CN113709957A - 一种小型高能x射线装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种小型高能X射线装置，包括X射线源磁铁系统、X射线管和电源系统；所述X射线源磁铁系统包括六个铁心铁轭、两个磁极头、二至四个磁极垫、两个扩张线圈和两个圆环形励磁线圈，六个铁心铁轭呈六角星放射状分布，形成筒状内空间；两个圆环形励磁线圈置于两个磁极头与六个铁心铁轭形成的筒状内空间中，并与磁极头共轴；两个扩张线圈置于两个磁极头锥面上，并与磁极头共轴。本发明一方面可以减小磁铁体积，提高磁铁场分布的周向均匀性，达到了降低和减少设备体积的目的，另一方面采用扩张线圈电流的下降沿注入电子，采用扩张线圈电流的上升沿引出电子，提高X射线产额。

Description

一种小型高能X射线装置及方法
技术领域
本发明涉及X射线源领域，更具体而言，涉及一种高能电子轰击重金属产生的X射线源。
背景技术
X射线源在很多领域获得广泛的应用，包括放射医疗、放射诊断等领域。
目前上述应用所采用的X射线源一般分为两类，一种是X光机，另一种是电子直线加速器。X光机的光子能量较低一般为几十keV，因而其穿透能力低。电子直线加速器的光子能量最高可达几个MeV，但是电子直线加速器的结构复杂、体积大、建设运行成本高、易损部件多。电子直线加速器的主要部件包括电子枪、加速管、调制器、磁控管、微波传输和测量系统、水冷系统、真空系统、充气系统、机械系统、控制系统等。
发明内容
为了提高X射线源的光子能量，同时降低和减少设备体积、建设运行成本、易损部件和结构复杂性等，本发明提出一种小型的X射线源装置，主要包括X射线源磁铁系统、X射线管和电源系统等主要部件，X射线源磁铁系统采用六个铁心铁轭，一方面可以减小磁铁体积，另一方面可以提高磁铁场分布的周向均匀性。
本发明通过下述技术方案来实现：一种小型高能X射线装置，包括X射线源磁铁系统、X射线管和电源系统。
所述X射线源磁铁系统包括六个铁心铁轭、两个磁极头、二至四个磁极垫、两个扩张线圈和两个圆环形励磁线圈，六个铁心铁轭呈六角星放射状分布，形成筒状内空间；两个磁极头的底平面与铁心铁轭形成的筒状内空间的上下底面连接，与铁心铁轭相连形成磁回路；磁极垫置于两个磁极头之间，并与磁极头共轴；两个圆环形励磁线圈置于两个磁极头与六个铁心铁轭形成的筒状内空间中，并与磁极头共轴。两个扩张线圈置于两个磁极头锥面上，扩张线圈的半径小于或等于平衡轨道半径，并与磁极头共轴。X射线管包括环形面包圈玻璃管，电子枪及靶和真空吸气器。X射线管置于两个磁极头之间、磁极垫的外侧，并于磁极头共轴。电源系统输出的励磁电流波形是直流脉动波形，产生的磁场径向场分布与平均磁场的半值的第二个交点处形成电子运动的平衡轨道。电源系统给扩张线圈输出几个微秒的扩张电流脉冲，在电流脉冲上升沿，平衡轨道半径增大到接近电子枪的位置。在扩张电流脉冲下降沿，电源系统给电子枪输出电子注入波形将电子从电子枪引出，同时，平衡轨道半径逐渐减小，将电子束聚拢到励磁电流形成的平衡轨道半径上。电子在直流脉动励磁电流的上升时间段获得加速。完成加速时，电源系统给扩张线圈输出几十微秒的扩张电流脉冲，电流脉冲的幅值是其电子注入时的2～5倍，在扩张电流脉冲上升沿，平衡轨道半径增大到钽靶(11)的位置，电子打靶产生X射线。两个圆环形励磁线圈串联在一起共用一个供电电源。两个扩张线圈串联在一起共用一个供电电源。
进一步优选，所述X射线管包括环形玻璃管、电子枪及靶和真空吸气器，环形玻璃管一端连接真空吸气器，另一端连接电子枪及靶；X射线管置于两个磁极头之间、磁极垫的外侧，并与磁极头共轴。
进一步优选，所述电子枪及靶包括两个阳极引线、两个灯丝电极引线、一个聚焦极引线、一个钽靶、一个电子枪阴极组件、一个电子枪阳极；电子枪阴极组件包括阴极灯丝和聚焦极；电子枪阴极组件位于电子枪阳极内；灯丝电极引线用于连接阴极灯丝和灯丝加热电源；聚焦极引线用于连接聚焦极和阴极高压电源；阳极引线将电子枪阳极接地；钽靶焊接在电子枪阳极上；钽靶、电子枪阴极组件和电子枪阳极置于环形玻璃管内，两个阳极引线、两个灯丝电极引线、一个聚焦极引线自X射线管引出。
进一步优选，X射线管为自密封系统，不需要另外连接真空抽取和维持系统。
进一步优选，小型高能X射线装置的冷却方法采用风冷。
一种高能X射线产生方法，基于上述小型高能X射线装置，X射线源磁铁系统用于产生约束电子横向运动的磁场，同时产生用于加速电子的纵向加速电场；纵向加速电场为圆环形状，电源系统输出的励磁电流波形将电子从电子枪引出，电子在X射线管的环形玻璃管的纵向加速电场中加速，电子在X射线管内运动一圈的能量增益为十几eV，电子需要在X射线管内运动几十到几百万圈，电子最终获得的能量为几个MeV，在X射线管内将电子加速到所需要的能量，然后将电子轰击到钽靶上，产生X射线。
进一步优选，为了使电子运动几十到几百万圈而不丢失，电子运动的平衡轨道需要固定，在平衡轨道上的磁场值应该等于轨道所包围面积上的磁场的平均值的一半，这样的等值点有3个，平衡轨道的位置是在第二个等值点上。因而平衡轨道内的磁场值高于平衡轨道上的磁场值。
进一步地，电子枪和靶只能置于平衡轨道之外，如果置于平衡轨道上，电子运动一圈后会轰击到电子枪和靶上而不能继续加速。而电子枪和靶只能置于平衡轨道之外，电子会围绕平衡轨道做大幅度的振荡运动，在此过程中，会有大量电子损失。为此，本专利提出采用扩张脉冲电流的方法。在电子注入之前，扩张脉冲电流的上升沿使得平衡轨道内的磁场增加，而平衡轨道外的磁场不变，这就使得平衡轨道的半径增加，使其接近于电子枪和靶的位置。当扩张脉冲电流最大时，开始注入电子，电子开始围绕平衡轨道做小幅振荡。随着电子的不断注入，扩张脉冲电流逐渐减小，平衡轨道半径也逐步减小，将最初注入的电子逐渐聚拢到半径变减小的平衡轨道上，即电子被俘获。当扩张脉冲电流为零时，电子枪结束电子注入。通过这种方法，可以获得更高的俘获电子和更高的X射线产额。
进一步地，在引出电子产生X射线时，也采用用于注入俘获电子的扩张线圈。在电源系统给扩张线圈输出扩张脉冲电流时，通过调整电源系统输出的扩张脉冲电流时刻来改变X射线的能量。在电子引出时，电源系统输出的扩张脉冲电流幅值是电子注入时的扩张脉冲电流幅值的2～5倍。
本发明的X射线源装置主要包括X射线源磁铁系统、X射线管和电源系统三个主要部件，因而系统复杂度低，易损部件少，建设运行成本低。本发明提出的X射线源磁铁系统采用六个铁心铁轭，一方面可以减小磁铁体积，另一方面可以提高磁铁场分布的周向均匀性；由于电子只是在X射线管内做圆周运动，而X射线管直径一般为20厘米左右，因此X射线装置的体积可以很小。本发明的电子注入和引出采用同一套扩张线圈，简化了电源设计和系统复杂度，同时，扩张线圈产生的附加磁场使得平衡轨道内的磁场和平衡轨道半径增加。
附图说明
图1为本发明X射线源磁铁系统的铁心结构图；
图2为本发明X射线管结构图；
图3为本发明电子枪及靶图；
图4为本发明X射线源磁铁系统和X射线管组装后的结构图；
图5为本发明X射线源磁铁系统和X射线管组装后的解剖图；
图6为本发明电源系统输出的励磁电流波形图；
图7为本发明X射线源磁铁系统的磁场分布图；
图8为本发明X射线源磁铁系统在附加扩张电流后的磁场分布图；
图9为本发明电源系统输出的电子枪注入电压、用于电子注入和引出的扩张脉冲电流波形图；
图中，1-铁心铁轭、2-磁极头、3-磁极垫、4-环形玻璃管、5-电子枪及靶、6-真空吸气器、7-圆环形励磁线圈、8-阳极引线、9-灯丝电极引线、10-阴极引线、11-钽靶、12-阴极组件、13-扩张线圈、14-磁极头沿半径方向的磁场分布、15-磁极头沿半径方向的平均磁场半值的分布、141-叠加扩张电流后的磁极头沿半径方向的磁场分布、151-叠加扩张电流后的磁极头沿半径方向的平均磁场半值的分布。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细阐明本发明。
一种小型高能X射线装置，包括X射线源磁铁系统、X射线管和电源系统；
参照图1、图4和图5，X射线源磁铁系统包括六个铁心铁轭1、两个磁极头2、二至四个磁极垫3、两个扩张线圈13和两个圆环形励磁线圈7，六个铁心铁轭1呈六角星放射状分布，形成筒状内空间；两个磁极头2的底平面与铁心铁轭1形成的筒状内空间的上下底面连接，与铁心铁轭1相连形成磁回路；磁极垫3置于两个磁极头2之间，并与磁极头2共轴，用于调整两个磁极头2之间的磁场分布和大小；两个圆环形励磁线圈7置于两个磁极头2与六个铁心铁轭1形成的筒状内空间中，并与磁极头2共轴；两个扩张线圈13置于两个磁极头2锥面上，扩张线圈13的平均半径小于或等于平衡轨道半径，并与磁极头2共轴；X射线管包括环形面包圈玻璃管，电子枪及靶和真空吸气器；X射线管置于两个磁极头之间、磁极垫的外侧，并于磁极头共轴；电源系统输出的励磁电流波形是直流脉动波形，产生的磁场径向场分布与平均磁场的半值的第二个交点处形成电子运动的平衡轨道；电源系统给扩张线圈13输出几个微秒的扩张电流脉冲，在电流脉冲上升沿，平衡轨道半径增大到接近电子枪的位置，电源系统给电子枪阴极组件12输出电子注入波形将电子从电子枪引出，在扩张电流脉冲下降沿，平衡轨道半径逐渐减小，将电子束聚拢到励磁电流形成的平衡轨道半径上；电子在直流脉动励磁电流的上升时间段获得加速，电子在完成加速时，电源系统给扩张线圈13输出几十微秒的扩张电流脉冲，电流脉冲的幅值是电子注入时的2～5倍，在扩张电流脉冲上升沿，平衡轨道半径增大到钽靶11的位置，电子打靶产生X射线。
参照图2和图4，X射线管包括环形玻璃管4、电子枪及靶5和真空吸气器6，环形玻璃管4一端连接真空吸气器6，另一端连接电子枪及靶5；X射线管置于两个磁极头2之间、磁极垫3的外侧，并与磁极头2共轴(即环形玻璃管4套在磁极垫3外，环形玻璃管4与磁极头2共轴)。X射线管的环形玻璃管4和真空吸气器6采用玻璃材料，有利于真空产生和维持。X射线管的环形玻璃管4设计为面包圈形的圆环形状。另外，X射线管做成自密封系统，因而不需要真空维持系统。X射线源的工作过程中，只需要空气吹风强制冷却，而不需要水冷，因而冷却系统相对简化。
参照图3，电子枪及靶5包括两个阳极引线8、两个灯丝电极引线9、一个聚焦极引线10、一个钽靶11、一个电子枪阴极组件12、一个电子枪阳极；电子枪阴极组件12包括阴极灯丝和聚焦极；电子枪阴极组件位于电子枪阳极内；灯丝电极引线用于连接阴极灯丝和灯丝加热电源；聚焦极引线用于连接聚焦极和阴极高压电源；阳极引线将电子枪阳极接地；钽靶11焊接在电子枪阳极上。钽靶11、电子枪阴极组件12和电子枪阳极置于环形玻璃管4内，两个阳极引线8、两个灯丝电极引线9、一个聚焦极引线10自X射线管引出。
一种高能X射线产生方法，基于上述小型高能X射线装置，X射线源磁铁系统用于产生约束电子横向运动的磁场，同时产生用于加速电子的纵向加速电场；纵向加速电场为圆环形状，电源系统输出的如图6所示的直流脉动励磁电流波形用于产生约束电子横向运动的磁场，同时产生用于加速电子的纵向加速电场；纵向加速电场为圆环形状。在电源系统输出直流脉动励磁电流的初始时刻，直流脉动励磁电流的电流值为其峰值的百分之一左右，电源系统给扩张线圈13输出几个微秒的扩张电流脉冲，在电流脉冲上升沿，平衡轨道半径增大到接近电子枪的位置，电源系统输出的电子注入波形将电子从电子枪引出。电子在X射线管的环形玻璃管的纵向加速电场中加速，电子在X射线管内运动一圈的能量增益为十几eV，电子需要在X射线管内运动几十到几百万圈，电子最终获得的能量为几个MeV，在X射线管内将电子加速到所需要的能量，电源系统输出扩张电流脉冲波形，在电流脉冲上升沿，将电子轰击到钽靶11上，产生X射线。由于电子只是在X射线管内做圆周运动，而X射线管直径一般为20厘米左右，因此加速器的体积可以很小。
直流脉动励磁电流产生的磁场在两个磁极头2间隙之间沿半径方向的场分布如图7所示，其中磁极头沿半径方向的磁场分布曲线14与磁极头沿半径方向的平均磁场半值的分布曲线15的交点有3个，只有中间的第二个交点r0处才是平衡轨道半径的位置，即图中60mm左右的位置。在电子注入时和电子引出打靶产生X射线时，电源系统输出的扩张电流脉冲产生的磁场会叠加在图7的磁场分布曲线14上，形成如图8所示的磁场分布曲线141，即在平衡轨道半径r0内的磁场值增加。磁极头沿半径方向的平均磁场半值的分布变为曲线151，同时，平衡轨道半径也增加到r0’。
电源系统输出的励磁电流波形如图6所示，其中X射线源只在电流上升周期内工作。在励磁电流上升的不同时刻引出的电子能量不同，因而可以很方便地改变引出X射线能量。
扩张脉冲电流波形和电子注入电压波形的关系如图9所示，即在扩张脉冲电流峰值的时候，电子注入电压开始上升，在扩张脉冲电流降为零时，电子注入电压也从最大值降为零。扩张脉冲电流用于引出电子打靶产生X射线的起始时刻有较大范围的变化，以便大范围调整输出电子和X射线的能量。

Claims (8)

1.一种小型高能X射线装置，包括X射线源磁铁系统、X射线管和电源系统；其特征在于，所述X射线源磁铁系统包括六个铁心铁轭(1)、两个磁极头(2)、二至四个磁极垫(3)、两个扩张线圈(13)和两个圆环形励磁线圈(7)，六个铁心铁轭(1)呈六角星放射状分布，形成筒状内空间；两个磁极头(2)的底平面与铁心铁轭1形成的筒状内空间的上下底面连接，与铁心铁轭(1)相连形成磁回路；磁极垫(3)置于两个磁极头(2)之间，并与磁极头(2)共轴；两个圆环形励磁线圈(7)置于两个磁极头(2)与六个铁心铁轭(1)形成的筒状内空间中，并与磁极头2共轴，两个扩张线圈(13)置于两个磁极头(2)锥面上，扩张线圈(13)的平均半径小于或等于平衡轨道半径，并与磁极头(2)共轴；两个圆环形励磁线圈(7)串联在一起共用一个供电电源；两个扩张线圈(13)串联在一起共用一个供电电源；X射线管包括环形面包圈玻璃管(4)，电子枪及靶(5)和真空吸气器(6)；X射线管置于两个磁极头之间、磁极垫的外侧，并于磁极头共轴；电源系统输出的励磁电流波形是直流脉动波形，产生的磁场径向场分布与平均磁场的半值的第二个交点处形成电子运动的平衡轨道；在电源系统输出直流脉动励磁电流的初始时刻，电源系统给扩张线圈(13)输出几个微秒的扩张电流脉冲，在电流脉冲上升沿，平衡轨道半径增大到接近电子枪的位置，电源系统给电子枪阴极组件(12)输出电子注入波形将电子从电子枪引出，在扩张电流脉冲下降沿，平衡轨道半径逐渐减小，将电子束聚拢到励磁电流形成的平衡轨道半径上；电子在直流脉动励磁电流的上升时间段获得加速，完成加速时，电源系统给扩张线圈(13)输出几十微秒的扩张电流脉冲，电流脉冲的幅值是电子注入时的2～5倍，在扩张电流脉冲上升沿，平衡轨道半径增大到钽靶(11)的位置，电子打靶产生X射线。
2.根据权利要求1的小型高能X射线装置，其特征在于，所述X射线管包括环形玻璃管(4)、电子枪及靶(5)和真空吸气器(6)；环形玻璃管(4)一端连接真空吸气器(6)，另一端连接电子枪及靶(5)；X射线管置于两个磁极头(2)之间、磁极垫(3)的外侧，并与磁极头(2)共轴。
3.根据权利要求2的小型高能X射线装置，其特征在于，所述电子枪及靶(5)包括两个阳极引线(8)、两个灯丝电极引线(9)、一个聚焦极引线(10)、一个钽靶(11)、一个电子枪阴极组件(12)、一个电子枪阳极；电子枪阴极组件(12)包括阴极灯丝和聚焦极；电子枪阴极组件(12)位于电子枪阳极内；灯丝电极引线(9)用于连接阴极加热灯丝和灯丝加热电源；阴极引线(10)用于连接聚焦极和阴极高压电源；阳极引线(8)将电子枪阳极接地；钽靶(11)焊接在电子枪阳极上；钽靶(11)、电子枪阴极组件(12)和电子枪阳极置于环形玻璃管(4)内，两个阳极引线(8)、两个灯丝电极引线(9)、一个阴极引线(10)自X射线管引出。
4.根据权利要求2的小型高能X射线装置，其特征在于，X射线管为自密封系统，不需要链接真空抽取系统。
5.一种高能X射线产生方法，其特征在于，基于上述小型高能X射线装置，X射线电源系统输出的直流脉动励磁电流用于产生约束电子横向运动的磁场，同时产生用于加速电子的纵向加速电场；纵向加速电场为圆环形状；在电源系统输出直流脉动励磁电流的初始时刻，电源系统给扩张线圈(13)输出扩张电流脉冲，在电流脉冲上升沿，平衡轨道半径增大到接近电子枪的位置；在扩张电流脉冲下降沿，电源系统输出的电子注入波形将电子从电子枪引出，电子在X射线管的环形玻璃管的纵向加速电场中加速，在X射线管内将电子加速到所需要的能量；在电子加速到所需要的能量后，电源系统输出扩张电流脉冲波形，在电流脉冲上升沿将电子轰击到钽靶(11)上，产生X射线。
6.如权利要求5所述的一种高能X射线产生方法，其特征在于，X射线在电源系统给扩张线圈输出的脉冲电流上升沿时产生，通过调整电源系统输出的用于引出电子的扩张电流脉冲时刻来改变X射线的能量。
7.根据权利要求5的一种高能X射线产生方法，其特征在于，小型高能X射线装置的冷却方法采用风冷。
8.根据权利要求5的一种高能X射线产生方法，其特征在于，电源系统给扩张线圈输出的扩张电流脉冲产生的磁场附加在直流脉动励磁电流产生的主磁场上，使得平衡轨道半径和平衡轨道半径内的磁场值增大。
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