專利名稱:用于x射線產(chǎn)生的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及一種X射線源，并且具體涉及一種基于逆康普頓散射用于產(chǎn)生X 射線的技術(shù)。
背景技術(shù)：
對于X射線產(chǎn)生，傳統(tǒng)的X射線源通?；贐rehmsstrahlimg輻射或同步加速器 輻射。在前一種情況中，當(dāng)通過作為一般X射線管的重型材料減速高能電子時(shí)產(chǎn)生輻射。 在同步加速器輻射是理想的情況下，通過經(jīng)過磁波紋機(jī)的極高能電子束或存儲(chǔ)環(huán)同步加速 器源中的偶極子產(chǎn)生輻射。一般X射線管產(chǎn)生的X射線具有在它們的使用中造成限制的缺 陷。例如，Brehmsstrahlung輻射通常具有相對較低的功率，并包括長脈沖或連續(xù)波。此外， 這種輻射典型地包括固定的偏振、不可調(diào)的不相干輻射。同步加速器產(chǎn)生的X射線也具有 某些限制。例如，通過同步加速器源產(chǎn)生的X射線通常是寬帶、不相干、低功率、固定偏振和 不可調(diào)的。此外，這種源需要高能電子束，其又需要大和昂貴的設(shè)施。
逆康普頓散射(ICS)是另一種技術(shù)，通過利用線性加速器和大的高功率激光器， 其已成功地用于產(chǎn)生X射線。實(shí)際上，由于它們的相干性和頻譜特性，基于X射線源的ICS 比傳統(tǒng)的X射線管技術(shù)在較低的劑量、較高的對比度和較好的分辨率方面提供了有效的益 處。然而，當(dāng)前的基于X射線源的ICS典型地非常大和復(fù)雜。例如，已知典型地用于這種處 理的激光器為T3 (桌上兆兆瓦)激光器，并產(chǎn)生極高能的短脈沖。這些激光器非常復(fù)雜，并 需要大量的光學(xué)元件進(jìn)行操作。
因此期望提供一種需要較低功率激光器和較少光學(xué)元件的緊湊和有效的ICS系 統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
簡而言之，依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種用于產(chǎn)生X射線的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括 在激光腔中以第一方向產(chǎn)生高能光脈沖的高重復(fù)率激光器和用于在激光腔中以與第一方 向相反的第二方向提供電子束的電子束源。電子束在激光腔中與光脈沖中的光子交互，以 在第二方向產(chǎn)生X射線。
依據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種用于產(chǎn)生X射線的技術(shù)。該技術(shù)包括通過高重 復(fù)率激光器在激光腔中產(chǎn)生高能光脈沖，產(chǎn)生電子束，以第一方向?qū)б饷}沖，并以與第一 方向相反的第二方向?qū)б娮邮M(jìn)入激光腔，電子束在激光腔中與光脈沖中的光子交互， 以在第二方向產(chǎn)生X射線。


當(dāng)參照附圖閱讀下面的詳細(xì)說明時(shí)，本發(fā)明的這些和其它特征、方面和優(yōu)點(diǎn)將變 得更容易理解，其中在附圖中，相同的符號(hào)表示相同的部分，其中
圖1是依據(jù)本發(fā)明的示范性實(shí)施例、利用ICS用于X射線產(chǎn)生的系統(tǒng)的示意性說明；
圖2是在用于X射線產(chǎn)生的技術(shù)中采用的ICS處理的簡圖；
圖3是利用電子存儲(chǔ)環(huán)、基于X射線系統(tǒng)的ICS的示范性實(shí)施例的簡圖；以及
圖4是利用作為激光器的再生式放大器、基于X射線系統(tǒng)的ICS的另一示范性實(shí) 施例的簡圖。
