專利名稱：生單色x－射線的x－射線源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種X-射線源，其包括用于電子發(fā)射的電子源、響應(yīng)于電子入射進行X-射線發(fā)射的靶和用于外耦合X-射線的外耦合裝置。此外，本發(fā)明涉及一種用于這種X-射線源的靶。
US 6185277中描述了基于湍流液體金屬中產(chǎn)生的軔致輻射的這種X-射線源，也稱為LIMAX(液體金屬陽極X-射線源)。電子通過電子窗口進入液流，該電子窗口為金屬箔，例如由鉬或鎢制成，或為金剛石薄膜。電子窗口非常薄，特別為幾個微米，從而電子束在窗口處僅損失了其初始能量的小部分。
本發(fā)明的目的是提供X-射線源和用于這種X射線源能夠產(chǎn)生基本單色X-射線的靶，這種X-射線源可以達到放射劑量顯著減少并且相對于公知的X-射線源可以獲得較高的功率負(fù)荷率。
根據(jù)本發(fā)明通過如權(quán)利要求1所要求的X-射線源達到這個目的，該權(quán)利要求1包括發(fā)射電子的電子源，響應(yīng)于電子入射發(fā)射特有的、基本上單色的X-射線的靶，所述靶包括小于10μm厚度的金屬箔和用于承載所述金屬箔的基底裝置，其中所述金屬箔的金屬具有能夠產(chǎn)生X-射的高原子序數(shù)，并且基底裝置中主要包括的材料具有不產(chǎn)生X-射線的低原子序數(shù)，和在金屬箔的側(cè)面上外耦合X-射線的外耦合裝置，電子在金屬箔上入射，并且該金屬箔與基底裝置的側(cè)面對置。
權(quán)利要求14中限定了用于這種X-射線源的相對應(yīng)的靶。
本發(fā)明目的是提供一種基于由基底裝置承載的薄金屬箔的電子沖擊的離散線性X-射線源?；灸康脑谟谕ㄟ^觀測在電子入射的靶的側(cè)面上發(fā)射的輻射來排斥軔致輻射，也就是與初始電子束方向基本上反平行的輻射。構(gòu)成電子窗口的金屬箔制備地相當(dāng)薄以保持在箔上入射的電子束的一定程度的角度校準(zhǔn)。箔的厚度小于電子擴散厚度；從而，大部分的電子束直接沉積在基底裝置上。在特定位置假定是否合適僅僅通過光電子束傳輸?shù)哪M得到確定，例如蒙特卡羅(Monte-Carlo)模擬。從而提議的X-射線源的功率負(fù)荷率遠(yuǎn)大于公知的固定陽極X-射線源的功率負(fù)荷率。
在從屬權(quán)利要求中限定了本發(fā)明的優(yōu)選實施例。當(dāng)本發(fā)明一般采用厚度小于10μm的金屬箔工作時，如果金屬箔的厚度小于5μm那么獲得最好的結(jié)果，優(yōu)選在1至3μm之間。
此外，金屬箔一般由響應(yīng)于電子入射而產(chǎn)生X-射線的金屬制得。金屬箔的材料選擇決定于發(fā)射的X-射線束中需要的光子能。所有20≤Z≤90的金屬都是可能的候選材料，其中Z為原子序數(shù)，盡管優(yōu)選高機械強度、高熔點和與基底裝置的粘結(jié)技術(shù)容易的金屬。優(yōu)選材料具有40至80之間的原子序數(shù)。好的候選材料例如為鎢、鉬或金。
根據(jù)優(yōu)選實施例基底裝置包括允許冷卻劑流經(jīng)所述金屬箔的與電子入射的側(cè)面相對的側(cè)面的冷卻線路，也就是通過水束流收集器來冷卻金屬箔。為了有助于優(yōu)化公知的LIMAX裝置的設(shè)計參數(shù)，根據(jù)液體金屬的這些參數(shù)如電子射程、其擴散率、流速和湍流程度，已經(jīng)采用簡單的方法來測定最大的焦點溫度。擴散模型產(chǎn)生的結(jié)果與有限元程序的結(jié)果相對的具有良好的一致性。
