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        X射線球管電子束聚焦系統(tǒng)設計

        2020-06-28 09:38:54呂向英
        中國新技術新產品 2020年8期
        關鍵詞:球管四極電子束

        胡 強 王 鵬 呂向英

        (北京真空電子技術研究所,北京 100015)

        0 引言

        X 射線管利用一束高速的電子轟擊金屬靶,從而激發(fā)出X 射線,高速電子束的產生和聚束是X 射線球管的關鍵。使用熱陰極的X 射線球管,給陰極加熱到2 000 ℃以上的高溫時,電子游離在陰極表面,同時,在陰極和陽極之間施加100 kV 以上的電壓,可使電子從陰極加速向陽極運動。當電子達到陽極位置時,其已經達到了0.7 倍光速以上的速度,然后轟擊陽極靶產生X 射線。產生的X 射線通過一個X 射線透射窗口射出,從而被運用于各種場合。

        醫(yī)療檢測是X 射線管的一個典型用途,醫(yī)療檢測設備的分辨率是一項非常重要的指標,其與X 射線球管的焦點尺寸有直接關系。減小焦點尺寸,則提高分辨率,然而這必然使得射線總功率下降,造成嚴重的功率損失,加上X射線球管產生的X 射線的效率很低(約為1%左右),所以提高焦點內的電流面密度就顯得尤為重要。合理的電子束聚焦系統(tǒng)設計是保證焦點內電流面密度,提高X 射線利用率的一個有效措施,一直以來都是X 射線管設計中的重要內容,更是醫(yī)療設備性能提升的重要保障。

        1 電子束聚束系統(tǒng)設計

        聚焦極采用傳統(tǒng)意義上的電子束聚焦方式,它通過改變陰極周圍空間的電場來使電子束在產生時就趨于壓縮,以抵消電子飛躍陰—陽極之間距離時的空間電荷力,達到聚束效果。傳統(tǒng)X 射線管由于焦點尺寸較大、壓縮比很小且陰—陽極之間的距離很短,僅依靠聚焦極就可以實現電子束的聚焦。但是對于新型醫(yī)療設備使用的X 射線球管來說,這種聚焦方式已經不能滿足使用要求。新型醫(yī)療設備為了獲得更高質量的影像,要求X 射線管的焦點更小、電流面密度更大。為了滿足這些要求,X 射線管的發(fā)射面面積需要更大、電子束內空間電荷力會增大、電子束壓縮比也會增大,這使得新型X射線球管的電子槍和聚焦設計比較困難。

        雙磁四極透鏡系統(tǒng)為新型X 射線球管的電子束聚束提供了良好的解決方法。雙磁四極透鏡系統(tǒng)如圖1 所示,包含2 個由4 個電磁線圈和鐵心組成的磁四極透鏡。雙磁四極透鏡系統(tǒng)安裝在電子束漂移路徑上,與電子束同軸、與電子槍保持一定的距離。為了提高陰極發(fā)射電流,采用了發(fā)射面較大的陰極,這樣就降低了最高發(fā)射電流面的密度,同時也使得初始電子束的截面積較大。電子從較大的陰極面發(fā)射出來,以聚焦極作為初始聚束裝置,使電子發(fā)射出來時的電子束具有一定的初始速度。理想情況下,聚焦極提供的聚束作用與電子飛越陰極和四極透鏡系統(tǒng)區(qū)域時的空間電荷力的作用正好抵消,電子束具有與陰極發(fā)射體類似的較為規(guī)則的截面,電子以平行于Z 軸的速度進入四極透鏡。

        雙磁四極透鏡系統(tǒng)具有扁平狀的結構,能產生比較集中的磁場。電磁線圈通電時四極透鏡內部會產生強磁場,電子在通過雙磁四極透鏡系統(tǒng)內部區(qū)域時,能夠在較短的漂移距離內產生較大的速度變化,而后電子在較長的漂移距離內依靠慣性漂移聚束。這種方式不再需要在電子束的整個路徑上設置聚束裝置[1]。

        圖1 雙磁四極透鏡聚焦系統(tǒng)

        2 雙磁四極透鏡聚束系統(tǒng)

