CN109730706A - 一种本地二次荧光辐射x球管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种本地二次荧光辐射X球管，包括：真空管；灯丝发射器，设于真空管内，用于发射电子；聚焦器，设于真空管内，用于使灯丝发射器发出的电子聚拢成电子束；靶材组件，安装在真空管上，包括沿电子束的发射方向依次设置的主靶材和副靶材，并且主靶材的厚度小于副靶材的厚度；所述电子束在主靶材上产生小焦点或分散焦点。本发明聚焦器使灯丝发射器发出的电子聚拢至靶材组件的主靶材上形成X射线，X射线通过副靶材能够直接本地激发二次荧光，能量转化率高，无需高功率输入便能够实现高光亮，能够实现微焦点的生成，能量转化率高使得球管的体积以及功率可以很小，大幅简化应用场景。
Description
技术领域
本发明涉及一种本地二次荧光辐射X球管。
背景技术
X射线产生是用电子击打靶材获得，一般射线包括连续(Bremsstrahlung)谱线和特征谱线两种。如果入射电子能量足够高，特征谱线就会被显现出来。此时两种谱线的能量分布约在70％和30％能量分布，随电子能量大小而变化。连续谱线是由于电子撞击原子改变方向，能量损失释放造成。特征谱线是由于电子敲击掉原子内核电子，导致外层电子跃迁造成能量损失，以X射线形式释放。由于跃迁能量差异固定，X射线的能量也是对应固定的。传统的Coolidge球管以Bremsstrahlung射线的使用为主。而传统的二次荧光的应用一般仅限于依据特征谱线进行物料检测。在此应用中，由于第二靶材与第一靶材的X射线距离较远，已经有大量的X射线通过散射和屏蔽被衰减，剩余的射线击打到第二靶材已经非常微弱。这些特征射线可以通过探测器在近距离进行探测以进行物料分析，但是光强已经很弱，再次进行成像使用已经没有可能。
传统的库里奇球管也不能有效利用二次荧光。首先，主要的Bremsstrahlung致辐射排放相对于电子束具有向前取向，因而大部分获得的从侧窗出现的X射线通量所对应的立体角很小，并且也是一次辐射的结果。二次荧光的结果大多已经被屏蔽，基本无法从侧窗发出。其次，为了将X射线光谱集中在最适合靶材厚度和密度的能级，光栅也被普遍使用。虽然栅格优先吸收具有较高和较低能量部分的光子通量，但由于距离较远，远远不如本地荧光对能量的转化和过滤有效，同时它也进一步降低了所需能量窗口中光子通量的亮度。
一般的荧光射线设计都是先通过球管中的电子击打主靶材获得常规X射线，再使用此X射线去进一步照射远处的二次靶材以产生的二次荧光辐射。在最常见物料成分检测的应用中，被测物实际充当二次靶材的地位，发出的二次荧光可以使用探测器去进行定性定量，从而确定被测物成分(见图1)。
申请人旨在设计一种通过将二次荧光辐射的过程本地化，从而实现得到以荧光谱线为主的X射线的本地二次荧光辐射X球管。利用荧光谱线为主的射线在进行无损探测时的例子(见图2)。传统的荧光用于检测物体成分，两种靶材距离较远。由于传统式库里奇球管的使用能效已经很低，照射至副靶材的光亮已经不高，进一步产生二次荧光的效率更为低下。这类微弱的荧光除了使用探测器去直接进行定性定量物料检测外，已不易再做其他用途。传统的库里奇球管60％的电子能量转换成了热能，39％的被反射，只有1％被转换成了X射线(见图3)。这1％的只有0.03％被使用，而其他的大部分被防辐射材料遮挡没有被使用。这少量的光量照射被测物产生的二次荧光是非常弱的。
发明内容
本发明的目的是提供一种可以高能效发射出以本地荧光辐射为主的射线的本地二次荧光辐射X球管。
实现本发明目的的技术方案是：一种本地二次荧光辐射X球管，包括：
真空管；
灯丝发射器，设于真空管内，用于发射电子；
聚焦器，设于真空管内，用于使灯丝发射器发出的电子聚拢成电子束；
