CN1917135A - 一种新型x射线管及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型X射线管，它产生的X射线束同时具有高的空间相干性，大的剂量和大的发射角。为此，本发明或者采用宽电子束或离子束轰击结构阳极，或者采用结构电子束或离子束轰击无结构阳极，产生呈平行线排列的X射线线阵发射体。后者的实现或者采用结构电子或离子束发射体、或者采用结构栅极、或者采用电子或离子束扫描等方式，而结构阳极采用线宽足够窄的高Z金属条带组成的呈平行线排列的周期结构。本发明涉及的X射线管，既可工作于连续工作方式，也可工作于脉冲工作方式；既可输出硬X射线，也可输出软X射线。本发明将可用于生物学、医学、材料科学等基础研究，也可用于疾病诊断、工业无损探伤、在线检测、海关检查等领域。

Description

一种新型X射线管及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种新型X射线管，它采用结构阳极，或结构电子束或离子束，或结构发射体方法提供具有优良的空间相干性、大剂量、宽发射角的X射线束，可用于X射线相衬成像及锥束X射线相衬CT，也可用于对X射线束的空间相干性和剂量同时要求较高的场合。

背景技术

在常规的医学诊断及工业无损检测中使用最多的X射线源绝大多数都是基于电子束或离子束轰击金属阳极靶而产生的。这些X射线源在结构上主要包括电子发射体、聚焦***和阳极靶。产生的X射线剂量大，X射线束斑也大，其横向相干长度非常小，几乎可以忽略，因而不具备空间相干性。这种传统的X射线源可以满足对空间分辨率要求不是很高的基于吸收的X射线成像***。吸收成像的物理基础在于不同物质对不同能量的X射线具有不同的吸收系数，当X射线穿过这些物质后产生不同的衰减，而这些衰减还随被成像物体厚度而变。所以对于那些低原子序数物质或薄物体，由于对X射线的吸收很小，造成的衰减不足以形成可以产生分辨的图象衬度，因而无法用传统的吸收成像方法产生清晰的图象。

X射线相衬成像是近十年来兴起并得以快速发展的新型X射线成像技术，它可以很好的解决传统的X射线吸收成像无法解决的问题。它不仅可提供由于物体对X射线的吸收而形成的吸收对比图像，还可同时获得由于物质对X射线折射率的不同所导致的相位对比图像。这一点对于轻元素所组成的物体来说尤其重要，因为在这种情况下利用原有的技术无法获得高对比图像^[1-4]。在一定意义上可以说，它是传统X射线吸收成像技术的重要补充。事实上，这种技术是对原有技术的重大发展，也可以说原有技术是这种技术的一个特例。基于光栅的微分相衬成像技术是X射线相衬成像技术最新发展的一项技术^[5-6]，与基于传播的X射线相衬成像技术相比，该方法不仅能够大大简化相衬图象的提取，而且降低了对探测器空间分辨率的要求，还可利用一维空间相干性好的X射线源作为照明光源，是一种颇具实用价值的相衬成像和相衬CT技术。

不足的是，X射线相衬成像对X射线束的相干性要求很高，现有的传统X射线源由于不具有相干性而无法用于相衬成像，致使相衬成像技术必须依靠同步辐射源才能得以实现，极大地限制了该项技术的发展和应用推广。因此，研制并发展具有高空间相干特性的基于X射线管的X射线源就成了相衬成像及锥束相衬CT技术进一步发展的关键。

本发明的目的在于为一般的普通实验室和医院能够开展X射线相衬成像技术的研究和应用提供一种方便的能够满足要求的X射线源。

目前能够使用X射线管产生的X射线进行相衬成像的方法只有基于传播的X射线相衬成像技术和基于光栅的微分相衬成像技术。这两种方法对X射线束的时间相干性要求不高，对空间相干性有着较高的要求。前者要求X射线具有两维的横向相干性，只有使用高剂量的微束斑X射线源才能满足要求；而后者只要求X射线具有一维的横向相干性，因此高剂量的X射线线源可满足要求。F.Pfeiffer等人提出了一种新的方法，即利用现有的医学乳腺诊断X射线源，通过设计一个源光栅巧妙地解决了源的相干性问题，从而使X射线光栅微分相衬成像技术有可能在普通的实验室和医院中实现。但F.Pfeiffer方法的缺点是X射线的有效视场受到限制，不能做的很大；由于增加了源光栅，使得X射线通量的利用率大幅度降低；源光栅是一种吸收光栅，需采用高Z物质制作足够厚的光栅，制作难度很大；最后，源光栅的使用将增加***的复杂程度，使源到探测器的距离变得更大。