具體實(shí)施方式
現(xiàn)在參照圖1，基于ICS的系統(tǒng)10包括激光器系統(tǒng)12和電子束源14。激光器系 統(tǒng)12產(chǎn)生光脈沖16，同時(shí)電子束源14產(chǎn)生并加速脈沖電子束18至相對論性速度。如下面 更詳細(xì)之所述，以與脈沖電子束18的方向相反的方向?qū)бす馄飨到y(tǒng)12的光脈沖16，從而 使兩者在激光器系統(tǒng)12的激光腔中碰撞，通過ICS產(chǎn)生X射線。
具體地，在所示的實(shí)施例中，激光器系統(tǒng)12包括激光腔20，其中如下面所述地產(chǎn) 生X射線輻射。將光脈沖16引進(jìn)腔20，并與來自脈沖電子束源14的電子束18碰撞。然后 通過ICS，從激光腔20產(chǎn)生并導(dǎo)引通常以參考數(shù)字22表示的X射線。再次在圖1所示的 實(shí)施例中，光脈沖16在激光腔20中以通過圖1中箭頭24代表的第一方向行進(jìn)，同時(shí)電子 束18以第二方向26行進(jìn)通過激光腔的一部分，以交叉光脈沖16的路徑，從而在腔20中的 交互區(qū)域28中撞擊光脈沖16。如下面更詳細(xì)之所述，在一實(shí)施例中，一個(gè)或多個(gè)偏轉(zhuǎn)磁體 30可以用于在交互區(qū)域28中導(dǎo)引電子束18。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解，可以從系統(tǒng)中 除去磁體30，其中可以另外導(dǎo)引電子束18進(jìn)入光脈沖16的路徑。在當(dāng)前預(yù)期的構(gòu)造中，電 子束18和光脈沖16正面或接近正面(即，以非常淺的角度)地彼此撞擊。
在所示的實(shí)施例中，激光器系統(tǒng)12包括包含在包括一組反射鏡32的高精密光環(huán) 腔20中的部件?？梢圆糠只蛲耆榭占す馇?0。隔離器34用于強(qiáng)制光脈沖16在期望的 第一方向24中循環(huán)。有源鎖模(activemode-locking)裝置36提供超快的鎖模光脈沖16 的流。在當(dāng)前預(yù)期的實(shí)施例中，鎖模裝置36可以例如是聲光單元或電光單元和布儒斯特 (Brewster)板。
在所示的實(shí)施例中，激光器系統(tǒng)12進(jìn)一步包括泵激光器38。泵激光器38產(chǎn)生高能 脈沖或連續(xù)波激光束40，該激光束40可以被激光棒42聚集和吸收并且其依次又產(chǎn)生高能 光脈沖16。在當(dāng)前預(yù)期的實(shí)施例中，激光棒42包括固態(tài)增益介質(zhì)，比如Yb:YAG或Nd:YAG。 高能光脈沖16以預(yù)定方向24在激光腔20中行進(jìn)。隔離器34充當(dāng)柵，并僅允許以預(yù)定方 向24運(yùn)動(dòng)的那些光脈沖16，而阻擋所有其它的光脈沖。預(yù)定方向24可以是順時(shí)針方向或 反時(shí)針方向。
選擇和設(shè)置反射鏡32，以便在激光棒42中形成收斂部分。在收斂部分上聚集和強(qiáng) 化光脈沖16，以在激光棒42的增益介質(zhì)中獲得高增益。其后，在激光腔20中的交互區(qū)域 28中形成第二收斂部分，其中發(fā)生電子-光子交互作用。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，矩形結(jié)構(gòu) 的四個(gè)曲面反射鏡32可以用于形成激光腔20，從而在閉環(huán)中限定光脈沖16。在可替代的 實(shí)施例中，可以以三角形或其它結(jié)構(gòu)設(shè)置反射鏡，以形成激光腔20。反射鏡32可以是離軸 拋物面(parabaloid)凹面反射鏡，以在上面提到的位置聚集和強(qiáng)化光脈沖16。本領(lǐng)域的技 術(shù)人員可以理解，與其中一個(gè)反射鏡僅是部分反射性的、而且激光器輸出從其中發(fā)散的傳 統(tǒng)激光器系統(tǒng)不同，該實(shí)施例中的全部反射鏡都是高反射性的，從而在產(chǎn)生激光的波長處沒有輸出產(chǎn)生。
