CN107887243B - 一种用于电子束扫描ct的x射线源的阵列靶及制作方法 - Google Patents

Abstract

一种用于电子束扫描CT的X射线源的阵列靶，包括线性阵列靶位、包埋层和靶基；所述线性阵列靶位包括至少一个单独的靶位，所述单独的靶位为线条状，深入所述包埋层0.5至10μm，所述靶位的两端延伸到所述包埋层的边缘，靶位的宽度小于或等于电子束直径，最佳为电子束束流密度的半峰宽尺寸，可近似为电子束直径的1/2至2/3；靶位之间的间隙等于或大于电子束直径；所述包埋层用于配置所述靶位；所述靶基配置于所述包埋层和靶位的底部；所述靶基的厚度为20至300μm。

Description

一种用于电子束扫描CT的X射线源的阵列靶及制作方法

技术领域

本发明涉及一种用于电子束扫描CT的X射线源的阵列靶及制作方法。

背景技术

常规CT系统中采用单束X射线源的结构，即单个电子发射源和相对应的单个阳极靶，由电子发射源产生电子，电子束在电场下得到加速并轰击阳极靶产生单个X射线焦点，发射单束X射线。X射线源围绕扫描对象作机械式旋转，收集获得不同视角的重建投影图像。在此扫描方式下，有限的机械转动速度限制了CT系统的数据采集速率，并使系统设计变得复杂。

目前电子束扫描CT检测技术，电子发射源对应着一个平板阳极靶，从阴极发射的电子束在线圈的精密控制下聚焦并偏转沿靶环扫描。电子束在阳极靶上形成多个不同位置的焦斑，产生多个光束，从而获得不同视角的投影。

X射线源焦点尺寸由电子束的焦斑尺寸决定，当电子束发生偏转时，受到光学透镜的球差影响，造成X射线源在不同扫描点的射线源焦点尺寸存在差异，会导致每个点获得的图像分辨率不同，成像时会得到缺失的投影数据，形成难以消除的伪影。经偏转后的电子束焦斑难以达到统一的微米或者亚微米级，不能够实现精细控制焦斑尺寸。

之前有人提出了一种改进的用于微纳焦点x射线源的点状串列结构的射线靶，该射线靶可以用于产生多束阵列微焦点X射线源。靶基和设置在靶基上的点状串列靶点，包括若干个点状靶点，靶点按一定的距离间隔排列。X射线源焦斑的大小由点状靶结构的形状和大小来决定，与电子束大小不发生直接联系，这样有利于形成稳定的微纳尺寸的多焦点阵列，降低对电子束聚焦尺寸、扫描偏转精度控制等的要求。

这种结构的难点在于点状串列结构靶的实现，由于微米级尺度的靶点每个是独立不连续的，同时要具有一致性和阵列分布，这就需要借助微纳加工工艺，通过复杂的掩板、印刷、镀膜、微蚀刻的流程得以获得一个个单独的靶点。

如专利号为201410667869.1名称为用于线阵列微纳焦点X射线源的点状串列靶，上述点状串列结构靶点的没有考虑到散热这一个关键问题。聚焦电子束的能量密度高，其中99％以上均转化为热量，在电子束轰击阳极靶的作用区域内，温度梯度可高达10⁵℃/mm，局域温升极高，而点状串列结构靶每个独立且四周无接触，热量无法及时传递，很容易造成靶点的烧毁。

另外，上述点状串列结构靶点的导电性会对X射线出光影响较为严重。点状串列结构靶的四周无接触，只有底面与靶基接触，若靶基选用金刚石等导电性差的材料，会引起充放电效应，当入射电子束轰击导电性阳极靶，会使阳极靶表面容易造成电荷积累，导致靶电流下降。因此，上述阳极靶的导电性是必须要关注的问题，本发明优选基底选用铍或铝等金属材料，可消除电荷积累的影响。进一步优选基底为金刚石等X射线透过率较高的材料，则包埋层需选用铍、铝金属材料或石墨等导电性较好的材料。

发明内容

为克服现有技术问题，本发明提供一种用于电子束扫描CT的X射线源的阵列靶。

一种用于电子束扫描CT的X射线源的阵列靶，包括线性阵列靶位、包埋层和靶基；

所述线性阵列靶位包括至少一个单独的靶位，所述单独的靶位为线条状，深入所述包埋层0.5至10μm，所述靶位的两端延伸到所述包埋层的边缘，靶位的宽度为电子束直径的1/2至2/3；

