光学分析功能和数据转换功能。利用蒙特卡罗光线追踪方法仿真方孔的成像特性,建立模型然后设置光源参数,定义材料属性和表面性能参数。可以利用Auto CAD或Solid Works等其他设计软件来创建实体模型并直接导入tracepro软件当中来进行模拟成像。
3. 2 建立仿真模型
考虑到模拟的实验目的,建立Schmidt和Angel结构的龙虾眼仿真模型,参数如下: 光源各向同性,通道内壁材料设为全反射,不考虑表面粗糙造成的散射,光源到方孔的距离等于CCD到方孔的距离,龙虾眼镜片能够接收光源发散角内的所有光线,单个镜片的长度远小于焦距,CCD能够接收所有穿过龙虾眼镜片的光。
根据建立模型的各个要求和实验目的,设定具体参数如下: 聚焦用圆形光源半径是50 μm,成像用F型光源大小是2 × 4 mm,光源发散角为8°,追迹光线是105条,焦距f范围是30 ~ 200 mm,方孔数设定是1 024 × 1 024,方孔边长d范围是30 ~ 100 μm,方孔孔壁厚度w范围是5 ~ 10 μm,方孔长度t范围是0. 36 ~ 4 mm,CCD半边长e范围是0. 3 ~ 8. 4 mm。
为了对比Angel和Schmidt结构的龙虾眼在聚焦和成像时的性能,根据建立的模型,分别对两种龙虾眼进行了4 组聚焦模拟和1 组成像模拟,这5 组模拟的具体参数见表2。
3. 3 聚焦与成像模拟结果
为了使模拟结果比较直观,用伪色彩表示CCD的不同照度,图5 是第3 组Angel型龙虾眼的聚焦模拟图,图6 是第3 组Schmidt型龙虾眼的聚焦模拟图,图7 是Angel型龙虾眼的成像模拟图。
表3 是Angel和Schmidt型龙虾眼的5 组聚焦和成像模拟结果进行量化分析之后的对比结果,表中第一行数值是Schmidt型结构的性能参数,第二行数值是Schmidt型结构性能参数和Angel型相比的值。
其中“接收光/发射光”指的是CCD接收到的光通量和从光源发射的光通量的比值; “最大值”max指的是在CCD整个接收面上单个像素上照度最大值; “十字臂”maxs指的是CCD像素十字臂照度的最大值; “最大值/十字臂”max /maxs指的是CCD像素的照度最大值和十字臂照度的最大值的比值; “本底”maxb指的是CCD像素接收的本底照度最大值,而两种模型的比值用本底的平均值计算;“最大值/本底”max /maxb指的是在CCD整个接收面上单个像素上照度最大值和CCD像素接收的本底照度最大值的比值; “十字臂/本底”maxs/ maxb指的是CCD像素十字臂照度的最大值和CCD像素接收的本底照度最大值的比值。
注: 第一行数值是Schmidt型结构的性能参数; 第二行数值是Schmidt型结构性能参数和Angel型相比的值。
两种模型: 对于e来说,两种模型相同; 对于max和maxs来说,这个参数对方孔长度相对于方孔边长的比值比较敏感,且这个比值大些时Schmidt模型较高,其中max高的时候较好。对于max maxs来说,这个参数对方孔长度相对于方孔边长的比值比较敏感,且这个比值大些时Schmidt模型和Angel模型的比值在变大。对于maxb来说,Schmidt模型是Angel模型的1. 1 ~ 1. 4 之间变化不大; 对于max maxb和maxs maxb来说,除了第三组方孔长度相对于方孔边长的比值较大的时候Schmidt模型接近甚至较好之外,其余都是Angel模型较好。此外,Schmidt模型的十字臂不同位置的照度波动比Angel模型更大。其中,max maxs、maxs maxb和max maxb是三个和“信噪比”相关的较为重要的参数。
