CN103219211A - X射线源及x射线产生方法 - Google Patents

Abstract

一种X射线源，包括:控制电路，用于控制普通光源的工作状态；普通光源，用于发射特定波长范围的光线；光学组件，用于对普通光源发射的光线进行聚焦；光阴极，用于光激发电子；电子束聚焦结构，用于对光阴极产生的电子束进行聚焦；阳极靶，受到加速电子的轰击而通过韧致辐射产生X射线；X射线出射窗及普通光入射窗，设于真空容器上；真空容器，用于封装光阴极、电子束聚焦结构及阳极靶。上述X射线源具有高时间分辨率、可编程、脉冲式发射、发射区域的大小和形状可改变、高压容易接入难度小、阳极靶容易散热和结构相对简单的优点。本发明还提供一种X射线产生方法。

Description

X射线源及X射线产生方法

【技术领域】

本发明涉及一种X射线源，特别是涉及一种用于医用/工业CT系统及显微CT的X射线源及X射线产生方法。

【背景技术】

X射线成像技术，即利用X射线能够穿透物质并根据穿透物质量的大小进行衰减的性质，通过探测X射线的衰减程度来实现对物体内部结构的无损成像，其包括X射线摄影技术（Radiography）与X射线计算机断层成像技术（ComputedTomography，CT）。其中，CT技术是通过对物体进行不同视角的射线投影测量而获取物体横截面信息的成像技术。CT系统包含X射线源、X射线探测器、机架等主要部件，其中X射线源作X射线的产生装置，是CT系统的关键核心部件之一。

医用/工业CT及显微CT等成像系统所需要的X射线能量范围通常从几十千电子伏特到几百千电子伏特，其装备的X射线源通常采用高速电子束轰击阳极靶产生X射线的原理。即在真空容器中，由电子源发射的一定流强的电子束流，并在高压电场的作用下得到加速，轰击阳极靶。阳极靶通常由原子序数高的金属构成，电子轰击阳极靶后减速，通过韧致辐射过程产生X射线。

不断发展的CT系统对核心部件X射线源提出了更高的要求。CT系统尤其是用于动态成像（如心肺成像）的CT系统，为了减少产生由于被扫描物体或病人由于运动产生的伪影，对X射线源的时间分辨有很高的要求。CT系统出于缩短扫描时间和提高辐射剂量利用率的考虑，也期望X射线源有更高的时间分辨。

传统的X射线源的设计方案主要有两种：

（1）传统的X射线源，采用热阴极作为电子发射源，通过热电子发射发射电子，电子受到加速轰击阳极靶产生X射线。其阴极通常是由钨制成的灯丝，在通电流时产生热量，电子受热获得能量逸出。电子在电场的加速下，轰击阳极靶，通过韧致辐射过程产生X射线。

（2）近年来了发展的一种新型的场发射X射线源，采用冷阴极作为电子发射源，即阴极（例如碳纳米管薄膜）在高压电场的作用下，通过场致发射机制产生电子，电子受到加速轰击阳极靶产生X射线（如专利CN200710025641.2，场致发射阴极X射线管）。该种X射线源通常采用二极式和三极式结构。二极式场发射X射线管采用阴极加阳极的结构，阴极在阳极电压提供的高压电场的作用下发射电子，并得到加速轰击阳极靶从而产生X射线。三极式场发射X射线管在阴极和阳极之间加入独立的电极，称为栅极，用于施加场发射所需要的电场。通过打开或关闭栅极电场，可瞬间激活或中断电子束的发射，可实现X射线的可编程、脉冲式发射。该类射线源通常采用一定的聚焦电极用于约束电子束，从而获得更小的焦斑。由于栅极的存在，此类X射线管的常限于采用阳极接正高压，阴极接地的高压接入设计。

采用热电子发射原理的传统X射线源，由于热阴极无法骤然升温或冷却，电子束流不能随时通断，因而时间分辨率有限，无法进行可编程、脉冲式的X射线发射。由于无法进行X射线的精确曝光，也就无法得到辐射剂量的百分百利用率。

场发射X射线源通过关闭栅极电场或使阴极电极悬空的方法，瞬间中断电子束的发射，实现X射线的可编程、脉冲式发射。然而，这样的X射线控制方式，大大限制了X射线源的高压接入方式，即局限于采用阳极接正高压，阴极接地的设计，这样使得高压接入更加复杂。同时，由于阳极靶接入高压，大大增加了阳极靶散热的难度。

