CN213305834U - 一种高能微焦点x射线生产设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种高能微焦点X射线生产设备，包括用于生成高能电子束的电子源组件和用于被电子束轰击生成高能X射线的旋转靶设备，电子源组件生成的高能聚焦电子束轰击到旋转靶设备上生成高能微焦点X射线。本申请通过采用特定的电子源和直线加速器相配合，提供长宏脉冲高平均流强的电子束，再通过螺线管和强聚焦四极透镜组的聚焦，将长宏脉冲高平均流强的电子束横向尺寸在打靶位置聚焦到比较小的尺寸，并通过束斑测量组件对电子束横向尺寸进行精确测量控制，将束斑尺寸控制到0.1mm以下，实现高能微焦点X射线输出的目的。

Description

一种高能微焦点X射线生产设备

技术领域

本实用新型属于放射装置领域，具体地说涉及一种高能微焦点X射线生产设备。

背景技术

工业CT(Industrial Computed Tomography)作为一种最佳无损检测手段，能直观显示物体内部结构信息，可对缺陷进行定位和空间尺寸测量，广泛应用于航天、航空、核电、冶金、机械、电子、建筑和石油化工等的无损检测、无损评估与逆向工程等领域。

X射线源是工业CT成像的核心部件，主要是低能微焦点射线源、常规X射线管射线源和传统的高能加速器射线源。采用电子束在电场中加速打靶，轫致辐射转换成X射线。低能微焦点射线源(电压<300kV)，焦点尺寸小分辨率高，但射线能量低，穿透能力低，常用于非金属小工件的检测。常规X射线管射线源由于能量低(最大到600kV)，穿透能力有限，最大到80mm等效钢，在大型装备及高密度材料检测受限。传统的高能加速器射线源焦点尺寸大(约2.0mm)，成像分辨率低，不利于微小细节的检测。

航空、航天、高端装备、核电、反应堆、文物等领域的X射线检测要求射线源能量高、检测分辨率高、检测速度快等要求，急迫需求高能微焦点射线源。

因此，现有技术还有待于进一步发展和改进。

实用新型内容

针对现有技术的种种不足，为了解决上述问题，现提出一种高能微焦点X射线生产设备。本实用新型提供如下技术方案：

一种高能微焦点X射线生产设备，包括用于生成高能电子束的电子源组件和用于被电子束轰击生成高能X射线的旋转靶设备，电子源组件生成的高能聚焦电子束轰击到旋转靶设备上生成高能微焦点X射线。

进一步的，所述电子源组件包括用于生成电子束的电子源、用于对电子束进行聚焦的聚焦组件以及用于提升电子束能量的直线加速器，电子源生成的电子束经过直线加速器的加速以及聚焦组件的聚焦后，轰击到旋转靶上生成高能微焦点X射线。

进一步的，所述聚焦组件包括设置于电子源和直线加速器之间的螺线管。

进一步的，所述聚焦组件包括设置于直线加速器和旋转靶之间的强聚焦四极透镜组。

进一步的，所述直线加速器包括超导直线加速器或常温微波直线加速器或光阴极直流高压电子枪。

进一步的，所述电子源包括光阴极微波电子枪或冷阴极微波电子枪。

进一步的，所述旋转靶设备包括用于分散电子束打靶能量的旋转靶和用于测量电子束束斑大小的束斑测量组件，所述旋转靶和束斑测量组件均能相对移动，使电子束在旋转靶和束斑测量组件的同一位置上形成的束斑。

进一步的，所述束斑测量组件包括用于形成束斑的束斑测量靶、用于测量束斑大小的测量组件以及用于限定束斑测量靶位置的垂直移动组件，所述束斑测量靶和所述测量组件固定于所述垂直移动组件下方。

进一步的，所述测量组件包括反射镜和成像相机，所述反射镜与所述束斑测量靶呈45度夹角，所述成像相机与所述反射镜呈45度夹角，所述成像相机与所述束斑测量靶垂直。

进一步的，所述旋转靶包括被电子束轰击生成X射线的靶盘、用于使靶盘前后移动的水平移动组件和用于使靶盘旋转的旋转组件，所述靶盘的靶心固定于旋转组件输出轴上，所述旋转组件固定于水平移动组件上。

