一種新型x射線管及其制作方法

專利名稱：一種新型x射線管及其制作方法
技術領域：
本發明涉及一種新型X射線管，它采用結構陽極，或結構電子束或離子束，或結構發射體方法提供具有優良的空間相干性、大劑量、寬發射角的X射線束，可用于X射線相襯成像及錐束X射線相襯CT，也可用于對X射線束的空間相干性和劑量同時要求較高的場合。
背景技術：
在常規的醫學診斷及工業無損檢測中使用最多的X射線源絕大多數都是基于電子束或離子束轟擊金屬陽極靶而產生的。這些X射線源在結構上主要包括電子發射體、聚焦系統和陽極靶。產生的X射線劑量大，X射線束斑也大，其橫向相干長度非常小，幾乎可以忽略，因而不具備空間相干性。這種傳統的X射線源可以滿足對空間分辨率要求不是很高的基于吸收的X射線成像系統。吸收成像的物理基礎在于不同物質對不同能量的X射線具有不同的吸收系數，當X射線穿過這些物質后產生不同的衰減，而這些衰減還隨被成像物體厚度而變。所以對于那些低原子序數物質或薄物體，由于對X射線的吸收很小，造成的衰減不足以形成可以產生分辨的圖象襯度，因而無法用傳統的吸收成像方法產生清晰的圖象。
X射線相襯成像是近十年來興起并得以快速發展的新型X射線成像技術，它可以很好的解決傳統的X射線吸收成像無法解決的問題。它不僅可提供由于物體對X射線的吸收而形成的吸收對比圖像，還可同時獲得由于物質對X射線折射率的不同所導致的相位對比圖像。這一點對于輕元素所組成的物體來說尤其重要，因為在這種情況下利用原有的技術無法獲得高對比圖像[1-4]。在一定意義上可以說，它是傳統X射線吸收成像技術的重要補充。事實上，這種技術是對原有技術的重大發展，也可以說原有技術是這種技術的一個特例。基于光柵的微分相襯成像技術是X射線相襯成像技術最新發展的一項技術[5-6]，與基于傳播的X射線相襯成像技術相比，該方法不僅能夠大大簡化相襯圖象的提取，而且降低了對探測器空間分辨率的要求，還可利用一維空間相干性好的X射線源作為照明光源，是一種頗具實用價值的相襯成像和相襯CT技術。
不足的是，X射線相襯成像對X射線束的相干性要求很高，現有的傳統X射線源由于不具有相干性而無法用于相襯成像，致使相襯成像技術必須依靠同步輻射源才能得以實現，極大地限制了該項技術的發展和應用推廣。因此，研制并發展具有高空間相干特性的基于X射線管的X射線源就成了相襯成像及錐束相襯CT技術進一步發展的關鍵。
本發明的目的在于為一般的普通實驗室和醫院能夠開展X射線相襯成像技術的研究和應用提供一種方便的能夠滿足要求的X射線源。
目前能夠使用X射線管產生的X射線進行相襯成像的方法只有基于傳播的X射線相襯成像技術和基于光柵的微分相襯成像技術。這兩種方法對X射線束的時間相干性要求不高，對空間相干性有著較高的要求。前者要求X射線具有兩維的橫向相干性，只有使用高劑量的微束斑X射線源才能滿足要求；而后者只要求X射線具有一維的橫向相干性，因此高劑量的X射線線源可滿足要求。F.Pfeiffer等人提出了一種新的方法，即利用現有的醫學乳腺診斷X射線源，通過設計一個源光柵巧妙地解決了源的相干性問題，從而使X射線光柵微分相襯成像技術有可能在普通的實驗室和醫院中實現。但F.Pfeiffer方法的缺點是X射線的有效視場受到限制，不能做的很大；由于增加了源光柵，使得X射線通量的利用率大幅度降低；源光柵是一種吸收光柵，需采用高Z物質制作足夠厚的光柵，制作難度很大；最后，源光柵的使用將增加系統的復雜程度，使源到探測器的距離變得更大。