        雙磁四極透鏡的每一個電磁線圈在通電時形成一個磁極,通不同方向的直流電可以產生不同極性的磁極。在磁四極透鏡的4 個線圈中通直流電,使4 個磁極的極性間隔排列,則在透鏡包圍的中心區(qū)域產生如圖2 所示的對稱磁場[2]。該磁場大小相等的點呈比較規(guī)則的正方形分布,并且沿著指向中心軸的直線線性地降低到接近于0。以X 軸方向為例,磁場從靠近鐵心的位置開始逐漸增大,達到峰值后下降,在進入正方形分布區(qū)域之后,線性地下降,直到達到透鏡幾何中心時下降到0。從其他方向觀察時也以類似的情況變化。電子進入透鏡之后應處于線性區(qū)域,以使得對電子束的聚束效果比較規(guī)則,壓縮后的電子束截面具有規(guī)則的形狀。雙磁四極透鏡的磁場強度在中心的線性區(qū),最大值一般在100 Gs~300 Gs(0.01 T~0.03 T),該磁場強度能夠使電子在磁場中具有足夠的速度進行方向變化。

        圖2 雙磁四極透鏡聚焦系統(tǒng)磁場分布及沿X 方向的磁場大小分布

        雙磁四極透鏡系統(tǒng)聚束下的電子束流形狀如圖3 所示,電子束進入第一級磁四極透鏡后,磁場使電子束在一個方向上(如X 軸方向)聚焦,而在與該方向垂直的方向上則發(fā)散。雙磁四極透鏡系統(tǒng)具有扁平的結構,其在較短的距離內能使電子速度發(fā)生變化,在之后的電子漂移過程中逐步聚焦(或發(fā)散),在電子束進入第二級磁四極透鏡時,電子束的截面被拉長。第二級磁四極透鏡與第一級磁四極透鏡相比旋轉了90°,從而電子發(fā)散的方向會被聚焦,并且由于中心區(qū)域的磁場強度具有沿徑向線性增大的趨勢,因此被發(fā)散的電子受到的聚焦效果會大很多,從而被強力壓縮。在電子聚焦的方向上電子會被發(fā)散,但是由于其更靠近中心軸線,磁場強度線性下降,其發(fā)散效果遠不如在第一級磁四極透鏡中受到的聚焦作用,因此電子束仍然是聚焦的。需要注意的是,為了使電子束的聚焦效果更好,發(fā)散的電子束不應超出磁場的線性變化區(qū)域。這樣電子在經過雙磁四極透鏡系統(tǒng)之后,各個方向上都是聚焦的,可以形成截面很小的電子束,轟擊陽極靶面產生X 射線[1]。

        雙磁四極透鏡可以使電子束得到極大地壓縮,從而在陽極靶上形成一個很小焦斑(如0.4 mm×0.4 mm、0.6 mm×0.6 mm等),產生能量集中的X 射線以滿足醫(yī)療檢測設備的使用要求,焦點的尺寸可以通過調節(jié)電磁線圈的電流來實現。由于雙磁四極透鏡聚焦下的焦點尺寸可以在2個相互垂直的方向進行調節(jié),因此還可以產生類似長矩形形狀的焦斑,如圖4 所示,這種電子束可以廣泛應用于許多類型的X射線管中。并且由于雙磁四極透鏡的高壓縮比,其可以擴大陰極發(fā)射面,從而擴大陰極尺寸、降低陰極發(fā)射面密度,解決小的焦點尺寸和大電流要求之間的矛盾,一方面降低了陰極的設計難度,另一方面提升了X 射線管的工作性能。表1 給出了該設計結構下,不同焦斑尺寸對應的電磁線圈電流參考值。

        圖3 雙磁四極透鏡聚焦

        圖4 焦斑

        表1 焦點尺寸典型值及其線圈電流

        3 結論

        該文描述了一種用于X 射線球管的高壓縮比電子束聚焦系統(tǒng),即雙磁四極透鏡系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以在增大陰極尺寸、提高電子槍發(fā)射電流的情況下,獲得更小的焦點。通過調節(jié)雙磁四極透鏡聚焦線圈的電流大小,可以動態(tài)調節(jié)焦點尺寸,并且還可以獲得長矩形形狀的焦點,以滿足更多X 射線管的應用場景。

        致謝:感謝國家重點研發(fā)計劃“數字診療裝備研發(fā)”重點專項“高熱容量CT 球管研發(fā)”(項目編號:2017YFC0111500)的支持。

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