CN104411081A - 用于微纳ct系统的线阵列微纳焦点x射线源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于微纳CT系统的线阵列微纳焦点X射线源，包括阴极2、栅极3、阳极4、聚焦电极5、磁螺线管7、偏转电极8和靶9；所述阴极用于产生电子，所述阳极用于给电子加速，所述栅极设置在阳极与阴极之间，用于调节阴极发射的电子束流强度，所述聚焦电极用于完成加速后的电子第一次聚焦，所述磁螺线管用于完成电子的第二次聚焦，所述偏转电极用于控制电子打到靶上的位置。通过采用这种线阵列微纳焦点X射线源，可实现静态CT扫描，即射线源、被测物体、探测器都处于静止状态，用电子束扫描代替机械扫描，避免机械扫描带来的误差，受外界干扰小，精度高，体积小，重量轻，检测速度快，可应用到不同型号的CT系统中。

Description

用于微纳CT系统的线阵列微纳焦点X射线源

技术领域

本发明涉及一种线阵列微纳焦点X射线源装置，尤其是一种用于微纳CT系统的线阵列微纳焦点X射线源

背景技术

传统的微焦点X射线源，焦点一般只有1个，对于生物、医学等领域要求的微纳微秒级快速动态数字成像检测系统，传统的微焦点X射线源性能不能满足其要求。目前微焦点X射线源一般只有1个焦点，当用于微纳CT系统时，有如下缺点：一般的微纳CT系统以高的分辨率重构所需要的全部X射线投影的扫描通常持续许多小时，所以，靶层同一个位置会产生大量的热，这可能会造成金属靶熔化甚至烧毁；其次，1个焦点的微焦点CT系统采用的是机械扫描，这样必然会引入机械误差，影响CT系统的分辨率等性能指标。

发明内容

技术问题：本发明的目的在于提供一种用于微纳CT系统的线阵列微纳焦点X射线源，这种线阵列微纳焦点X射线源可以用于微纳CT系统中，采用电子扫描技术，用电信号控制电子束的扫描代替传统CT系统中的机械扫描，减小扫描的误差和时间，提高系统检测的精度。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

本发明提供了一种于微纳CT系统的线阵列微纳焦点X射线源，其特征在于：包括阴极2、栅极3、阳极4、聚焦电极5、磁螺线管7、偏转电极8和靶9；所述阴极用于产生电子，所述阳极用于给电子加速；所述栅极设置在阳极与阴极之间，用于调节阴极发射的电子束流强度；所述聚焦电极用于完成加速后的电子第一次聚焦，所述磁螺线管用于完成电子的第二次聚焦，所述偏转电极用于控制电子打到靶上的位置。

进一步，所述X射线源容纳于外壳1内，所述外壳用于隔绝空气。

进一步，施加于偏转电极上的电压为锯齿波电压，通过对电子束加连续偏转电压，使电子束在X射线靶上连续扫描，实现X射线焦点在X射线靶上的连续扫描。

进一步，所述阴极采用场致电子发射材料。

进一步，所述阴极采用连续发射的方式发射电子。

进一步，所述阳极与阴极之间的电压为20～160KV。

相比现有技术，本发明提供的线阵列微纳焦点X射线源装置具有如下优点：本发明提供的线阵列微纳焦点X射线源采用电子扫描技术，通过电子束的分时扫描，实现X射线微焦点在射线靶上的扫描，从而代替了传统CT中的机械扫描，避免机械扫描带来的误差；由于高强度高密度的电子束打到射线靶上时，会产生大量的热，通过控制电子束分时扫描，从而不同时刻电子束打到射线靶上的不同位置，进而提高散热效率，防止射线靶的温度过高；通过电子束扫描控制焦点在金属靶上扫描，可以减小扫描时间，在医疗，安检等领域应用时减少人体所承受的辐射剂量；采用场致电子发射阴极，可控性好，无需加热阴极，瞬时发射，通过调节栅极电压，可以控制电子发射数量，从而控制管电流大小。

附图说明

结合附图阅读说明书时，所述的线阵列微纳焦点X射线源装置的结构以及各种特征和优点将变得更加易于理解，其中：

图1为依照本发明的优选的实施方案的线阵列微纳焦点X射线源装置的整体示意图；

图2为线阵列微纳焦点X射线源电子扫描原理图；

图3为偏转电极所加锯齿波电压波形图；

图4为依照本发明的微纳焦点射线源的点状串列靶结构图；

图5为电子束入射到点阵靶产生X射线示意图；

图6为靶点与靶基产生的X射线强度对比示意图；

图7为电子韧致辐射示意图；

图8为钨、金刚石、铍材料的X射线转化能力比较图。

具体实施方式

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详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的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。