本發明所提出的X射線源完全不同于常規的X射線源，其產生的X射線不是從微焦斑或大焦斑上發出，而是從線寬足夠窄的多條平行線上發出。因此，本發明不使用源光柵，而是通過X射線管的特殊設計和制作，直接形成平行線排列的線形X射線發射體。它既保障了X射線源的空間相干性，又克服了F.Pfeiffer等人所用方法的局限性，使所發出的X射線具有大的發射角和高的劑量。

發明內容
本發明提供一種新型X射線管的實現方法，其特征是既能提供高的空間相干性，又能提供大的劑量和大的發射角，為在普通實驗室和醫院實現X射線相襯成像和錐束相襯CT提供一種經濟實用的X射線源。本發明在該方法中提出了X射線束線發射體陣列的概念，它是本發明的核心。該概念的實現包括三種途徑采用結構陽極，或采用結構電子束或離子束，或采用結構發射體。借助這三種途徑，可以實現X射線線發射體陣列，陣列中的每個線發射體都是一個X射線線源，產生的X射線在垂直于X射線傳播方向的平面內并垂直于線長的方向上具有一定的空間相干長度，其大小由線發射體的線寬度、X射線波長以及到線發射體的距離共同決定。因此，每個線發射體產生的X射線束都具有空間相干性，而線發射體與線發射體之間無相干性。足夠多的線發射體按特定周期組成的陣列將加強X射線的發射劑量，從而實現了在提供良好的空間相干性的同時，保證了大劑量的要求。由于電子束或離子束轟擊金屬陽極靶產生X射線屬于主動發光類型，相對于F.Pfeiffer使用源光柵被動元件的方法而言，本發明提供的X射線源產生的X射線具有更寬的發射角。如果用于X射線成像，則能提供更大更寬的視場。
根據上述方法和原理，本發明提供一種X射線管裝置。它由電子或離子發射體、柵極、聚焦電極、結構陽極靶等組成。結構陽極由高Z元素如鎢、鉬等和低Z元素如鋁、鈹等金屬帶材或體材構成。高Z和低Z帶狀材料或體狀在加工成所需要的結構后作相間排列，結構件的端面傾角作反方向排布。結構陽極上面向電子束或離子束的總面積取決于電子束或離子束的截面大小。
本發明提供的第二種X射線裝置由電子或離子發射體、偏轉系統、聚焦系統和常規無結構陽極組成。偏轉系統使微束斑電子束或離子束在陽極上的落點分布形成線寬為束斑直徑的平行線結構。
本發明提供的第三種X射線管裝置由結構發射體、柵極、聚焦電極、無結構陽極組成。其中，結構發射體是指所用電子源或離子源可以產生線寬為0.005-0.1mm的平行線結構的電子束或離子束。
本發明提供的第四種X射線管裝置由電子或離子發射體、多縫加速電極、聚焦電極、無結構陽極靶組成。電子或離子發射體產生的電子束或離子束通過多縫加速電極后形成平行線電子束或離子束，通過聚焦電極聚焦后，在陽極處形成有如多縫光欄結構的電子束或離子束。
本發明提供一種柵極設計，在適當的控制電路作用下，對電子束或離子束連續或脈沖狀態進行控制，實現對X射線的連續或脈沖輻射模式的控制。


圖1X射線束線發射體陣列圖2結構陽極X射線管原理3結構陽極靶圖4結構陽極靶的高Z材料結構的立體圖及單元形狀圖5結構陽極靶套蓋圖6結構陽極靶裝配俯視7電子束或離子束掃描X射線管結構示意8結構電子束或離子束X射線管圖9平行線碳納米管陣列發射體示意10結構柵極X射線管示意11多縫柵極示意圖具體實施方式
本發明提供的X射線管產生X射線的物理基礎為電子束或離子束轟擊金屬陽極靶并產生X射線。為了獲得具有良好的空間相干性、大劑量和寬發射角的X射線束，本發明提出了X射線束線發射體陣列的概念，即X射線束的發射體是一簇平行線陣列，如圖1所示，每條線都是一個X射線束的線源(1-2)，其寬度范圍為5～100微米，最佳化數值范圍是10～20微米；其長度范圍為0.6～2mm，優化范圍是0.8-1.2mm。1-1代表陽極靶，1-3表示產生的X射線束。線發射體陣列的占空比范圍為10％～50％，優化占空比為20％。每條線發射體的線長與物體到源的距離相比非常小，產生的X射線束在其后的空間中呈錐束分布，并具有一定的橫向相干長度，但各線發射體產生的X射線錐束之間沒有相干性。各線發射體產生的X射線在其后的空間傳播中相互交疊，因此，交疊區內任一點的劑量等于各線發射體在此處的劑量之和。各線發射體的X射線發射角近似相等，可用主動發光的模型近似描述，X射線管的發射角近似等于單個線發射體的X射線發射角。