场发射X射线源的阴极发射区域的大小和形状是固定不变的，不可以随要求进行改变，因而依赖于聚焦电极等的配置变化来改变焦斑的特性。同时，该种X射线源常需要由栅极来控制X射线的发射。因此，以上两点都增加了场发射X射线源的复杂性。

【发明内容】

鉴于上述状况，有必要提供一种将光阴极作为电子发射源的X射线源。该X射线源能够克服传统X射线源时间分辨率有限，无法进行可编程、脉冲式X射线发射的缺点；同时，也克服了场发射X射线源阴极发射区域的大小和形状无法随时控制，高压接入难度大，阳极靶不易散热和结构相对复杂的缺点。

一种X射线源，包括控制电路、普通光源、光学组件、普通光入射窗、光阴极、电子束聚焦结构、阳极靶、X射线出射窗及真空容器；

所述控制电路，用于控制所述普通光源的工作状态；

所述普通光源，用于发射特定波长范围的光线；

所述光学组件，用于对所述普通光源发射的光线进行聚焦；

所述普通光入射窗，设于所述真空容器上，所述普通光入射窗用于透过所述特定波长范围的光线；

所述光阴极，用于光激发电子；

所述电子束聚焦结构，用于对所述光阴极产生的电子束进行聚焦；

所述阳极靶，受到加速电子的轰击而通过韧致辐射产生X射线；

所述X射线出射窗，设于所述真空容器上，所述X射线出射窗用于透过X射线；及

所述真空容器，用于封装所述光阴极、电子束聚焦结构及阳极靶；

其中，所述普通光源发射的光线，经过所述光学组件聚焦后，透过所述普通光入射窗而照射到所述光阴极上，所述光阴极受到光激发而产生电子；所述电子束在所述电子束聚焦结构的约束下，并在高压电场的加速作用下轰击所述阳极靶，使所述阳极靶产生X射线。

相较于传统的X射线源，上述X射线源至少具有以下优点：

（1）上述X射线源相比传统X射线源具有更高应用范围与价值。上述X射线源利用光电效应机制产生X射线，采用光阴极尤其是大电流密度光阴极作为电子发射源，其电子束流能够瞬时通断，X射线发射具有极高的时间分辨率，能够实现可编程、脉冲式发射。由于其能够实现X射线曝光的精确控制，也就能够最大程度的利用辐射剂量。

（2）上述X射线源相比场发射X射线源，具有设计结构相对简单的特点，能够降低成本。通过改变真空容器外的光学组件，就可以改变光阴极的照射区域的大小与形状，从而间接改变阳极靶上焦斑的大小与形状。由于无需如场发射X射线源一样引入聚焦电极和栅极，大大减少了X射线源的复杂性与成本。场发射X射线源为了实现X射线发射的控制，常采用阳极接正高压、阴极接地的设计，这样使得高压接入更加复杂。同时，由于阳极靶处于高电压，也大大复杂了阳极靶散热的难度。相比而言，本发明没有这样的结构限制，从而使得高压接入及阳极靶散热更加方便。

在其中一个实施例中，所述普通光源为激光发生器、激光二极管、光纤激光器或高亮度发光二极管。

在其中一个实施例中，所述普通光源波长的特定值或特定范围由所述光阴极的构成材料特性决定，使得选定某个特定波长或特定波长范围的光子能够使X射线管采用的光阴极材料的光电转换效率达到最大值或者适用值。

在其中一个实施例中，所述光阴极采用碱金属、负电子亲和势III-V族半导体化合物或金属。

在其中一个实施例中，所述真空容器的封装形式为玻璃封装、金属陶瓷封装或采用能够维持一定高真空度的金属真空腔体。

在其中一个实施例中，所述真空容器的真空度范围为小于等于10^-6毫米汞柱大于等于10^-11毫米汞柱。

在其中一个实施例中，所述普通光入射窗口由光学玻璃制成。

在其中一个实施例中，所述光学玻璃为石英玻璃、K9玻璃、钼玻璃或普通玻璃制成。

在其中一个实施例中，所述X射线出射窗口由低原子序数的材料构成。

在其中一个实施例中，所述低原子序数的材料为金属铍。

在其中一个实施例中，所述光阴极的表面与水平方向夹角范围为从大于等于5度小于等于85度，所述阳极靶的表面与水平方向夹角范围为大于等于5度小于等于15度。

在其中一个实施例中，所述光阴极与阳极靶之间接有高电压，所述高电压的高压接法为（1）阳极接正高压，阴极接负高压、（2）阳极接正高压，阴极接地、或（3）阳极接地，阴极接负高压。