如上面提到的，比如聲光單元或電光單元和布儒斯特板的有源鎖模裝置36用于 產(chǎn)生高重復(fù)率、適度高能的鎖模光脈沖16。通過多個(gè)高重復(fù)率和低能交互(也就是每脈沖 較低的X射線光子，但更快速的交互脈沖)取代一個(gè)單獨(dú)的大交互，采用高重復(fù)率鎖模激光 器設(shè)計(jì)來產(chǎn)生足夠的X射線通量(光子/秒)。
如上面所述，電子束源14產(chǎn)生被引進(jìn)激光腔20以與光脈沖16交互的電子束18。 在當(dāng)前預(yù)期的實(shí)施例中，脈沖電子束源14可以是射頻(rf)線性加速器(LINIAC)、X-波段 LINIAC或加速電子束至10到250MeV能量的激光器加速器。然后以與光脈沖16的傳播方 向24相反的方向26操縱來自電子束源14的電子束18進(jìn)入激光腔20，從而使電子束18以 非常淺的角度與光脈沖16的路經(jīng)相交。
電子束18在激光腔20中與光脈沖16碰撞以通過ICS過程產(chǎn)生X射線22。下文 中將參照圖2更詳細(xì)地說明ICS過程。在與光脈沖16交互之后，然后導(dǎo)引電子束18離開 激光腔20。在一個(gè)實(shí)施例中，一個(gè)或多個(gè)偏轉(zhuǎn)磁體30可以用于導(dǎo)引電子束18進(jìn)入或離開 激光腔20。通過參考數(shù)字44表示的離開電子束可以再循環(huán)于源14中，或在石墨塊或其它 散布或吸收介質(zhì)中處理。在當(dāng)前預(yù)期的實(shí)施例中，X射線通過可以由鈹或其它X射線可透 過材料構(gòu)成的X射線透射窗口離開激光腔20，并通過一個(gè)或多個(gè)布拉格反射器46以預(yù)定方 向?qū)ζ鋵?dǎo)引。如下所述，可以這樣導(dǎo)引X射線至其中采用它們以用于各種用途的位置。
圖2說明了如上面所述的、在激光腔20中通過ICS過程的X射線的產(chǎn)生。通常通 過參考數(shù)字50表示該過程。高能光脈沖16中的光子正向或接近正向地撞擊比光脈沖16 中的光子具有更大動(dòng)能的電子束18中的進(jìn)入的相對論的電子。該碰撞導(dǎo)致從電子至光子 的能量轉(zhuǎn)移，其向上轉(zhuǎn)換光子至頻譜的X射線區(qū)域。具體地，散射的光子增加能量，并在波 長上短于入射光子。離開的電子束44具有比入射電子束18低的動(dòng)能。如上所述，通過ICS 過程發(fā)射的X射線22是脈沖的、可調(diào)的和近似單色的。
在可替代的實(shí)施例中，如圖3所示，可以以然后驅(qū)動(dòng)電子存儲(chǔ)環(huán)54的較小的源取 代電子束源14(比如rf LINIAC或X-波段LINIAC)。在該實(shí)施例中，將來自電子束源14的 脈沖電子束18提供進(jìn)入電子存儲(chǔ)環(huán)54。操縱通過電子存儲(chǔ)環(huán)54限定的路徑的一部分，以 便以在電子存儲(chǔ)環(huán)54中循環(huán)的脈沖電子束56與光脈沖16交互這種方式與激光腔20重疊， 從而通過如上面所述的ICS過程產(chǎn)生X射線22。如在上面所述的先前實(shí)施例中，在交互區(qū) 域28中，脈沖電子束56與光脈沖16在相反方向上近似是共線的。