在改變輸入上述擴散模型的參數(shù)期間獲得如下意外的結(jié)果，該結(jié)果為在冷卻水裝置中的熱傳輸相對于最好的液體金屬候選材料導(dǎo)致在恒定焦點溫度的功率負(fù)荷率增加10倍。在定量術(shù)語中，1mm×10mm的焦點尺寸可以負(fù)荷幾十KW的電子束能力而不會超出水的沸點。在提議的X-射線源實施例中研發(fā)通過使用具有避免在其中產(chǎn)生X-射線的低原子序數(shù)的冷卻劑以獲得高功率負(fù)荷率的金屬箔。
當(dāng)一般的冷卻劑具有低原子序數(shù)以防止響應(yīng)于電子入射產(chǎn)生X-射線時，原子序數(shù)優(yōu)選小于10。這種液體包括水和基于碳?xì)浠衔锏挠?。通過使用水作為冷卻劑以及獲得高功率負(fù)荷率的X-射線源。
為了在金屬箔的區(qū)域內(nèi)獲得高流速的冷卻劑，冷卻劑流經(jīng)其中的冷卻線路包括在該區(qū)域內(nèi)的收斂管道。從而，可以獲得良好的冷卻金屬箔并且避免冷卻劑沸騰。
根據(jù)另一優(yōu)選實施例的靶包括在面對冷卻劑的面上支承金屬箔的載體。由于金屬箔的厚度很薄，根據(jù)金屬箔的材料，為了增加機械強度需要支承該金屬箔。在這種情況下可以提供合適的載體，例如薄的金剛石層。
對于單色X-射線在放射診斷學(xué)的一些醫(yī)療應(yīng)用，需要具有高輻射強度、以及用于短曝光時間(≤1秒)的高脈沖功率的發(fā)射源。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中使用管狀幾何形狀的旋轉(zhuǎn)陽極，其中基底裝置包括可旋轉(zhuǎn)的具有原子序數(shù)小于10，特別是在4至6范圍內(nèi)的材料作為基底板?；装迤鸬街С斜〗饘俨墓δ?，并且當(dāng)其快速旋轉(zhuǎn)時，起到通過直接沉積到基底裝置上的電子能量的對流而消除的功能。這種旋轉(zhuǎn)陽極裝置的短期功率負(fù)荷率比包括冷卻線路的實施例中的大至少10倍，因為與包括冷卻線路的實施例相比金屬箔和基底板的組合可以在更高軌道速度和更高的溫度下操作。從而該實施例是實現(xiàn)用于放射診斷學(xué)的單色X-射線源的重要步驟。
為了避免X-射線束中包括軔致輻射，提供外耦合裝置，例如對X-射線透明的X-射線窗口，該外耦合裝置一般僅僅傳輸在金屬箔的反射方向上傳播的X-射線，也就是在透射方向上沒有X-射線進行外耦合。在優(yōu)選實施例中如權(quán)利要求10所限定的外耦合裝置僅僅傳輸從反射方向的某個角度范圍內(nèi)傳播的X-射線。由于軔致輻射基本上完全在透射方向傳播而不是在反射方向，也不是在所述角度范圍內(nèi)傳播，這確保了基本上只有特有的單色X-射線被外耦合。
根據(jù)另一實施例外耦合裝置適用于在與所述電子的入射方向基本上反平行的方向上外耦合X-射線，特別地在相對所述電子入射的方向從150°到210°角度范圍的方向上。
仍根據(jù)另一優(yōu)選實施例電子以基本上90°角度對準(zhǔn)金屬箔的表面，也就是，垂直于該表面。在該方向上可以確保最高效率地產(chǎn)生X-射線。然而，為了避免外耦合被電子源遮擋的X-射線，電子源優(yōu)選放置在X-射線束的外邊，也就是在與金屬箔的表面差別90°的角度。為了確保電子以基本上90°的角度轟擊金屬箔，提供引導(dǎo)電子束的適合裝置，例如適合的偏轉(zhuǎn)線圈。
現(xiàn)在將參照附圖更詳細(xì)地解釋本發(fā)明，其中

