CN108010600A - 带电粒子束扩散装置、x射线发射装置、产生带电粒子束的方法以及产生x射线的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带电粒子束扩散装置、一种X射线发射装置、一种产生带电粒子束的方法以及一种产生X射线的方法。带电粒子束扩散装置，包括第一四极透镜和第二四极透镜，第一四极透镜位于上游；其中，第一四极透镜和第二四极透镜布置成，使得第一四极透镜在第一方向对入射的带电粒子束聚集并且在第二方向对入射的带电粒子束发散，第二四极透镜配置成在第一方向上对入射的带电粒子束发散并且在第二方向上对入射的带电粒子束聚集；其中第一方向和第二方向相互垂直。

Description

带电粒子束扩散装置、X射线发射装置、产生带电粒子束的方 法以及产生X射线的方法

技术领域

本发明涉及检测领域，具体涉及带电粒子束扩散装置、X射线发射装置、产生带电粒子束的方法以及产生X射线的方法。

背景技术

电子直线加速器是目前X射线检测领域应用较为广泛的一种射线装置，其产品数量多样化、能量覆盖区域和调节范围较广，并且比一般的辐照源更加环保，因此得到了较为广泛的应用。

由于受加速管管体结构和物理条件的约束，从加速管产生的带电粒子束束斑尺寸很小，一般的束斑直径在3mm左右，甚至更小。

然而，随着电子直线加速器领域的不断扩大，目前食品辐照领域以及矿产开采领域对靶点大小提出了新的要求：需要较大范围的X射线照射，延长靶的使用寿命，提高对样品的照射效率。

需要一种经济、结构简单的X射线靶点扩散装置能够满足X射线应用市场上对大靶点装置提出的需求。

发明内容

本发明提供带电粒子束扩散装置、X射线发射装置、产生带电粒子束的方法以及产生X射线的方法，具有结构简单，成本低，操作简单方便的优点。

根据本发明的一个方面，提供一种带电粒子束扩散装置，包括沿带电粒子束扩散装置的光轴布置并且彼此间隔一距离的第一四极透镜和第二四极透镜，在沿带电粒子束入射方向上，第一四极透镜位于上游，第二四极透镜位于下游，

其中，第一四极透镜和第二四极透镜布置成，使得第一四极透镜能够在第一方向对入射的带电粒子束聚集并且能够在第二方向对入射的带电粒子束发散，第二四极透镜配置成能够在第一方向上对入射的带电粒子束发散并且能够在第二方向上对入射的带电粒子束聚集；其中第一方向和第二方向相互垂直。

在一个实施例中，所述第一四极透镜、第二四极透镜分别为磁四极透镜。

在一个实施例中，所述第一四极透镜、第二四极透镜分别为电四极透镜。

在一个实施例中，第二四极透镜的磁场方向和所述第一四极透镜的磁场方向相互垂直，能够使得通过第二四极透镜的粒子束形成横截面为直径被扩大的接近圆形的粒子束斑。

在一个实施例中，所述第一四极透镜和第二四极透镜之间间隔第一距离，能够允许通过第一四极透镜的带电粒子束能够被会聚于一点，随后入射到第二四极透镜，入射到第二四极透镜的带电粒子束的横截面尺寸大于入射到第一四极透镜的带电粒子束的横截面尺寸。

在一个实施例中，带电粒子束为离子束或电子束。

根据本公开的一方面，提供一种X射线发射装置，包括上述的带电粒子束扩散装置和靶，在带电粒子束入射方向上，所述靶布置在所述带电粒子束扩散装置的下游。

在一个实施例中，所述靶距离第二四极透镜第二距离，能够允许通过第二四极透镜的带电粒子束在第二方向内聚集于一点，之后带电粒子束横截面尺寸增大，以增大的横截面尺寸照射所述靶。

在一个实施例中，所述靶为的高Z值、高熔点的复合靶。

在一个实施例中，带电粒子束为离子束或电子束。

根据本公开的一方面，提供一种产生发散的带电粒子束的方法，包括：

设置第一四极透镜和第二四极透镜，使得带电粒子束依次通过第一四极透镜和第二四极透镜，其中第一四极透镜配置成能够在第一方向对入射的带电粒子束聚集并且能够在第二方向对入射的带电粒子束发散；第二四极透镜配置成能够在第一方向对带电粒子束聚集并且能够在第二方向对入射的带电粒子束发散；其中第一方向和第二方向相互垂直。

