胡 強(qiáng) 王 鵬 呂向英

（北京真空電子技術(shù)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(chǎn)生和聚束是X 射線球管的關(guān)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(shí)，電子游離在陰極表面，同時(shí)，在陰極和陽(yáng)極之間施加100 kV 以上的電壓，可使電子從陰極加速向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)。當(dāng)電子達(dá)到陽(yáng)極位置時(shí)，其已經(jīng)達(dá)到了0.7 倍光速以上的速度，然后轟擊陽(yáng)極靶產(chǎn)生X 射線。產(chǎn)生的X 射線通過(guò)一個(gè)X 射線透射窗口射出，從而被運(yùn)用于各種場(chǎng)合。

醫(yī)療檢測(cè)是X 射線管的一個(gè)典型用途，醫(yī)療檢測(cè)設(shè)備的分辨率是一項(xiàng)非常重要的指標(biāo)，其與X 射線球管的焦點(diǎn)尺寸有直接關(guān)系。減小焦點(diǎn)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(yán)重的功率損失，加上X射線球管產(chǎn)生的X 射線的效率很低（約為1%左右），所以提高焦點(diǎn)內(nèi)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(shè)計(jì)是保證焦點(diǎn)內(nèi)電流面密度，提高X 射線利用率的一個(gè)有效措施，一直以來(lái)都是X 射線管設(shè)計(jì)中的重要內(nèi)容，更是醫(yī)療設(shè)備性能提升的重要保障。

1 電子束聚束系統(tǒng)設(shè)計(jì)

聚焦極采用傳統(tǒng)意義上的電子束聚焦方式，它通過(guò)改變陰極周圍空間的電場(chǎng)來(lái)使電子束在產(chǎn)生時(shí)就趨于壓縮，以抵消電子飛躍陰—陽(yáng)極之間距離時(shí)的空間電荷力，達(dá)到聚束效果。傳統(tǒng)X 射線管由于焦點(diǎn)尺寸較大、壓縮比很小且陰—陽(yáng)極之間的距離很短，僅依靠聚焦極就可以實(shí)現(xiàn)電子束的聚焦。但是對(duì)于新型醫(yī)療設(shè)備使用的X 射線球管來(lái)說(shuō)，這種聚焦方式已經(jīng)不能滿足使用要求。新型醫(yī)療設(shè)備為了獲得更高質(zhì)量的影像，要求X 射線管的焦點(diǎn)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(nèi)空間電荷力會(huì)增大、電子束壓縮比也會(huì)增大，這使得新型X射線球管的電子槍和聚焦設(shè)計(jì)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(gè)由4 個(gè)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(shí)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(lái)，以聚焦極作為初始聚束裝置，使電子發(fā)射出來(lái)時(shí)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(shí)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(jìn)入四極透鏡。

雙磁四極透鏡系統(tǒng)具有扁平狀的結(jié)構(gòu)，能產(chǎn)生比較集中的磁場(chǎng)。電磁線圈通電時(shí)四極透鏡內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)，電子在通過(guò)雙磁四極透鏡系統(tǒng)內(nèi)部區(qū)域時(shí)，能夠在較短的漂移距離內(nèi)產(chǎn)生較大的速度變化，而后電子在較長(zhǎng)的漂移距離內(nèi)依靠慣性漂移聚束。這種方式不再需要在電子束的整個(gè)路徑上設(shè)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(gè)電磁線圈在通電時(shí)形成一個(gè)磁極，通不同方向的直流電可以產(chǎn)生不同極性的磁極。在磁四極透鏡的4 個(gè)線圈中通直流電，使4 個(gè)磁極的極性間隔排列，則在透鏡包圍的中心區(qū)域產(chǎn)生如圖2 所示的對(duì)稱磁場(chǎng)[2]。該磁場(chǎng)大小相等的點(diǎn)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?yàn)槔?，磁?chǎng)從靠近鐵心的位置開(kāi)始逐漸增大，達(dá)到峰值后下降，在進(jìn)入正方形分布區(qū)域之后，線性地下降，直到達(dá)到透鏡幾何中心時(shí)下降到0。從其他方向觀察時(shí)也以類似的情況變化。電子進(jìn)入透鏡之后應(yīng)處于線性區(qū)域，以使得對(duì)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(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)強(qiáng)度能夠使電子在磁場(chǎng)中具有足夠的速度進(jìn)行方向變化。

圖2 雙磁四極透鏡聚焦系統(tǒng)磁場(chǎng)分布及沿X 方向的磁場(chǎng)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(jìn)入第一級(jí)磁四極透鏡后，磁場(chǎng)使電子束在一個(gè)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(jié)構(gòu)，其在較短的距離內(nèi)能使電子速度發(fā)生變化，在之后的電子漂移過(guò)程中逐步聚焦（或發(fā)散），在電子束進(jìn)入第二級(jí)磁四極透鏡時(shí)，電子束的截面被拉長(zhǎng)。第二級(jí)磁四極透鏡與第一級(jí)磁四極透鏡相比旋轉(zhuǎn)了90°，從而電子發(fā)散的方向會(huì)被聚焦，并且由于中心區(qū)域的磁場(chǎng)強(qiáng)度具有沿徑向線性增大的趨勢(shì)，因此被發(fā)散的電子受到的聚焦效果會(huì)大很多，從而被強(qiáng)力壓縮。在電子聚焦的方向上電子會(huì)被發(fā)散，但是由于其更靠近中心軸線，磁場(chǎng)強(qiáng)度線性下降，其發(fā)散效果遠(yuǎn)不如在第一級(jí)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(yīng)超出磁場(chǎng)的線性變化區(qū)域。這樣電子在經(jīng)過(guò)雙磁四極透鏡系統(tǒng)之后，各個(gè)方向上都是聚焦的，可以形成截面很小的電子束，轟擊陽(yáng)極靶面產(chǎn)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(yáng)極靶上形成一個(gè)很小焦斑（如0.4 mm×0.4 mm、0.6 mm×0.6 mm等），產(chǎn)生能量集中的X 射線以滿足醫(yī)療檢測(cè)設(shè)備的使用要求，焦點(diǎn)的尺寸可以通過(guò)調(diào)節(jié)電磁線圈的電流來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于雙磁四極透鏡聚焦下的焦點(diǎn)尺寸可以在2個(gè)相互垂直的方向進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此還可以產(chǎn)生類似長(zhǎng)矩形形狀的焦斑，如圖4 所示，這種電子束可以廣泛應(yīng)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(kuò)大陰極發(fā)射面，從而擴(kuò)大陰極尺寸、降低陰極發(fā)射面密度，解決小的焦點(diǎn)尺寸和大電流要求之間的矛盾，一方面降低了陰極的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)下，不同焦斑尺寸對(duì)應(yīng)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(diǎn)尺寸典型值及其線圈電流

3 結(jié)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(diǎn)。通過(guò)調(diào)節(jié)雙磁四極透鏡聚焦線圈的電流大小，可以動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)焦點(diǎn)尺寸，并且還可以獲得長(zhǎng)矩形形狀的焦點(diǎn)，以滿足更多X 射線管的應(yīng)用場(chǎng)景。

致謝：感謝國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“數(shù)字診療裝備研發(fā)”重點(diǎn)專項(xiàng)“高熱容量CT 球管研發(fā)”（項(xiàng)目編號(hào)：2017YFC0111500）的支持。