CN1302510C - 基于透射阳极x线机的可变换准单能或双能荧光x线源 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及X线源装置的改进，在辐射技术领域中用可控的无环境核污染的准单能X线源装置替代放射性核辐射源。本发明在透射阳极X线机基础上增设荧光靶以产生准单能荧光X线，把荧光靶中心到一次焦点面中心距离缩小到5--8mm以内，并采用10°以内出射倾角，荧光X线最大出射张角可达10°×60°。荧光靶在透射阳极X线管水冷窗外，便于更换，可方便设计为双能光源，更可进一步按需要设计成脉冲单色光或双能交替变换光源。与已有各种荧光X线源相比，效率亮度大为增加。本发明以高效率、高亮度单能X线光源，替代普通X线源及替代γ放射源，用于各种需要单能X线光子源的成像或检测分析计量设备仪器，以避免放射性核素环境污染。
Description
一、技术领域：本发明涉及X线源装置的改进，具体地讲是在辐射技术领域中用可控的无环境核污染的X线源装置替代放射性核辐射源，用于辐射成像或各种辐射测量仪器设备。
二、背景技术：传统X线技术，通过在X线管真空中电子束轰击阳极靶产生X线。根据X线物理可知，产生X线主要成份是从低能光子到最高能光子(其keV值等于管电压kV值)的连续能谱轫致辐射。虽然，当管电压kV值超过靶材L、K壳层电子结合能keV值后，也能产生准单能的L、K特征X光子，但可选用的靶材(满足导热好，熔点高、真空特征好)有限。当所需特征X线光子能量较高(大于15keV)时，特征X线产生效率远低于轫致辐射连续能谱X线产生效率，所以直接电子轰击产生准单能X线仅限于衍射仪，荧光光谱仪等的X线源，限于靶材，铜、铁、铬等，可提供准单能X线光子能量一般低于10keV。目前在15keV以上单能光子源，如用于辐射厚度计、辐射秤(核子秤)、辐射密度计、小型骨密度仪等，只能采用相应的γ放射源。
现代同步辐射技术提供了可调控、高强度准单色X线源，但设备庞大昂贵，无法广泛应用于替代γ同位素。同步辐射出射束夹角过小，用于单能X线成像也有一定困难。
荧光X线源采用高于荧光靶材K壳层电子结合能的X射线连续谱和特征X线光子束代替电子束辐照荧光靶片来激发该靶材特征X线，可避免轫致辐射连续能谱光子产生，是获取从几keV到100keV能量准单能X线的可行方案。理论表明，取与入射方向成90℃方向收集荧光X线，相干散射和康普顿散射光子的干扰最小。荧光发射强度与激发X线管电流成正比，大致与激发X线管电压的函数(U/EK一1)n成正比。式中U为激发X线管电压(kV)，EK为荧光靶材K层结合能(keV)，n为常数值，约在1.3～1.8之间，与荧光靶材及靶角有关。荧光强度还成正比于一次靶焦点对荧光靶所张立体角大小。而荧光靶发光亮度，则反比于距一次靶焦点的距离平方及荧光靶出射角的正切。目前国际上所报导各种荧光X线源由于受传统X线反射式阳极结构限制，实际应用荧光靶相对一次靶焦点立体角较小，靶片面到焦点距离在30--300mm，发射效率低，亮度小。菲利蒲公司Harding博士发明的环形反射式阳极荧光X线管，虽然把该距离减少到平均15mm，并采用极小荧光靶出射倾角(1.9°)，得到高亮度、准单能荧光X线。但由于荧光锥靶置于X线管中心，不能更换，还要带真空泵工作。
三、发明内容：1、发明目的：本发明提供一种基于透射阳极X线机的可变换准单能或双能荧光X线源，其目的在于提供一个高效率、高亮度，且可以方便变换输出光子能量的准单能(或双能)荧光X线源的新颖结构设计。