在其中一个实施例中，所述电子束聚焦结构具有围拢式结构，其电位与所述光阴极相等或相近，以静电透镜的形式聚焦发散的光电子。

同时，本发明还提供一种X射线产生方法。

一种X射线产生方法，其采用上述X射线源，其特征在于，所述X射线产生方法包括如下步骤：

通过所述控制电路控制所述普通光源的开启与关闭，实现X射线的可编程、脉冲式发射；或/及

通过改变所述真空容器外的光学组件，改变所述光阴极的照射区域的大小与形状，从而改变所述阳极靶上焦斑的大小与形状；或/及

通过所述控制电路控制所述普通光源的光强大小，从而调整X射线的强度。

【附图说明】

图1为本发明实施方式的X射线源的结构示意图。

【具体实施方式】

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1，本发明实施方式的X射线源100包括控制电路110、普通光源120、光学组件130、真空容器140、普通光入射窗150、光阴极160、电子束聚焦结构170、阳极靶180和X射线出射窗190。

控制电路110用于控制普通光源120的工作状态。普通光源120用于发射特定波长范围的光线。光学组件13用于对普通光源120发射的光线进行聚焦。普通光入射窗150设于真空容器140上，普通光入射窗150用于透过特定波长范围的光线。光阴极160用于光激发电子。电子束聚焦结构170用于对光阴极160产生的电子束进行聚焦。阳极靶180受到加速电子的轰击而韧致辐射过程产生X射线。X射线出射窗190设于真空容器140上，X射线出射窗190用于透过X射线。真空容器140用于封装光阴极160、电子束聚焦结构170及阳极靶180。其中，普通光源120发射的光线，经过光学组件130聚焦后，透过普通光入射窗150而照射到光阴极160上，光阴极160受到光激发而产生电子；电子束在电子束聚焦结构170的约束下，并在高压电场的加速作用下轰击阳极靶180，使阳极靶180产生X射线。

该X射线源100的工作机制如下，可实现可编程、脉冲式X射线发射：由控制电路110控制的普通光源120发出特定波长或者一定波长范围的光束，该光束经由光学组件130进行反射、聚焦等后，通过真空容器140上的普通光入射窗150，进入真空容器140照射在光阴极160上。光阴极160采用具有大电流密度特性的光阴极160材料，光阴极160受到该光束照射后，通过光电效应机制发射出电子，电子束流在电子束聚焦结构170的约束下，同时在阳极靶180产生的高压电场的作用下，得到加速并轰击阳极靶180。电子轰击阳极靶180后减速，通过韧致辐射过程产生X射线，最后X射线由X射线出射窗190输出真空容器140外。普通光束根据普通光源120的控制原理，由一定结控制电路110进行控制。通过控制电路110的作用，可以调整普通光源120的光强大小，从而间接调整X射线的强度。通过对电路的控制，就可以控制普通光源120的瞬时的开启或关闭，使得光阴极160得到激活或关闭，从而间接控制由阳极靶180的产生的X射线的开启或关闭。

以下具体说明上述X射线源100的各个部件的结构：

普通光源120可以发射特定波长范围的光线，其可以为但不限于激光发生器、激光二极管、光纤激光器、高亮度发光二极管等。普通光源120发射的波长的特定值或特定范围由光阴极160的构成材料特性决定，即选定某个特定波长或特定波长范围的光子能够使X射线管采用的光阴极160材料的光电转换效率达到最大值或者适用值。光电转换效率达到极大的情形包括但不限于以下情况：光阴极160采用碱金属时，可采用He-Ne激光器或Ar离子激光器作为普通光源120；光阴极160采用负电子亲和势III-V族半导体化合物时，可用倍频铝-钇铝石榴石激光器作为普通光源120；光阴极160为金属时，可用KrF准分子激光器或者ArF准分子激光器作为普通光源120。对于以上列举的光阴极160的情形，也可用相应波长峰值的激光二极管或光纤激光器或高亮度发光二极管作为普通替代激光器作为普通光源120，从而达到需要的光阴极160电子发射密度。

光阴极160、电子束聚焦结构170、阳极靶180封装在一个高真空的真空容器140中。真空容器140可以采取玻璃封装、金属陶瓷封装等真空封装形式，也可以采用能够维持一定高真空度的金属真空腔体。真空容器140的真空度依光阴极160的特性而定，真空度范围可以为小于等于10-6毫米汞柱大于等于10-11毫米汞柱。

普通光入射窗150装设在真空容器140上，其由可透过特定波长普通光的材料构成，可以是但不限于石英玻璃。X射线出射窗190口装设于真空容器140上，其由高X射线穿透率的材料构成，可以是但不限于金属铍。

