CN102768931A - 用于大视场x射线相衬成像的x射线源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于大视场X射线相衬成像的X射线源，包括用于发射电子束的电子源和响应于电子束入射而发射X射线的阳极靶，所述阳极靶为一体结构的柱体，所述阳极靶顶端设有发射面，所述发射面由多个呈阶梯状排布且相互平行的倾斜发射面单元组成；相邻的所述发射面单元之间的阶梯间侧壁与阳极靶发射面之间的夹角α为50°-120°，且该阶梯间侧壁与阳极靶发射面的主光轴之间的夹角β为大于等于90°。本发明提供一种能应用在大视场X射线相衬成像中、克服阵列结构阳极的视场限制、制造成本低、制作工艺简单可靠的用于大视场X射线相衬成像的X射线源。

Description

用于大视场X射线相衬成像的X射线源

技术领域

本发明属于X射线相衬成像技术领域,涉及一种X射线源，尤其涉及一种用于大视场X射线相衬成像的X射线源。

背景技术

X射线成像技术是一种无损检测技术，在化学领域、农业领域、生物学领域、医疗领域以及安检领域已经取得了广泛的应用。传统的X射线成像技术的物理机制是通过X射线透过不同厚度和不同物质组成的物体而产生不同的衰减来获得物体的内部信息。对于原子序数较大的物质而言（例如重金属、人体的骨骼），由于对X射线的吸收较大，因此可获得清晰的图像。然而对于由轻元素（例如C、H、O、N）构成的物质，如人体的软组织、活体生物样本、光学纤维、固体氘-氚燃料以及汽油、酒精等危险品，由于对X射线的吸收很弱，所以传统的X射线成像技术几乎探测不到它们的内部结构。

X射线相衬成像技术是近几年发展的新型X射线成像技术，它通过探测X射线透过物体之后相位的变化来探测物体的内部信息，对于轻元素构成的物质而言，和相位信息有关的相位因子通常要比和吸收信息有关的吸收因子大3个数量级以上。因此，对于轻元素物质以及对X射线吸收较弱的物质来说，X射线相衬成像技术可以分辨传统X射线成像技术无法分辨的图像。另外，由于X射线相衬成像采用具有一定相干性的X射线源和高分辨率的探测器，因此获得的图像具有很高的空间分辨率。

目前，X射线相衬成像技术的发展有很多种，早期发展的X射线相衬成像技术通常需要高相干性和高亮度的X射线源，因此需要依赖同步辐射源来实现，从而限制了这项技术的发展和应用。F.Pfeiffer等人在普通的X射线源后放置一个源光栅，使产生的X射线满足X射线相衬成像对X射线源相干性和亮度的要求，从而使这种基于光栅微分干涉X射线相衬成像技术突破了同步辐射源的限制，可以在普通的X射线源的条件下实现相衬成像。然而这种成像技术中存在一些问题：首先，这种源光栅是采用在硅基光栅中填充高Z物质（例如金）的吸收光栅，光栅的制作工艺复杂、难度高，制作成本很高，尤其当X射线的能量增大时，要求这种器件具有更高的深宽比，使制作工艺的复杂程度进一步提高，目前只有国际上少数几个国家掌握这种技术。其次，在实际应用中通常需要高能量的X射线（例如60keV-120keV）,然而现有的源光栅的技术参数通常受到高能X射线的限制，源光栅不能够完全吸收高能量的X射线，从而导致相位光栅自成像的条纹对比度降低，严重影响系统的灵敏度和成像质量。

另外一种方法是采用阵列结构X射线源的方法，这种方法通过在X射线管的阳极是多个线发射体间隔排布形成的阵列结构，阵列结构的各个线发射体之间形成沟槽，当电子束轰击阳极靶的发射面时，只有一部分的电子束轰击到阳极靶的发射面上，另一部分进入线发射体之间的沟槽中，由于电子轰击沟槽内产生的X射线被沟槽的侧壁吸收，只有轰击到阳极靶的发射面所产生的X射线才可以发射出去，从而产生可用于X射线微分干涉相衬成像的结构阵列光源。这种结构不需要源光栅便可以实现源光栅的功能，同时可以克服源光栅不能完全吸收高能X射线从而导致图像质量下降的限制，因此更适用于高能X射线，大大提高X射线的利用效率。然而由于这种结构产生的阵列X射线源在光轴方向上延展分布，从而使阵列X射线源中的每个线发射体到探测面的距离不等，导致成像视场受限。特别在普通实验室和医院中，通常需要大视场成像，由于这种阵列X射线源的成像视场受到限制，因此很难应用在大视场X射线相衬成像中。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术采用源光栅的方式中，源光栅制造复杂、难度大的缺陷，以及采用阵列结构X射线源成像视场受到限制，因此很难应用在大视场X射线相衬成像中的缺陷，提供一种能应用在大视场X射线相衬成像中、克服阵列结构阳极的视场限制、制造成本低、制作工艺简单可靠的用于大视场X射线相衬成像的X射线源。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种用于大视场X射线相衬成像的X射线源，包括用于发射电子束的电子源和响应于电子束入射而发射X射线的阳极靶，所述阳极靶为一体结构的柱体，所述阳极靶顶端设有发射面，所述发射面由多个呈阶梯状排布且相互平行的倾斜发射面单元组成；相邻的所述发射面单元之间的阶梯间侧壁与阳极靶发射面之间的夹角α为50°-120°，且该阶梯间侧壁与阳极靶发射面的主光轴之间的夹角β为大于等于90°。