在一个实施例中，带电粒子束为离子束或电子束。

在一个实施例中，所述第一四极透镜和第二四极透镜之间间隔第一距离，能够允许通过第一四极透镜的带电粒子束被会聚于一点，随后入射到第二四极透镜，入射到第二四极透镜的带电粒子束的横截面尺寸大于入射到第一四极透镜的带电粒子束的横截面尺寸。

根据本公开的一方面，提供一种产生X射线的方法，包括：

使用上述的产生发散的带电粒子束的方法产生发散的带电粒子束；

使得通过第二四极透镜的带电粒子束照射靶产生X射线。

在一个实施例中，所述靶距离第二四极透镜第二距离，能够允许通过第二四极透镜的带电粒子束在第二方向内聚集于一点，之后带电粒子束横截面尺寸增大，以增大的横截面尺寸照射所述靶。

附图说明

图1为本发明一个实施例的X射线发射装置的示意原理正视图；

图2为本发明一个实施例的X射线发射装置的示意原理俯视图；

图3是本发明一个实施例的磁四极透镜的立体示意图；

图4是本发明一个实施例的磁四极透镜的立体剖视图。

具体实施方式

尽管本发明容许各种修改和可替换的形式，但是它的具体的实施例通过例子的方式在附图中示出，并且将详细地在本文中描述。然而，应该理解，随附的附图和详细的描述不是为了将本发明限制到公开的具体形式，而是相反，是为了覆盖落入由随附的权利要求限定的本发明的精神和范围中的所有的修改、等同形式和替换形式。附图是为了示意，因而不是按比例地绘制的。

下面根据附图说明根据本发明的多个实施例。

本发明的实施例提供一种带电粒子束扩散装置，包括沿带电粒子束扩散装置的光轴布置并且彼此间隔一距离S的第一四极透镜和第二四极透镜，在沿带电粒子束入射方向上，第一四极透镜位于上游，第二四极透镜位于下游，

其中，第一四极透镜和第二四极透镜布置成，使得第一四极透镜在第一方向对入射的带电粒子束聚集并且在第二方向对入射的带电粒子束发散，第二四极透镜配置成在第一方向对入射的带电粒子束聚集并且在第二方向对入射的带电粒子束发散；其中第一方向和第二方向相互垂直。

如图1所示，为了方便说明，本公开使用X、Y、Z三维坐标系进行说明，其中X方向和Y方向垂直，Z方向垂直于X方向、Y方向。第一方向可以是X方向，图1是带电粒子束扩散装置在X-Z平面内的视图，第二方向可以是Y方向，图2是带电粒子束扩散装置在Y-Z平面内的视图。在图1和图2中，带电粒子束1入射方向是沿Z方向。在一个实施例中，带电粒子束1为离子束或电子束。

为了示意，在附图中，带电粒子束的方向使用箭头表示。在一个实施例中，入射的带电粒子束1是具有圆形束斑的带电粒子束，然而，应该知道带电粒子束可以是其他轮廓的束。入射的带电粒子束1的横截面尺寸较小，在实际应用中，带电粒子束入射到靶材上将会产生横截面尺寸小的能量集中的X射线，这不适合一些需要能量较低、射线覆盖较大面积的应用。本公开的发散装置可以将横截面尺寸小的圆形带电粒子束转换为横截面尺寸大得多的带电粒子束。

在一个实施例中，带电粒子束首先入射到第一四极透镜2，第一四极透镜2在第一方向即X方向对入射的带电粒子束聚集，并且在第二方向即 Y方向对入射的带电粒子束发散，这样，带电粒子束通过第一四极透镜后在X方向上尺寸先减小再增大，在Y方向上尺寸增大；通过第一四极透镜2后，带电粒子束经过一段距离，在图中表示为经过一段漂移段S之后，带电粒子束I入射到第二四极透镜3，第二四极透镜3配置成在第一方向即X方向对入射的带电粒子束发散并且在第二方向即Y方向对入射的带电粒子束聚集，这样，可以形成横截面为直径被扩大的接近圆形的粒子束斑II。应该知道，第一四极透镜2和第二四极透镜3的磁场强度确定了它们各自的聚集带电粒子束的能力或发散带电粒子束的能力，对于具有不同的参数的第一四极透镜2和第二四极透镜3，两者之间的用于带电粒子束的漂移段S也不同。应该知道，带电粒子束扩散装置在X方向和Y方向上对带电粒子束的作用的结合使得带电粒子束形成一个空间上轮廓被改变的粒子束。