電子存儲(chǔ)環(huán)54可以包括用于重新激勵(lì)循環(huán)電子束56的放大器58。此外，電子存 儲(chǔ)環(huán)54中的電子束56的往返行程循環(huán)時(shí)間可以與激光腔20中的光脈沖16的往返行程循 環(huán)時(shí)間同步，以最大化電子束56和高能光脈沖16之間的交互作用。該設(shè)置可以比引入新 的電子脈沖更具能量效率，并減小了對大電子束源的依賴。例如，通過在電子束源14的主 振蕩器信號(hào)的次諧波處驅(qū)動(dòng)鎖模振蕩器36，可以獲得光脈沖16和電子束56之間的同步。
在另一替代實(shí)施例中，如圖4所示，再生放大器可被用作激光器系統(tǒng)12。在該實(shí)施 例中，伸展、放大和再壓縮光脈沖以產(chǎn)生高能光脈沖16。以與上面所述類似的方式，泵激光 器38將依次又產(chǎn)生高能光脈沖16的高能脈沖或連續(xù)波激光束40提供到激光棒42。以布 儒斯特角度切割激光棒42，從而最小化損失，并最大化激光棒42中的增益。在布儒斯特角 度處，完全沒有反射損失地傳送與入射角度平行偏振的光脈沖16。該技術(shù)也避免了產(chǎn)生的峰值功率損傷激光棒42。
反射鏡32用于在激光腔20中限定這些高能光脈沖16。通過使用光學(xué)裝置60選 通光脈沖16，比如允許第一偏振狀態(tài)中的光脈沖16通過的普克爾盒。進(jìn)入的種子光脈沖 62用于在激光腔20中啟動(dòng)高能光脈沖16的形成。偏振波束分離器64發(fā)送進(jìn)入的種子光 脈沖62進(jìn)入激光腔20。然后通過光學(xué)裝置60改變種子光脈沖62的偏振，以匹配腔中光脈 沖16的極性，從而在激光腔20中限定種子光脈沖62。利用光柵66(比如衍射光柵)，進(jìn)一 步伸展、放大和再壓縮光脈沖16，并由此成倍增大光脈沖16的能量。衍射光柵由具有一系 列臨近間隔的線或溝槽(典型地，每英寸幾千個(gè)/每毫米幾百個(gè))的板或薄膜組成，并且可 以是透射或反射類型。后者類型將被涂覆象鋁或金的反射性材料的薄膜。在一個(gè)特定實(shí)施 例中，放大之前，在全反射兩光間脈沖伸展器中伸展光脈沖16，然后在兩光柵壓縮器中對其 進(jìn)行再壓縮。伸展器和壓縮器全部由反射性光學(xué)元件構(gòu)成，以最小化較高階相位項(xiàng)的影響， 由此保持光脈沖16的逼真度。然后導(dǎo)引這些高能光脈沖16至交互區(qū)域28，在其中它們與 電子束18交互以通過ICS過程50產(chǎn)生X射線22。操縱來自電子源14的進(jìn)入電子束18進(jìn) 入激光腔20，并且該電子束與高能光脈沖16在相反方向上是近似共線的。光脈沖16在激 光腔20中循環(huán)，并在每一次往返行程中釋放它們能量的一小部分，以產(chǎn)生X射線22。當(dāng)通 過激光棒42時(shí)，通過光脈沖釋放的能量就會(huì)再生。簡而言之，一旦系統(tǒng)10被進(jìn)入的種子光 脈沖62播種，只要ICS過程不提取超過激光棒42能夠補(bǔ)充的能量，則它就是可操作的。
在上面所述的實(shí)施例中，激光器系統(tǒng)12具有在與產(chǎn)生激光波長不同的波長處的 輸出。這類似于激光器中腔內(nèi)倍增器的結(jié)合，其中激光器不具有在產(chǎn)生激光波長處的輸出， 但相反其具有通過腔中的非線性光學(xué)元件中的非線性頻率轉(zhuǎn)換過程所產(chǎn)生的不同波長處 的輸出。此外，在上面所述的實(shí)施例中，電子束18充當(dāng)非線性光學(xué)元件，并且激光器系統(tǒng)12 的輸出位于X射線頻譜中。
通過將共振腔和激光器源折疊成單獨(dú)的激光器系統(tǒng)12，以及利用X射線22發(fā)射作 為激光器系統(tǒng)12的輸出耦合，系統(tǒng)10及其在產(chǎn)生X射線方面的功能減小了傳統(tǒng)系統(tǒng)的復(fù) 雜性。此外，激光腔20中的光脈沖16的數(shù)量級(jí)高于在激光器源的輸出處產(chǎn)生的數(shù)量級(jí)。