综上所述,一般在方孔长度相对于方孔边长的比值约为10,Angel模型聚焦和成像效果更好。在方孔长度相对于方孔边长的比值约为50,光线发生多次反射和焦距较长的时候,Schmidt模型接近甚至优于Angel模型。
3. 4 空间分辨率模拟
为了对比Angel和Schmidt结构的龙虾眼的空间分辨率,根据建立的模型,分别对两种模型进行一组聚焦模拟,具体参数设置是: 光源半径50 μm,d = 100μm,w = 10 μm,t = 4 mm,f = 200 mm,e = 300 μm。
为了使模拟结果比较直观,用对数坐标的伪色彩表示CCD的不同照度。图8 是Angel模型的空间分辨模拟结果,图9 是Schmidt模型龙虾眼的空间分辨模拟结果。
对于Angel模型,由图8 可知: 当光源直径是100 μm且方孔边长是100 μm时,聚焦的像点弥散是一个圆,圆的直径是300 μm,和本文对Angel模型空间分辨率理论分析一致。
对于Schmidt模型,由图9 知: 相同条件下焦点在竖直方向上弥散了400 μm,水平方向上弥散了530 μm,和本文对Schmidt模型空间分辨的理论分析一致。
这组模拟所用的参数和图5、图6 中的条件接近,都是方孔的长度与边长的比值较大约为50。模拟结果表明,Angel模型的空间分辨率比Schmidt模型好。在方孔的长度与边长的比值较小约为10,两种模型的空间分辨率接近。
4 结论
首先在理论上对比了标准平面方孔Schmidt和Angel模型聚焦和成像,然后用tracepro软件仿真对比了两种模型在几组不同条件下的聚焦、成像和空间分辨性能。在相同条件下对两种模型在多个条件下对比表明: 当焦距较长、龙虾眼透镜通道长宽比大约50,会对对光线进行多次反射,此时Schmidt模型的聚焦及成像的信噪比等主要参数比Angel模型高,空间分辨率低; 当焦距较短、龙虾眼透镜通道长宽比约为10,对光线进行单次反射时,Angel模型的聚焦及成像的信噪比等主要参数比Schmidt模型高,空间分辨率几乎一样。
X射线管结构 篇8
关键词：聚丙烯腈基碳纤维原丝,广角X射线衍射,微结构分析
聚丙烯腈(PAN)基碳纤维作为高性能复合材料优良的增强剂被广泛地应用于航空、航天、交通、体育用品、医疗、机械和纺织等领域[1]。随着人们对纺丝工艺和碳纤维微结构关系的研究逐步深化,原丝作为碳纤维的前驱体,提高其结构性能是制备优质碳纤维的关键因素。X射线检测技术具有简易,没有破坏性的优点,国内外有许多报道将X射线检测技术作为研究PAN基碳纤维原丝的重要手段[2,3,4,5,6]。但在研究内容方面探讨成品原丝微观结构特征的较多,而系统研究结构形成过程的还较少。为了掌握原丝微观结构的变化规律,找出自制原丝和日本T700原丝存在差距的原因,本研究利用X射线衍射测试了一系列过程纤维(包括初生纤维、水洗牵伸纤维、沸水牵伸纤维、热致密化纤维及成品原丝),并将制得的成品原丝与日本T700原丝进行比较,通过对一维、二维广角衍射图进行分析处理,从而得到反映原丝内部结构的广角衍射数据。研究的意义在于使PAN基碳纤维原丝生产具有系统的理论作指导,进一步通过优化工艺参数和完善生产设备控制微观结构来提高碳纤维原丝的质量,从而开发出更优质的碳纤维材料。
1 实验部分
1.1 试剂与仪器
丙烯腈(AN,分析纯),天津市化学试剂研究所,常压蒸馏除去阻聚剂,二次蒸馏取76~78℃馏分,用作聚合单体;衣康酸(IA,分析纯),百灵威科技有限公司;丙烯酸甲酯(MA,分析纯),辽宁盘锦化工厂;二甲基乙酰胺(DMAC,分析纯),天津市光复精细化工研究所;无水乙醇(分析纯),北京化工厂;纯净水,实验室自制经净化处理得到的高纯度去离子水。
