CN1723526A - 生单色x－射线的x－射线源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种X－射线源，其包括：用于发射电子(E)的电子源(1)、响应于入射的电子(E)而发射特有的、基本为单色X－射线(C)的靶(4)和外耦合X－射线的外耦合装置(11)。为了获得具有高功率负荷率的特有的、基本上单色的X－射线，电子在厚度小于10μm的金属箔(5)上入射并且放置基底装置(7、12)，其中所述金属箔(5)的金属具有能够产生X－射线(C)的高原子序数，并且基底装置(7、12)主要包括的材料具有不产生X－射线(C)的低原子序数。外耦合装置适于在电子(E)入射的金属箔(5)侧面上外耦合X－射线(C)，金属箔的该侧面与基底装置(7、12)的侧面相对，因为在该侧面上几乎没有轫致辐射产生。

Description

生单色X-射线的X-射线源

本发明涉及一种X-射线源，其包括用于电子发射的电子源、响应于电子入射进行X-射线发射的靶和用于外耦合X-射线的外耦合装置。此外，本发明涉及一种用于这种X-射线源的靶。

US 6185277中描述了基于湍流液体金属中产生的轫致辐射的这种X-射线源，也称为LIMAX(液体金属阳极X-射线源)。电子通过电子窗口进入液流，该电子窗口为金属箔，例如由钼或钨制成，或为金刚石薄膜。电子窗口非常薄，特别为几个微米，从而电子束在窗口处仅损失了其初始能量的小部分。

本发明的目的是提供X-射线源和用于这种X射线源能够产生基本单色X-射线的靶，这种X-射线源可以达到放射剂量显著减少并且相对于公知的X-射线源可以获得较高的功率负荷率。

根据本发明通过如权利要求1所要求的X-射线源达到这个目的，该权利要求1包括：

发射电子的电子源，

响应于电子入射发射特有的、基本上单色的X-射线的靶，所述靶包括小于10μm厚度的金属箔和用于承载所述金属箔的基底装置，其中所述金属箔的金属具有能够产生X-射的高原子序数，并且基底装置中主要包括的材料具有不产生X-射线的低原子序数，和

在金属箔的侧面上外耦合X-射线的外耦合装置，电子在金属箔上入射，并且该金属箔与基底装置的侧面对置。

权利要求14中限定了用于这种X-射线源的相对应的靶。

本发明目的是提供一种基于由基底装置承载的薄金属箔的电子冲击的离散线性X-射线源。基本目的在于通过观测在电子入射的靶的侧面上发射的辐射来排斥轫致辐射，也就是与初始电子束方向基本上反平行的辐射。构成电子窗口的金属箔制备地相当薄以保持在箔上入射的电子束的一定程度的角度校准。箔的厚度小于电子扩散厚度；从而，大部分的电子束直接沉积在基底装置上。在特定位置假定是否合适仅仅通过光电子束传输的模拟得到确定，例如蒙特卡罗(Monte-Carlo)模拟。从而提议的X-射线源的功率负荷率远大于公知的固定阳极X-射线源的功率负荷率。

在从属权利要求中限定了本发明的优选实施例。当本发明一般采用厚度小于10μm的金属箔工作时，如果金属箔的厚度小于5μm那么获得最好的结果，优选在1至3μm之间。

此外，金属箔一般由响应于电子入射而产生X-射线的金属制得。金属箔的材料选择决定于发射的X-射线束中需要的光子能。所有20≤Z≤90的金属都是可能的候选材料，其中Z为原子序数，尽管优选高机械强度、高熔点和与基底装置的粘结技术容易的金属。优选材料具有40至80之间的原子序数。好的候选材料例如为钨、钼或金。

根据优选实施例基底装置包括允许冷却剂流经所述金属箔的与电子入射的侧面相对的侧面的冷却线路，也就是通过水束流收集器来冷却金属箔。为了有助于优化公知的LIMAX装置的设计参数，根据液体金属的这些参数如电子射程、其扩散率、流速和湍流程度，已经采用简单的方法来测定最大的焦点温度。扩散模型产生的结果与有限元程序的结果相对的具有良好的一致性。