靶材组件，安装在真空管上，包括沿电子束的发射方向依次设置的主靶材和副靶材，并且主靶材的厚度小于副靶材的厚度；所述电子束在主靶材上产生小焦点或分散焦点。
所述真空管包括陶瓷管和壳体；所述壳体用于封闭陶瓷管；所述灯丝发射器和聚焦器均设于陶瓷管内；所述靶材组件设于壳体的一端，并且靶材组件与灯丝发射器对齐。
所述真空管的壳体与陶瓷管之间填充有绝缘材料。
还包括套设在真空管外壁上的，屏蔽多余辐射以及约束靶材组件辐射角度的防辐射屏蔽罩。
所述防辐射屏蔽罩靠近靶材组件的一端设有用于约束靶材的辐射角度的约束部；所述约束部呈环形，靶材组件位于约束部的轴心；所述约束部的内直径由内之外逐步增大。
还包括设于真空管的陶瓷管与壳体之间的高压电模组；所述靶材组件、灯丝发射器和聚焦器分别与高压电模组电性连接，并且靶材组件与灯丝发射器形成电势差异。
所述聚焦器通过电压对灯丝发射器释放的电子施压，来将电子限制在狭小的行走角度里，从而形成电子束，并使电子束打击靶材组件的主靶材。
所述高压电模组包括变压器。
还包括磁场发生器；所述磁场发生器用于从真空管外侧发生磁场穿透真空管来影响灯丝发射器发出的电子最终在靶材组件的主靶材上的焦点位置。
所述聚焦器为聚焦镜。
所述靶材组件的副靶材设有多个，并且靠近主靶材的副靶材的厚度大于远离主靶材的副靶材的厚度。
采用了上述技术方案，本发明具有以下的有益效果：(1)本发明聚焦器使灯丝发射器发出的电子聚拢至靶材组件的主靶材上形成X射线，X射线通过副靶材能够直接本地激发二次荧光，能量转化率高，能够保持较高的光通量，无需高功率输入便能够实现高光亮，能够实现微焦点的生成，能量转化率高使得球管的体积以及功率可以很小，大大简化的应用场景。
(2)本发明通过聚焦器使得有效聚焦和焦点的小型化，能够有效减小图像的干扰和重影，增强图像清晰度，增加信噪比，使得球管能够应用于显微镜以及近距离成像上，由于采用灯丝发射器，灯丝本身直径较小，电流通常低于2毫安，能够有效减小使用功率，减小球管体积，同时通过聚焦器聚焦后，电子束的绝大多数电子被传递至靶材组件上，使得电子使用效率较高，而且靶材组件的本地主靶材、副靶材的设计，光效又能够有效提高
(3)本发明的真空管的壳体与陶瓷管之间填充有绝缘材料，避免漏电。
(4)本发明的还包括套设在真空管外壁上的，屏蔽多余辐射以及约束靶材组件辐射角度的防辐射屏蔽罩，能够有效屏蔽无用辐射，以及约束生成的二次荧光的辐射角。并且二次荧光的出光角度可以从窄角10度到广角80度进行调节，大幅缩减检测所需距离。
(5)本发明的高压电模组包括变压器，变压器通过调节高压，来调节灯丝发射器打击靶材组件的电子能量，从而对X射线光子能量范围进行控制，高压可在1KV～120KV调节。
(6)本发明还包括磁场发生器，通过磁场发生器进一步影响电子的走向，从而对出光频谱进行调节，并有助于分散靶材组件的受热区域，延长靶材的使用寿命。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1为非本地靶材探测示意图。
图2为本地靶材探测示意图。
图3为传统的库里奇球管的能量转换示意图。
图4为本发明的结构示意图。
图5为点光源和线光源的成像示意图。
图6为本发明的主靶材的能量空间分布图。
图7为本发明的电子击打靶材后的能量转移示意图。
附图中的标号为：
真空管1、陶瓷管1-1、壳体1-2、灯丝发射器2、聚焦器3、靶材组件4、主靶材4-1、副靶材4-2、防辐射屏蔽罩5、约束部5-1、高压电模组6、磁场发生器7。
具体实施方式
(实施例1)
见图4，本实施例的本地二次荧光辐射X球管，其特征在于：包括：
真空管1。
灯丝发射器2，设于真空管1内，用于发射电子。
聚焦器3，设于真空管1内，用于使灯丝发射器2发出的电子聚拢成电子束。