扫描电子显微镜(SEM,JSM-5600型),日本电子公司,加速电压25kV;一维X射线衍射仪(1D-WAXD,D/max-2550型),日本理学公司;二维X射线衍射仪(2D-WAXD,MM007型),日本理学公司。
1.2 试样制备
采用98%AN、1%IA、1%MA进行三元共聚(均为摩尔分数),所得聚合物分子量约78000,将聚合物粉体烘干后溶解到DMAC中,采用湿法纺丝技术纺制PAN基原丝,采用不同的工艺对样品进行处理,在各个关键工艺节点上各提取1个样品(P1~P5)。各纤维样品的工艺情况见表1。
1.3 测试
1.3.1 X射线一维广角衍射测试
采用一维X射线衍射仪(1D-WAXD,D/max-2550型,日本理学公司)对样品进行测试。测试条件:Cu靶,λ=0.15418nm,50kV,200mA,扫描区间2θ为5.00~60.00°,扫描速率5°/min。用软件包对测得的衍射曲线进行分峰,之后计算结晶度见式(1)。
式中,Ac为结晶峰面积;Aa为非晶峰面积。
1.3.2 X射线二维广角衍射测试
采用二维X射线衍射仪(2D-WAXD,MM007型,日本理学公司)对样品进行测试。测试条件:Cu靶,λ=0.15418nm,40kV,30mA,曝光时间120s。用软件包对整个100衍射环进行β环积分得到其强度分步曲线,之后计算取向度见式(2)。
式中,H为赤道线上的Debye环(常用最强环)的强度分布曲线的半高宽。
2 结果与讨论
2.1 纤维的一维广角X射线衍射分析
不同工艺纤维样品的一维X射线衍射图见图1。从图可以看出,PAN初生纤维的X射线衍射曲线在2θ=17°附近出现微小的结晶衍射峰,说明初生纤维中存在少量的微晶。这时的微晶可以看作是形成凝胶网状结构的主要结合点,随着牵伸的进行各过程纤维的衍射峰逐渐变得高而尖锐,说明经过预牵伸后的纤维在牵伸外力的诱导作用下结晶度开始缓慢增加。由于自制PAN基原丝P5和日本T700PAN基原丝在2θ=17°和29°附近均存在明显的100和110结晶衍射峰[7],且2种原丝一维衍射峰形相似,利用公式(1)对2种原丝的结晶度进行计算,结果见表2。
结晶度决定原丝中物理交联的量,结晶度较高的原丝抗拉强度更大[8]。从表2可以看出自制原丝P5结晶度小于日本T700PAN基原丝。
2.2 纤维的二维广角X射线衍射分析
自制P5原丝和日本T700原丝的二维X射线衍射图见图2。从图2可以发现2种PAN原丝在赤道方向特定区域出现2组强烈的并且非常集中的反射弧线,2组衍射弧分别对应2θ=17°和2θ=29°,而子午方向没有明显的反射点或弧线,说明随着牵伸的进行各阶段聚集态纤维只在侧向形成了一定的有序结构。自制P5原丝赤道上2组衍射弧长度不同(2θ=17°附近的衍射弧明显地比2θ=29°附近的衍射弧长),说明片层结构单元内的高分子链采用了锯齿形和螺旋形2种形式的构象[9];而日本T700原丝赤道上2组衍射弧长度相同,说明其片层结构单元内的高分子链构象形式一致。用公式(2)计算2种PAN原丝的取向度,计算结果见表3。
纤维单轴取向后,高分子链顺着外力方向平行排列,故沿取向方向断裂时破坏主价键的比例大大增加,而主价键的强度比范德华力的强度高50倍左右,故原丝抗拉强度会随其取向度的增高而增大[10]。从表3可以看出自制的P5原丝的取向度高于日本T700PAN原丝取向度。
2.3 纤维的SEM分析