在一个实施例中，第一四极透镜2和第二四极透镜3两者之间的用于带电粒子束的漂移段S使得，在第一方向内，通过第一四极透镜2的带电粒子束在第一四极透镜2和第二四极透镜3两者之间聚集于一点，随后发散，入射到第二四极透镜3，入射到第二四极透镜3的带电粒子束的斑的尺寸比原始的入射带电粒子束的斑的尺寸大，或者说，入射到第二四极透镜3的带电粒子束的横截面尺寸大于入射到第一四极透镜2的带电粒子束的横截面尺寸。

在本公开的一个实施例中，第一四极透镜2和第二四极透镜3两者之间的用于带电粒子束的漂移段S使得，在第二方向内，通过第一四极透镜 2的带电粒子束在第一四极透镜2和第二四极透镜3两者之间被发散，带电粒子束的横截面尺寸被增大。

根据本公开的一个实施例，所述第一四极透镜2和第二四极透镜3分别为磁四极透镜。第二四极透镜3的磁场方向和所述第一四极透镜2的磁场方向相互垂直，能够使得通过第二四极透镜3的粒子束形成横截面为直径被扩大的接近圆形的粒子束斑。磁四极透镜的形状和构造如图3和4示意地示出。

如图3和4所示，磁四极透镜可以包括四个磁极，例如四个磁极可以布置在正方形的四个边上，从而将两个磁南极布置在正方形的相对的两个边，而将两个磁北极布置在其他两个边。带电粒子束通过由四个磁极限定的通道，在该通道中具有四个磁极施加的磁场。然而，应该知道，四个磁极可以布置在正方形的四个角。例如，将两个磁南极布置在正方形的相对的两个角，而将两个磁北极布置在其他两个角。同样，四个磁极限定带电粒子束通过的通道。在一个实施例中，磁四极透镜的磁梯度为13T/m，中心场强为2600Guass。

例如，在一个实施例中，入射的带电粒子束1是高能状态下的电子束，例如从电子枪发射出来的电子束经过加速管加速到额定能量。例如电子束能量为14MeV，电子束的束斑形状是半径1mm的圆形。在经过本实施例中的带电粒子束扩散装置的第一四极透镜后，在第二四极透镜3上带电粒子束的横截面尺寸为，沿X方向长度为5.64mm，沿Y方向长度为7.10mm；在经过第二四极透镜3后，带电粒子束在如图1、2所示的情形中，在预定距离处的靶4上形成的带电粒子束的横截面尺寸为，沿X方向长度为 32.5mm，沿Y方向长度为32.8mm。

入射到带电粒子束扩散装置的带电粒子的束斑被扩大数倍，例如被扩大了32倍，轰击面积远远大于原有的束斑面积，因此功率也是分散在整个扩大的束斑区域，峰值功率密度大幅度降低，对于靶4的散热起到了比较好的效果。

在本公开的实施例中，带电粒子束扩散装置可以通过控制四极透镜的电磁场强度来控制带电粒子束束斑形状。在前段直线加速***参数不变的前提下，可以通过改变电磁场强度和四极透镜的安装位置，从而达到改变束斑形状的目的，因而能够满足不同的射线形状要求。

本公开的实施例还提供一种X射线发射装置，包括上述的带电粒子束扩散装置和靶4。关于带电粒子束扩散装置的描述此处不再重复。在带电粒子束入射方向上，所述靶4布置在所述带电粒子束扩散装置的下游。靶 4与第二四极透镜3之间的距离为第二距离，第二距离能够允许通过第二四极透镜3的带电粒子束在第二方向(Y方向)内聚集于一点，之后带电粒子束横截面尺寸增大，以增大的横截面尺寸照射所述靶4。第二距离可以根据实际需要的带电粒子束的横截面尺寸确定。然而，应该看到，第二距离应该大于第二四极透镜3将带电粒子束会聚于一点的距离。在一个实施例中，X射线发射装置的靶4为高Z值、高熔点的复合靶。带电粒子束为离子束或电子束。

从带电粒子束扩散装置入射到所述靶4的束斑相对于原始的束斑被扩大数倍，例如被扩大了32倍，轰击面积远远大于原有的束斑面积，因此功率也是分散在整个扩大的束斑区域，峰值功率密度大幅度降低，对于靶 4的散热起到了比较好的效果。并且，通过改变带电粒子束扩散装置的四极透镜的电磁场强度和四极透镜的安装位置，从而达到改变束斑形状的目的，因而能够满足不同的射线形状要求。例如，椭圆形的带电粒子束轰击复合靶，产生与之等形状的X射线。