靶材组件4，安装在真空管1上，包括沿电子束的发射方向依次设置的主靶材4-1和副靶材4-2，并且主靶材4-1的厚度小于副靶材4-2的厚度。电子束在主靶材4-1上产生小焦点或分散焦点。
真空管1包括陶瓷管1-1和壳体1-2。壳体1-2用于封闭陶瓷管1-1。灯丝发射器2和聚焦器3均设于陶瓷管1-1内。靶材组件4设于壳体1-2的一端，并且靶材组件4与灯丝发射器2对齐。
真空管1的壳体1-2与陶瓷管1-1之间填充有绝缘材料。
本实施例的本地二次荧光辐射X球管还包括套设在真空管1外壁上的，屏蔽多余辐射以及约束靶材组件4辐射角度的防辐射屏蔽罩5。
防辐射屏蔽罩5靠近靶材组件4的一端设有用于约束靶材的辐射角度的约束部5-1。约束部5-1呈环形，靶材组件4位于约束部5-1的轴心。约束部5-1的内直径由内之外逐步增大。
本实施例的本地二次荧光辐射X球管还包括设于真空管1的陶瓷管1-1与壳体1-2之间的高压电模组6。靶材组件4、灯丝发射器2和聚焦器3分别与高压电模组6电性连接，并且靶材组件4与灯丝发射器2形成电势差异。
聚焦器3通过电压对灯丝发射器2释放的电子施压，来将电子限制在狭小的行走角度里，从而形成电子束，并使电子束打击靶材组件4的主靶材4-1。聚焦器3可以有效减小聚焦点。注意到不同的应用由不同的焦点大小需求。比如大范围的生物治疗中可能不需要小焦点，大范围的光源发射如全景成像也可能不需要。但是很多的应用都希望焦点越小越好，尤其是显微镜和近距离成像，小的焦点可以避免边缘的虚影和避免不同光源折叠成像带来的噪音。成像焦点和物体的相对大小关系会使得成像的结果与现实差异较大。线光源(类似于大焦点)对点物体产生的图像与点光源(类似于小焦点)对长物体产生的图像等同，从而会产生误判(见图5)。
传统的大型X光机产生的X射线光斑直径为300微米，导致成像距离需要足够远，如一米左右。在有了合适的聚焦后，本实施例的本地二次荧光辐射X球管可以产生低至约50微米的焦点用于近距离成像。对于显微镜的应用，甚至可以细调做到更低。
灯丝发射器2的直径较小，电流通常低于2毫安。但由于聚焦后绝大电子束电子被传递到主靶材4-1，所以电子使用效率可以保持很高。再通过二次本地荧光的副靶材4-2的设计，光效又比传统的提高很多。这导致发出的二次荧光比X传统的库里奇球管射线高效很多，增加了有用亮度。并且传统的X射线管经常使用单独的滤光器，相当于产生多个发射点，同时对光亮进行了过滤，因此无论是成像效果还是发光功效上就更加低下。在用于成像组织的X射线的场景中，较厚的组织需要更高能量的X射线；高能效使得设备的大小和功率很小，大幅简化了应用场景，比如简易CT和便携式的移动成像变成了可能，而不仅仅是局限于光亮需求较低的牙科检测。
由于聚焦器3使有效聚焦和焦点的小型化，图像的干扰和重影问题也会减小，除了增强图像清晰度以外，还会进一步增加信噪比使得所需光亮和剂量进一步的减小。图像清晰度对于需求高清晰度的无损检测中，如电路，药品，标本的都会有很大的帮助。而低剂量则对人体成像的健康安全息息相关。
通过适当的参数选择我们产生的高质量的二次荧光，也可以利用其单能谱相关特性应用其在相位差成像中。此种相位差成像大幅降低了对单色仪的需求甚至依赖，同时也可避免了减少格栅进行相干成像的难度要求，在一定程度上也避免了对大型同步发生器的依赖。
高压电模组6包括变压器。
还包括磁场发生器7。磁场发生器7用于从真空管1外侧发生磁场穿透真空管1来影响灯丝发射器2发出的电子最终在靶材组件4的主靶材4-1上的焦点位置。
聚焦器3为聚焦镜。
靶材组件4的副靶材4-2设有多个，并且靠近主靶材4-1的副靶材4-2的整体厚度大于远离主靶材4-1的副靶材4-2的厚度。