在改变输入上述扩散模型的参数期间获得如下意外的结果，该结果为在冷却水装置中的热传输相对于最好的液体金属候选材料导致在恒定焦点温度的功率负荷率增加10倍。在定量术语中，1mm×10mm的焦点尺寸可以负荷几十KW的电子束能力而不会超出水的沸点。在提议的X-射线源实施例中研发通过使用具有避免在其中产生X-射线的低原子序数的冷却剂以获得高功率负荷率的金属箔。

当一般的冷却剂具有低原子序数以防止响应于电子入射产生X-射线时，原子序数优选小于10。这种液体包括水和基于碳氢化合物的油。通过使用水作为冷却剂以及获得高功率负荷率的X-射线源。

为了在金属箔的区域内获得高流速的冷却剂，冷却剂流经其中的冷却线路包括在该区域内的收敛管道。从而，可以获得良好的冷却金属箔并且避免冷却剂沸腾。

根据另一优选实施例的靶包括在面对冷却剂的面上支承金属箔的载体。由于金属箔的厚度很薄，根据金属箔的材料，为了增加机械强度需要支承该金属箔。在这种情况下可以提供合适的载体，例如薄的金刚石层。

对于单色X-射线在放射诊断学的一些医疗应用，需要具有高辐射强度、以及用于短曝光时间(≤1秒)的高脉冲功率的发射源。在本发明的优选实施例中使用管状几何形状的旋转阳极，其中基底装置包括可旋转的具有原子序数小于10，特别是在4至6范围内的材料作为基底板。基底板起到支承薄金属箔的功能，并且当其快速旋转时，起到通过直接沉积到基底装置上的电子能量的对流而消除的功能。这种旋转阳极装置的短期功率负荷率比包括冷却线路的实施例中的大至少10倍，因为与包括冷却线路的实施例相比金属箔和基底板的组合可以在更高轨道速度和更高的温度下操作。从而该实施例是实现用于放射诊断学的单色X-射线源的重要步骤。

为了避免X-射线束中包括轫致辐射，提供外耦合装置，例如对X-射线透明的X-射线窗口，该外耦合装置一般仅仅传输在金属箔的反射方向上传播的X-射线，也就是在透射方向上没有X-射线进行外耦合。在优选实施例中如权利要求10所限定的外耦合装置仅仅传输从反射方向的某个角度范围内传播的X-射线。由于轫致辐射基本上完全在透射方向传播而不是在反射方向，也不是在所述角度范围内传播，这确保了基本上只有特有的单色X-射线被外耦合。

根据另一实施例外耦合装置适用于在与所述电子的入射方向基本上反平行的方向上外耦合X-射线，特别地在相对所述电子入射的方向从150°到210°角度范围的方向上。

仍根据另一优选实施例电子以基本上90°角度对准金属箔的表面，也就是，垂直于该表面。在该方向上可以确保最高效率地产生X-射线。然而，为了避免外耦合被电子源遮挡的X-射线，电子源优选放置在X-射线束的外边，也就是在与金属箔的表面差别90°的角度。为了确保电子以基本上90°的角度轰击金属箔，提供引导电子束的适合装置，例如适合的偏转线圈。