所述用于大视场X射线相衬成像的X射线源中，所述发射面在阳极靶发射面的主光轴的垂直方向上的投影是一个连续的整体。

所述用于大视场X射线相衬成像的X射线源中，所述发射面在阳极靶发射面的主光轴的垂直方向上的投影是间隔平行排布的，相邻所述发射面单元的投影之间的间隙为10-70微米。

所述用于大视场X射线相衬成像的X射线源中，所述发射面单元之间设有间隔槽。

所述用于大视场X射线相衬成像的X射线源中，所述间隔槽的侧壁与阳极靶的发射面夹角为50°-120°。

所述用于大视场X射线相衬成像的X射线源中，所述间隔槽的深度为30-300微米、宽度为10-70微米。

所述用于大视场X射线相衬成像的X射线源中，所述间隔槽的槽底为平面或弧面。

所述用于大视场X射线相衬成像的X射线源中，所述发射面与X射线出射窗中心和阳极靶发射面中心连线之间的夹角θ为5°-30°。

所述用于大视场X射线相衬成像的X射线源中，所述发射面单元的横向宽度为50-200微米，发射面单元的长度为0.5-2毫米，相邻发射面单元之间的高度差为15-70微米。

所述用于大视场X射线相衬成像的X射线源中，所述射面单元的横向宽度为50-150微米，发射面单元的长度为0.6-1.5毫米，相邻发射面单元之间的高度差为15-50微米。

本发明是在柱状的阳极靶上制作出阶梯结构的发射面，阶梯结构的发射面是由多个呈阶梯状排布且相互平行的倾斜发射面单元组成，相邻的所述发射面单元之间的阶梯间侧壁与阳极靶发射面之间的夹角α为50°-120°，该结构产生的X射线阵列源在光轴方向的延展长度最小，当X射线管阴极产生电子轰击到阶梯结构阳极发射面时，每个阶梯表面的发射面相当于独立的线发射体，可以产生一维分布的阵列结构X射线源，每个线发射体产生的X射线都具有满足X射线相衬成像的相干长度，多个线发射体产生的X射线源在空间上满足几何叠加关系，不同的线发射体产生的X射线不具有空间相干性，从而克服阵列结构阳极的视场限制的缺陷，在相同的辐射剂量条件下，这种阶梯结构X射线阳极的成像视场要比阵列结构阳极的成像视场大4倍以上。

本发明通过在X射线阳极靶的发射面上制作阶梯形状结构发射面，不使用源光栅便可以实现源光栅的功能。和源光栅技术相比，本发明具有如下几个优点:1、制作工艺简单，避免了制作源光栅复杂的工艺问题；2、制造成本较低，不需要使用源光栅的价格昂贵器件；3、本发明可以适用于高能X射线，克服了源光栅在高能X射线应用中的缺点。

本发明还解决了现有的阵列结构X射线源对成像视场受限的问题。在理论上阶梯结构阳极X射线源可以比阵列结构X射线源的成像视场大4倍以上。与此同时，本发明的X射线源还可以提供足够大的X射线剂量。

本发明可以解决微焦斑X射线源的剂量不足问题。虽然微焦斑X射线源可以提供高的空间相干性，但由于微焦斑X射线源的发射体面积非常小，导致微焦斑X射线源的辐射剂量很小，因此很难应用于普通医院中的人体医疗X射线成像。本发明阳极靶中的每个阶梯面可以提供高的空间相干性，多个阶梯发射面的几何叠加可以提供大的X射线辐射剂量。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例1的结构示意图；

图2是本发明实施例1的俯视图；

图3是本发明实施例2的结构示意图；

图4是本发明实施例2的俯视图；

图5是本发明实施例3的结构示意图；

图6是本发明实施例3的俯视图；

图7是本发明实施例4的结构示意图；

图8是本发明实施例4的俯视图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

一种用于大视场X射线相衬成像的X射线源，包括用于发射电子束的电子源和响应于电子束入射而发射X射线的阳极靶。本发明的X射线源的两部分—电子源和阳极靶中，电子源与现有技术的结构相同，作用和技术效果相同，在此不再赘述，而阳极靶是本发明重点改进的。以下对本发明中阳极靶的结构、相应的技术效果进行详细描述。