各工艺纤维样品和日本T700原丝的SEM图见图3。从图可以观察到,在不同的工艺处理情况下(见表1)随着纤维逐级牵伸,丝条逐步细化,制得的P5原丝直径小于日本T700原丝;热致密化纤维P4在0牵伸的情况下直径却大幅度降低,说明在高于纤维玻璃化温度条件下,丝条中的水蒸发形成的真空负压会使原纤间的孔发生塌陷、分裂,从而使纤维内部排列更紧密;纤维的表面缺陷是在生产过程中引入的,自制原丝在初生、水洗阶段表面只存在少许沿纤维轴方向的纹理,但这些纹理在后续的牵伸工艺中逐渐演变为沿纤维轴高取向的沟槽且一直保留到成品P5原丝中,然而日本T700原丝表面却没有形成明显的表面缺陷,这说明在凝固浴和水浴中的凝固-拉伸阶段、凝聚态变化形成超分子结构的过程中,日本T700原丝中各分子的变化更加趋于一致,收缩情况基本相同,从而使纺出的PAN基原丝间隙减少,体密度大,结合力增强,表面更加光滑[3]。碳纤维的抗拉强度随表面裂纹尺寸增大而直线下降[11],故消除或控制表面缺陷的产生也将是优化工艺参数和完善生产设备应该着重考虑的问题。
3 结论
(1)在纺丝过程中随着PAN纤维直径的缩小,在2θ=17°、29°附近对应的一维衍射结晶峰形越尖锐,说明其结晶度逐渐升高。
(2)自制原丝的直径较细,结晶度为72.48%,比日本T700原丝低,日本T700原丝结晶度为73.52%;取向度为82.6%,高于日本T700原丝取向度,日本T700原丝取向度为79.9%;说明较高的初始牵伸力能够促使高分子链更好的伸直和取向重排,但过大会拉伤凝胶网络中的骨架而影响原丝的结晶度。
(3)自制原丝片层结构单元内的高分子链采取了2种形式的构象,同时纤维表面存在高取向的沟槽,然而日本T700原丝构象形式一致,且纤维表面纹理少且光滑,这说明在凝固-拉伸阶段、凝聚态变化形成超分子结构的过程中,日本T700原丝中各分子的变化更加趋于一致,而自制原丝采用的湿纺工艺在此阶段仍存在问题。
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X射线管结构 篇9
什么是IP69K
IP69K是按德国DIN 40050-9标准规定, 专门为在高温、高压环境下运转的设备, 设置的保护级别。IP69K目前是此标准中最高级别的防水等级。要通过IP69K认证, 设备必须能够经受长达30秒的蒸汽喷射 (100~150毫米以外, 温度80℃, 每秒喷射14~16升, 分别从0°、30°、60°和90°四个角度) , 并且不会产生任何不良影响。
保护结构的比较
旋转阳极X射线管启动电路的设计 篇10
大中型X射线机均采用旋转阳极X线管,这种X射线管具有焦点小、功率大的优点,但要求在摄影前很短时间内达到很高的转速才能允许曝光,否则会因为电子集中撞击X射线管阳极靶面小块面积,致使焦点面过热熔化而造成X射线管损坏。由于X射线管价格昂贵,因此旋转阳极电路的安全性和可靠性非常重要。
目前,国内许多生产厂家采用的是继电器控制方式,使用2只相同型号的AC220 V继电器与相关器件组成旋转阳极X射线管启动装置控制电路。本研究拟采用固体器件双向可控硅替代继电器来实现对旋转阳极电路的控制,使系统的安全和可靠性能更高,更有利于实现由计算机进行管理和控制。
2 旋转阳极启动电路设计的基本要求
2.1 快速启动系统装置
要求在0.8～1.2 s内使转动惯量很大的转子系统由静止状态达到额定转速。对于电路设计来说,要求提供很大的启动电流,以便输出很大的启动转矩。
2.2 延时装置
保证一定的启动时间,以便在阳极达到额定转速后才发出曝光开始信号。
2.3 降压装置
阳极一旦达到额定转速后,在曝光期间应将启动状态的高压切换为工作状态的低压,以适应阳极的启动转矩大、运转转矩小的特点。
2.4 保护装置
防止工作绕组和启动绕组发生断路、短路;当启动电路发生故障时发出故障信号,限制系统曝光。
3 设计电路简介