本发明所提出的X射线源完全不同于常规的X射线源，其产生的X射线不是从微焦斑或大焦斑上发出，而是从线宽足够窄的多条平行线上发出。因此，本发明不使用源光栅，而是通过X射线管的特殊设计和制作，直接形成平行线排列的线形X射线发射体。它既保障了X射线源的空间相干性，又克服了F.Pfeiffer等人所用方法的局限性，使所发出的X射线具有大的发射角和高的剂量。

发明内容

本发明提供一种新型X射线管的实现方法，其特征是既能提供高的空间相干性，又能提供大的剂量和大的发射角，为在普通实验室和医院实现X射线相衬成像和锥束相衬CT提供一种经济实用的X射线源。本发明在该方法中提出了X射线束线发射体阵列的概念，它是本发明的核心。该概念的实现包括三种途径：采用结构阳极，或采用结构电子束或离子束，或采用结构发射体。借助这三种途径，可以实现X射线线发射体阵列，阵列中的每个线发射体都是一个X射线线源，产生的X射线在垂直于X射线传播方向的平面内并垂直于线长的方向上具有一定的空间相干长度，其大小由线发射体的线宽度、X射线波长以及到线发射体的距离共同决定。因此，每个线发射体产生的X射线束都具有空间相干性，而线发射体与线发射体之间无相干性。足够多的线发射体按特定周期组成的阵列将加强X射线的发射剂量，从而实现了在提供良好的空间相干性的同时，保证了大剂量的要求。由于电子束或离子束轰击金属阳极靶产生X射线属于主动发光类型，相对于F.Pfeiffer使用源光栅被动元件的方法而言，本发明提供的X射线源产生的X射线具有更宽的发射角。如果用于X射线成像，则能提供更大更宽的视场。

根据上述方法和原理，本发明提供一种X射线管装置。它由电子或离子发射体、栅极、聚焦电极、结构阳极靶等组成。结构阳极由高Z元素如钨、钼等和低Z元素如铝、铍等金属带材或体材构成。高Z和低Z带状材料或体状在加工成所需要的结构后作相间排列，结构件的端面倾角作反方向排布。结构阳极上面向电子束或离子束的总面积取决于电子束或离子束的截面大小。

本发明提供的第二种X射线装置由电子或离子发射体、偏转***、聚焦***和常规无结构阳极组成。偏转***使微束斑电子束或离子束在阳极上的落点分布形成线宽为束斑直径的平行线结构。

本发明提供的第三种X射线管装置由结构发射体、栅极、聚焦电极、无结构阳极组成。其中，结构发射体是指所用电子源或离子源可以产生线宽为0.005-0.1mm的平行线结构的电子束或离子束。

本发明提供的第四种X射线管装置由电子或离子发射体、多缝加速电极、聚焦电极、无结构阳极靶组成。电子或离子发射体产生的电子束或离子束通过多缝加速电极后形成平行线电子束或离子束，通过聚焦电极聚焦后，在阳极处形成有如多缝光栏结构的电子束或离子束。