有益效果：

本申请涉及的高能微焦点加速器提高电子束能量，减少电子束焦点尺寸，能有效克服当前射线源不能兼顾射线能量高和焦点尺寸小的矛盾，满足工业CT系统在高端精密装备等急需的检测需求。采用特定的电子源和直线加速器相配合，提供长宏脉冲高平均流强的电子束，再通过螺线管和强聚焦四极透镜组的聚焦，将长宏脉冲高平均流强的电子束横向尺寸在打靶位置聚焦到比较小的尺寸，并通过束斑测量组件对电子束横向尺寸进行精确测量控制，将束斑尺寸控制到0.1mm以下，实现高能微焦点X射线输出的目的。

附图说明

图1是本实用新型具体实施例中高能微焦点X射线生产设备结构示意图；

图2是本实用新型具体实施例中光阴极微波电子枪的工作原理示意图；

图3是本实用新型具体实施例中冷阴极微波电子枪的工作原理示意图；

图4是本实用新型具体实施例中驱动激光器产生驱动激光的脉冲时间结构示意图；

图5是本实用新型具体实施例中强聚焦四极透镜组结构示意图；

图6是本实用新型具体实施例中一种用于生成高能微焦点X射线的旋转靶设备主视内部结构及极限位置示意图；

图7是本实用新型具体实施例中一种用于生成高能微焦点X射线的旋转靶设备右视内部结构示意图；

图8是本实用新型具体实施例中一种用于生成高能微焦点X射线的旋转靶设备束斑测量状态示意图；

图9是本实用新型具体实施例中一种用于生成高能微焦点X射线的旋转靶设备打靶状态示意图；

图10是本实用新型具体实施例中测量组件测量状态示意图；

附图中：1、水平移动组件；2、旋转组件；3、靶盘；4、垂直移动组件；5、束斑测量组件；6、真空腔室；7、电子束；8、束斑测量靶；9、反射镜；10、成像相机；11、电子源；12、螺线管；13、直线加速器；14、强聚焦四极透镜组；15、旋转靶设备；16、驱动激光器；17、光阴极；18、微波电子枪；19、加速电场；20、冷阴极。

具体实施方式

为了使本领域的人员更好地理解本实用新型的技术方案，下面结合本实用新型的附图，对本实用新型的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。此外，以下实施例中提到的方向用词，例如“上”“下”“左”“右”等仅是参考附图的方向，因此，使用的方向用词是用来说明而非限制本实用新型创造。

如图1-10所示，一种高能微焦点X射线生产设备，包括用于生成高能电子束的电子源11组件和用于被电子束7轰击生成高能X射线的旋转靶设备15，电子源11组件生成的高能聚焦电子束7轰击到旋转靶设备15上生成高能微焦点X射线。

进一步的，电子源11组件包括用于生成电子束7的电子源11、用于对电子束7进行聚焦的聚焦组件以及用于提升电子束7能量的直线加速器13，电子源11生成的电子束7经过直线加速器13的加速以及聚焦组件的聚焦后，轰击到旋转靶上生成高能微焦点X射线。电子束7团由光阴极微波电子枪产生，在常温微波直线加速器中获得能量增益，再经过四极透镜组的强聚焦作用获得小焦斑，通过电子束7和X射线靶的相互作用产生微焦点的X射线，采用本方法，能解决传统工业X射线源无法提供高放射剂量率的高能微焦点X射线的问题。

进一步的，聚焦组件包括设置于电子源11和直线加速器13之间的螺线管12。螺线管12对微波电子枪18出口的电子束7进行横向聚焦，约束电子束7的束斑大小，并抑制电子束7横向发射度的增长，螺线管12通过磁场力对电子束7进行横向聚焦，然后进入常温微波直线加速器中。

进一步的，聚焦组件包括设置于直线加速器13和旋转靶之间的强聚焦四极透镜组14。强聚焦四极透镜组14由多个四极磁铁构成，四极透镜组的焦距较短，可以实现强聚焦，将高能电子束在X射线转换靶上的束斑尺寸聚焦到比较小，达到小于0.1毫米的微焦点状态。本实施例中，能量为13MeV的高能电子束经过一组三单元四极透镜组的聚焦作用，在透镜组后约10cm的地方束斑尺寸(半高全宽)小于0.1mm。