旋转阳极所加的电压大小由双相可控硅Q4的导通角决定,而Q4的导通角又由振荡电路的的工作频率所决定。旋转阳极启动时所加电压为AC240 V,而工作时的维持电压为AC100 V。具体电路如图1所示。
3.1 启动过程
在曝光开始前,由系统送来的旋转阳极启动允许Rotor Enable信号变高电平,使得Q5截止。Q5截止使U1导通、Q1截止,电容C2、C3通过电阻R3、R4、R8进行充电,其充电时间常数τ=58.05μs,当电容C2、C3上所充的电压达到Q2的阈值电压时,Q2导通,从而触发Q3导通。此时AC 240 V电压经干簧管线圈K2、旋转阳极工作绕组L1、R6、R11、Q3、D4形成回路,在电阻R11上形成分压,此分压使主可控硅Q4在交流电过零点时被触发导通。由R3、C2、C3、Q2、R10组成的振荡电路的振荡频率比较高,使Q4以最大的导通角导通,此时最大的交流电压(240 V)加在旋转阳极线圈两端,使旋转阳极快速启动。跳线开关JW1、JW2用于选择50 Hz或60 Hz交流电的情况。
3.2 延时、降压过程
旋转阳极的延时电路由U3组成的1.5 s内部延时电路和U4组成的外部延时电路共同组成,Rotor Boost Time信号由外部延时电路产生,它在Rotor Enable有效时开始计时。在正常条件下,它由内部延时电路来延时,特殊要求下由外部延时电路来控制。
Q5截止的另一方面使Q6截止,+12 V的电压通过R14对C4进行充电,C4的充电电压值送到比较器U3,由比较器U3构成1.5 s的启动延时电路,比较器U3的负端由R15、R21对+12 V进行分压得+8.79 V。C4经R14充电至+8.79 V的时间正好为1.5 s,当Uc4>8.79 V时,U3的输出由低变高,但此输出的高电平还受光耦合器U4控制。U4提供了一种不用内部定时电路(1.5 s)的延时方法,而采用外部定时信号来控制启动延时时间的方法,使用户可以根据旋转阳极的类型延长启动延时时间。在外部延时信号未起作用,即Rotor Boost Time信号为低时,当到达1.5 s的延时时间,U3输出由低变高,U2变为截止,R3从C2、C3的充电回路中断开,使充电时间常数变大,振荡电路的振荡频率降低,导致Q4的导通角变小,加在旋转阳极两端的交流电压变小,降为工作维持电压AC100 V,实现降压过程。在实际工作中本电路采用外部延时信号,即采用Rotor Boost Time信号延时,当到达内部延时时间1.5 s时,由于外部延时信号还是高电平,使A点的电位仍保持在低电平,U2处于导通状态,只有到达外部的延时时间时,A点才变为高电平,使U2截止。
3.3 保护设置
熔断丝F1、F2提供了短路保护和转子故障保护,R1用于限制由D1～D4组成的桥式整流电路的电流,R7、C6用于限制Q4两端电压的上升率,保护双向可控硅Q4。
干簧管K1、K2作为旋转阳极电流检测保护,在启动延时时间,当旋转阳极达到额定转速时,流过旋转阳极启动绕组和工作绕组的电流将使干簧管K1、K2动作,使K1A、K2A闭合,当达到4.5 s延时时间时,A点的电位变高,+12 V通过K1A、K2A、R17、D10、R23分压后使Q7导通,E6输出低电平,允许加高压。当检测到转速有问题时,干簧管的接点K1A或K2A断开,Q7截止,E6输出一个故障信号,限制系统曝光。
4 结论
该设计电路前期通过了仿真测试,信号低频漂移输出通过改善信号传输条件和采用屏蔽驱动、浮地跟踪等电路技术加以消除和处理。后期经多次试验、测试后证明其各项功能相对完善,运行安全性和可靠性好。
参考文献
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