2、技术方案：本发明是通过以下技术方案来加以实现的：基于透射阳极X线机的可变换准单能或双能荧光的X线源，它包括透射阳极X线机电源及控制器，透射阳极X线管，透射阳极X线管的靶层透射窗、水冷帽透射窗，靶层透射窗和水冷帽透射窗之间的冷却水层，和透射阳极防护套连为一体的荧光靶室外壳，其特征在于：靶层紧贴透射导热层和靶层透射窗合二为一的透射阳极透射窗，靠近X线管内一侧的靶层为高原子序数材料制成的靶层，外一侧为低原子序数高导热材料制成的靶层透射窗；在其水冷帽透射窗外侧紧贴设置有与出射光束中心线垂直的重合金片制成的限束片，在限束片的外侧紧靠限束片设置有上部贴近限束片与限束片成一夹角的荧光靶片，该荧光靶片为材料和厚度不同的两片，且固定在转盘或插入式荧光靶片托架板上，夹角的范围不大于10°；在荧光靶室外壳的侧壁下设有一个荧光出射口限束片。
在需要固定单能或双能荧光输出时，采用插入式荧光靶片托架板，荧光靶片可以紧贴限束片而方便地从荧光靶室外壳的侧壁插入和更换；而当需要脉冲单能光子或交变双能荧光输出时，则在一个步进电机的转轴上设置一个转盘，转盘上设置有环形荧光靶片托架板，环形荧光靶片托架板上交替固定有材料和厚度不同的荧光靶片，通过步进电机的驱动，荧光靶片可以在荧光靶室外壳内的限束片开口处交替更换。
在荧光出射口限束片外固定有荧光过滤片支架，荧光过滤片可以紧贴荧光出射口限束片而方便地插入和更换。
定位的荧光靶片中心距透射阳极X线管焦点面中心距离在5至8mm以内。
透射阳极X线管的靶层透射窗和水冷帽透射窗连同靶层可制成波纹状。
在荧光靶室外壳侧壁下荧光出射口限束片的荧光出射口为一个窄矩形开口，其最大出射张角在平行图纸面上不大于10°，在垂直图纸面上最大可达60°。
透射阳极X线管的靶层采用高原子序数材料金或铂制成；而荧光靶片则按所要求单能或双能荧光光子能量选用相应原子序数的纯金属材料或其氧化物制成。
3、优点及效果：本发明在透射阳极X线机基础上，把该荧光靶片中心距透射阳极X线管焦点面中心距离缩小到5--8mm以内，并采用10°以内出射倾角，荧光靶在透射阳极X线管水冷窗外，便于更换，可方便设计为双能光源，更可进一步按需要设计成脉冲单色光或双能交替变换光源。与已有各种荧光X线源相比，效率亮度大为增加，所产生荧光束的辐照角也比菲利浦专用荧光X线管大得多，可以方便地设计出射角使之满足CT扫描成像要求。
由于采用透射阳极X线机作激光X线源，以及专门的设计结构，使得荧光靶中心到一次焦点面中心距离缩小到一次焦点尺寸，较小的荧光靶出射倾角使荧光源亮度进一步增加，效率远高于现有各种荧光X线源结构设计的结果，使本发明大大降低激发X源的尺寸和功率，节省能源。长矩形荧光X线出射口使本荧光源可用于CT扫描成像。荧光靶片托架转盘使脉冲式双能交变荧光X线光源可以方便实现。
四、附图说明：
附图1为本发明结构示意图；
附图2为双能荧光靶片托架板结构示意图；
附图3为脉冲式交变双能荧光靶片托架转盘结构示意图。
五、具体实施方式：本发明采用透射阳极X线机发明(申请号为98114400.4)的水冷窗端透射阳极X线机为激发光子源(该发明的特征是焦点面紧靠近透射窗口)，在应用到本发明时，做如下变动：把阳极体薄窗与透射导热片合二为一，采用低原子序数高导热材料如铍等制成。靶层则改用高原子序数材料如金、铂等制成。使焦点面与透射窗进一步贴近。此外，减少冷却水层厚度，即水冷帽透射窗2与透射阳极透射窗1间距离。为了大功率冷却，两个透射窗(连同靶层)可制成波纹状，以增大接触面积。并对其水冷帽透射窗2及防护套做重新设计，在其水冷帽透射窗2外紧贴设置与出射光束中心线垂直的重合金片制成的限束片11，限束片11的出射口形状面积与透射阳极X线管靶面焦点相符。紧靠限束片11设置一个上部贴近限束片11、而与限束片11成一夹角的荧光靶片7，夹角不大于10°。在荧光靶片7与限束片11夹角开口下方荧光靶室外壳6的侧壁处，与一次射束中心线平行，设置重合金片制成的荧光出射限束片5，该限束片5中心，开有窄矩形荧光出射口，该口按最后所需辐照面大小设计，其窄边即限制荧光在通过一次射束中心线的平面上，张角在5°～10°范围内，其长边即限制荧光在垂直一次射束中心线的平面上，张角最大可达到60°。荧光出射束中心线与一次射束中心线成90°，主光束限束片11与荧光限束片5保证一次出射光束边沿无法从荧光限束片5开口射出。