本发明涉及一种线阵列微纳焦点X射线源装置，尤其是一种用于微纳CT系统的线阵列微纳焦点X射线源。

一种用于微纳CT系统的线阵列微纳焦点X射线源13，这种X射线源13包括用于产生电子的阴极2、给电子加速的阳极4、调节阴极2与阳极4之间电子数量的栅极3、将电子束聚焦成小截面、高密度电子束6的聚焦电极5和磁螺线管7、靶9、精确控制电子束打到靶9指定位置的偏转电极8、以及为X射线源13隔绝空气的外壳1。

所述聚焦电极用于电子的第一次聚焦，所述磁螺线管用于电子的第二次聚焦，阴极发出的电子经过两次聚焦后打到靶上，从而使靶发出射线11。

该X射线源创新性的采用电子扫描技术，使得射线焦点位置可以精确控制，实现X射线源焦点的线阵列扫描，代替传统CT中的机械扫描，避免机械扫描带来的误差；同时散热性能也是一般X射线源的1-2倍。

在上述X射线源中，所述偏转电极8的电压通过控制系统精确控制，从而对电子束打到X射线靶9的位置实现精确控制，通过电子束的分时扫描，实现X射线微焦点在X射线靶9上的扫描，一方面代替传统CT中的机械扫描，避免机械扫描带来的误差；另一方面，由于高强度高密度的电子束打到X射线靶9上时，会产生大量的热，通过控制电子束分时扫描，从而不同时刻电子束打到X射线靶9上的不同位置，进而提高散热效率，减少过高温度对X射线源带来的影响。

作为优选，偏转电极8采用锯齿波电压，如图3，对电子束加连续偏转电压，使电子束在X射线靶9上连续扫描，实现X射线焦点在X射线靶上的连续扫描。首先给偏转电极8加锯齿波偏转电压，然后阴极开始发射电子，从而形成连续扫描的电子束，在X射线靶上连续扫描，实现焦点的连续扫描。

在一些实施方案中，偏转电极8可采用非连续方式，通过固定电压扫描X射线靶9上固定的位置，形成一一对应的关系，具体步骤为：首先将偏转电极8的电压调到一个电压并保持，然后阴极2发射电子通过加速，聚焦，偏转后打到X射线靶9上，产生X射线11对被检测物10进行成像，成像完后，阴极2停止发射电子，调节偏转电极8电压到下一个固定的电压值，阴极2开始发射电子，经过同样过程打到这个固定电压对应的X射线靶9上的位置，如此下去，直至所有位置处的焦点成像完毕，实现焦点的脉冲扫描。

在上述X射线源13中，所述阴极2采用场致电子发射阴极，例如碳纳米阴极、石墨烯阴极等，克服了传统热阴极的诸多缺点，同时大大提高了电流的发射密度，从而可以产生高强度的X射线。另外场致电子发射源还具有能耗低，快速启动等优点。

作为优选，阴极2采取连续发射电子，为电子束的连续扫描提供条件。

在一些实施方案中，阴极2也可采用脉冲发射。

在上述X射线源13中，在所述栅极3与阴极2之间加电压，精确控制及调节阴极2与阳极4之间电流大小。

在上述X射线源13中，在所述阳极4与阴极2之间加高电压，在20～160KV之间，将电子加速到高能级，使得最终电子高速轰击X射线靶9，产生X射线。

在上述X射线源13中，所述磁螺线管7采用电磁透镜原理将电子聚焦成小截面、高密度的电子束，从而使其能在X射线靶上形成微米或者亚微米尺寸的X射线焦点。

在上述X射线源13中，所述外壳1采用密封性好，不容易破损的材料例如不绣钢等合金制成。

在本实施例中，靶的结构如图4所示，所述靶9包括靶基15和设置在靶基上的点状串列靶点，所述点状串列靶点包括若干个点状靶点14，若干个点状靶点按一定的距离间隔排列，点状靶阵列为点状串列结构，其作用是把入射的电子能量转化为X光子能量，形成微纳尺寸的X射线有效焦点。所述靶点转化为X射线的能力远大于靶基，靶基作用是固定靶点，同时有足够的强度隔离X射线管内部真空。