所述包埋层用于配置所述靶位；

所述靶基配置于所述包埋层和靶位的底部；所述靶基的厚度为20至300μm。

优选的是，所述靶位的材料为钽、钼、钨或金中的一种。

优选的是，所述靶基的材料为铍或铝。

优选的是，所述靶基的材料为金刚石，所述包埋层的材料为铍、铝或石墨中的一种。

优选的是，所述靶位的宽度为电子束束流密度的半峰宽尺寸。

优选的是，所述靶位间的距离根据CT成像所需的投影角度进行配置。

本发明同时提供一种用于电子束扫描CT的X射线源的阵列靶的制作方法：

在成型的靶基材料上通过采用化学气相沉积、冲压、流延成型、烧结或镀膜的方式制作包埋层；

在所述包埋层上通过光刻、掩板、印刷、激光刻蚀或离子束刻蚀的方法形成深度为0.5至10μm，宽度为电子束直径的1/2至2/3的线状阵列槽；

通过镀膜或聚焦离子束沉积的方法在所述线状阵列槽上配置靶位。

优选的是，所述靶位的材料为钽、钼、钨或金中的一种。

优选的是，所述靶基的材料为铍或铝。

优选的是，所述靶基的材料为金刚石，所述包埋层的材料为铍、铝或石墨中的一种。

本发明的有益效果：

本发明提供的用于电子束扫描CT的X射线源的阵列靶，当场发射电子源发射出电子束，经过聚焦透镜，在偏转板作用下，沿线状阵列的垂直方向进行扫描，在靶面上所形成的电子束斑直径大于金属阵列靶线宽，当电子束扫描经过低原子序数材料如铍、铝的的包埋区域时，X射线产生效率低；而当电子束扫描经过高原子序数如钨、钼、金、钽的的金属线状阵列靶时，则可产生X射线。由于采用的是偏转板静电偏转方式，偏转量严格正比于偏转电压，因此电子束偏转角度可通过在偏转板上施加不同电压精确控制。而在由静电偏转像差导致的电子束焦斑展宽主要出现在沿偏转电压施加的方向，因此线状阵列可以消除电子束焦斑不均匀的影响。靶基材料产生的X射线强度相对较低，因此X射线源的有效焦点即为以从线状靶产生的X射线束强度峰的宽度。同时本发明采用的线状阵列靶，可增加阳极靶的热传导性能，避免电子束将靶面烧熔的情况，金属靶位与靶基和包埋层可组成良好的导电结构，避免电子束轰击阳极靶所造成的充放电效应，消除电荷积累对靶电流和电子束斑的影响；

本发明产生的X射线焦点尺寸小，精度高，射线有效焦点位置、数量、大小可以精确控制，因为单个靶位宽度就限定了X射线焦点尺寸，位置限定了射线焦点的位置；单个阳极靶具有良好的热传导性能，通过线状阵列靶的连续性，以及靶基和包埋层散热结构的形成，增加阳极靶的热传导性能，避免电子束将靶面烧熔的情况；单个阳极靶可避免电子束充电效应，线状阵列靶与靶基和包埋层组成良好的导电结构，避免电子束轰击阳极靶所造成的充放电效应，消除电荷积累对靶电流和电子束斑的影响

附图说明

图1为本发明的用于电子束扫描CT的X射线源的阵列靶的剖面图；

图2为本发明的用于电子束扫描CT的X射线源的阵列靶的俯视图；

图3为本发明的用于电子束扫描CT的X射线源的阵列靶的工作状态示意图；

图4为本发明的用于电子束扫描CT的X射线源的阵列靶的各种材料产生的X射线强度曲线；

图5为本发明的用于电子束扫描CT的X射线源的阵列靶的靶位、包埋层和靶基产生的X射线强度曲线；

图6为本发明的用于电子束扫描CT的X射线源的阵列靶的电子打入靶位时的示意图；

图7为本发明的用于电子束扫描CT的X射线源的阵列靶的电子打入靶位时的装置示意图。

具体实施方式

如图1、图2和图3所示，一种用于电子束扫描CT的X射线源的阵列靶，包括线性阵列靶位、包埋层2和靶基3；

所述线性阵列靶位包括至少一个单独的靶位1，所述单独的靶位1为线条状，深入所述包埋层0.5至10μm，所述靶位1的两端延伸到所述包埋层2的边缘，其作用是：金属靶与包埋层边缘的金属封接部位连接在一起，形成导电通道，有利于电荷转移，避免电子束造成的电荷积累(充电效应)，靶位的宽度为电子束直径的1/2至2/3；若干靶位1组成线性阵列靶位；