圖1示出公知X-射線管的厚靶的光子譜圖，圖2示出來自薄的W靶的X-射線輻射的極座標(biāo)圖，圖3示出根據(jù)包括冷卻線路的本發(fā)明實施例的X-射線源的第一實施例，圖4示出根據(jù)本發(fā)明的薄靶的光子譜圖，和圖5示出根據(jù)本發(fā)明的具有管狀幾何形狀的旋轉(zhuǎn)陽極的X-射線源的第二實施例。
圖1示出公知的具有塊狀W陽極的靶的X-射線管的光子譜圖，該X-射線管使用2mm Al濾波器和10°陽極角度，響應(yīng)于150eV電子束。在幾乎離散的K線中的光子與光譜中的全部光子數(shù)量的比值是X-射線源的單色性M的量度。與本發(fā)明的X-射線源的相比較，其好處在于圖1示出的譜圖中M的值約為10％。電子擴散對X-射線管陽極中的熱量傳輸?shù)淖饔貌豢珊雎允潜绢I(lǐng)域公知的。這種作用在固態(tài)下增強，例如旋轉(zhuǎn)陽極的X-射線管，熱脈沖必須擴散穿過靶介質(zhì)的時間就越短。當(dāng)陽極具有相對較低導(dǎo)電性時電子擴散部件可以控制熱傳輸。這是在液體陽極管的情況下，其中陽極由低原子序數(shù)的冷卻劑構(gòu)成而不是高原子序數(shù)的液體金屬。通過該方法可以獲得很大值的負(fù)荷率，即焦點的每單位面積的功率負(fù)荷從而導(dǎo)致在陽極中單位溫度上升(負(fù)荷率的單位為W mm-2K-1)。用于液體水陽極的50W mm-2K-1負(fù)荷率是可行的，并且這個負(fù)荷率顯著大于公知的液體金屬陽極可獲得的最大負(fù)荷率。
顯著優(yōu)選以正向發(fā)射的X-射線，還確定軔致輻射的角度分布對相對論性的電子束來說具有很高的各向異性。圖2例舉了該情況并示出在游離的W原子上的128keV電子的軔致輻射強度B的極座標(biāo)圖。假定該原子在該圖的中心并且電子束如箭頭E示出的方向垂直向上傳播。該強度與從中心到曲線的向量長度成比例。也示出特有的輻射C的角度分布。如圖所示，角度分布是各向同性的，也就是特有的輻射強度在所有方向上基本相等，其中該方向包括與電子束的方向E反平行的方向。產(chǎn)生光子的橫截面在光子能和發(fā)射角度方面不同。
基于由冷卻劑束流收集器冷卻的薄層金屬箔的電子沖擊這些考慮一起已經(jīng)導(dǎo)致離散線性X-射線源的目的，其中該冷卻劑特別為水。圖3示出根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的X-射線源。電子源1，例如陰極，發(fā)射電子束E，該電子束在線圈2產(chǎn)生的外部磁場的影響下旋轉(zhuǎn)垂直進入靶4的電子窗口3。電子窗口3包括薄的金屬箔5，該金屬箔的材料的K線被激勵，如果需要通過薄的載體6例如金剛石支承。
靶4還包括為中空管的冷卻線路7，其中冷卻劑8沿著箭頭9的方向流動。為了提高在電子窗口3的區(qū)域內(nèi)的冷卻劑8的流速，特別是在金屬箔5下，該冷卻線路7包括在該區(qū)域內(nèi)的收斂管道10，也就是相對其它區(qū)域的橫截面減少冷卻線路7的橫截面。
金屬箔5的厚度小于或等于電子擴散深度，在該擴散深度電子束E的入射方向上投射的單位長度能量損失具有最大值。其可以從經(jīng)驗式中估算得到，或者從電子傳輸?shù)拿商乜_程序中導(dǎo)出。對于在W箔上150keV電子入射，W箔的值約為4μm。選擇金屬箔的厚度小于或等于電子擴散深度以確保電子速率向量沒有機會成為在方向上是各向同性分布。實際上金屬箔的厚度必然使得至少20％的電子能量沉積在箔5上，或相應(yīng)地，大于80％的電子能量沉積在冷卻劑8內(nèi)。