本發明實例之一結構陽極靶X射線管結構陽極靶X射線管由電子發射體、柵極、聚焦電極和結構陽極組成(圖2)。電子發射體(2-1)發射出的寬電子束(2-5)經過柵極(2-3)調制和加速后進入聚焦系統(2-4)，在聚焦場作用下被會聚，形成具有一定形狀和大小的電子束斑，最后轟擊金屬陽極靶面(2-6、2-9)產生X射線(2-8)。圖3是一種陽極結構靶，其靶面由高原子序數(3-1)和低原子序數(3-4)材料作相間平行排列，并且對著電子發射體的面的傾斜方向相反(3-2、3-3)，其斜面角度分別用α和β表示。當電子束轟擊低Z材料時，產生的相對能量較低的X射線將被高Z材料條帶吸收，因此，低Z材料條帶產生的X射線不會向外發射，只有高Z材料條帶(3-1)產生的X射線才能對外發射。這時的X射線發射體就是相互平行的高Z材料條帶與寬電子束相互作用的部分(2-9)，即線發射體陣列。
圖2中，2-2是電源及控制系統，2-7是結構靶冷卻系統，2-9是結構陽極的放大圖。圖3中，h0是陽極高Z條帶的最小高度。該值確定之后，根據角度α，則可容易地確定其它電極條的尺寸，相應的低Z填充物尺寸也隨之確定。
本發明中結構陽極(圖3)的制作包括三個部分(a)首先制作圖4A所示的高Z材料靶結構，該靶通過底部連接為一整體，每一單靶面為一具有斜面的長方體，斜面水平夾角為α，水平寬度為a，長度為D，兩兩靶面水平間距為b。第一個靶面的高度為h0，如圖4B所示。(b)其次考慮靶的套蓋(圖5A、5B)。鑲嵌結構靶面的套蓋采用的材料與陽極靶面底座相同，用來鑲嵌并固定結構靶面。其中，鑲嵌矩形孔寬為a，孔長為D，孔與孔的間距b。兩兩鑲嵌孔之間為一有斜面的長方體，水平寬度為b，寬度為D，斜面的水平夾角為(90°-β)。將結構陽極靶緊密地與其配套套蓋鑲嵌在一起。其中，結構靶面為一斜面，保證由其表面輻射出的X射線沿同一的方向出射。功能靶面之間鑲嵌的套蓋是與襯底相同的具有良好導電導熱性能的材料，其表面與結構靶面相背向的斜面，保證與其作用的電子束輻射出的X射線束從相反的方向出射。(c)金屬靶面通過其套蓋緊密地鑲嵌在導熱性良好的金屬底座上(圖6)，這一結構保證陽極靶面良好的散熱性，同時保證結構陽極靶系統的堅固性以及X射線源系統整體結構的簡捷靈巧。
本發明實例之二電子束掃描X射線管電子束掃描X射線管由電子發射體、柵極、聚焦電極、偏轉系統和常規無結構陽極組成(圖7)。電子發射體(7-1)在電源和控制系統(7-8)控制下產生小束斑電子束(7-5)，經柵極(7-2)加速并經聚焦電極聚焦后進入偏轉系統(7-3A，7-3B分別為水平偏轉和垂直偏轉)。偏轉系統使小束斑電子束在陽極(7-6)上作快速兩維掃描，電子束在陽極上的落點分布形成線寬為束斑直徑的平行線結構，掃描范圍就是X射線束線發射體陣列的有效面積。在掃描過程中的任一時刻，陽極上只有一個點被電子束擊中并產生X射線，下一時刻，擊中點將移向另一位置，并在另一位置發射出X射線。電子束的掃描過程就是X射線在陽極不同位置的發射過程。通過控制電子的發射和掃描速度實現在陽極上形成穩定的線發射體陣列。電子發射體可選擇如六硼化鑭熱場發射陰極、金屬尖端場發射陰極或碳納米管場發射陰極等小面積發射體陰極。這種X射線管由于電子束在陽極上掃描，從而緩解了在大束流情況下的陽極靶散熱問題。