用重合金制的荧光靶室外壳6把透射阳极X线阳极外壳及水冷帽完全包严。特别是一次射束照射面特别设计加厚，保证在荧光出射口用铅片关闭时，整个装置泄漏辐射远低于辐射防护规定限制值以下。
荧光靶片7固定在荧光靶片托架板9上，该托架板9可以通过荧光靶室外壳6侧面开口槽中抽出和插入，易于更换和定位。当荧光靶片托架板9插入定位时，荧光靶片7中心与一次射束中心重合，靶片中心距透射阳极X线管焦点面中心距离在5至8mm范围内。在荧光出射口荧光限束片5外，设有荧光过滤片支架3，支架3上安置与荧光射束中心垂直的可更换过滤片4，用以过滤掉较低能的散射线及L荧光光子。在需要更严格单能的情况下，还可选用材质及厚度合适的K边界过滤片，滤掉Kβ光子。
荧光靶材质，按所要求的单能光子能量查相关手册选取。找不到手册时其原子序数Z大致可按所需光子能量E(keV)按下式结果取整数：
Z＝(aE)n，式中a＝156.1，n＝1/2.12。应尽可能采用纯金属，在不可能获得稳定纯金属情况下也可用其氧化物代替。
荧光靶厚度可按该能量光子在其中减弱到1/100选取，再厚对增加荧光产额无作用，会使散射光子本底增加。
在需要双能荧光输出时，荧光靶片7采用按两种能量选定的靶材和厚度，按所需两种光子束强度比分配辐照面积，其安置在荧光靶片托架板9上。
在需要脉冲单能光子源或需要双能交替变换光子源时，用荧光靶片托架转盘10替代上述插入式荧光靶片托架板设计。该转盘用数控步进电机8驱动旋转。
透射阳极X线管的透射阳极靶材选用尽量高原子序数高导热材料(如金或铂)，靶层厚度，按最高工作管电压选定(可参考发明人所获欧洲专利EP0584871B1说明书上推荐的公式估算)，而最高管电压，则根据所要求最高单能光子能量选定，其kV值为选用单能光子能量keV值的3至8倍。透射阳极X线机的管电流和电源功率则根据所要求单能光子强度按有关理论经验公式计算设计。根据不同用途，可以从几瓦到数十千瓦。而透射阳极X线管焦点面积和水冷设计则根据最大功率确定。
见附图1，该图只画出透射阳极X线机阳极体的出射口部分，实线部分是准单能(或双能)插入式荧光靶托架板结构的荧光X线源主要部分的断面示意图，而双点划线部分是脉冲单能式交变双能荧光X线源的荧光靶托架转盘及步进电机结构示意图。其余相关支架外罩和透射阳极X线机组合式机头外壳等未画出。
图1中，1是透射阳极X线管的靶层和透射窗，其内为金或铂制的靶层，靶层厚度根据最高产生荧光单能光子能量决定。外为低原子序数高导热材料如铍等制成的透射窗，在大功率时，该靶层和透射窗制成波纹状。2是低原子序数高导热材料制成的水冷帽透射窗。大功率时亦制成与透射窗相同波纹状。1与2之间是冷却水层，两窗之间间隙在满足流量前提下尽可能小。12是水冷帽、13是进(或出)水口；透射阳极防护套与荧光靶室外壳6合为一体。11是重合金制成的一次X线限束片，其开口面积与形状是和透射阳极X线焦点面积面积和形状对应的长矩形。从荧光靶室侧面开口可插入的荧光靶片托架板9与一次出射X线束中心线垂直，上面固定有荧光靶片7，荧光靶片材料和厚度按所需产生单能光子能量选定，该靶片上端与限束片11相靠，而与限束片构成不大于10°的夹角。荧光靶片7的中心，在托架板9插到位时，与一次X线束中心重合。该中心距透射阳极X线管焦点面中心距离在5至8mm以内。荧光靶室外壳6由重合金制成，与透射阳极X线水冷帽严密套合，在其下设有窄矩形开口，外面固定有带荧光出射口的重合金制成的荧光出射限束片5，荧光限束片5荧光出射口的大小形状按所需辐照角要求设计，该辐照角在平行图纸面上不大于10°，在垂直图纸面上最大可达60°，在限束片5外固定有荧光过滤片支架3，荧光过滤片4可以紧贴限束片5方便地插入和更换。