通過如上面的各種實(shí)施例中所述的ICS過程產(chǎn)生的X射線具有如與傳統(tǒng)的 Brehmsstrahlimg過程的寬能量分布相反的近似單色的頻譜特征，并具有準(zhǔn)-相干特性。這 些特征在多個(gè)應(yīng)用方面提供了有效的益處，比如醫(yī)學(xué)成像界，其包括較低的劑量、提高的對 比度、提高的分辨率和診斷成像的新類型。例如，可以施加這些X射線以用于包括癌癥的胸 部疾病的診斷。當(dāng)利用單色X射線研究時(shí)，患癌癥的胸部組織比正常的組織展示了較高的 線性衰減特性。該特性可以用于提供更好對比度的圖像。成像中的這些改進(jìn)不局限于胸部， 其也可以施加至任何解剖學(xué)組織和各種檢查程序，比如冠狀動(dòng)脈博造影術(shù)。
可能應(yīng)用的其它領(lǐng)域是細(xì)胞生物學(xué)和材料科學(xué)，比如結(jié)晶學(xué)和X射線平版印 刷術(shù)。這些X射線的單色性和狹窄發(fā)散角不僅允許布拉格反射器將波束從拱頂轉(zhuǎn)向拱 頂之上的成像實(shí)驗(yàn)室，而且允許以圓形形式對波束重新定向，比如用于利用錐形束反向 投射算法產(chǎn)生CT圖像。以皮秒(PS)猝發(fā)脈沖X射線的事實(shí)允許它們被用于飛行時(shí)間 (time-of-flight)成像，其中通過僅成像從曝光起始直到ISOps的彈道光子以及忽略離開 超過多個(gè)納秒的散射來收集數(shù)據(jù)。因此，我們相信該技術(shù)能夠?qū)е略诹炼确矫骘@著的提高。 此外，X射線束的小的有效光點(diǎn)大小能夠利用在傳統(tǒng)成像中的通常廢棄的信息來執(zhí)行相位對比度成像。此外，由于波束的可調(diào)性和傳遞到被成像部分的有限的帶寬/狹窄能量范圍， 從而減小了散射。
在這里已經(jīng)說明和描述了本發(fā)明的僅僅某些特征的同時(shí)，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員 來說，可以進(jìn)行多種修改和改變。因此，可以理解，所附的權(quán)利要求
意圖覆蓋落入本發(fā)明的 真實(shí)精神的所有這種修改和改變。
部件列表[0031]10系統(tǒng)[0032]12激光器系統(tǒng)[0033]14電子束源[0034]16光脈沖[0035]18進(jìn)入的脈沖電子束[0036]20激光腔[0037]22X射線[0038]24第一方向[0039]26第二方向[0040]28交互區(qū)域[0041]30導(dǎo)向磁體/偏轉(zhuǎn)磁體[0042]32反射鏡[0043]34隔離器[0044]36鎖模裝置[0045]38泵激光器[0046]40激勵(lì)激光束[0047]42固態(tài)激光棒[0048]44輸出電子束[0049]46布拉格反射器[0050]50逆康普頓散射過程[0051]52具有電子存儲(chǔ)環(huán)的系統(tǒng)[0052]54電子存儲(chǔ)環(huán)[0053]56循環(huán)脈沖電子束[0054]58再生放大器[0055]60普克爾盒[0056]62進(jìn)入的種子光脈沖[0057]64偏振束分離器[0058]66光柵
權(quán)利要求
1.一種用于產(chǎn)生X射線(22)的系統(tǒng)(10)，該系統(tǒng)(10)包括高重復(fù)率激光器系統(tǒng)(12)，放置在環(huán)腔內(nèi)并適于在環(huán)腔(20)中以第一方向(24)產(chǎn)生 和導(dǎo)引高能光脈沖(16)；以及適于在環(huán)腔(20)中產(chǎn)生脈沖電子束并以與第一方向(24)相反的第二方向(26)導(dǎo)引 脈沖電子束的脈沖電子束(18)的源(14)，脈沖電子束(18)在環(huán)腔(20)中撞擊光脈沖(16) 中的光子，以便以第二方向(26)產(chǎn)生X射線(22)。