在約20μm鎢中這種能量范圍的電子是顯而易見的，也就是主要比例的整個電子能量直接沉積到冷卻劑中。對于第一估算，每秒電子轟擊冷卻劑的體積是VRL，其中V是在收斂管道10中冷卻劑8的流速，L是電子焦點垂直于圖3的圖示中的平面的長度，以及R是優(yōu)選作為冷卻劑的水中的電子射程。從而該體積的水對于溫度上升ΔT每秒占用的能量值為VRLΔTCp，其中最后的參數(shù)為水的熱容量(4.2MJm-3K-1)。已經(jīng)假設(shè)在該電子射程內(nèi)電子束E的入射方向上投射的每單位長度能量損失是恒定的。代入值V＝50ms-1，R＝250μm，L＝10-2m，ΔT＝25°得到功率約為10kW。
基于上述條件假設(shè)箔的厚度少于5μm，優(yōu)選1至3μm，例如2μm。約5％的總功率(約1kW)沉積到箔5上。在上述給定的水流速下，溫度升高ΔT＝50°以足夠消除該熱負(fù)荷。
如同假設(shè)，冷卻劑具有低平均原子序數(shù)Z以及產(chǎn)生軔致輻射的橫截面與Z成比例，這樣在冷卻劑中將產(chǎn)生相對少量的X-射線。
穿透箔5的電子受到碰撞激勵的影響從而使箔材料離子化或者偶而更多受到產(chǎn)生的軔致輻射的影響。如果入射電子具有足夠能量，那么前者包含了K殼層電子。受激原子通過發(fā)射特有的輻射，例如具有57keV能量(Kα1線)回到其基態(tài)。各向同性地發(fā)射特有的輻射。后者效果是，軔致輻射在傳輸方向上幾乎完全被發(fā)射，該方向也就是圖3中向下的方向，而在反射方向上，也就是圖3中向上的方向上，特別是在與金屬箔5的表面相垂直的方向上軔致輻射的強度很低。
從而，如果使用合適的外耦合裝置11，例如對X-射線透明的窗口，在反射方向觀測到箔發(fā)射，特別是在與電子束的方向反平行的α(優(yōu)選為±20°)角度范圍，該箔發(fā)射由來自冷卻劑8的低強度的軔致輻射背景組成，其中疊加了箔5的金屬的特有線。這導(dǎo)致高輻射率C的準(zhǔn)單色光譜。單色輻射適用于大量醫(yī)學(xué)或科學(xué)放射領(lǐng)域，該領(lǐng)域包括但不局限于減少病人劑量的研究、探測器的校準(zhǔn)和新的診斷方式的開發(fā)。
在箔中電子束E損失的平均能量通過Thomson-Whiddington定律近似確定，該定律本身是從Bethe-Bloch能量損失關(guān)系得出的。Thomson-Whiddington定律為E2＝E20-xbρ。E0是初始電子能量，以及x是在電子束初始方向上需要減少平均電子能量至E的箔厚度。其它符號具有它們通常的含義。
Thomson-Whiddington常數(shù)b的值對鎢在150keV下為8·104keV2m2kg-1。對于厚度小于電子射程來說這導(dǎo)致每微米箔厚度的能量損失是5keV。電子射程是將E減少至0需要的箔厚度值x，并且從該等式中該電子射程約為20μm。
圖4示出從圖3示出的具有采用150keV照射的2μm厚W箔的X-射線源實施例中模擬反向X-射線的結(jié)果。該譜圖示出在與初始電子束方向為反平行的方向上開口半角度為15°的錐體中發(fā)射的輻射。對于該裝置上述定義的單色性參數(shù)M的值為0.45并且通過優(yōu)化幾何形狀、高電壓和濾波可以進一步提高該參數(shù)值。
圖5示出本發(fā)明的具有管狀幾何形狀的旋轉(zhuǎn)陽極的另一實施例，其中該陽極(也就是靶)4是旋轉(zhuǎn)的。該實施例的設(shè)計來自雙電極管，也就是通過絕緣體14與陰極和陽極HT絕緣的管外殼13，因為是該設(shè)計廣泛應(yīng)用于短期脈沖曝光的醫(yī)學(xué)X-射線管。該設(shè)計不依賴于相對偏置的管外殼和陽極，此外，可以通過單極X-射線管簡單地獲得。