本公开的实施例还提供一种产生带电粒子束的方法，包括：

设置第一四极透镜2和第二四极透镜3，使得带电粒子束依次通过第一四极透镜2和第二四极透镜3，其中第一四极透镜2配置成能够在第一方向对入射的带电粒子束聚集并且能够在第二方向对入射的带电粒子束发散；第二四极透镜3配置成能够在第一方向对带电粒子束聚集并且能够在第二方向对入射的带电粒子束发散；其中第一方向和第二方向相互垂直。

在一个实施例中，根据产生带电粒子束的方法，使得带电粒子束首先入射到第一四极透镜2，第一四极透镜2在第一方向即X方向对入射的带电粒子束聚集，并且在第二方向即Y方向对入射的带电粒子束发散，这样，带电粒子束通过第一四极透镜2后在X方向上尺寸先减小再增大，在Y 方向上尺寸增大；通过第一四极透镜2后，带电粒子束经过一段距离，在图中表示为经过一段漂移段S之后，带电粒子束入射到第二四极透镜3，第二四极透镜3配置成在第一方向即X方向对入射的带电粒子束发散并且在第二方向即Y方向对入射的带电粒子束聚集，这样，可以形成横截面为直径被扩大的接近圆形的粒子束斑。应该知道，第一四极透镜2和第二四极透镜3的磁场强度确定了它们各自的聚集带电粒子束的能力或发散带电粒子束的能力，对于具有不同的参数的第一四极透镜2和第二四极透镜3，两者之间的用于带电粒子束的漂移段S也不同。

在一个实施例中，所述第一四极透镜2和第二四极透镜3之间间隔第一距离(也即是上述的漂移段S)，能够允许通过第一四极透镜2的带电粒子束在所述漂移段S内被会聚于一点，随后入射到第二四极透镜3，入射到第二四极透镜3的带电粒子束的横截面尺寸(包括X方向和Y方向) 大于入射到第一四极透镜2的带电粒子束的横截面尺寸。应该说明的是，此时所说的尺寸可以理解为空间尺寸，或者成为带电粒子束的横截面的面积。

在一个实施例中，第一四极透镜2和第二四极透镜3两者之间的用于带电粒子束的漂移段S使得，在第一方向内，通过第一四极透镜2的带电粒子束在第一四极透镜2和第二四极透镜3两者之间聚集于一点，随后发散，发散的带电粒子束入射到第二四极透镜3，入射到第二四极透镜3的带电粒子束的斑的尺寸比原始的入射带电粒子束的斑的尺寸大，或者说，入射到第二四极透镜3的带电粒子束的横截面尺寸大于入射到第一四极透镜2的带电粒子束的横截面尺寸。在本实施例中，第一四极透镜2和第二四极透镜3两者之间的用于带电粒子束的漂移段S使得，在第二方向内，通过第一四极透镜2的带电粒子束在第一四极透镜2和第二四极透镜3两者之间被发散，带电粒子束的横截面尺寸被增大。

在一个实施例中，根据产生带电粒子束的方法，所述第一四极透镜2 和第二四极透镜3分别为磁四极透镜，第二四极透镜3的磁场方向和所述第一四极透镜2的磁场方向相互垂直，能够使得通过第二四极透镜3的粒子束形成横截面为直径被扩大的接近圆形的粒子束斑。磁四极透镜的形状和构造如图3和4示意地示出，磁四极透镜的结构在现有技术中是已知的，本文不再重复描述。

在一个实施例中，带电粒子束为离子束或电子束。

使用以上产生发散的带电粒子束的方法，入射的带电粒子束的束斑被扩大数倍，例如被扩大了32倍。使用扩大的束斑的带电粒子束，轰击面积远远大于原有的束斑面积，因此功率也是分散在整个扩大的束斑区域，峰值功率密度大幅度降低。

本公开的实施例还提供一种产生X射线的方法，包括：

使用上述产生发散的带电粒子束的方法产生发散的带电粒子束；以及

使得通过第二四极透镜3的带电粒子束照射靶产生X射线。

在一个实施例中，所述靶4距离第二四极透镜3第二距离，能够允许通过第二四极透镜3的带电粒子束在第二方向内聚集于一点，之后随着带电粒子的行进，带电粒子束横截面尺寸增大，从而照射到靶上的带电粒子束横截面面积增大。横截面尺寸增大的带电粒子束照射所述靶4时，在增大的面积上产生射线，并且射线的能量会较小。

使用本实施例的产生X射线的方法，入射到所述靶的束斑相对于原始的束斑被扩大数倍，例如被扩大了32倍，轰击面积远远大于原有的束斑面积，因此功率也是分散在整个扩大的束斑区域，峰值功率密度大幅度降低，对于靶材的散热起到了比较好的效果。

