專利名稱：基于透射陽(yáng)極x線機(jī)的可變換準(zhǔn)單能或雙能熒光x線源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及X線源裝置的改進(jìn)，具體地講是在輻射技術(shù)領(lǐng)域中用可控的無(wú)環(huán)境核污染的X線源裝置替代放射性核輻射源，用于輻射成像或各種輻射測(cè)量?jī)x器設(shè)備。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)X線技術(shù)，通過(guò)在X線管真空中電子束轟擊陽(yáng)極靶產(chǎn)生X線。根據(jù)X線物理可知，產(chǎn)生X線主要成份是從低能光子到最高能光子(其keV值等于管電壓kV值)的連續(xù)能譜軔致輻射。雖然，當(dāng)管電壓kV值超過(guò)靶材L、K殼層電子結(jié)合能keV值后，也能產(chǎn)生準(zhǔn)單能的L、K特征X光子，但可選用的靶材(滿足導(dǎo)熱好，熔點(diǎn)高、真空特征好)有限。當(dāng)所需特征X線光子能量較高(大于15keV)時(shí)，特征X線產(chǎn)生效率遠(yuǎn)低于軔致輻射連續(xù)能譜X線產(chǎn)生效率，所以直接電子轟擊產(chǎn)生準(zhǔn)單能X線僅限于衍射儀，熒光光譜儀等的X線源，限于靶材，銅、鐵、鉻等，可提供準(zhǔn)單能X線光子能量一般低于10keV。目前在15keV以上單能光子源，如用于輻射厚度計(jì)、輻射秤(核子秤)、輻射密度計(jì)、小型骨密度儀等，只能采用相應(yīng)的γ放射源。
現(xiàn)代同步輻射技術(shù)提供了可調(diào)控、高強(qiáng)度準(zhǔn)單色X線源，但設(shè)備龐大昂貴，無(wú)法廣泛應(yīng)用于替代γ同位素。同步輻射出射束夾角過(guò)小，用于單能X線成像也有一定困難。
熒光X線源采用高于熒光靶材K殼層電子結(jié)合能的X射線連續(xù)譜和特征X線光子束代替電子束輻照熒光靶片來(lái)激發(fā)該靶材特征X線，可避免軔致輻射連續(xù)能譜光子產(chǎn)生，是獲取從幾keV到100keV能量準(zhǔn)單能X線的可行方案。理論表明，取與入射方向成90℃方向收集熒光X線，相干散射和康普頓散射光子的干擾最小。熒光發(fā)射強(qiáng)度與激發(fā)X線管電流成正比，大致與激發(fā)X線管電壓的函數(shù)(U/EK-1)n成正比。式中U為激發(fā)X線管電壓(kV)，EK為熒光靶材K層結(jié)合能(keV)，n為常數(shù)值，約在1.3～1.8之間，與熒光靶材及靶角有關(guān)。熒光強(qiáng)度還成正比于一次靶焦點(diǎn)對(duì)熒光靶所張立體角大小。而熒光靶發(fā)光亮度，則反比于距一次靶焦點(diǎn)的距離平方及熒光靶出射角的正切。目前國(guó)際上所報(bào)導(dǎo)各種熒光X線源由于受傳統(tǒng)X線反射式陽(yáng)極結(jié)構(gòu)限制，實(shí)際應(yīng)用熒光靶相對(duì)一次靶焦點(diǎn)立體角較小，靶片面到焦點(diǎn)距離在30--300mm，發(fā)射效率低，亮度小。菲利蒲公司Harding博士發(fā)明的環(huán)形反射式陽(yáng)極熒光X線管，雖然把該距離減少到平均15mm，并采用極小熒光靶出射傾角(1.9°)，得到高亮度、準(zhǔn)單能熒光X線。但由于熒光錐靶置于X線管中心，不能更換，還要帶真空泵工作。

發(fā)明內(nèi)容
1、發(fā)明目的本發(fā)明提供一種基于透射陽(yáng)極X線機(jī)的可變換準(zhǔn)單能或雙能熒光X線源，其目的在于提供一個(gè)高效率、高亮度，且可以方便變換輸出光子能量的準(zhǔn)單能(或雙能)熒光X線源的新穎結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
2、技術(shù)方案本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)加以實(shí)現(xiàn)的基于透射陽(yáng)極X線機(jī)的可變換準(zhǔn)單能或雙能熒光X線源，它包括透射陽(yáng)極X線機(jī)高壓電源及其控制器，透射陽(yáng)極X線管靶層透射窗、水冷帽透射窗，透射窗和水冷帽透射窗之間的冷卻水層，透射陽(yáng)極防護(hù)套和靶室外殼，其特征在于靶層緊貼透射窗，成為透射陽(yáng)極透射窗，靠近X線管內(nèi)側(cè)為高原子序數(shù)材料制成的靶層，外側(cè)為低原子序數(shù)高導(dǎo)熱材料制成的透射窗；在其水冷帽透射窗外側(cè)緊貼設(shè)置有與出射光束中心線垂直的重合金片制成的限束片，在限束片的外側(cè)緊靠限束片設(shè)置有上部貼近限束片與限束片成一夾角的熒光靶片，夾角的范圍不大于10°；透射陽(yáng)極防護(hù)套與靶室外殼合為一體，成為熒光靶室外殼；在熒光靶室外殼的側(cè)壁下設(shè)有一個(gè)帶有熒光出射口的熒光限束片。
在需要固定單能或雙能熒光輸出時(shí)，采用插入式熒光靶片托架板，使熒光靶片可以緊貼限束片定位，并能方便地從熒光靶室外殼的側(cè)壁插入和更換。
當(dāng)需要脈沖單能光子或交變雙能熒光輸出時(shí)，采用在一個(gè)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上設(shè)置一個(gè)熒光靶片托架板轉(zhuǎn)盤，轉(zhuǎn)盤托架板上交替固定有材料和厚度不同的熒光靶片，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，熒光靶片可以在熒光靶室外殼內(nèi)的透射窗處交替更換。
定位的熒光靶片中心距透射陽(yáng)極X線管焦點(diǎn)面中心距離在5至8mm范圍內(nèi)。
透射陽(yáng)極X線管的兩個(gè)透射窗連同靶層可制成波紋狀。
在熒光靶室外殼側(cè)壁下的熒光出射口為一個(gè)窄矩形開(kāi)口，其最大出射張角可達(dá)10°×60°。
透射陽(yáng)極X線管的靶層采用高原子序數(shù)材料金或鉑制成；而熒光靶片則按所要求單能或雙能熒光光子能量選用相應(yīng)原子序數(shù)的純金屬材料或其氧化物制成。
3、優(yōu)點(diǎn)及效果本發(fā)明在透射陽(yáng)極X線機(jī)基礎(chǔ)上，把該熒光靶片中心距透射陽(yáng)極X線管焦點(diǎn)面中心距離縮小到5--8mm以內(nèi)，并采用10°以內(nèi)出射傾角，熒光靶在透射陽(yáng)極X線管水冷窗外，便于更換，可方便設(shè)計(jì)為雙能光源，更可進(jìn)一步按需要設(shè)計(jì)成脈沖單色光或雙能交替變換光源。與已有各種熒光X線源相比，效率亮度大為增加，所產(chǎn)生熒光束的輻照角也比菲利浦專用熒光X線管大得多，可以方便地設(shè)計(jì)出射角使之滿足CT掃描成像要求。
由于采用透射陽(yáng)極X線機(jī)作激光X線源，以及專門的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，使得熒光靶中心到一次焦點(diǎn)面中心距離縮小到一次焦點(diǎn)尺寸，較小的熒光靶出射傾角使熒光源亮度進(jìn)一步增加，效率遠(yuǎn)高于現(xiàn)有各種熒光X線源結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的結(jié)果，使本發(fā)明大大降低激發(fā)X源的尺寸和功率，節(jié)省能源。長(zhǎng)矩形熒光X線出射口使本熒光源可用于CT掃描成像。熒光靶片托架轉(zhuǎn)盤使脈沖式雙能交變熒光X線光源可以方便實(shí)現(xiàn)。
四

附圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；附圖2為雙能熒光靶片托架板結(jié)構(gòu)示意圖；附圖3為脈沖式交變雙能熒光靶片托架轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)示意圖。
五具體實(shí)施例方式本發(fā)明采用透射陽(yáng)極X線機(jī)發(fā)明(申請(qǐng)?zhí)枮?8114400.4)的水冷窗端透射陽(yáng)極X線機(jī)為激發(fā)光子源(該發(fā)明的特征是焦點(diǎn)面緊靠近透射窗口)，在應(yīng)用到本發(fā)明時(shí)，做如下變動(dòng)把陽(yáng)極體薄窗與透射導(dǎo)熱片合二為一，采用低原子序數(shù)高導(dǎo)熱材料如鈹?shù)戎瞥伞０袑觿t改用高原子序數(shù)材料如金、鉑等制成。使焦點(diǎn)面與透射窗進(jìn)一步貼近。此外，減少冷卻水層厚度，即水冷帽透射窗2與透射陽(yáng)極透射窗1間距離。為了大功率冷卻，兩個(gè)透射窗(連同靶層)可制成波紋狀，以增大接觸面積。并對(duì)其水冷帽透射窗2及防護(hù)套做重新設(shè)計(jì)，在其水冷帽透射窗2外緊貼設(shè)置與出射光束中心線垂直的重合金片制成的限束片11，限束片11的出射口形狀面積與透射陽(yáng)極X線管靶面焦點(diǎn)相符。緊靠限束片11設(shè)置一個(gè)上部貼近限束片11、而與限束片11成一夾角的熒光靶片7，夾角不大于10°。在熒光靶片7與限束片11夾角開(kāi)口下方熒光靶室外殼6的側(cè)壁處，與一次射束中心線平行，設(shè)置重合金片制成的熒光出射限束片5，該限束片5中心，開(kāi)有窄矩形熒光出射口，該口按最后所需輻照面大小設(shè)計(jì)，其窄邊即限制熒光在通過(guò)一次射束中心線的平面上，張角在5°～10°范圍內(nèi)，其長(zhǎng)邊即限制熒光在垂直一次射束中心線的平面上，張角最大可達(dá)到60°。熒光出射束中心線與一次射束中心線成90°，主光束限束片11與熒光限束片5保證一次出射光束邊沿?zé)o法從熒光限束片5開(kāi)口射出。
用重合金制的熒光靶室外殼6把透射陽(yáng)極X線陽(yáng)極外殼及水冷帽完全包嚴(yán)。特別是一次射束照射面特別設(shè)計(jì)加厚，保證在熒光出射口用鉛片關(guān)閉時(shí)，整個(gè)裝置泄漏輻射遠(yuǎn)低于輻射防護(hù)規(guī)定限制值以下。
熒光靶片7固定在熒光靶片托架板9上，該托架板9可以通過(guò)熒光靶室外殼6側(cè)面開(kāi)口槽中抽出和插入，易于更換和定位。當(dāng)熒光靶片托架板9插入定位時(shí)，熒光靶片7中心與一次射束中心重合，靶片中心距透射陽(yáng)極X線管焦點(diǎn)面中心距離在5至8mm范圍內(nèi)。在熒光出射口熒光限束片5外，設(shè)有熒光過(guò)濾片支架3，支架3上安置與熒光射束中心垂直的可更換過(guò)濾片4，用以過(guò)濾掉較低能的散射線及L熒光光子。在需要更嚴(yán)格單能的情況下，還可選用材質(zhì)及厚度合適的K邊界過(guò)濾片，濾掉Kβ光子。
熒光靶材質(zhì)，按所要求的單能光子能量查相關(guān)手冊(cè)選取。找不到手冊(cè)時(shí)其原子序數(shù)Z大致可按所需光子能量E(keV)按下式結(jié)果取整數(shù)
Z＝(aE)n，式中a＝156.1，n＝1/2.12。應(yīng)盡可能采用純金屬，在不可能獲得穩(wěn)定純金屬情況下也可用其氧化物代替。
熒光靶厚度可按該能量光子在其中減弱到1/100選取，再厚對(duì)增加熒光產(chǎn)額無(wú)作用，會(huì)使散射光子本底增加。
在需要雙能熒光輸出時(shí)，熒光靶片7采用按兩種能量選定的靶材和厚度，按所需兩種光子束強(qiáng)度比分配輻照面積，其安置在熒光靶片托架板9上。
在需要脈沖單能光子源或需要雙能交替變換光子源時(shí)，用熒光靶片托架轉(zhuǎn)盤10替代上述插入式熒光靶片托架板設(shè)計(jì)。該轉(zhuǎn)盤用數(shù)控步進(jìn)電機(jī)8驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)。
透射陽(yáng)極X線管的透射陽(yáng)極靶材選用盡量高原子序數(shù)高導(dǎo)熱材料(如金或鉑)，靶層厚度，按最高工作管電壓選定(可參考發(fā)明人所獲歐洲專利EP0584871B1說(shuō)明書上推薦的公式估算)，而最高管電壓，則根據(jù)所要求最高單能光子能量選定，其kV值為選用單能光子能量keV值的3至8倍。透射陽(yáng)極X線機(jī)的管電流和電源功率則根據(jù)所要求單能光子強(qiáng)度按有關(guān)理論經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算設(shè)計(jì)。根據(jù)不同用途，可以從幾瓦到數(shù)十千瓦。而透射陽(yáng)極X線管焦點(diǎn)面積和水冷設(shè)計(jì)則根據(jù)最大功率確定。
見(jiàn)附圖1，該圖只畫出透射陽(yáng)極X線機(jī)陽(yáng)極體的出射口部分，實(shí)線部分是準(zhǔn)單能(或雙能)插入式熒光靶托架板結(jié)構(gòu)的熒光X線源主要部分的斷面示意圖，而雙點(diǎn)劃線部分是脈沖單能式交變雙能熒光X線源的熒光靶托架轉(zhuǎn)盤及步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。其余相關(guān)支架外罩和透射陽(yáng)極X線機(jī)組合式機(jī)頭外殼等未畫出。
圖1中，1是透射陽(yáng)極X線管的靶層和透射窗，其內(nèi)為金或鉑制的靶層，靶層厚度根據(jù)最高產(chǎn)生熒光單能光子能量決定。外為低原子序數(shù)高導(dǎo)熱材料如鈹?shù)戎瞥傻耐干浯?，在大功率時(shí)，該靶層和透射窗制成波紋狀。2是低原子序數(shù)高導(dǎo)熱材料制成的水冷帽透射窗。大功率時(shí)亦制成與透射窗相同波紋狀。1與2之間是冷卻水層，兩窗之間間隙在滿足流量前提下盡可能小。12是水冷帽、13是進(jìn)(或出)水口；透射陽(yáng)極防護(hù)套與熒光靶室外殼6合為一體。11是重合金制成的一次X線限束片，其開(kāi)口面積與形狀是和透射陽(yáng)極X線焦點(diǎn)面積面積和形狀對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)矩形。從熒光靶室側(cè)面開(kāi)口可插入的熒光靶片托架板9與一次出射X線束中心線垂直，上面固定有熒光靶片7，熒光靶片材料和厚度按所需產(chǎn)生單能光子能量選定，該靶片上端與限束片11相靠，而與限束片構(gòu)成不大于10°的夾角。熒光靶片7的中心，在托架板9插到位時(shí)，與一次X線束中心重合。該中心與透射陽(yáng)極X線焦點(diǎn)面中心距離小于5-8mm。熒光靶室外殼6由重合金制成，與透射陽(yáng)極X線水冷帽嚴(yán)密套合，在其下設(shè)有窄矩形開(kāi)口，外面固定有帶熒光出射口的重合金制成的熒光出射限束片5，熒光限束片5熒光出射口的大小形狀按所需輻照角要求設(shè)計(jì)，該輻照角在平行圖紙面上不大于10°，在垂直圖紙面上最大可達(dá)60°，在限束片5外固定有熒光過(guò)濾片支架3，熒光過(guò)濾片4可以緊貼限束片5方便地插入和更換。
圖2是熒光靶片托架板9的正視圖，當(dāng)需要雙能熒光輸出時(shí)，托架板中熒光靶片位置(原來(lái)安裝一種熒光靶片處)，安裝兩種相應(yīng)元素的熒光靶片7A、7B，根據(jù)所需兩種單能光子強(qiáng)度比分配受照面積。
當(dāng)需要脈沖單能光子或交變雙能熒光輸出時(shí)，本發(fā)明采用圖1中雙點(diǎn)劃線所示和圖3所示的熒光靶片托架轉(zhuǎn)盤10代替由側(cè)面插入的熒光靶片托架板9。在該轉(zhuǎn)盤10上按圖3所示距軸心一定半徑的環(huán)面上等分若干位置。要求脈沖式單能熒光輸出時(shí)，每相鄰兩個(gè)位置分別安置熒光靶片7和空置。在要求雙能交變輸出時(shí)，每相鄰兩個(gè)位置分別緊交替安置兩種材料和厚度的熒光靶片。該轉(zhuǎn)盤10轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，保證每一靶片中心進(jìn)入一次X線中心時(shí)，都如圖1所示，處于相同位置，靶面處于相同角度。轉(zhuǎn)盤10軸心固定在數(shù)控步進(jìn)電機(jī)8的轉(zhuǎn)軸上，按所設(shè)定轉(zhuǎn)速步進(jìn)變換受照的熒光靶片，達(dá)到脈沖單能輸出或交變雙能輸出的目的。
透射陽(yáng)極X線機(jī)高壓由所需產(chǎn)生單能光子能量決定，其kV值為該光子能量keV值的3至8倍。透射陽(yáng)極X線機(jī)功率按所需產(chǎn)生單能光子強(qiáng)度決定，可設(shè)計(jì)從幾瓦到幾十千瓦。而透射陽(yáng)極X線管焦點(diǎn)面積和水冷設(shè)計(jì)則根據(jù)最大功率確定。
權(quán)利要求
1.基于透射陽(yáng)極X線機(jī)的可變換準(zhǔn)單能或雙能熒光X線源，它包括透射陽(yáng)極X線機(jī)電源及控制器，透射陽(yáng)極X線管，透射陽(yáng)極X線管的靶層透射窗(1)、水冷帽透射窗(2)，透射窗和水冷帽透射窗之間的冷卻水層，和透射陽(yáng)極防護(hù)套連為一體的熒光靶室外殼(6)，其特征在于靶層緊貼透射導(dǎo)熱層和透射窗合二為一的透射陽(yáng)極透射窗(1)，靠近X線管內(nèi)一側(cè)的靶層為高原子序數(shù)制成的靶層，外一側(cè)為低原子序數(shù)高導(dǎo)熱材料制成的透射窗；在其水冷帽透射窗(2)外側(cè)緊貼設(shè)置有與出射光束中心線垂直的重合金片制成的限束片(11)，在限束片(11)的外側(cè)緊靠限束片設(shè)置有上部貼近限束片(11)與限束片(11)成一夾角的熒光靶片(7)，夾角的范圍不大于10°；透射陽(yáng)極防護(hù)套與熒光靶室外殼合為一體，成為熒光靶室外殼(6)；在熒光靶室外殼(6)的側(cè)壁下設(shè)有一個(gè)帶有熒光出射口的限束片(5)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于透射陽(yáng)極X線機(jī)的可變換準(zhǔn)單能或雙能熒光X線源，其特征在于在需要固定單能或雙能熒光輸出時(shí)，采用插入式熒光靶片托架板(9)，熒光靶片可以緊貼限束片而方便地從熒光靶室外殼的側(cè)壁插入和更換；而當(dāng)需要脈沖單能光子或交變雙能熒光輸出時(shí)，則在一個(gè)步進(jìn)電機(jī)(8)的轉(zhuǎn)軸上設(shè)置一個(gè)轉(zhuǎn)盤(10)，轉(zhuǎn)盤(10)上設(shè)置有環(huán)形熒光靶片托架板，環(huán)形熒光靶片托架板上交替固定有材料和厚度不同的熒光靶片(7A7B)，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)(8)的驅(qū)動(dòng)，熒光靶片(7A、7B)可以在熒光靶室外殼(6)內(nèi)的限束片開(kāi)口處交替更換。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于透射陽(yáng)極X線機(jī)的可變換準(zhǔn)單能或雙能熒光X線源，其特征在于在熒光限束片(5)外固定有熒光過(guò)濾片支架(3)，熒光過(guò)濾片(4)可以緊貼熒光限束片(5)而方便地插入和更換。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于透射陽(yáng)極X線機(jī)的可變換準(zhǔn)單能或雙能熒光X線源，其特征在于定位的靶片中心距透射陽(yáng)極X線管焦點(diǎn)面中心距離在5至8mm以內(nèi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于透射陽(yáng)極X線機(jī)的可變換準(zhǔn)單能或雙能熒光X線源，其特征在于透射陽(yáng)極X線管的的兩個(gè)透射窗連同靶層(1)(2)可制成波紋狀。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于透射陽(yáng)極X線機(jī)的可變換準(zhǔn)單能或雙能熒光X線源，其特征在于在熒光靶室外殼(6)側(cè)壁下熒光限束片(5)的熒光出射口為一個(gè)窄矩形開(kāi)口，其最大出射張角可達(dá)10°×60°。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于透射陽(yáng)極X線機(jī)的可變換準(zhǔn)單能或雙能熒光X線源，其特征在于透射陽(yáng)極X線管的靶層采用高原子序數(shù)材料金或鉑制成；而熒光靶片則按所要求單能或雙能熒光光子能量選用相應(yīng)原子序數(shù)的純金屬材料或其氧化物制成。
全文摘要
本發(fā)明涉及X線源裝置的改進(jìn)，在輻射技術(shù)領(lǐng)域中用可控的無(wú)環(huán)境核污染的準(zhǔn)單能X線源裝置替代放射性核輻射源。本發(fā)明在透射陽(yáng)極X線機(jī)基礎(chǔ)上增設(shè)熒光靶以產(chǎn)生準(zhǔn)單能熒光X線，把熒光靶中心到一次焦點(diǎn)面中心距離縮小到5－8mm以內(nèi)，并采用10°以內(nèi)出射傾角，熒光X線最大出射張角可達(dá)10°×60°。熒光靶在透射陽(yáng)極X線管水冷窗外，便于更換，可方便設(shè)計(jì)為雙能光源，更可進(jìn)一步按需要設(shè)計(jì)成脈沖單色光或雙能交替變換光源。與已有各種熒光X線源相比，效率亮度大為增加。本發(fā)明以高效率、高亮度單能X線光源，替代普通X線源及替代γ放射源，用于各種需要單能X線光子源的成像或檢測(cè)分析計(jì)量設(shè)備儀器，以避免放射性核素環(huán)境污染。
文檔編號(hào)H01J35/00GK1453817SQ0311168
公開(kāi)日2003年11月5日 申請(qǐng)日期2003年5月15日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月15日
發(fā)明者譚大剛 申請(qǐng)人:譚大剛