实施例1、如图1、2所示，本发明的所述阳极靶为一体结构的柱体，即阳极靶不采用现有技术中的阵列排布方式，而是一个整体的不分离的柱体结构。阳极靶是由普通的用于产生X射线的阳极材料如钨、钼等高Z元素材料制成的柱体结构。阳极靶采用微纳加工技术方法进行制造，例如刻蚀技术、高精密微机械加工方法。

所述阳极靶顶端设有用于发射X射线的发射面1，电子源发出的电子束轰击阳极靶的发射面1，发射面1响应而发射出X射线，发射的X射线从X射线出射窗5中射出，照射物体进行X射线相衬成像。所述发射面1由多个呈阶梯状排布且相互平行的倾斜发射面单元10组成；每个发射面单元10即为一个线发射体，多个线发射体呈现阶梯状连续排列，如图2所示，阶梯状连续排列是指多个发射面单元10在阳极靶发射面的主光轴的垂直方向上的投影形成一个连续的整体，没有间隙。X射线出射窗5与阳极靶发射面的主光轴垂直，即多个所述发射面单元在X射线出射窗5的平行方向上的投影形成一个连续的整体。阳极靶发射面的主光轴为X射线的主光轴。

相邻的所述发射面单元10之间的阶梯间侧壁2与阳极靶发射面1之间的夹角α为50°-120°，且该阶梯间侧壁2与阳极靶发射面1的主光轴之间的夹角β为大于等于90°。由于所述发射面1与X射线出射窗5中心和阳极靶发射面1中心连线之间的夹角θ为5°-30°。夹角α、β、θ是对发射面单元10、阶梯间侧壁2相对位置的限定，保证了阶梯间侧壁2不被电子束轰击。

阳极靶发射面1的主光轴、X射线的主光轴都是在X射线出射窗5的垂直方向上，相邻的所述发射面单元10之间的阶梯间侧壁2与阳极靶发射面1的主光轴之间的夹角β为大于等于90°，根据夹角β的不同，形成不同的结构，本实施例中选择相邻的所述发射面单元10之间的阶梯间侧壁2与阳极靶发射面1的主光轴之间的夹角β等于90°，这种情况的结构使得电子束不能轰击到阶梯间侧壁2，只能轰击到发射面1上。避免了电子束发射到侧壁上导致X射线空间相干性变差的问题。

由于发射面单元10呈阶梯状且是连续排布，则发射面1就产生了一维分布的阵列结构X射线，形成了阵列结构X射线源，每个发射面单元10发出的X射线都具有满足X射线相衬成像的相干长度，多个发射面单元10产生的X射线源在空间上满足几何叠加关系，且不同的发射面单元10产生的X射线不具有空间相干性，从而克服了现有技术中阵列结构阳极的视场限制缺陷，在相同的辐射剂量条件下，本发明阳极靶的成像视场要比阵列结构阳极的成像视场大4倍以上。

根据X射线源的要求，所述发射面单元10的横向宽度要求为50-200微米，发射面单元10的长度要求为0.5-2毫米，相邻发射面单元10之间的高度差要求为15-70微米。发射面单元10横向宽度、长度以及相邻发射面单元10之间的高度差是发射面1的重要指标，只有在上述数据范围内设计的阳极靶，才能更好满足X射线源的需求，使得每个发射面单元10发出的X射线都具有满足X射线相衬成像的相干长度，多个发射面单元10产生的X射线源在空间上满足几何叠加关系，且不同的发射面单元10产生的X射线不具有空间相干性，从而克服了现有技术中阵列结构阳极的视场限制缺陷。优选所述射面单元的横向宽度为50-150微米，优选发射面单元10的长度为0.6-1.5毫米，优选相邻发射面单元10之间的高度差为15-50微米。

实施例2，如图3、4所示，本实施例是在实施例1的基础上进行改进的一个实施方式。其中阳极靶的发射面1也是由多个呈阶梯状连续排布且相互平行的倾斜发射面单元10组成，且发射面1在阳极靶发射面的主光轴的垂直方向上的投影是一个连续的整体。本实施例与实施例1的不同是：选择相邻的所述发射面单元10之间的阶梯间侧壁2与阳极靶发射面1的主光轴之间的夹角β大于90°，即阶梯间侧壁2向阳极靶的发射面1后方弯折，则电子束发射方向上看，相邻的所述发射面单元10之间的阶梯间侧壁2就遮蔽在发射面单元10之后，避免了电子束发射到侧壁上导致X射线空间相干性变差的问题。