參照圖5，高電壓電極向(例如熱離子發(fā)射)電子發(fā)射器提供具有必要的負(fù)偏置和電流的陰極1。通過靜電或電磁束偏轉(zhuǎn)裝置(未示出)的作用，電子束E以常規(guī)的方式垂直向上入射到正偏置陽極4上。陽極4的形狀或X-射線管設(shè)計的其它細(xì)節(jié)(絕緣體、陰極、承載等)對電子沖擊X-射線管技術(shù)領(lǐng)域的人員來說是公知的，在此不在進行任何討論。
在圖5的放大插圖中詳細(xì)地示出在陽極4上的電子束E的沖擊區(qū)域。在陽極基底材料12上沉積薄的金屬薄膜5(例如，W、Mo等)，該金屬薄膜的材料的K特有的輻射被激勵。金屬薄膜5具有厚度T，其中T≤D，D為電子擴散深度。
在管外殼13中與陽極4相對的是X-射線管的出射窗11，這樣放置該出射窗以僅僅選擇來自陽極4的輻射，該輻射以與電子束入射方向反平行(160°≤θ≤180°)的方向發(fā)射。如第一實施例所述，這種選自與薄膜厚度T的情況一起確保X-射線束主要由金屬薄膜5的準(zhǔn)單色K特有的線構(gòu)成。
陽極基底板12的材料應(yīng)當(dāng)具有低Z值以吸收電子能量而不會產(chǎn)生軔致輻射的X-射線。具有高熔點、高導(dǎo)熱性和高熱容量的材料是有優(yōu)勢的。用于陽極基底板12的兩個顯著的候選材料為鈹(Be)和石墨(C)。后者廣泛應(yīng)用于X-射線管的任何情況，其中由于其具有良好的導(dǎo)熱性(150Wm-1K-1)和高的比熱700Jkg-1K-1，因而后者具有高的熱儲存容量。
在石墨上結(jié)合的W薄膜已經(jīng)得到研究并且在高于1000℃的溫度下非常穩(wěn)定。金屬薄膜也可以沉積(例如通過電鍍)到Be上，盡管看起來存在著在高溫下擴散進入Be的問題。在金屬薄膜5和陽極基底板12之間需要0.1μm厚度的鉑(Pt)緩沖層。
圖5裝置的功率負(fù)荷率和與相關(guān)圖3描述的操作裝置相似。當(dāng)冷卻劑的熱物理參數(shù)替換為陽極基底材料的熱物理參數(shù)時。使用值V＝50ms-1，R＝100μm，L＝10-2m，ΔT＝1000℃，同時Cp＝700Jkg-1K-1和ρ＝2500kgm-3(石墨)得到冷陽極的1mm2焦點的瞬時功率～100kW。當(dāng)石墨基底加熱時負(fù)荷率明顯降低。這種情形發(fā)生的程度依賴于石墨基底，例如其厚度(平行于陽極的旋轉(zhuǎn)軸)和陽極直徑的設(shè)計細(xì)節(jié)。
權(quán)利要求
1.一種X-射線源，其包括用于發(fā)射電子(E)的電子源(1)，響應(yīng)于入射的電子(E)而發(fā)射特有的、基本為單色X-射線(C)的靶(4)，所述靶(4)包括厚度小于10μm的金屬箔(5)和用于承載所述金屬箔(4)的基底裝置(7、12)，其中所述金屬箔(5)的金屬具有能夠產(chǎn)生X-射線(C)的高原子序數(shù)，并且基底裝置(7、12)主要包括的材料具有不產(chǎn)生X-射線(C)的低原子序數(shù)，和在金屬箔(5)的側(cè)面上外耦合X-射線(C)的外耦合裝置(11)，在金屬箔的該側(cè)面上電子(E)入射，并且該側(cè)面與基底裝置(7、12)的側(cè)面相對。
2.如權(quán)利要求1所述的X-射線源，其中所述基底裝置包括可旋轉(zhuǎn)的基底板(12)，該基底板的材料具有小于10的原子序數(shù)，特別是在4至6的范圍內(nèi)。
3.如權(quán)利要求1所述的X-射線源，其中所述基底裝置包括冷卻線路(7)，該冷卻線路被布置成使得冷卻劑(7)流經(jīng)與電子(E)入射的側(cè)面相對的所述金屬箔(5)的側(cè)面。