本發明實例之三結構電子束X射線管結構電子束X射線管由結構陰極(如碳納米管結構發射體)、柵極、聚焦電極、無結構陽極組成(圖8)。其中，結構陰極(8-1)的一個實例如碳納米管結構發射體，是指所用碳納米管可以產生線寬為0.005-0.1mm的平行線結構的電子束(8-10)，通過電子光學系統(8-4)聚焦仍可使電子束在陽極處的結構保持在電子源處的結構(8-9)。結構電子束的發射由電源和控制系統(8-2)進行控制，發射出的結構電子束(8-5)經柵極(8-3)調制后進入聚焦電極(8-4)，形成符合要求的結構電子束形貌，轟擊陽極靶(8-6)產生線發射體陣列的X射線束(8-8)。圖中8-7是陽極冷卻裝置。
結構發射體(8-1)首先必須能夠發射寬束電子束。發射電流大小不低于10mA，發射體面積可以控制在1-4mm2。利用定向生長技術生長兩維的平行線碳納米管陣列(圖9)，碳納米管線列(9-1)的寬度a的范圍在0.005-0.1mm，其占空比為20％～30％。因此，其周期b的取值范圍在(0.025～0.5mm)～(0.016～0.33mm)。
本發明實例之四結構柵極X射線管結構柵極X射線管裝置(圖10)由電子發射體(10-1)、多縫加速電極(柵極10-3、10-10)、聚焦電極(10-4)、無結構陽極靶(10-6)組成。電子發射體產生的寬電子束通過多縫加速電極后形成平行線電子束(10-5)，在陽極處形成有如多縫光欄結構的電子束(10-9)。電子發射體與本發明實例1相同，發射過程由電源及控制系統(10-2)進行控制。多縫柵極(圖11)由兩部分組成金屬多縫(11-1)和框架(11-2)。采用光刻技術制作金屬多縫，縫寬0.005～0.1mm，占空比為20％～30％，采用導電性好的金屬材料制作，如鍍銀銅。框架用合金鋁加工，中間有一略小于金屬多縫的方形孔(11-3)，孔的邊沿制作臺階以便安裝金屬多縫。多縫與框架的電接觸良好。電子光學系統的設計保證電子束在陽極上的形狀與多縫柵極相同。這樣，打在陽極上的電子束的結構與實例3中的結構電子束相同，因而可以產生線發射體陣列的X射線束。
以上敘述的僅是本發明示范性實施舉例，只涉及到與電子束有關的X射線管。利用離子束的X射線管，除離子源之外，其它結構與上述利用電子束的X射線管基本相同。另外，還需要說明的是，本發明中的基本思想和基本方法可以有多種變化，每一種變化都可實施，它們應由本發明的權利要求書加以限定。
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1.一種新型X射線管，其特征是所發射的X射線具有良好的空間相干性、高的劑量和寬的發射角。這種X射線管或者通過電子束或離子束轟擊結構陽極，或者通過結構電子束或離子束轟擊無結構陽極，形成呈平行線排列的X射線的線狀發射體。各線狀發射體發出的X射線束具有大的發射角，因而各射線束相互交疊共同作用于物體，滿足大劑量的要求。這種X射線管既可工作于連續模式，也可工作于脈沖模式。
2.根據權利要求1所述的結構陽極，其特征是結構陽極由高Z元素如鎢、鉬等和低Z元素如鋁、鈹等金屬材料構成。
3.根據權利要求2所述的結構陽極，其特征是高Z和低Z金屬元素材料可為帶狀材料，也可為體材料，高Z帶狀材料厚度為0.001-0.1mm，低Z帶狀材料厚度為0.02-2mm。
4.根據權利要求2和3所述的結構陽極，其特征是高Z和低Z帶狀材料在加工成所需要的結構后作相間排列。
5.根據權利要求2和3所述的結構陽極，其特征是高Z和低Z體材料加工成所需要的結構后作相間排列。
6.根據權利要求2、3、4和5所述的結構陽極，其特征是呈相間排列的高Z和低Z結構件的端面傾角作反方向排布。