本实施例中其余结构同实施例1，在此不再赘述。

实施例3，如图5、6所示，本实施例是在实施例1的基础上的另一个改进的实施方式。除了实施例1、2中多个发射面单元10在阳极靶发射面的主光轴的垂直方向上的投影形成一个连续的整体外，本实施例的所述发射面1在阳极靶发射面的主光轴的垂直方向上的投影是间隔平行排布的，但要求相邻所述发射面单元10的投影之间的间隙为10-70微米。投影间隔排布是所述发射面单元10之间设有间隔槽3而形成的。间隔槽3具体设置在发射面单元10的一侧边缘与阶梯间侧壁2之间，即间隔槽3的横向位置是位于发射面单元10和阶梯间侧壁2之间，间隔槽3侧壁可以与阶梯间侧壁2在同一平面内，也可以不在同一平面内。间隔槽3的作用是可以吸收多余的X射线。所述间隔槽3的侧壁与阳极靶的发射面1夹角为50°-120°。由于间隔槽3是阶梯间侧壁2下方，优选间隔槽3侧壁和阶梯间侧壁2在同一平面内，即间隔槽3侧壁是阶梯间侧壁2向下延伸形成的，则间隔槽3的侧壁与阳极靶的发射面1夹角与阶梯间侧壁2与阳极靶发射面1之间的夹角α相同。本实施例中，间隔槽3侧壁、梯间侧壁与阳极靶发射面1的主光轴之间的夹角β为等于90°，即间隔槽3的槽壁垂直于X射线的主光轴，间隔槽3的整个槽体在深度方向上是垂直于X射线的主光轴的。间隔槽3的横截面为U形、V形或其他的一侧开口的任意形状。所述间隔槽3的深度为30-300微米、宽度为10-70微米，这样的间隔槽3具有将多余的X射线吸收的优点。所述间隔槽3的槽底优选为平面或弧面。平面中包括与间隔槽槽壁垂直的平面、与间隔槽槽壁不垂直的斜面。

本实施例中其余结构同实施例1，在此不再赘述。

实施例4，如图7、8所示，本实施例是在实施例3的基础上的一个改进的实施方式。主要结构的不同是间隔槽3的方向，本实施例中间隔槽3侧壁、梯间侧壁与阳极靶发射面1的主光轴之间的夹角β为大于90°，即间隔槽3的槽壁不垂直于X射线的主光轴，间隔槽3的槽体向发射面单元10后方弯折，在电子束照射时，由于侧壁2被完全遮挡，大部分电子束轰击到靶面10而产生X射线，小部分轰击到侧壁的电子产生的X射线则可以被间隔槽3所吸收。

Claims (10)

1.一种用于大视场X射线相衬成像的X射线源，包括用于发射电子束的电子源和响应于电子束入射而发射X射线的阳极靶，其特征在于，所述阳极靶为一体结构的柱体，所述阳极靶顶端设有发射面，所述发射面由多个呈阶梯状排布且相互平行的倾斜发射面单元组成；相邻的所述发射面单元之间的阶梯间侧壁与阳极靶发射面之间的夹角α为50°-120°，且该阶梯间侧壁与阳极靶发射面的主光轴之间的夹角β为大于等于90°。

2.根据权利要求1所述的用于大视场X射线相衬成像的X射线源，其特征在于，多个所述发射面单元在阳极靶发射面的主光轴的垂直方向上的投影形成一个连续的整体。 

3.根据权利要求1所述的用于大视场X射线相衬成像的X射线源，其特征在于，多个所述发射面单元在阳极靶发射面的主光轴的垂直方向上的投影是间隔平行排布的，相邻所述发射面单元的投影之间的间隙为10-70微米。 

4.根据权利要求1所述的用于大视场X射线相衬成像的X射线源，其特征在于，所述发射面单元之间设有间隔槽。 

5.根据权利要求4所述的用于大视场X射线相衬成像的X射线源，其特征在于，所述间隔槽的侧壁与阳极靶的发射面之间的夹角为50°-120°。 

6.根据权利要求4所述的用于大视场X射线相衬成像的X射线源，其特征在于，所述间隔槽的深度为30-300微米、宽度为10-70微米。

7.根据权利要求4所述的用于大视场X射线相衬成像的X射线源，其特征在于，所述间隔槽的槽底为平面或弧面。

8.根据权利要求1所述的用于大视场X射线相衬成像的X射线源，其特征在于，所述发射面与X射线出射窗中心和阳极靶发射面中心连线之间的夹角θ为5°-30°。

9.根据权利要求1所述的用于大视场X射线相衬成像的X射线源，其特征在于，所述发射面单元的横向宽度为50-200微米，发射面单元的长度为0.5-2毫米，相邻发射面单元之间的高度差为15-70微米。

10.根据权利要求9所述的用于大视场X射线相衬成像的X射线源，其特征在于，所述射面单元的横向宽度为50-150微米，发射面单元的长度为0.6-1.5毫米，相邻发射面单元之间的高度差为15-50微米。

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