所述靶点呈长方体状，其高H为5～10μm，宽度d与长度w根据射源有效焦点的尺寸进行设计，可达到亚微米级。靶点数量根据射线源有效焦点数量需要设计，可为1个，2个，可致1024个或以上。

作为对本实施例的进一步优化，两靶点间的距离大于靶点长度w值的10～15倍。

作为对本实施例的进一步优化，所述靶基的厚度D为200～300μm，也可以根据射线源真空要求、靶尺寸等要求设计。

作为对本实施例的进一步优化，入射到靶面的电子束口径可大于靶点长度w的尺寸2～4倍。

X射线源中的电子束3在高压电场的作用下获得很大动能，高速飞向靶面，由于靶面的阻碍作用，使电子骤然减速，损失的能量大部分转化为热量，一小部分则以X光子形式辐射出来，也就是电子的韧致辐射效应，如图7。韧致辐射强度I_rad近似表示为：

$I_{\mathrm{rad}}\∝\frac{Z^2{z}^2{e}^6}{m^2}---\left(1\right)$

式中Z为靶原子序数，z为入射带电粒子原子序数，电子z＝-1，e为电子电量。(1)式说明，电子入射到靶面上，靶的X光子转化效率与靶原子序数Z²成正比。

因此，靶点选用高原子序数、高密度的靶的材料，如钨、钽、钼、金等，以提高X射线产额。靶基选用低密度、低原子序数的材料，如铍、金刚石。相对于靶点，靶基材料产生X射线18强度很低。如图6中，靶点产生的X射线17形成很强的峰值，靶基材料产生的X射线强度相对较低。因此，X射线源的即为有效焦点以靶点产生的X射线束强度峰的宽度。图8为利用蒙特卡罗仿真软件EGSnrc仿真计算结果，图中表明，250μm的铍、10μm金刚石产生的X射线强度小于10μm的钨靶产生的X射线强度10％，而且主要为低能X射线，这此X射线光子很容易被过滤片过滤掉。因此，基于上述原理，本发明的点状串列靶结构产生的X射线有效焦点尺寸可近似等于靶点尺寸。

制备本实施例靶9的方法：采用冲压、流延成型、烧结等方法制备靶层；在靶层上表面上印刷、烧结或者镀膜、光刻的方式在靶层材料上制备靶点。

在本实施例中所述的靶，由于靶点高密度、高原子序数材料其转化为X射线的能力远大于低密度低原子序数的靶基材料，因而射线源的有效焦点尺寸主要由靶点的尺寸大小决定，与电子束截面积没有直接联系，有利于形成稳定的、微纳尺寸的多焦点阵列，大大降低了对电子束聚焦尺寸、扫描偏转精度控制等的要求，为实现亚微米甚至纳米级焦点尺寸的线阵多焦点射线源提供了一条可行的途径。可选的，可以通过设置不同大小的靶点结构、尺寸，相应的优化电子束的能量，来实现不同焦斑大小、不同特征谱线的要求的射线源，以满足不同的射线检测需求。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.用于微纳CT系统的线阵列微纳焦点X射线源，其特征在于：包括阴极(2)、栅极(3)、阳极(4)、聚焦电极(5)、磁螺线管(7)、偏转电极(8)和靶(9)；所述阴极用于产生电子，所述阳极用于给电子加速；所述栅极设置在阳极与阴极之间，用于调节阴极发射的电子束流强度；所述聚焦电极用于完成加速后的电子第一次聚焦，所述磁螺线管用于完成电子的第二次聚焦，所述偏转电极用于控制电子打到靶上的位置。

2.根据权利要求1所述的用于微纳CT系统的线阵列微纳焦点X射线源，其特征在于：所述X射线源容纳于外壳(1)内，所述外壳用于隔绝空气。

3.根据权利要求1所述的用于微纳CT系统的阵列微焦点X射线源，其特征在于：施加于偏转电极上的电压为锯齿波电压，通过对电子束加连续偏转电压，使电子束在X射线靶上连续扫描，实现X射线焦点在X射线靶上的连续扫描。

4.根据权利要求1所述的用于微纳CT系统的阵列微焦点X射线源，其特征在于：所述阴极采用场致电子发射材料。

5.根据权利要求1所述的用于微纳CT系统的阵列微焦点X射线源，其特征在于：所述阴极采用连续发射的方式发射电子。

6.根据权利要求1所述的用于微纳CT系统的阵列微焦点X射线源，其特征在于：所述阳极与阴极之间的电压为20～160KV。