所述包埋层2用于配置所述靶位1；

所述靶基3配置于所述包埋层2和靶位1的底部；所述靶基3的厚度为20至300μm。

本发明将靶基3设置在的线状阵列靶位和包埋层2上，所述线状阵列靶为沿靶基3的表面排，并平行于靶基3。相邻的靶位1间的距离等于或大于电子束直径，有序间隔排列，线状阵列靶位之间填充包埋层。线状阵列靶的作用是把入射的电子转化为X射线光子，形成微纳尺寸的X射线有效焦点。所述靶位转化为X射线的能力远大于包埋层2和靶基3，包埋层2的作用是增强热传导性能，。靶基3的作用是固定靶位1，并与X射线管外壳通过焊接等手段连接在一起，使它们有足够的强度让隔离X射线管内部抽成真空。两线状靶位1间的距离W可根据CT成像所需的投影角度进行设计。所述靶基的厚度H为20～300μm，也可以根据射线源真空要求、靶尺寸等要求设计。

线状阵列靶位的连续性，以及包埋散热结构的形成，可增加阳极靶的热传导性能，电子束轰击区域热量最高，有了线状阵列靶位的连续性，以及包埋散热结构，热量可从电子束轰击区域扩散，有效避免靶面电子束烧熔情况。

线状阵列靶位要保证良好的导电性，以消除电荷积累。靶基3可选用铍或铝等金属材料，靶基3也可以为金刚石等X射线透过率较高的材料。当靶基3选用金刚石等导电性较差的材料时，则包埋层2需选用铍、铝金属材料或石墨等导电性较好的材料。

所述靶位1的高h为0.5～10μm(深入包埋层的深度)，宽度D根据射源所需焦点的尺寸进行设计，可达到亚微米级。宽度D可以为电子束束流密度的半峰宽尺寸，或者可近似为电子束直径的1/2～2/3。靶位1长度L可为几微米到数个毫米长度，具体根据使用的需要而定，但靶位1延伸到整个包埋层2及靶基3的边缘。靶位1的数量根据射线源有效焦点数量需要设计，可为1个，2个，也可是数百个及以上。

如图3所示，X射线源中的电子束4在高压电场的作用下获得很大动能，高速飞向靶面的靶位1和包埋层2，由于靶面材料的阻碍作用，使电子速度骤然减速，损失的能量大部分转化为热量，而一小部分的能量则以X光子形式辐射出来，也就是电子的韧致辐射效应。电子入射到靶面上，各部位的X光子转化效率与材料的原子序数成正比。因此，线状靶位1选用高原子序数的金属材料，如钽、钼、钨、金等时，靶位1产生的X射线束5强度较高。包埋层2和靶基3选用低原子序数的材料，如铍、铝，以及金刚石等碳材料，因此包埋层2和靶基3产生的X射线束6强度很低。如此X射线源的有效焦点即为以从线状靶位1产生的X射线束强度峰的宽度，由于靶位1的宽度已知，因此焦点可控。同时采用线状靶位1，利于电子束4的在移动时变换扫描角度。

如图5所示，通过蒙特卡罗仿真软件MCNP计算靶位1韧致辐射产生区域，靶基3与包埋区2的X射线产生强度，确保X射线能量范围在高于10kV时，两个区域能够获得明显的强度差异。线状靶位产生的X射线强度8高，包埋层2和靶基3材料产生的X射线强度9相对较低，因此，X射线源的有效焦点即为以靶位产生的X射线束强度峰的宽度7。

如图6和图7所示，通过电子束扫描方式，将偏转聚焦的电子束打入线状靶位，所述电子束4经过静电偏转板10完成一定侧方向上的偏转，所述磁聚焦透镜11用于完成电子聚焦，最终控制电子束12打到线状靶位1上，从而产生X射线束。电子束可以通过调节偏转板电压值，形成新的电子束偏转聚焦轨迹电子束13或电子束14，经过同样的过程轰击到该固定电压所对应的另一条金属线状靶位的位置。其中其相对位置是固定的，电子束移动方向和单个靶位的连续方向不能平行，即电子束不能沿着靶位的条状方向移动，电子束的移动方向为垂直于靶位的条状方向。