进一步的，直线加速器13包括超导直线加速器13或常温微波直线加速器。常温微波直线加速器将电子枪产生的低能电子束加速到高能(低能电子束为电子枪产生而未经常温微波加速器加速的电子束7，实施例中采用微波电子枪18产生的低能电子束能量在2-5MeV；高能电子束为经过微波直线加速器加速的电子束7，高能电子束能量为9-15MeV)。常温微波直线加速器运行在脉冲工作模式，由相应波段的脉冲功率源驱动。电子束7的能量可以通过调节直线加速器13的梯度连续调整。常温微波加速器包括驻波加速器和行波加速器，本实施例中采用1.3GHz工作频率的驻波加速器。

进一步的，电子源11包括光阴极微波电子枪或冷阴极微波电子枪或光阴极直流高压电子枪。光阴极微波电子枪由驱动激光器16、光阴极17和微波电子枪18组成，驱动激光器16产生驱动激光照射电子枪的光阴极17(金属阴极、半导体阴极灯)，通过光电发射效应产生电子，电子枪的光阴极17在驱动激光的照射下能够产生兆伏能量的低能电子束，电子束7的脉冲时间结构可根据放射剂量的要求调整。冷阴极微波电子枪由冷阴极20和微波电子枪18组成，冷阴极20在微波场的牵引下产生电子，电子枪中微波电场将电子引出并加速到准相对论能量的低能电子。进一步的，电子源11也可以是直流光阴极17高压电子枪。驱动激光器16用于产生驱动激光，驱动激光的时间结构决定了电子束7的时间结构。本实施例中，驱动激光采用宏脉冲结构，每个宏脉冲中包含多个微脉冲结构。微脉冲时间尺寸为皮秒(ps)量级，微脉冲重复频率为微波周期的整数倍，保证产生的电子束7的能量一致性；宏脉冲时间结构为微秒量级，重复频率为10～100Hz。驱动激光的时间结构如图4所示。本实施例中，驱动激光采用皮秒激光器，电子枪采用L波段(频率1.3GHz)光阴极微波电子枪。本实施例中光阴极17材料采用碲化铯半导体阴极，加速电场19是由微波功率源激发的射频电磁场。光阴极直流高压电子枪包括用于发射激光的驱动激光器、阴极和阳极，阴极和阳极之间形成引出电场，驱动激光器发出的激光入射到阴极上产生电子，电子经引出电场运动到阳极，然后从阳极处引出得到电子束。

进一步的，旋转靶设备15包括用于分散电子束7打靶能量的旋转靶和用于测量电子束7束斑大小的束斑测量组件5，旋转靶和束斑测量组件5均能相对移动，使电子束7在旋转靶和束斑测量组件5的同一位置上形成的束斑。由于高能微焦点X射线要求电子束尽可能集中的打到靶上，这就需要靶材能够承受局部瞬时高功率的轰击，而普通靶材极易在瞬时高功率轰击条件下融化，通过将靶盘3旋转就能很好的避免这一问题，并且无需更换昂贵的替代材料，使用日常所用的靶材就能很好的适应大功率高能电子束的聚焦轰击，因此，需要在原有靶盘3的基础上增加使靶盘3旋转的旋转机构即可。但是由于靶盘3在不断旋转，使得无法得知轰击到旋转靶盘3上电子束束斑的大小，而束斑的大小直接关系到生成的X射线焦点大小，因而需要增加一套能够检测并用于调整束斑大小的束斑测量组件5，使得束斑大小能够实时动态通过调整电子束的发射装置进行控制。