现在将参照附图更详细地解释本发明，其中：

图1示出公知X-射线管的厚靶的光子谱图，

图2示出来自薄的W靶的X-射线辐射的极座标图，

图3示出根据包括冷却线路的本发明实施例的X-射线源的第一实施例，

图4示出根据本发明的薄靶的光子谱图，和

图5示出根据本发明的具有管状几何形状的旋转阳极的X-射线源的第二实施例。

图1示出公知的具有块状W阳极的靶的X-射线管的光子谱图，该X-射线管使用2mm Al滤波器和10°阳极角度，响应于150eV电子束。在几乎离散的K线中的光子与光谱中的全部光子数量的比值是X-射线源的单色性M的量度。与本发明的X-射线源的相比较，其好处在于图1示出的谱图中M的值约为10％。电子扩散对X-射线管阳极中的热量传输的作用不可忽略是本领域公知的。这种作用在固态下增强，例如旋转阳极的X-射线管，热脉冲必须扩散穿过靶介质的时间就越短。当阳极具有相对较低导电性时电子扩散部件可以控制热传输。这是在液体阳极管的情况下，其中阳极由低原子序数的冷却剂构成而不是高原子序数的液体金属。通过该方法可以获得很大值的负荷率，即焦点的每单位面积的功率负荷从而导致在阳极中单位温度上升(负荷率的单位为W mm^-2 K^-1)。用于液体水阳极的50W mm^-2K^-1负荷率是可行的，并且这个负荷率显著大于公知的液体金属阳极可获得的最大负荷率。

显著优选以正向发射的X-射线，还确定轫致辐射的角度分布对相对论性的电子束来说具有很高的各向异性。图2例举了该情况并示出在游离的W原子上的128keV电子的轫致辐射强度B的极座标图。假定该原子在该图的中心并且电子束如箭头E示出的方向垂直向上传播。该强度与从中心到曲线的向量长度成比例。也示出特有的辐射C的角度分布。如图所示，角度分布是各向同性的，也就是特有的辐射强度在所有方向上基本相等，其中该方向包括与电子束的方向E反平行的方向。产生光子的横截面在光子能和发射角度方面不同。

基于由冷却剂束流收集器冷却的薄层金属箔的电子冲击这些考虑一起已经导致离散线性X-射线源的目的，其中该冷却剂特别为水。图3示出根据本发明的第一实施例的X-射线源。电子源1，例如阴极，发射电子束E，该电子束在线圈2产生的外部磁场的影响下旋转垂直进入靶4的电子窗口3。电子窗口3包括薄的金属箔5，该金属箔的材料的K线被激励，如果需要通过薄的载体6例如金刚石支承。

靶4还包括为中空管的冷却线路7，其中冷却剂8沿着箭头9的方向流动。为了提高在电子窗口3的区域内的冷却剂8的流速，特别是在金属箔5下，该冷却线路7包括在该区域内的收敛管道10，也就是相对其它区域的横截面减少冷却线路7的横截面。

金属箔5的厚度小于或等于电子扩散深度，在该扩散深度电子束E的入射方向上投射的单位长度能量损失具有最大值。其可以从经验式中估算得到，或者从电子传输的蒙特卡罗程序中导出。对于在W箔上150keV电子入射，W箔的值约为4μm。选择金属箔的厚度小于或等于电子扩散深度以确保电子速率向量没有机会成为在方向上是各向同性分布。实际上金属箔的厚度必然使得至少20％的电子能量沉积在箔5上，或相应地，大于80％的电子能量沉积在冷却剂8内。

在约20μm钨中这种能量范围的电子是显而易见的，也就是主要比例的整个电子能量直接沉积到冷却剂中。对于第一估算，每秒电子轰击冷却剂的体积是VRL，其中V是在收敛管道10中冷却剂8的流速，L是电子焦点垂直于图3的图示中的平面的长度，以及R是优选作为冷却剂的水中的电子射程。从而该体积的水对于温度上升ΔT每秒占用的能量值为VRLΔTC_p，其中最后的参数为水的热容量(4.2MJm^-3K^-1)。已经假设在该电子射程内电子束E的入射方向上投射的每单位长度能量损失是恒定的。代入值V＝50ms^-1，R＝250μm，L＝10^-2m，ΔT＝25°得到功率约为10kW。

基于上述条件假设箔的厚度少于5μm，优选1至3μm，例如2μm。约5％的总功率(约1kW)沉积到箔5上。在上述给定的水流速下，温度升高ΔT＝50°以足够消除该热负荷。