光阴极160及阳极靶180均可倾斜设置，例如，光阴极160表面与水平方向夹角范围为大于等于5度小于等于85度，阳极靶180表面与水平方向夹角范围为大于等于5度小于等于15度。

光阴极160可以由大发射密度的光阴极材料构成，并选用导电导热性能良好的材料作为衬底。光阴极160材料可选用但不限于由碱金属组成的化合物半导体材料，如有锑铯化合物（Cs3-Sb），双碱材料(K2-Cs-Sb)和多碱材料（Na-K-Cs-Sb）；负电子亲和势III-V族半导体化合物，如GaAs(Cs，O2)、GaAs(Cs，F)；金属材料，如Al，Cu，Zn，Na，Cu-Be，不锈钢304等。

电子束聚焦结构170由导电体材料构成，导电体材料包括但不限于不锈钢、无氧铜等材料。电子束聚焦结构170具有围拢式结构，其电位与光阴极相等或相近，以静电透镜的形式聚焦发散的光电子，从而约束电子束，以在阳极靶180上获得适度尺寸的焦斑。

阳极靶180由原子序数高的金属构成，包括但不限于钨、钼、铜等金属，并通过焊接、镶嵌等工艺与散热材料（包括不限于无氧铜、合金材料）紧密接触以提高阳极靶180的散热率。

光阴极160与阳极靶180之间接有高电压，电压范围根据应用需求不同从20千电子伏特至500千电子伏特。高电压可以采用以下三种高压接法的一种：I.阳极接正高压，阴极接负高压；II.阳极接正高压，阴极接地；III.阳极接地，阴极接负高压。

普通光源120发出的光线，经过光学组件130进行光束的反射、汇聚等过程，在光阴极160上形成一定大小、形状的光斑。光阴极160被照射的区域，在普通光的激发下，发生光电效应现象，即光子有一定的概率转换成光电子。光阴极160的照射区域产生的光电子，其电流强度范围可从几微安培至几百毫安培。光电子在电子束聚焦结构170的作用下聚焦，并在阳极电场产生的电场的作用下得出加速，轰击阳极靶180形成一定大小形状的焦斑，并通轫致辐射机制发射X射线。从焦斑区域发出的X射线束从真空容器140的X射线出射窗190射出。

通过调整光学组件130配置，就可以方便的改变光阴极160的照射区域的大小与形状，从而间接的改变阳极靶180上焦斑的区域大小与形状。这样就可以在不改变光源及真空容器140中的配置的情况下，调整X射线源100焦斑的参数。

普通光源120可以较为容易地通过控制电路110进行控制。通过控制电路110的作用，可以调整普通光源120的光强大小，从而调整X射线的强度。通过控制电路110可容易地控制普通光源120的瞬时的开启或关闭。普通光束的瞬时照射或消失，将瞬时激发或关闭光阴极160的电子束，从而间接控制由阳极靶180的产生的X射线的开启或关闭。从而实现X射线源100的可编程的、脉冲式的发射。

需要说明的是，在本实施方式中，光阴极160可以是反射式光阴极，也可以为透射式光阴极。阳极靶180可以是反射式阳极靶设计，也可以用透射式阳极靶设计加以替代。阳极靶180可以是固定阳极设计，也可以用旋转式阳极靶替代。电子束聚焦结构170可以是添加或替换为静电透镜（包括但不限于单个或多个聚焦电极），也可以是添加或替换为磁透镜（包括但不限于永磁体或者磁螺线管），也可以是添加或替换为由静电透镜和磁透镜组成的电磁透镜。

相较于传统的X射线源，上述X射线源100至少具有以下优点：

（1）上述X射线源100相比传统X射线源具有更高应用范围与价值。上述X射线源100利用光电效应机制产生X射线，采用光阴极160尤其是大电流密度光阴极160作为电子发射源，其电子束流能够瞬时通断，X射线发射具有极高的时间分辨率，能够实现可编程、脉冲式发射。由于其能够实现X射线曝光的精确控制，也就能够最大程度的利用辐射剂量。

（2）上述X射线源100相比场发射X射线源，具有设计结构相对简单的特点，能够降低成本。上述X射线源100通过改变真空容器140外的光学组件130，就可以改变光阴极160的照射区域的大小与形状，从而间接改变阳极靶180上焦斑的大小与形状。由于无需如场发射X射线源一样引入聚焦电极和栅极，大大减少了X射线源100的复杂性与成本。场发射X射线源为了实现X射线发射的控制，常采用阳极接正高压、阴极接地的设计，这样使得高压接入更加复杂。同时，由于阳极靶180处于高电压，也大大复杂了阳极靶180散热的难度。相比而言，本发明没有这样的结构限制，从而使得高压接入及阳极靶180散热更加方便。