进一步的，束斑测量组件5包括用于形成束斑的束斑测量靶8、用于测量束斑大小的测量组件以及用于限定束斑测量靶位置的垂直移动组件4，束斑测量靶8和测量组件固定于垂直移动组件4下方。束斑测量靶8和测量组件均固定于垂直移动组件4下方，保证垂直移动组件4的上下运动同时带动束斑测量靶8和测量组件的上下运动，束斑测量靶8和测量组件的位置相对固定，从而方便计算经过转换后的束斑大小，并方便在打靶前同时移开束流中心，避免影响电子束的打靶过程。进一步的，垂直移动组件4为垂直锁紧气缸，垂直锁紧气缸的伸缩杆端部固定连接有束斑测量靶8。气缸的伸缩长度固定，从而保证连接的束斑测量靶8运动路径固定，垂直锁紧气缸的伸缩范围刚好使束斑测量靶8在真空腔室6的上下两个极限位置之间移动，而不会因为超出极限位置导致束斑测量靶8碰撞到真空腔室6内壁的情况发生，同时由于锁紧作用，使得在极限位置到位后能够保证束斑测量靶8在测量过程中或靶盘3打靶仍然不会发生位置偏移，进而不影响检测过程和打靶过程。进一步的，垂直移动组件4为带有限位卡套的手动杆，限位卡套在手动杆提升时卡接到手动杆上，手动杆端部固定连接有束斑测量靶8。在不受限位卡套影响下，将手动杆向下下压到极限位置时，为固定在垂直移动组件4端部的束斑测量靶8向下运动的极限位置，将手动杆缓慢上拉至束斑测量靶8顶部与真空腔室6内壁顶部相接时为向上运动的极限位置，此时从外面用限位卡套夹住手动杆，避免其下落影响电子束的打靶。

进一步的，测量组件包括反射镜9和成像相机10，反射镜9与束斑测量靶8呈45度夹角，成像相机10与反射镜9呈45度夹角，成像相机10与束斑测量靶8垂直。电子束打到束斑测量靶8上，并透过束斑测量靶8照射到45度反射镜9上，45度反射镜9再经过反射投影到成像相机10上，通过反射镜9进行两次45度反射，从而将水平状态的束斑投射到竖直朝上设置的镜头内，进而通过信号线引出，方便观察。进一步的，束斑测量靶8为YAG靶。YAG靶是较为常用的靶材，简单易获取，电子束打到YAG靶上后会产生荧光反应，从而方便的通过测量荧光光斑大小来间接测量束斑大小。

进一步的，旋转靶包括被电子束轰击生成X射线的靶盘3、用于使靶盘3前后移动的水平移动组件1和用于使靶盘3旋转的旋转组件，靶盘3的靶心固定于旋转组件2输出轴上，旋转组件2固定于水平移动组件1上。通过移动水平移动组件1，带动设置于水平移动组件1上的旋转组件2水平移动，旋转组件2输出轴端部固定连接靶盘3的中心轴，因此旋转组件2的水平移动直接带动靶盘3的水平移动，从而实现靶盘3与束斑测量靶8之间的相互移动让位。进一步的，水平移动组件1为水平锁紧气缸，水平锁紧气缸的伸缩杆端部固定连接有旋转组件2。气缸的伸缩长度固定，从而保证连接旋转组件2输出轴端部的靶盘3前后运动路径固定，水平锁紧气缸的伸缩范围刚好使靶盘3在真空腔室6的两个极限位置之间移动，而不会因为超出极限位置导致靶盘3碰撞到真空腔室6内壁的情况发生，同时由于锁紧作用，使得在极限位置到位后能够保证靶盘3在旋转过程中仍然不会发生位置偏移。进一步的，水平移动组件1为带有限位块的滑块和滑轨。滑块上固定有旋转组件2，滑块在滑轨上只能沿旋转组件2输出轴轴线方向来回运动，并且在滑轨的两端设置有限位块，使得连接在旋转组件2输出轴端部的靶盘3只能在真空腔室6内两个极限位置之间移动，而不会因为超出极限位置导致靶盘3碰撞到真空腔室6内壁的情况发生。进一步的，靶盘3为高原子序数靶。靶盘3，材料可以采用钨、钽、金等高原子序数材料，结构为圆盘形，旋转过程中，电子束轰击在靠近外周的靶盘3上，产生X射线。靶盘3通常采用质地硬，传热快，熔点高的高Z材料，一般使用钨或钽。本实施例中，靶盘3选用钨靶。