如同假设，冷却剂具有低平均原子序数Z以及产生轫致辐射的横截面与Z成比例，这样在冷却剂中将产生相对少量的X-射线。

穿透箔5的电子受到碰撞激励的影响从而使箔材料离子化或者偶而更多受到产生的轫致辐射的影响。如果入射电子具有足够能量，那么前者包含了K壳层电子。受激原子通过发射特有的辐射，例如具有57keV能量(K_α1线)回到其基态。各向同性地发射特有的辐射。后者效果是，轫致辐射在传输方向上几乎完全被发射，该方向也就是图3中向下的方向，而在反射方向上，也就是图3中向上的方向上，特别是在与金属箔5的表面相垂直的方向上轫致辐射的强度很低。

从而，如果使用合适的外耦合装置11，例如对X-射线透明的窗口，在反射方向观测到箔发射，特别是在与电子束的方向反平行的α(优选为±20°)角度范围，该箔发射由来自冷却剂8的低强度的轫致辐射背景组成，其中叠加了箔5的金属的特有线。这导致高辐射率C的准单色光谱。单色辐射适用于大量医学或科学放射领域，该领域包括但不局限于减少病人剂量的研究、探测器的校准和新的诊断方式的开发。

在箔中电子束E损失的平均能量通过Thomson-Whiddington定律近似确定，该定律本身是从Bethe-Bloch能量损失关系得出的。Thomson-Whiddington定律为：E²＝E² ₀-xbρ。E₀是初始电子能量，以及x是在电子束初始方向上需要减少平均电子能量至E的箔厚度。其它符号具有它们通常的含义。

Thomson-Whiddington常数b的值对钨在150keV下为8·10⁴keV²m²kg^-1。对于厚度小于电子射程来说这导致每微米箔厚度的能量损失是5keV。电子射程是将E减少至0需要的箔厚度值x，并且从该等式中该电子射程约为20μm。

图4示出从图3示出的具有采用150keV照射的2μm厚W箔的X-射线源实施例中模拟反向X-射线的结果。该谱图示出在与初始电子束方向为反平行的方向上开口半角度为15°的锥体中发射的辐射。对于该装置上述定义的单色性参数M的值为0.45并且通过优化几何形状、高电压和滤波可以进一步提高该参数值。

图5示出本发明的具有管状几何形状的旋转阳极的另一实施例，其中该阳极(也就是靶)4是旋转的。该实施例的设计来自双电极管，也就是通过绝缘体14与阴极和阳极HT绝缘的管外壳13，因为是该设计广泛应用于短期脉冲曝光的医学X-射线管。该设计不依赖于相对偏置的管外壳和阳极，此外，可以通过单极X-射线管简单地获得。

参照图5，高电压电极向(例如热离子发射)电子发射器提供具有必要的负偏置和电流的阴极1。通过静电或电磁束偏转装置(未示出)的作用，电子束E以常规的方式垂直向上入射到正偏置阳极4上。阳极4的形状或X-射线管设计的其它细节(绝缘体、阴极、承载等)对电子冲击X-射线管技术领域的人员来说是公知的，在此不在进行任何讨论。

在图5的放大插图中详细地示出在阳极4上的电子束E的冲击区域。在阳极基底材料12上沉积薄的金属薄膜5(例如，W、Mo等)，该金属薄膜的材料的K特有的辐射被激励。金属薄膜5具有厚度T，其中T≤D，D为电子扩散深度。

在管外壳13中与阳极4相对的是X-射线管的出射窗11，这样放置该出射窗以仅仅选择来自阳极4的辐射，该辐射以与电子束入射方向反平行(160°≤θ≤180°)的方向发射。如第一实施例所述，这种选自与薄膜厚度T的情况一起确保X-射线束主要由金属薄膜5的准单色K特有的线构成。

阳极基底板12的材料应当具有低Z值以吸收电子能量而不会产生轫致辐射的X-射线。具有高熔点、高导热性和高热容量的材料是有优势的。用于阳极基底板12的两个显著的候选材料为铍(Be)和石墨(C)。后者广泛应用于X-射线管的任何情况，其中由于其具有良好的导热性(150Wm^-1K^-1)和高的比热700Jkg^-1K^-1，因而后者具有高的热储存容量。