另外荧光为主的发射光，我们可以在光亮，和光的谱线上特性上进行选择。如果选择的靶材较厚，那么高能量的辐射会更多转化为二次荧光，会得到比较纯粹的光谱特性更接近于单能光，但是光效也随之降低，因为更多的能量被挡住转换为热量。在靶材组件4的主靶材4-1和副靶材4-2的厚度较大时，那么高能量的辐射会更多的转化为二次荧光，会得到比较纯粹的光谱特性更接近于单能光，但是光效也随之降低，因为更多的能量被挡住转换为热量，在靶材组件4的主靶材4-1和副靶材4-2的整体厚度较小时，则更多的光亮会穿透，也包括荧光以外较高能量的和较低能量的。在便携的场景中，高光亮的需求会更重要，而固定场景中高功率和散热不是问题的前提下，纯的荧光更有利于成像质量和降低剂量，因此，主靶材4-1和副靶材4-2的整体厚度可根据应用的场景进行选择。
本实施例的本地二次荧光辐射X球管的原理是：电子从灯丝发射器2中被发射出，聚焦器3通过电压聚焦90％以上的电子汇聚到主靶材4-1上，大幅提升了电子使用效率，主靶材4-1被电子击打后，发出的能量分为Bremsstrahlung和特征谱线，如图6所示。由于电子的能量及速率很高，由这些电子作用出的X射线的能量同时具有前倾型，从而继续向主靶材4-1深度传播达到副靶材4-2上，副靶材4-2的K吸收边缘可以选择低于甚至等同于主靶材4-1，从而可以继续吸收高能部分的X射线，进行本地二次荧光的转化，同时副靶材4-2还可以有效吸收低于其K吸收边缘部分的能量，这部分的能量在医学影像中多为人体吸收成为无用剂量对成像没有帮助，最后得到X射线以二次荧光为主，伴有少量未被完全转化的高能和低能Bremsstrahlung射线，由于以上的过程都在本地发生，较少的能量以热的形式浪费，同时Bremsstrahlung和荧光射线都没有通过屏蔽或者长距离传播的形式进行无效的衰减，从而可以保持较高的光通量。最终出光的谱线特性还可以针对电子束的能量通过靶材厚度以及材料金属的选择而进行调节，从而获得针对应用最优化的结果。
当电子进入主靶材4-1并通过非弹性库仑散射减速时，它们会在多个步骤中失去能量。前200nm都与电子相关并不产生X射线，在200nm和2um之间Bremsstrahlung辐射和特征谱线相继产生，如图7所示。电子能量高于靶材元素的K吸收边缘时，库仑与靶核的相互作用可以是Bremsstrahlung致辐射或荧光。Bremsstrahlung辐射具有前向偏好，其最有可能的能量分布约为电子束能量的2/3。为了使这部分能量可以产生共振，电子能量至少要高于K-吸收边缘50％。电子的能量产生的辐射和二次辐射的机理不同，电子只能在靶材表面激发X射线，但是本地二次射线是由光子产生。其穿透力更强，方向性更开放。副靶材4-2的厚度就决定了这些光的产生情况。副靶材4-2端窗上的热负荷仍然会产生多个非X射线产生的散射和俄歇发射，但这些仅构成电子束总能量负荷的一小部分，绝大部分能量还是由本地荧光的形式得以实现。由于这能效很高，该球管不需要较高功率即可发出高光亮，从而进一步减少了聚焦和散热的要求，从而可以实现微焦点的生成。
与电子击打产生的Bremsstrahlung辐射对比，二次荧光另一个优势在于它不再具有前倾性，而转换成均匀的全方向性。这就消除了传统库里奇球管的脚跟效应，成像流程不再具有方向特异性而大幅简化；并且光亮在球面空间的分布均匀可预判，图像的后期处理与修正也更加简洁。同时由于球面光的角度很大，通过约束器可以根据需求调节到合适的角度，而不再仅限于传统库里奇的窄角度，同等大小物体的成像检测距离可以大幅减小。由于光的衰减倍数与距离成平方关系，成像距离的减小一来减小了出光量的需求，降低设备的功率需求和制造成本，为移动的应用提供了基础；二来对环境的辐射也大幅降低，从而适用于辐射屏蔽不太容易实施的紧急场景和基础设施不发达地区等。