4.如權(quán)利要求3所述的X-射線源，其中該冷卻劑(8)具有小于10的平均原子序數(shù)。
5.如權(quán)利要求3所述的X-射線源，其中該冷卻劑(8)為水。
6.如權(quán)利要求3所述的X-射線源，其中所述冷卻線路(7)包括在金屬箔(5)的區(qū)域內(nèi)的收斂管道(10)。
7.如權(quán)利要求3所述的X-射線源，其中所述靶(4)還包括低原子序數(shù)材料的載體(6)，特別地該材料具有小于10的平均原子序數(shù)，并且該載體在面對冷卻劑(8)的側(cè)面上支承金屬箔(5)。
8.如權(quán)利要求1所述的X-射線源，其中該金屬箔(5)的厚度小于5μm，優(yōu)選1至3μm。
9.如權(quán)利要求1所述的X-射線源，其中所述金屬箔(5)的金屬的原子序數(shù)在40至80之間。
10.如權(quán)利要求1所述的X-射線源，其中所述外耦合裝置(11)適于在相對金屬箔(5)表面基本為45°到135°，特別是70°到110°角度范圍內(nèi)的角度上外耦合X-射線(C)。
11.如權(quán)利要求1所述的X-射線源，其中所述外耦合裝置(11)適于在與所述電子(E)的入射方向基本上為反平行的方向上外耦合X-射線(C)，特別地在相對所述電子(E)入射的方向為150°到210°角度范圍內(nèi)的角度的方向上。
12.如權(quán)利要求1所述的X-射線源，其中所述電子(E)以基本上90°的角度對準(zhǔn)所述金屬箔(5)的表面。
13.如權(quán)利要求1所述的X-射線源，其中所述電子源(1)位于在要進行外耦合的X-射線束(C)的外邊，所述X-射線源還包括將電子束(E)引導(dǎo)對準(zhǔn)金屬箔(5)的裝置(2)。
14.一種在X-射線源中使用的靶，該X-射線源響應(yīng)于入射的電子(E)產(chǎn)生特有的、基本單色X-射線(C)，所述靶(4)包括厚度小于10μm的金屬箔(5)和用于承載所述金屬箔(5)的基底裝置(7、12)，其中所述金屬箔(5)的金屬具有能夠產(chǎn)生X-射線(C)的高原子序數(shù)，并且基底裝置(7、12)主要包括的材料具有不產(chǎn)生X-射線(C)的低原子序數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種X－射線源，其包括用于發(fā)射電子(E)的電子源(1)、響應(yīng)于入射的電子(E)而發(fā)射特有的、基本為單色X－射線(C)的靶(4)和外耦合X－射線的外耦合裝置(11)。為了獲得具有高功率負(fù)荷率的特有的、基本上單色的X－射線，電子在厚度小于10μm的金屬箔(5)上入射并且放置基底裝置(7、12)，其中所述金屬箔(5)的金屬具有能夠產(chǎn)生X－射線(C)的高原子序數(shù)，并且基底裝置(7、12)主要包括的材料具有不產(chǎn)生X－射線(C)的低原子序數(shù)。外耦合裝置適于在電子(E)入射的金屬箔(5)側(cè)面上外耦合X－射線(C)，金屬箔的該側(cè)面與基底裝置(7、12)的側(cè)面相對，因為在該側(cè)面上幾乎沒有軔致輻射產(chǎn)生。
文檔編號H01J35/00GK1723526SQ200380105605
公開日2006年1月18日 申請日期2003年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月11日
發(fā)明者G·哈丁格 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司