同时，本发明还提供一种X射线产生方法。

一种X射线产生方法，其采用上述X射线源，X射线产生方法包括如下步骤：

通过控制电路110控制普通光源120的开启与关闭，实现X射线的可编程、脉冲式发射；或/及

通过改变真空容器140外的光学组件130，改变光阴极160的照射区域的大小与形状，从而改变阳极靶180上焦斑的大小与形状；或/及

通过控制电路110控制普通光源120的光强大小，从而调整X射线的强度。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (14)

1.一种X射线源，其特征在于，包括控制电路、普通光源、光学组件、普通光入射窗、光阴极、电子束聚焦结构、阳极靶、X射线出射窗及真空容器；

所述控制电路，用于控制所述普通光源的工作状态；

所述普通光源，用于发射特定波长范围的光线；

所述光学组件，用于对所述普通光源发射的光线进行聚焦；

所述普通光入射窗，设于所述真空容器上，所述普通光入射窗用于透过所述特定波长范围的光线；

所述光阴极，用于光激发电子；

所述电子束聚焦结构，用于对所述光阴极产生的电子束进行聚焦；

所述阳极靶，受到加速电子的轰击而通过韧致辐射产生X射线；

所述X射线出射窗，设于所述真空容器上，所述X射线出射窗用于透过X射线；及

所述真空容器，用于封装所述光阴极、电子束聚焦结构及阳极靶；

其中，所述普通光源发射的光线，经过所述光学组件聚焦后，透过所述普通光入射窗而照射到所述光阴极上，所述光阴极受到光激发而产生电子；所述电子束在所述电子束聚焦结构的约束下，并在高压电场的加速作用下轰击所述阳极靶，使所述阳极靶产生X射线。

2.如权利要求1所述的X射线源，其特征在于，所述普通光源为激光发生器、激光二极管、光纤激光器或高亮度发光二极管。

3.如权利要求1所述的X射线源，其特征在于，所述普通光源波长的特定值或特定范围由所述光阴极的构成材料特性决定，使得选定某个特定波长或特定波长范围的光子能够使X射线管采用的光阴极材料的光电转换效率达到最大值或者适用值。

4.如权利要求3所述的X射线源，其特征在于，所述光阴极采用碱金属、负电子亲和势III-V族半导体化合物或金属。

5.如权利要求1所述的X射线源，其特征在于，所述真空容器的封装形式为玻璃封装、金属陶瓷封装或采用能够维持一定高真空度的金属真空腔体。

6.如权利要求1所述的X射线源，其特征在于，所述真空容器的真空度范围为小于等于10^-6毫米汞柱大于等于10^-11毫米汞柱。

7.如权利要求1所述的X射线源，其特征在于，所述普通光入射窗口由光学玻璃制成。

8.如权利要求7所述的X射线源，其特征在于，所述光学玻璃为石英玻璃、K9玻璃、钼玻璃或普通玻璃。

9.如权利要求1所述的X射线源，其特征在于，所述X射线出射窗口由低原子序数的材料构成。

10.如权利要求9所述的X射线源，其特征在于，所述低原子序数的材料为金属铍。

11.如权利要求1所述的X射线源，其特征在于，所述光阴极的表面与水平方向夹角范围为从大于等于5度小于等于85度，所述阳极靶的表面与水平方向夹角范围为大于等于5度小于等于15度。

12.如权利要求1所述的X射线源，其特征在于，所述光阴极与阳极靶之间接有高电压，所述高电压的高压接法为（1）阳极接正高压，阴极接负高压、（2）阳极接正高压，阴极接地、或（3）阳极接地，阴极接负高压。

13.如权利要求1所述的X射线源，其特征在于，所述电子束聚焦结构具有围拢式结构，其电位与所述光阴极相等或相近，以静电透镜的形式聚焦发散的光电子。

14.一种X射线产生方法，其采用如权利要求1~13任一项所述的X射线源，其特征在于，所述X射线产生方法包括如下步骤：

通过所述控制电路控制所述普通光源的开启与关闭，实现X射线的可编程、脉冲式发射；或/及

通过改变所述真空容器外的光学组件，改变所述光阴极的照射区域的大小与形状，从而改变所述阳极靶上焦斑的大小与形状；或/及

通过所述控制电路控制所述普通光源的光强大小，从而调整X射线的强度。

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