本实施例的本地二次荧光辐射X球管有多种应用：比如医学数字放射影像，CT成像，乳房摄影，血管造影，心血管成像，骨密度测量成像，牙科成像，电路板成像，放射治疗和利用射线照相，荧光透视，层析的集成电路成像的X射线。计算机断层扫描和多能量X射线技术可以使用本技术获得图像；也可以安装在C型臂中进行术中实时监测；也可以应用检查集成电路和电路板，或者包括行李箱和运输容器的物体的非破坏性评估；以及用于非破坏性测试应用的一般X射线荧光透视，其可用于通过杀死或改变生物样品来治疗疾病。
比如数字辐射影像中，高光亮和体积小型化可以使得便携式X射线甚至手持式仪器成为可能。同时小型化垂直的广角锥形扫描也变为可能，由于负重减小，对机械的承力要求大幅下降，可以大幅减低简易CT的成本。并有效降低辐射剂量，快速获得大区域成像。
同时由于荧光的能量带宽较窄，比较容易选择合适的能量对被测物体适当穿透，同时探测板可以更灵敏的相应。所以只需要较低的有效光亮就可以达到成像目的，可以减小病人辐射剂量而不影响图像。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种本地二次荧光辐射X球管，其特征在于：包括：
真空管(1)；
灯丝发射器(2)，设于真空管(1)内，用于发射电子；
聚焦器(3)，设于真空管(1)内，用于使灯丝发射器(2)发出的电子聚拢成电子束；
靶材组件(4)，安装在真空管(1)上，包括沿电子束的发射方向依次设置的主靶材(4-1)和副靶材(4-2)，并且主靶材(4-1)的厚度小于副靶材(4-2)的厚度；所述电子束在主靶材(4-1)上产生小焦点或分散焦点。
2.根据权利要求1所述的一种本地二次荧光辐射X球管，其特征在于：所述真空管(1)包括陶瓷管(1-1)和壳体(1-2)；所述壳体(1-2)用于封闭陶瓷管(1-1)；所述灯丝发射器(2)和聚焦器(3)均设于陶瓷管(1-1)内；所述靶材组件(4)设于壳体(1-2)的一端，并且靶材组件(4)与灯丝发射器(2)对齐。
3.根据权利要求2所述的一种本地二次荧光辐射X球管，其特征在于：所述真空管(1)的壳体(1-2)与陶瓷管(1-1)之间填充有绝缘材料。
4.根据权利要求1所述的一种本地二次荧光辐射X球管，其特征在于：还包括套设在真空管(1)外壁上的，屏蔽多余辐射以及约束靶材组件(4)辐射角度的防辐射屏蔽罩(5)。
5.根据权利要求4所述的一种本地二次荧光辐射X球管，其特征在于：所述防辐射屏蔽罩(5)靠近靶材组件(4)的一端设有用于约束靶材的辐射角度的约束部(5-1)；所述约束部(5-1)呈环形，靶材组件(4)位于约束部(5-1)的轴心；所述约束部(5-1)的内直径由内之外逐步增大。
6.根据权利要求2所述的一种本地二次荧光辐射X球管，其特征在于：还包括设于真空管(1)的陶瓷管(1-1)与壳体(1-2)之间的高压电模组(6)；所述靶材组件(4)、灯丝发射器(2)和聚焦器(3)分别与高压电模组(6)电性连接，并且靶材组件(4)与灯丝发射器(2)形成电势差异。
7.根据权利要求6所述的一种本地二次荧光辐射X球管，其特征在于：所述聚焦器(3)通过电压对灯丝发射器(2)释放的电子施压，来将电子限制在狭小的行走角度里，从而形成电子束，并使电子束打击靶材组件(4)的主靶材(4-1)。
8.根据权利要求1所述的一种本地二次荧光辐射X球管，其特征在于：还包括磁场发生器(7)；所述磁场发生器(7)用于从真空管(1)外侧发生磁场穿透真空管(1)来影响灯丝发射器(2)发出的电子最终在靶材组件(4)的主靶材(4-1)上的焦点位置。
9.根据权利要求1所述的一种本地二次荧光辐射X球管，其特征在于：所述聚焦器(3)为聚焦镜。
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