本发明提供一种栅极设计，在适当的控制电路作用下，对电子束或离子束连续或脉冲状态进行控制，实现对X射线的连续或脉冲辐射模式的控制。

附图说明

图1X射线束线发射体阵列

图2结构阳极X射线管原理图

图3结构阳极靶

图4结构阳极靶的高Z材料结构的立体图及单元形状

图5结构阳极靶套盖

图6结构阳极靶装配俯视图

图7电子束或离子束扫描X射线管结构示意图

图8结构电子束或离子束X射线管

图9平行线碳纳米管阵列发射体示意图

图10结构栅极X射线管示意图

图11多缝栅极示意图

具体实施方式

本发明提供的X射线管产生X射线的物理基础为电子束或离子束轰击金属阳极靶并产生X射线。为了获得具有良好的空间相干性、大剂量和宽发射角的X射线束，本发明提出了X射线束线发射体阵列的概念，即X射线束的发射体是一簇平行线阵列，如图1所示，每条线都是一个X射线束的线源(1-2)，其宽度范围为5～100微米，最佳化数值范围是10～20微米；其长度范围为0.6～2mm，优化范围是0.8-1.2mm。1-1代表阳极靶，1-3表示产生的X射线束。线发射体阵列的占空比范围为10％～50％，优化占空比为20％。每条线发射体的线长与物体到源的距离相比非常小，产生的X射线束在其后的空间中呈锥束分布，并具有一定的横向相干长度，但各线发射体产生的X射线锥束之间没有相干性。各线发射体产生的X射线在其后的空间传播中相互交叠，因此，交叠区内任一点的剂量等于各线发射体在此处的剂量之和。各线发射体的X射线发射角近似相等，可用主动发光的模型近似描述，X射线管的发射角近似等于单个线发射体的X射线发射角。

本发明实例之一：结构阳极靶X射线管

结构阳极靶X射线管由电子发射体、栅极、聚焦电极和结构阳极组成(图2)。电子发射体(2-1)发射出的宽电子束(2-5)经过栅极(2-3)调制和加速后进入聚焦***(2-4)，在聚焦场作用下被会聚，形成具有一定形状和大小的电子束斑，最后轰击金属阳极靶面(2-6、2-9)产生X射线(2-8)。图3是一种阳极结构靶，其靶面由高原子序数(3-1)和低原子序数(3-4)材料作相间平行排列，并且对着电子发射体的面的倾斜方向相反(3-2、3-3)，其斜面角度分别用α和β表示。当电子束轰击低Z材料时，产生的相对能量较低的X射线将被高Z材料条带吸收，因此，低Z材料条带产生的X射线不会向外发射，只有高Z材料条带(3-1)产生的X射线才能对外发射。这时的X射线发射体就是相互平行的高Z材料条带与宽电子束相互作用的部分(2-9)，即线发射体阵列。

图2中，2-2是电源及控制***，2-7是结构靶冷却***，2-9是结构阳极的放大图。图3中，h₀是阳极高Z条带的最小高度。该值确定之后，根据角度α，则可容易地确定其它电极条的尺寸，相应的低Z填充物尺寸也随之确定。

本发明中结构阳极(图3)的制作包括三个部分：(a)首先制作图4A所示的高Z材料靶结构，该靶通过底部连接为一整体，每一单靶面为一具有斜面的长方体，斜面水平夹角为α，水平宽度为a，长度为D，两两靶面水平间距为b。第一个靶面的高度为h₀，如图4B所示。(b)其次考虑靶的套盖(图5A、5B)。镶嵌结构靶面的套盖采用的材料与阳极靶面底座相同，用来镶嵌并固定结构靶面。其中，镶嵌矩形孔宽为a，孔长为D，孔与孔的间距b。两两镶嵌孔之间为一有斜面的长方体，水平宽度为b，宽度为D，斜面的水平夹角为(90°-β)。将结构阳极靶紧密地与其配套套盖镶嵌在一起。其中，结构靶面为一斜面，保证由其表面辐射出的X射线沿同一的方向出射。功能靶面之间镶嵌的套盖是与衬底相同的具有良好导电导热性能的材料，其表面与结构靶面相背向的斜面，保证与其作用的电子束辐射出的X射线束从相反的方向出射。(c)金属靶面通过其套盖紧密地镶嵌在导热性良好的金属底座上(图6)，这一结构保证阳极靶面良好的散热性，同时保证结构阳极靶***的坚固性以及X射线源***整体结构的简捷灵巧。