7.根據權利要求2、3、4、5和6所述的結構陽極，其特征是面向電子束或離子束的總面積取決于電子束或離子束的截面大小，二者其中一個應不大于1-2mm2。
8.根據權利要求2、3、4、5、6和7所述的結構陽極，其特征是鑲嵌在一個導熱性能良好的金屬底座上或可以旋轉的底座上。
9.根據權利要求1所述的電子束，其特征是它可由熱發射陰極(如鎢陰極、六硼化鑭陰極或氧化物陰極等)、場發射陰極(如金屬尖、金剛石或碳納米管)或光源驅動下的光電發射陰極(如金屬膜陰極、堿銻陰極、III-V簇陰極等)等現有的任何電子源所產生。
10.根據權利要求1所述的離子束，其特征是它可由現有的任何離子源所產生。
11.根據權利要求1和7所述的電子束或離子束，其特征是通過電子光學系統或離子光學系統使轟擊結構陽極的電子束斑或離子束斑具有所希望的束斑截面大小。
12.根據權利要求1所述的結構電子束或離子束，其特征是通過電子光學系統或離子光學系統聚焦，形成微束斑電子束或離子束，在陽極處的束斑直徑為0.001-0.1mm。
13.根據權利要求1和12所述的結構電子束或離子束，其特征是通過兩維電場或磁場偏轉系統，使微束斑電子束或離子束在陽極上的落點分布形成線寬為束斑直徑的平行線結構。
14.根據權利要求1所述的結構電子束或離子束，其特征是所用電子源或離子源可以產生線寬為0.005-0.1mm的平行線結構的電子束或離子束。
15.根據權利要求1和14所述的結構電子束或離子束，其特征是通過電子光學系統或離子光學系統聚焦仍可使電子束或離子束在陽極處的結構保持在電子源或離子源處的結構。
16.根據權利要求1所述的結構電子束或離子束，其特征是所用電子源或離子源可以產生束斑直徑為1-2mm的電子束或離子束。
17.根據權利要求1和16所述的結構電子束或離子束，其特征是電子源或離子源所產生的電子束或離子束受到一加速電極的作用，此加速電極是一多縫光欄，當電子束或離子束通過它時，就形成線寬為0.002-0.1mm的平行線電子束或離子束。
18.根據權利要求1、16和17所述的結構電子束或離子束，其特征是通過多縫光欄加速電極的電子束或離子束由電子光學系統或離子光學系統聚焦，在陽極處形成有如多縫光欄結構的電子束或離子束。
19.根據權利要求1所述的X射線管，其特征是輸出的X射線可以是連續輻射模式，也可以是脈沖輻射模式，通過對電子束或離子束連續或脈沖狀態的控制，實現對X射線的連續或脈沖輻射模式的控制。
20.根據權利要求1和19所述的X射線管，其特征是在電子源或離子源處設置控制柵極，在脈沖或直流控制電源的作用下實現X射線的連續或脈沖輻射模式控制。
全文摘要
本發明涉及一種新型X射線管，它產生的X射線束同時具有高的空間相干性，大的劑量和大的發射角。為此，本發明或者采用寬電子束或離子束轟擊結構陽極，或者采用結構電子束或離子束轟擊無結構陽極，產生呈平行線排列的X射線線陣發射體。后者的實現或者采用結構電子或離子束發射體、或者采用結構柵極、或者采用電子或離子束掃描等方式，而結構陽極采用線寬足夠窄的高Z金屬條帶組成的呈平行線排列的周期結構。本發明涉及的X射線管，既可工作于連續工作方式，也可工作于脈沖工作方式；既可輸出硬X射線，也可輸出軟X射線。本發明將可用于生物學、醫學、材料科學等基礎研究，也可用于疾病診斷、工業無損探傷、在線檢測、海關檢查等領域。
文檔編號H01J35/06GK1917135SQ20061006248
公開日2007年2月21日 申請日期2006年9月7日 優先權日2006年9月7日
發明者牛憨笨, 郭金川, 王凱歌, 楊勤勞 申請人:深圳大學