靶盘3、束斑测量靶8和测量组件均设置于同一真空腔室6内，保证电子束7的束流不受外力影响而偏转，首先垂直移动组件4带动束斑测量靶8做升降运动，束斑测量靶8提升时不会干涉靶盘3水平移动，当靶盘3移动到远离电子束7入射口处时，垂直移动组件4下降到极限位置时，带动束斑测量靶8到达束流中心，电子束7垂直打在束斑测量靶8上，束流测量靶一般使用YAG靶，电子束7打到YAG靶上产生荧光。在束斑测量靶8后采用镜面45°反射，将电子束7产生的光斑反射到电荷耦合器件(charge coupled device，CCD)相机，进而可以通过CCD相机的显示测量光斑的大小，如图10所示。YAG靶和电子束7传输方向呈90度，这样YAG靶上的电子束7光斑尺寸和电子束7尺寸严格相等，经过45度反射镜9反射后，CCD上光斑成像的尺寸也和电子束7尺寸相等，这样可以精确测量电子束7的尺寸。束斑大小达到使用要求后，提升起束斑测量靶8。水平移动组件1与旋转组件2和靶盘3相互连接，并带动旋转组件2和靶盘3做水平移动，当束斑测量靶8提升起时，水平移动靶盘3到靠近束流的到极限位置时，此时靶盘3与束斑测量靶8下降时位置的重合，即YAG靶形成光斑的位置和靶盘3形成束斑的位置相同，只是二者不会同时处于该位置。此时轰击在靶盘3上真实大小的束斑和测量靶测得的束斑大小相同。通过以上方法可以精确测量并控制靶盘3上电子束7的束斑尺寸，以实现微焦点的目的，通过该方式，可以实现对电子源生成的电子束7束斑进行动态调整。

以上已将本实用新型做一详细说明，以上所述，仅为本实用新型之较佳实施例而已，当不能限定本实用新型实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本实用新型涵盖范围内。

Claims (10)

1.一种高能微焦点X射线生产设备，其特征在于，包括用于生成高能电子束的电子源组件和用于被电子束轰击生成高能X射线的旋转靶设备，电子源组件生成的高能聚焦电子束轰击到旋转靶设备上生成高能微焦点X射线。

2.根据权利要求1所述的一种高能微焦点X射线生产设备，其特征在于，所述电子源组件包括用于生成电子束的电子源、用于对电子束进行聚焦的聚焦组件以及用于提升电子束能量的直线加速器，电子源生成的电子束经过直线加速器的加速以及聚焦组件的聚焦后，轰击到旋转靶上生成高能微焦点X射线。

3.根据权利要求2所述的一种高能微焦点X射线生产设备，其特征在于，所述聚焦组件包括设置于电子源和直线加速器之间的螺线管。

4.根据权利要求2所述的一种高能微焦点X射线生产设备，其特征在于，所述聚焦组件包括设置于直线加速器和旋转靶之间的强聚焦四极透镜组。

5.根据权利要求2所述的一种高能微焦点X射线生产设备，其特征在于，所述直线加速器包括超导直线加速器或常温微波直线加速器。

6.根据权利要求2所述的一种高能微焦点X射线生产设备，其特征在于，所述电子源包括光阴极微波电子枪或冷阴极微波电子枪或光阴极直流高压电子枪。

7.根据权利要求1所述的一种高能微焦点X射线生产设备，其特征在于，所述旋转靶设备包括用于分散电子束打靶能量的旋转靶和用于测量电子束束斑大小的束斑测量组件，所述旋转靶和束斑测量组件均能相对移动，使电子束在旋转靶和束斑测量组件的同一位置上形成束斑。

8.根据权利要求7所述的一种高能微焦点X射线生产设备，其特征在于，所述束斑测量组件包括用于形成束斑的束斑测量靶、用于测量束斑大小的测量组件以及用于限定束斑测量靶位置的垂直移动组件，所述束斑测量靶和所述测量组件固定于所述垂直移动组件下方。

9.根据权利要求8所述的一种高能微焦点X射线生产设备，其特征在于，所述测量组件包括反射镜和成像相机，所述反射镜与所述束斑测量靶呈45度夹角，所述成像相机与所述反射镜呈45度夹角，所述成像相机与所述束斑测量靶垂直。

10.根据权利要求7所述的一种高能微焦点X射线生产设备，其特征在于，所述旋转靶包括被电子束轰击生成X射线的靶盘、用于使靶盘前后移动的水平移动组件和用于使靶盘旋转的旋转组件，所述靶盘的靶心固定于旋转组件输出轴上，所述旋转组件固定于水平移动组件上。

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