虽然本总体专利构思的一些实施例已被显示和说明，本领域普通技术人员将理解，在不背离本总体专利构思的原则和精神的情况下，可对这些实施例做出改变，本发明的范围以权利要求和它们的等同物限定。

Claims (15)

1.一种带电粒子束扩散装置，包括沿带电粒子束扩散装置的光轴布置并且彼此间隔一距离的第一四极透镜(2)和第二四极透镜(3)，在沿带电粒子束入射方向上，第一四极透镜(2)位于上游，第二四极透镜(3)位于下游，

其中，第一四极透镜(2)和第二四极透镜(3)布置成，使得第一四极透镜(2)能够在第一方向对入射的带电粒子束聚集并且能够在第二方向对入射的带电粒子束发散，第二四极透镜(3)配置成能够在第一方向上对入射的带电粒子束发散并且能够在第二方向上对入射的带电粒子束聚集；其中第一方向和第二方向相互垂直。

2.如权利要求1所述的X射线靶点扩散装置，其中，所述第一四极透镜(2)、第二四极透镜(3)分别为磁四极透镜。

3.如权利要求1所述的X射线靶点扩散装置，其中，所述第一四极透镜(2)、第二四极透镜(3)分别为电四极透镜。

4.如权利要求2所述的X射线靶点扩散装置，其中，第二四极透镜(3)的磁场方向和所述第一四极透镜(2)的磁场方向相互垂直，能够使得通过第二四极透镜(3)的粒子束形成横截面为直径被扩大的接近圆形的粒子束斑。

5.如权利要求1所述的X射线靶点扩散装置，其中，所述第一四极透镜(2)和第二四极透镜(3)之间间隔第一距离，能够允许通过第一四极透镜(2)的带电粒子束能够被会聚于一点，随后入射到第二四极透镜(3)，入射到第二四极透镜(3)的带电粒子束的横截面尺寸大于入射到第一四极透镜(2)的带电粒子束的横截面尺寸。

6.如权利要求1所述的X射线靶点扩散装置，其中，带电粒子束为离子束或电子束。

7.一种X射线发射装置，包括如权利要求1-6中任一项所述的带电粒子束扩散装置和靶(4)，在带电粒子束入射方向上，所述靶(4)布置在所述带电粒子束扩散装置的下游。

8.如权利要求7所述的X射线发射装置，其中，所述靶(4)距离第二四极透镜(3)第二距离，能够允许通过第二四极透镜(3)的带电粒子束在第二方向内聚集于一点，之后带电粒子束横截面尺寸增大，以增大的横截面尺寸照射所述靶(4)。

9.如权利要求7所述的X射线发射装置，其中，所述靶为的高Z值、高熔点的复合靶。

10.如权利要求7所述的X射线发射装置，其中，带电粒子束为离子束或电子束。

11.一种产生发散的带电粒子束的方法，包括：

设置第一四极透镜(2)和第二四极透镜(3)，使得带电粒子束依次通过第一四极透镜(2)和第二四极透镜(3)，其中第一四极透镜(2)配置成能够在第一方向对入射的带电粒子束聚集并且能够在第二方向对入射的带电粒子束发散；第二四极透镜(3)配置成能够在第一方向对带电粒子束聚集并且能够在第二方向对入射的带电粒子束发散；其中第一方向和第二方向相互垂直。

12.如权利要求11所述的产生发散的带电粒子束的方法，其中，带电粒子束为离子束或电子束。

13.如权利要求11所述的产生发散的带电粒子束的方法，其中，所述第一四极透镜(2)和第二四极透镜(3)之间间隔第一距离，能够允许通过第一四极透镜(2)的带电粒子束被会聚于一点，随后入射到第二四极透镜(3)，入射到第二四极透镜(3)的带电粒子束的横截面尺寸大于入射到第一四极透镜(2)的带电粒子束的横截面尺寸。

14.一种产生X射线的方法，包括：

使用权利要求11-13中任一项的产生发散的带电粒子束的方法产生发散的带电粒子束；

使得通过第二四极透镜(3)的带电粒子束照射靶产生X射线。

15.如权利要求14所述的产生X射线的方法，其中，所述靶(4)距离第二四极透镜(3)第二距离，能够允许通过第二四极透镜(3)的带电粒子束在第二方向内聚集于一点，之后带电粒子束横截面尺寸增大，以增大的横截面尺寸照射所述靶(4)。