2.權(quán)利要求
1的系統(tǒng)(10)，進(jìn)一步包括位于環(huán)腔(20)中用于以第一方向(24)導(dǎo)引光 脈沖(16)的隔離器(34)。
3.權(quán)利要求
1的系統(tǒng)(10)，其中高能光脈沖(16)包括高重復(fù)率的鎖模光脈沖。
4.權(quán)利要求
3的系統(tǒng)(10)，進(jìn)一步包括位于環(huán)腔(20)中用于產(chǎn)生高重復(fù)率的鎖模光 脈沖的聲光單元。
5.權(quán)利要求
3的系統(tǒng)(10)，進(jìn)一步包括位于環(huán)腔(20)中用于產(chǎn)生高重復(fù)率的鎖模光 脈沖的電光單元和布儒斯特板。
6.權(quán)利要求
1的系統(tǒng)(10)，其中所述高重復(fù)率激光器系統(tǒng)包括用于產(chǎn)生光脈沖(16) 的固態(tài)激光棒(42)。
7.一種用于產(chǎn)生X射線(22)的系統(tǒng)(52)，該系統(tǒng)(52)包括鎖模激光器系統(tǒng)(12)，其置于環(huán)腔內(nèi)并適于在環(huán)腔(20)中以第一方向(24)產(chǎn)生和導(dǎo) 引高能光脈沖(16)；適于在與環(huán)腔(20)重疊的電子存儲(chǔ)環(huán)(54)中供給脈沖電子束的脈沖電子束(18)的 源(14)，電子存儲(chǔ)環(huán)(54)適于在環(huán)腔(20)中以與第一方向(24)相反的第二方向(26)循 環(huán)脈沖電子束(56)，脈沖電子束(56)在環(huán)腔(20)中撞擊光脈沖(16)中的光子，以便以第 二方向(26)產(chǎn)生X射線(22)。
8.權(quán)利要求
7的系統(tǒng)(52)，其中電子存儲(chǔ)環(huán)(54)適于存儲(chǔ)和循環(huán)脈沖電子束(56)。
9.權(quán)利要求
7的系統(tǒng)(52)，其中電子存儲(chǔ)環(huán)(54)中脈沖電子束(56)的往返行程循環(huán) 時(shí)間基本上等于環(huán)腔(20)中光脈沖(16)的往返行程時(shí)間。
10.一種用于產(chǎn)生X射線(22)的方法，該方法包括通過置于環(huán)腔中的高重復(fù)率激光器系統(tǒng)(12)在環(huán)腔(20)中產(chǎn)生高能光脈沖(16)，以 第一方向(24)導(dǎo)引該光脈沖(16)；產(chǎn)生脈沖電子束(18)；以及以與第一方向(24)相反的第二方向(26)導(dǎo)引脈沖電子束(18)進(jìn)入環(huán)腔(20)，光脈沖 (16)中的光子撞擊脈沖電子束(18)，以便以第二方向(26)產(chǎn)生X射線(22)。
專利摘要
本發(fā)明提供一種用于通過逆康普頓散射過程來產(chǎn)生X射線(22)的系統(tǒng)(10)。該系統(tǒng)包括適于在激光腔(20)中以第一方向(24)導(dǎo)引高能光脈沖(16)的高重復(fù)率激光器(12)和適于在激光腔中以與第一方向相反的第二方向(26)導(dǎo)引電子束(18)的脈沖電子束(18)的源(14)。電子束(18)在激光腔(20)中與光脈沖(16)中的光子相交互，以便以第二方向(26)產(chǎn)生X射線(22)。
文檔編號(hào)H05H1/00GKCN1678163 B發(fā)布類型授權(quán) 專利申請?zhí)朇N 200510059554
公開日2011年7月6日 申請日期2005年3月29日
發(fā)明者B·L·勞倫斯, P·W·洛蘭, R·J·菲爾金斯 申請人:通用電氣公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan