CN106409639B - 薄膜光阴极分布式x射线发生装置及具有该装置的ct设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及X射线技术领域，公开了一种薄膜光阴极分布式X射线发生装置，其包括：驱动光源阵列，该驱动光源阵列包括多个呈阵列排布的驱动光源；薄膜光阴极；阳极靶；真空容器；控制系统；其中，所述驱动光源阵列的多个所述驱动光源按照预定顺序发射光线，以按照预定顺序变换所述阳极靶上的焦点位置，从而在所述阳极靶上不同的位置发射X射线。本发明提供的X射线发生装置无需机械移动就能产生多个视角的X射线从而提高检查效率，且可靠性和稳定性高。本发明还公开了一种包含上述薄膜光阴极分布式X射线装置的CT设备。
Description
技术领域
本发明涉及X射线技术领域，特别涉及一种薄膜光阴极分布式X射线发生装置，以及包含该薄膜光阴极分布式X射线发生装置的CT设备。
背景技术
X射线在工业无损检测、安全检查、医学诊断和治疗等领域具有广泛的应用。特别是，利用X射线的高穿透能力制成的X射线透视成像设备在人们日常生活的方方面面发挥着重要作用。这类设备早期的是胶片式的平面透视成像设备，目前的先进技术是数字化、多视角并且高分辨率的立体成像设备，例如CT(computed tomography)，可以获得高清晰度的三维立体图形或切片图像，是先进的高端应用。
在现有的CT设备中，X射线发生装置需要在滑环上运动，为了提高检查速度，通常X射线发生装置的运动速度非常高，导致设备整体的可靠性和稳定性降低，此外，受运动速度的限制，CT的检查速度也受到了限制，因此检查效率较低。另外，此类设备的X射线源在滑环上运动，导致等效的X射线源焦点变大，从而使得的成像的图片存在运动伪影，清晰度差，对一些较小的违禁品存在漏检的可能性。并且此类设备只能检查静止(或者缓慢运动)的物体，对于运动的物体，几乎无法成三维立体图。
采用碳纳米管作为冷阴极，并且对冷阴极进行阵列排布，利用阴极栅极间的电压控制场发射，从而控制每一个阴极按顺序发射电子，在阳极上按相应顺序位置轰击靶点，成为分布式X射线源。但是，存在生产工艺复杂、碳纳米管的发射能力与寿命不高的不足之处。
采用热阴极作为电子发射单元，并且对热阴极进行阵列排布，利用热阴极栅极间的电压控制电子的发射，从而控制每一个阴极按顺序发射电子，在阳极上按相应顺序位置轰击靶点，成为分布式X射线源。但是，存在生产工艺复杂、阴极热管理复杂的不足之处。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的一个目的是提供一种薄膜光阴极分布式X射线发生装置，该X射线发生装置无需机械移动就能产生多个视角的X射线源从而提高检查效率和图像清晰度，且可靠性和稳定性高。
本发明的另一个目的是提供一种包含上述薄膜光阴极分布式X射线发生装置的CT设备。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种薄膜光阴极分布式X射线发生装置，其包括：
驱动光源阵列，该驱动光源阵列包括多个呈MXN阵列排布的驱动光源，相邻两行的所述驱动光源相互错开,所述驱动光源用于发射光线；其中，M>1，N>1；
薄膜光阴极，该薄膜光阴极受到所述驱动光源发射的光线激发后发射电子；
阳极靶，该阳极靶受到薄膜光阴极发射的电子束的轰击后产生X射线；
真空容器，该真空容器用于封装薄膜光阴极和阳极靶，在真空容器上设置有用于透过光线的光线入射窗和用于透过X射线的X射线出射窗；
控制系统，该控制系统与驱动光源阵列连接；
其中，所述驱动光源阵列的多个所述驱动光源按照预定顺序发射光线，以按照预定顺序变换所述阳极靶上焦点的位置，使得在所述阳极靶上不同位置发射X射线。
其中，多个所述驱动光源采用矩形阵列排布。
其中，多个所述驱动光源采用弧形阵列排布。
其中，所述薄膜光阴极设置在透光玻璃上，所述驱动光源发射的光线透过透光玻璃照射到所述薄膜光阴极上。
其中，所述驱动光源采用激光二极管或光纤激光器或发光二极管。
其中，还包括位于真空容器内的补偿电极，用于给薄膜光阴极提供合适的场强。
其中，还包括位于真空容器内的聚焦电极，用于对所述薄膜光阴极产生的电子束进行聚焦。
其中，所述薄膜光阴极与阳极靶之间有高压，所述的高压接法为薄膜光阴极接地，阳极靶接正高压。
其中，所述薄膜光阴极与阳极靶之间有高压，所述的高压接法为阳极靶接地，薄膜光阴极接负高压。
本发明还提供了一种CT设备，其包括上述的薄膜光阴极分布式X射线发生装置。
(三)有益效果
本发明提供的薄膜光阴极分布式X射线发生装置，通过控制驱动光源阵列中的多个驱动光源按照预定顺序发射光线，使得光线打在薄膜光阴极上不同的位置，以间接改变阳极靶上焦点的位置，从而实现在阳极靶上不同的位置发射X射线，实现分布式X射线源。该分布式X射线发生装置无需机械移动就能产生多个视角的X射线，从而提高检查效率和图像清晰度，该装置结构简单、系统稳定、可靠性高。此外，该装置能够对小的违禁物品清晰地分辩出来；而且能够对运动的物体进行快速三维立体成像。
附图说明
图1为根据本发明的薄膜光阴极分布式X射线发生装置的原理图；
图2为图1中的薄膜光阴极分布式X射线发生装置的一个优选实施例的结构示意图；
图3为根据本发明按照直线排布的薄膜光阴极分布式X射线发生装置的结构示意图；
图4根据本发明按照矩形阵列排布的驱动光源的示意图；以及
图5为根据本发明按照弧形排布的薄膜光阴极分布式X射线发生装置的结构示意图。
图中，100：驱动光源组；110：透光玻璃；120：薄膜光阴极；130：阳极靶；140：真空室；150：光线；160：电子束；170：X射线；180：补偿电极；190：聚焦电极；200：补偿聚焦电源；210：高压电源；220：高压连接装置。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电气连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
图1和图2示出了根据本发明的薄膜光阴极分布式X射线发生装置的一个优选实施例，如图1所示，该X射线发生装置包括驱动光源阵列100、光阴极120、阳极靶130、真空容器140及控制系统(未示出)。驱动光源组100包括呈阵列排列的多个驱动光源100a、100b…100N，驱动光源用于发射光线150，薄膜光阴极120受到驱动光源发射的光线150的激发后从而发射电子；阳极靶130受到薄膜光阴极120发射的电子束160的轰击而产生X射线170；该真空容器140用于封装薄膜光阴极120和阳极靶130，在真空容器140上设置有用于透过光线的光线入射窗和用于透过X射线170的X射线出射窗；控制系统与驱动光源阵列100连接，用于控制驱动光源阵列100中的每个驱动光源的工作状态；其中，驱动光源阵列100中的每个驱动光源按照预定顺序发射的光线150，透过光入射窗而照射到光阴极120上不同的位置，以按照预定顺序变换阳极靶130上的焦点位置，从而产生多个视角的X射线。
本发明所提供的薄膜光阴极分布式X射线发生装置通过驱动光源阵列100中呈阵列排布的驱动光源按照预定顺序开启，使得光线150打在薄膜光阴极120上不同的位置，从而在薄膜光阴极120不同的位置发射电子，以间接改变阳极靶130上焦点的位置，从而在阳极靶130上不同的位置发射X射线170，实现分布式X射线源。
需要说明的是，虽然在该实施例中，示出了多个驱动光源采用1XN矩形阵列排列，但是本领域技术人员应当理解，多个驱动光源也可采用MXN矩形阵列排布，且优选矩形阵列的相邻两行中的驱动光源相互错开，如图4所示。此外，在本发明的其它一些实施例中，多个驱动光源也可采用弧形阵列排布，如图5所示。当存在多行时，优选弧形阵列排布的每一行中的驱动光源相互错开。
具体地，薄膜光阴极120通过特殊工艺镀在透光玻璃110上，该透光玻璃安装在真空容器140内，驱动光源发射的光线透过透光玻璃140照射到薄膜光阴极120上。薄膜光阴极120可采用Cs2Te、Cs3Sb、K2CsSb、GaAs等，但不限于，薄膜光阴极120的厚度通常约几百纳米。
驱动光源可以是大功率激光二极管、光纤激光器、高亮度发光二极管等，但不限于。
该薄膜光阴极分布式X射线发生装置还包括位于真空容器140内的补偿电极180，补偿电极180用于给薄膜光阴极120表面提供一个合适的场强，保证从薄膜光阴极120发射出来的电子能尽快地被加速，漂移离开薄膜光阴极120的表面，从而减小空间电荷力对电子发射的影响。
进一步地，该薄膜光阴极分布式X射线发生装置还包括位于真空容器140内的聚焦电极190，该聚焦电极190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130上获得适度尺寸和形状的焦点。薄膜光阴极120发射的电子束在聚焦电极190的作用下被调制成特定形状的电子束，该电子束与阳极靶130相互作用产生特定焦点大小的X射线。
在该实施例中，薄膜光阴极120与阳极靶130之间接有高压，所述高压的接法为薄膜光阴极120接地，补偿电极180与聚焦电极190处于正低压(约20kV)，阳极靶130处于正高压。具体地，聚焦电极190、补偿电极180通过高压连接装置220与补偿聚焦电源200连接，阳极靶130通过另一高压连接装置220与高压电源210连接。
在本发明的另一实施例中，阳极靶130接地，薄膜光阴极120、补偿电极180、聚焦电极190均处于负高压(如图2所示)。具体地，光阴极120、补偿电极180、聚焦电极190通过高压连接装置220与高压电源210连接。
理论计算如下。
对于现有的CT设备以及探测技术，在10mA电子束流打靶产生X射线的条件下，通常要求成像的时间τ不低于50μs，此时需要电子束流的总电荷量为：
Q＝I·τ＝5.0×10-7C (1)
如果采Cs3Sb(不限于)作为薄膜光阴极材料，假设其量子效率QE＝4.0×10-2，透光玻璃的透射效率η≈1，则需要的激光光子数为：
如果采用波长λ＝405nm的紫光来驱动该薄膜光阴极，则单个紫光光子的能量为：
那么一个脉冲需要的驱动光源能量为：
W＝N0·ε＝3.83×10-5J (4)
如果一次成像脉冲的脉宽t＝200μs，那么单个驱动光源的功率为：
假设光源数量为N＝100，那么完成一次全光源扫描的时间(即CT的一个切片成像时间)为：
ts＝t·N＝20ms (6)
此时驱动光源的总功率为：
P＝PL·N＝19.1W (7)
实际上有些半导体薄膜光阴极的量子效率是高于4*10-2的，那么完成一次全光源扫描的时间会更短，同时还可以降低激光的功率。因此采用光阴极制作分布式X射线光源的方案是可行的。
另外，由于半导体薄膜光阴极的量子效率QE通常在10-2量级，驱动光源入射到薄膜光阴极上的反射率较低，可以近似的认为几乎驱动光源所有的功率均沉积在薄膜阴极上并产生热量，那么阴极的总发热功率即为驱动光源的功率P≈19.1W。而如果采用热阴极制作100个分布式光源，假设每个阴极的加热功率约为8W，那么总的加热功率高达800W，因此使用薄膜光阴极制作分布式X射线光源在阴极热管理方面将会简单很多。
本发明还公开了一种CT设备，其包括如上所述的薄膜光阴极分布式X射线发生装置。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种薄膜光阴极分布式X射线发生装置，其特征在于，包括：
驱动光源阵列，该驱动光源阵列包括多个呈MXN阵列排布的驱动光源，相邻两行的所述驱动光源相互错开，所述驱动光源用于发射光线；其中，M>1，N>1；
薄膜光阴极，该薄膜光阴极受到所述驱动光源发射的光线激发后发射电子；
阳极靶，该阳极靶受到薄膜光阴极发射的电子束的轰击后产生X射线；
真空容器，该真空容器用于封装薄膜光阴极和阳极靶，在真空容器上设置有用于透过光线的光线入射窗和用于透过X射线的X射线出射窗；
控制系统，该控制系统与驱动光源阵列连接；
其中，所述驱动光源阵列的多个所述驱动光源按照预定顺序发射光线，以按照预定顺序变换所述阳极靶上焦点的位置，使得在所述阳极靶上不同位置发射X射线。
2.如权利要求1所述的薄膜光阴极分布式X射线发生装置，其特征在于，多个所述驱动光源采用矩形阵列排布。
3.如权利要求1所述的薄膜光阴极分布式X射线发生装置，其特征在于，多个所述驱动光源采用弧形阵列排布。
4.如权利要求1所述的薄膜光阴极分布式X射线发生装置，其特征在于，所述薄膜光阴极设置在透光玻璃上，所述驱动光源发射的光线透过透光玻璃照射到所述薄膜光阴极上。
5.如权利要求1所述的薄膜光阴极分布式X射线发生装置，其特征在于，所述驱动光源采用激光二极管或光纤激光器或发光二极管。
6.如权利要求1-5中任一项所述的薄膜光阴极分布式X射线发生装置，其特征在于，还包括位于真空容器内的补偿电极，用于给薄膜光阴极提供合适的场强。
7.如权利要求1-5中任一项所述的薄膜光阴极分布式X射线发生装置，其特征在于，还包括位于真空容器内的聚焦电极，用于对所述薄膜光阴极产生的电子束进行聚焦。
8.如权利要求1-5中任一项所述的薄膜光阴极分布式X射线发生装置，其特征在于，所述薄膜光阴极与阳极靶之间有高压，所述的高压接法为薄膜光阴极接地，阳极靶接正高压。
9.如权利要求1-5中任一项所述的薄膜光阴极分布式X射线发生装置，其特征在于，所述薄膜光阴极与阳极靶之间有高压，所述的高压接法为阳极靶接地，薄膜光阴极接负高压。
10.一种CT设备，其特征在于，包括如权利要求1-9中任一项所述的薄膜光阴极分布式X射线发生装置。
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