在石墨上结合的W薄膜已经得到研究并且在高于1000℃的温度下非常稳定。金属薄膜也可以沉积(例如通过电镀)到Be上，尽管看起来存在着在高温下扩散进入Be的问题。在金属薄膜5和阳极基底板12之间需要0.1μm厚度的铂(Pt)缓冲层。

图5装置的功率负荷率和与相关图3描述的操作装置相似。当冷却剂的热物理参数替换为阳极基底材料的热物理参数时。使用值V＝50ms^-1，R＝100μm，L＝10^-2m，ΔT＝1000℃，同时C_p＝700Jkg^-1 K^-1和ρ＝2500kgm^-3(石墨)得到冷阳极的1mm²焦点的瞬时功率～100kW。当石墨基底加热时负荷率明显降低。这种情形发生的程度依赖于石墨基底，例如其厚度(平行于阳极的旋转轴)和阳极直径的设计细节。

Claims (14)

1、一种X-射线源，其包括：

用于发射电子(E)的电子源(1)，

响应于入射的电子(E)而发射特有的、基本为单色X-射线(C)的靶(4)，所述靶(4)包括厚度小于10μm的金属箔(5)和用于承载所述金属箔(4)的基底装置(7、12)，其中所述金属箔(5)的金属具有能够产生X-射线(C)的高原子序数，并且基底装置(7、12)主要包括的材料具有不产生X-射线(C)的低原子序数，和

在金属箔(5)的侧面上外耦合X-射线(C)的外耦合装置(11)，在金属箔的该侧面上电子(E)入射，并且该侧面与基底装置(7、12)的侧面相对。

2、如权利要求1所述的X-射线源，其中所述基底装置包括可旋转的基底板(12)，该基底板的材料具有小于10的原子序数，特别是在4至6的范围内。

3、如权利要求1所述的X-射线源，其中所述基底装置包括冷却线路(7)，该冷却线路被布置成使得冷却剂(7)流经与电子(E)入射的侧面相对的所述金属箔(5)的侧面。

4、如权利要求3所述的X-射线源，其中该冷却剂(8)具有小于10的平均原子序数。

5、如权利要求3所述的X-射线源，其中该冷却剂(8)为水。

6、如权利要求3所述的X-射线源，其中所述冷却线路(7)包括在金属箔(5)的区域内的收敛管道(10)。

7、如权利要求3所述的X-射线源，其中所述靶(4)还包括低原子序数材料的载体(6)，特别地该材料具有小于10的平均原子序数，并且该载体在面对冷却剂(8)的侧面上支承金属箔(5)。

8、如权利要求1所述的X-射线源，其中该金属箔(5)的厚度小于5μm，优选1至3μm。

9、如权利要求1所述的X-射线源，其中所述金属箔(5)的金属的原子序数在40至80之间。

10、如权利要求1所述的X-射线源，其中所述外耦合装置(11)适于在相对金属箔(5)表面基本为45°到135°，特别是70°到110°角度范围内的角度上外耦合X-射线(C)。

11、如权利要求1所述的X-射线源，其中所述外耦合装置(11)适于在与所述电子(E)的入射方向基本上为反平行的方向上外耦合X-射线(C)，特别地在相对所述电子(E)入射的方向为150°到210°角度范围内的角度的方向上。

12、如权利要求1所述的X-射线源，其中所述电子(E)以基本上90°的角度对准所述金属箔(5)的表面。

13、如权利要求1所述的X-射线源，其中所述电子源(1)位于在要进行外耦合的X-射线束(C)的外边，所述X-射线源还包括将电子束(E)引导对准金属箔(5)的装置(2)。

14、一种在X-射线源中使用的靶，该X-射线源响应于入射的电子(E)产生特有的、基本单色X-射线(C)，所述靶(4)包括厚度小于10μm的金属箔(5)和用于承载所述金属箔(5)的基底装置(7、12)，其中所述金属箔(5)的金属具有能够产生X-射线(C)的高原子序数，并且基底装置(7、12)主要包括的材料具有不产生X-射线(C)的低原子序数。

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