图2是荧光靶片托架板9的正视图，当需要双能荧光输出时，托架板中荧光靶片位置(原来安装一种荧光靶片处)，安装两种相应元素的荧光靶片7A、7B，根据所需两种单能光子强度比分配受照面积。
当需要脉冲单能光子或交变双能荧光输出时，本发明采用图1中双点划线所示和图3所示的荧光靶片托架转盘10代替由侧面插入的荧光靶片托架板9。在该转盘10上按图3所示距轴心一定半径的环面上等分若干位置。要求脉冲式单能荧光输出时，每相邻两个位置分别安置荧光靶片7和空置。在要求双能交变输出时，每相邻两个位置分别紧交替安置两种材料和厚度的荧光靶片。该转盘10转动时，保证每一靶片中心进入一次X线中心时，都如图1所示，处于相同位置，靶面处于相同角度。转盘10轴心固定在数控步进电机8的转轴上，按所设定转速步进变换受照的荧光靶片，达到脉冲单能输出或交变双能输出的目的。
透射阳极X线机高压由所需产生单能光子能量决定，其kV值为该光子能量keV值的3至8倍。透射阳极X线机功率按所需产生单能光子强度决定，可设计从几瓦到几十千瓦。而透射阳极X线管焦点面积和水冷设计则根据最大功率确定。
Claims (7)
1、基于透射阳极X线机的可变换准单能或双能荧光的X线源，它包括透射阳极X线机电源及控制器，透射阳极X线管，透射阳极X线管的靶层透射窗(1)、水冷帽透射窗(2)，靶层透射窗和水冷帽透射窗之间的冷却水层，和透射阳极防护套连为一体的荧光靶室外壳(6)，其特征在于：靶层紧贴透射导热层和靶层透射窗合二为一的透射阳极透射窗，靠近X线管内一侧的靶层为高原子序数材料制成的靶层，外一侧为低原子序数高导热材料制成的靶层透射窗；在其水冷帽透射窗(2)外侧紧贴设置有与出射光束中心线垂直的重合金片制成的限束片(11)，在限束片(11)的外侧紧靠限束片设置有上部贴近限束片(11)与限束片(11)成一夹角的荧光靶片(7)，该荧光靶片为材料和厚度不同的两片，且固定在转盘(10)或插入式荧光靶片托架板(9)上，夹角的范围不大于10°；在荧光靶室外壳(6)的侧壁下设有一个荧光出射口限束片(5)。
2、根据权利要求1所述的基于透射阳极X线机的可变换准单能或双能荧光的X线源，其特征在于：在需要固定单能或双能荧光输出时，采用插入式荧光靶片托架板(9)，荧光靶片可以紧贴限束片(11)而方便地从荧光靶室外壳的侧壁插入和更换；而当需要脉冲单能光子或交变双能荧光输出时，则在一个步进电机(8)的转轴上设置一个转盘(10)，转盘(10)上设置有环形荧光靶片托架板，环形荧光靶片托架板上交替固定有材料和厚度不同的荧光靶片(7A、7B)，通过步进电机(8)的驱动，荧光靶片(7A、7B)可以在荧光靶室外壳(6)内的限束片开口处交替更换。
3、根据权利要求1所述的基于透射阳极X线机的可变换准单能或双能荧光的X线源，其特征在于：在荧光出射口限束片(5)外固定有荧光过滤片支架(3)，荧光过滤片(4)可以紧贴荧光出射口限束片(5)而方便地插入和更换。
4、根据权利要求1所述的基于透射阳极X线机的可变换准单能或双能荧光的X线源，其特征在于：定位的荧光靶片中心距透射阳极X线管焦点面中心距离在5至8mm以内。
5、根据权利要求1所述的基于透射阳极X线机的可变换准单能或双能荧光的X线源，其特征在于：透射阳极X线管的靶层透射窗(1)和水冷帽透射窗(2)连同靶层可制成波纹状。
6、根据权利要求1所述的基于透射阳极X线机的可变换准单能或双能荧光的X线源，其特征在于：在荧光靶室外壳(6)侧壁下荧光出射口限束片(5)的荧光出射口为一个窄矩形开口，其最大出射张角在平行图纸面上不大于10°，在垂直图纸面上最大可达60°。
7、根据权利要求1所述的基于透射阳极X线机的可变换准单能或双能荧光的X线源，其特征在于：透射阳极X线管的靶层采用高原子序数材料金或铂制成；而荧光靶片则按所要求单能或双能荧光光子能量选用相应原子序数的纯金属材料或其氧化物制成。
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