本发明实例之二：电子束扫描X射线管

电子束扫描X射线管由电子发射体、栅极、聚焦电极、偏转***和常规无结构阳极组成(图7)。电子发射体(7-1)在电源和控制***(7-8)控制下产生小束斑电子束(7-5)，经栅极(7-2)加速并经聚焦电极聚焦后进入偏转***(7-3A，7-3B分别为水平偏转和垂直偏转)。偏转***使小束斑电子束在阳极(7-6)上作快速两维扫描，电子束在阳极上的落点分布形成线宽为束斑直径的平行线结构，扫描范围就是X射线束线发射体阵列的有效面积。在扫描过程中的任一时刻，阳极上只有一个点被电子束击中并产生X射线，下一时刻，击中点将移向另一位置，并在另一位置发射出X射线。电子束的扫描过程就是X射线在阳极不同位置的发射过程。通过控制电子的发射和扫描速度实现在阳极上形成稳定的线发射体阵列。电子发射体可选择如六硼化镧热场发射阴极、金属尖端场发射阴极或碳纳米管场发射阴极等小面积发射体阴极。这种X射线管由于电子束在阳极上扫描，从而缓解了在大束流情况下的阳极靶散热问题。

本发明实例之三：结构电子束X射线管

结构电子束X射线管由结构阴极(如碳纳米管结构发射体)、栅极、聚焦电极、无结构阳极组成(图8)。其中，结构阴极(8-1)的一个实例如碳纳米管结构发射体，是指所用碳纳米管可以产生线宽为0.005-0.1mm的平行线结构的电子束(8-10)，通过电子光学***(8-4)聚焦仍可使电子束在阳极处的结构保持在电子源处的结构(8-9)。结构电子束的发射由电源和控制***(8-2)进行控制，发射出的结构电子束(8-5)经栅极(8-3)调制后进入聚焦电极(8-4)，形成符合要求的结构电子束形貌，轰击阳极靶(8-6)产生线发射体阵列的X射线束(8-8)。图中8-7是阳极冷却装置。

结构发射体(8-1)首先必须能够发射宽束电子束。发射电流大小不低于10mA，发射体面积可以控制在1-4mm²。利用定向生长技术生长两维的平行线碳纳米管阵列(图9)，碳纳米管线列(9-1)的宽度a的范围在0.005-0.1mm，其占空比为20％～30％。因此，其周期b的取值范围在(0.025～0.5mm)～(0.016～0.33mm)。

本发明实例之四：结构栅极X射线管

结构栅极X射线管装置(图10)由电子发射体(10-1)、多缝加速电极(栅极10-3、10-10)、聚焦电极(10-4)、无结构阳极靶(10-6)组成。电子发射体产生的宽电子束通过多缝加速电极后形成平行线电子束(10-5)，在阳极处形成有如多缝光栏结构的电子束(10-9)。电子发射体与本发明实例1相同，发射过程由电源及控制***(10-2)进行控制。多缝栅极(图11)由两部分组成：金属多缝(11-1)和框架(11-2)。采用光刻技术制作金属多缝，缝宽0.005～0.1mm，占空比为20％～30％，采用导电性好的金属材料制作，如镀银铜。框架用合金铝加工，中间有一略小于金属多缝的方形孔(11-3)，孔的边沿制作台阶以便安装金属多缝。多缝与框架的电接触良好。电子光学***的设计保证电子束在阳极上的形状与多缝栅极相同。这样，打在阳极上的电子束的结构与实例3中的结构电子束相同，因而可以产生线发射体阵列的X射线束。

以上叙述的仅是本发明示范性实施举例，只涉及到与电子束有关的X射线管。利用离子束的X射线管，除离子源之外，其它结构与上述利用电子束的X射线管基本相同。另外，还需要说明的是，本发明中的基本思想和基本方法可以有多种变化，每一种变化都可实施，它们应由本发明的权利要求书加以限定。

参考文献

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[6]Timm Weitkamp，2005，Quantitative X-ray phase imaging with a grating interferometer.Opt.Express，13，6296-304

Claims (20)