通过控制电子束偏转扫描，产生线阵列X射线源，对检测物体15进行成像。电子束经过一定的偏转聚焦轨迹，对应的可采集到一组一定角度的投影数据信息，待测物体15在X射线成像板16上获得一次成像。成像完成后，电子源可停止发射电子，调节偏转板电压到下一个固定的电压值，电子源再次发射电子，经过同样的过程轰击到该固定电压所对应的另一条金属线状靶的位置，待测物体15在X射线成像板16上再次获得另一次成像。如此下去，直至所有位置处的焦点成像完毕，即实现多束X射线源的脉冲扫描。探测器16采集到多次的电子直线扫描获得多个角度的足够的投影数据，通过计算机进行CT图像重建并显示结果，由此完成线阵列X射线源的电子束扫描CT的过程。

本发明同时提供一种用于电子束扫描CT的X射线源的阵列靶的制作方法：

在成型的靶基材料上通过采用化学气相沉积、冲压、流延成型、烧结或镀膜的方式制作包埋层；

在所述包埋层上通过光刻、掩板、印刷、激光刻蚀或离子束刻蚀的方法形成深度为0.5至10μm，宽度为电子束直径的1/2至2/3的线状阵列槽；

通过镀膜或聚焦离子束沉积的方法在所述线状阵列槽上配置靶位。以上方法可根据实际情况进行组合。

所述靶位的材料为钽、钼、钨或金中的一种。

所述靶基的材料为铍或铝。

所述靶基的材料为金刚石，所述包埋层的材料为铍、铝或石墨中的一种。

本发明提供的靶位采用线状阵列靶结构，由于靶位密度高、原子序数高，其材料的转化为X射线的能力远大于低密度低原子序数的包埋材料和靶基材料，因而射线源的有效焦点尺寸主要由线状靶位的宽度D大小决定，与电子束截面积没有直接联系，有利于形成稳定的、微纳尺寸的多焦点阵列，降低了对电子束聚焦能力的要求。

靶位线状阵列的有序分布，可确保电子束任意方向偏转，均能获得良好的线阵多焦点射线源，大大降低了对电子束扫描偏转精度的控制要求，为实现亚微米甚至纳米级焦点尺寸的线阵多焦点射线源提供了一条可行的途径。同时发明的用于电子束扫描CT的X射线源的阵列靶的包埋层，增强热传导性能，并防止充放电效应。

本发明提供的阵列装置可以通过设置不同大小的靶位结构、尺寸，以及相应的优化的电子束的能量，来实现不同焦斑大小、不同特征谱线的要求的射线源，以满足不同的射线检测需求。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种用于电子束扫描CT的X射线源的阵列靶，其特征在于：

包括线性阵列靶位、包埋层和靶基，所述靶基的材料为金刚石，所述包埋层的材料为铍、铝或石墨中的一种；

所述线性阵列靶位包括至少一个单独的靶位，所述单独的靶位为线条状，深入所述包埋层0.5至10μm，所述靶位的两端延伸到所述包埋层的边缘，靶位的宽度为电子束直径的1/2至2/3；所述靶位的宽度为电子束束流密度的半峰宽尺寸；两相邻的靶位之间的间隙等于或大于电子束直径，有序间隔排列，线状阵列靶位之间填充包埋层；

所述包埋层用于配置所述靶位；

所述靶基配置于所述包埋层和靶位的底部；所述靶基的厚度为20至300μm。

2.根据权利要求1所述的用于电子束扫描CT的X射线源的阵列靶，其特征在于：

所述靶位的材料为钽、钼、钨或金中的一种。

3.根据权利要求1所述的用于电子束扫描CT的X射线源的阵列靶，其特征在于：

所述靶基的材料为铍或铝。

4.根据权利要求1所述的用于电子束扫描CT的X射线源的阵列靶，其特征在于：

所述靶位间的距离根据CT成像所需的投影角度进行配置。

5.根据权利要求1所述的用于电子束扫描CT的X射线源的阵列靶的制作方法，其特征在于：

在成型的靶基材料上通过采用化学气相沉积、冲压、流延成型、烧结或镀膜的方式制作包埋层；所述靶基的材料为金刚石，所述包埋层的材料为铍、铝或石墨中的一种；

在所述包埋层上通过光刻、掩板、印刷、激光刻蚀或离子束刻蚀的方法形成深度为0.5至10μm，宽度为电子束直径的1/2至2/3的线状阵列槽；

通过镀膜或聚焦离子束沉积的方法在所述线状阵列槽上配置靶位。

6.根据权利要求5所述的用于电子束扫描CT的X射线源的阵列靶的制作方法，其特征在于：

所述靶位的材料为钽、钼、钨或金中的一种。

7.根据权利要求5所述的用于电子束扫描CT的X射线源的阵列靶的制作方法，其特征在于：

所述靶基的材料为铍或铝。