1.一种新型X射线管，其特征是所发射的X射线具有良好的空间相干性、高的剂量和宽的发射角。这种X射线管或者通过电子束或离子束轰击结构阳极，或者通过结构电子束或离子束轰击无结构阳极，形成呈平行线排列的X射线的线状发射体。各线状发射体发出的X射线束具有大的发射角，因而各射线束相互交叠共同作用于物体，满足大剂量的要求。这种X射线管既可工作于连续模式，也可工作于脉冲模式。

2.根据权利要求1所述的结构阳极，其特征是结构阳极由高Z元素如钨、钼等和低Z元素如铝、铍等金属材料构成。

3.根据权利要求2所述的结构阳极，其特征是高Z和低Z金属元素材料可为带状材料，也可为体材料，高Z带状材料厚度为0.001-0.1mm，低Z带状材料厚度为0.02-2mm。

4.根据权利要求2和3所述的结构阳极，其特征是高Z和低Z带状材料在加工成所需要的结构后作相间排列。

5.根据权利要求2和3所述的结构阳极，其特征是高Z和低Z体材料加工成所需要的结构后作相间排列。

6.根据权利要求2、3、4和5所述的结构阳极，其特征是呈相间排列的高Z和低Z结构件的端面倾角作反方向排布。

7.根据权利要求2、3、4、5和6所述的结构阳极，其特征是面向电子束或离子束的总面积取决于电子束或离子束的截面大小，二者其中一个应不大于1-2mm²。

8.根据权利要求2、3、4、5、6和7所述的结构阳极，其特征是镶嵌在一个导热性能良好的金属底座上或可以旋转的底座上。

9.根据权利要求1所述的电子束，其特征是它可由热发射阴极(如钨阴极、六硼化镧阴极或氧化物阴极等)、场发射阴极(如金属尖、金刚石或碳纳米管)或光源驱动下的光电发射阴极(如金属膜阴极、碱锑阴极、III-V簇阴极等)等现有的任何电子源所产生。

10.根据权利要求1所述的离子束，其特征是它可由现有的任何离子源所产生。

11.根据权利要求1和7所述的电子束或离子束，其特征是通过电子光学***或离子光学***使轰击结构阳极的电子束斑或离子束斑具有所希望的束斑截面大小。

12.根据权利要求1所述的结构电子束或离子束，其特征是通过电子光学***或离子光学***聚焦，形成微束斑电子束或离子束，在阳极处的束斑直径为0.001-0.1mm。

13.根据权利要求1和12所述的结构电子束或离子束，其特征是通过两维电场或磁场偏转***，使微束斑电子束或离子束在阳极上的落点分布形成线宽为束斑直径的平行线结构。

14.根据权利要求1所述的结构电子束或离子束，其特征是所用电子源或离子源可以产生线宽为0.005-0.1mm的平行线结构的电子束或离子束。

15.根据权利要求1和14所述的结构电子束或离子束，其特征是通过电子光学***或离子光学***聚焦仍可使电子束或离子束在阳极处的结构保持在电子源或离子源处的结构。

16.根据权利要求1所述的结构电子束或离子束，其特征是所用电子源或离子源可以产生束斑直径为1-2mm的电子束或离子束。

17.根据权利要求1和16所述的结构电子束或离子束，其特征是电子源或离子源所产生的电子束或离子束受到一加速电极的作用，此加速电极是一多缝光栏，当电子束或离子束通过它时，就形成线宽为0.002-0.1mm的平行线电子束或离子束。

18.根据权利要求1、16和17所述的结构电子束或离子束，其特征是通过多缝光栏加速电极的电子束或离子束由电子光学***或离子光学***聚焦，在阳极处形成有如多缝光栏结构的电子束或离子束。

19.根据权利要求1所述的X射线管，其特征是输出的X射线可以是连续辐射模式，也可以是脉冲辐射模式，通过对电子束或离子束连续或脉冲状态的控制，实现对X射线的连续或脉冲辐射模式的控制。

20.根据权利要求1和19所述的X射线管，其特征是在电子源或离子源处设置控制栅极，在脉冲或直流控制电源的作用下实现X射线的连续或脉冲辐射模式控制。

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