CN117979525A - 一种基于环形靶的动态扫描的电子束高亮度微焦点射线源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于环形靶的动态扫描的电子束高亮度微焦点射线源，其特征在于，包括电子枪、聚焦线圈、偏转系统和环形反射靶；所述电子枪，用于产生电子束流并依次经所述聚焦线圈、偏转系统入射到所述环形反射靶；所述聚焦线圈，用于聚焦入射的电子束，减小电子束的束斑尺寸；所述偏转系统，用于控制电子束偏转方向及角度，使电子束沿多角度轰击所述环形反射靶；所述环形反射靶，用于被电子束轰击后产生对待扫描对象成像的X射线；其中所述环形反射靶由外向内依次为靶膜、导热基底和水冷通道层，所述靶膜用于与入射的电子束反应产生X射线，所述导热基底用于将所述靶膜上沉积的热量传递给所述水冷通道层。利用本发明可实现高速在线检测。

Description

一种基于环形靶的动态扫描的电子束高亮度微焦点射线源

技术领域

本发明属于X射线计算机层析扫描成像技术领域，简称CL(ComputedLaminography)，涉及一种电子束扫描式X射线源，尤其涉及一种基于环形反射靶的动态扫描的电子束高亮度微焦点射线源。

背景技术

电子束扫描式X射线源是针对板状电力电子器件无损检测和板状化石三维成像，系统结构如图1所示，由X射线源、二维载物运动平台、平板探测器三部分构成：X射线源位于平台下端，能够实现三维方向平移；平板探测器安装在上端的C型臂上，可以沿C型臂滑动或随着C型臂围绕旋转轴转动；二维载物平台可以实现二维精密平移运动。

公开号CN115020172A的专利公开了一种环形电子束反射式液态金属阳极装置，其中环形电子束打液体金属靶(镓、铟、锡)，反射至二次转换靶(钨、钼)，输出钨或钼的特征X射线。公告号CN217334003 U的专利文献公开了一种开放式反射靶微焦点X射线管。

现有方案所存在的问题如下：

(1)单阴极非扫描束+常规反射靶，电子束集中轰击同一靶面区域，因此考虑靶材散热问题，靶功率都比较小。

(2)单阴极非扫描束+常规的透射靶，也是同样问题，靶功率相对常规反射靶更低且寿命短。

(3)传统反射靶射线源，需要配备高精度的二维运动平台，才可以应用到CL设备中。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于环形反射靶的动态扫描的电子束高亮度微焦点射线源。这种基于电子束扫描X射线源的环形反射靶，利用精准控制的电子束环形扫描打靶，以射线源焦点偏转移动代替样品的机械圆周运动，减少了二维运动平台，降低了成像设备成本，提高扫描效率，可以应用在于大尺寸板状CL成像系统，相较于传统透射靶射线源，更高的X射线亮度，可以实现可实现高速在线检测。

本发明的技术方案为：

一种基于环形靶的动态扫描的电子束高亮度微焦点射线源，其特征在于，包括电子枪、聚焦线圈、偏转系统和环形反射靶；

所述电子枪，用于产生电子束流并依次经所述聚焦线圈、偏转系统入射到所述环形反射靶；

所述聚焦线圈，用于聚焦入射的电子束，减小电子束的束斑尺寸；

所述偏转系统，用于控制电子束偏转方向及角度，使电子束沿多角度轰击所述环形反射靶；

所述环形反射靶，用于被电子束轰击后产生对待扫描对象成像的X射线；其中所述环形反射靶由外向内依次为靶膜、导热基底和水冷通道层，所述靶膜用于与入射的电子束反应产生X射线，所述导热基底用于将所述靶膜上沉积的热量传递给所述水冷通道层，所述导热基底的热膨胀系数介于所述靶膜的热膨胀系数与水冷通道层的热膨胀系数之间。

进一步的，所述靶膜包括多个分区设置不同的材料，通过电子束轰击不同分区产生不同的X射线能谱。

进一步的，所述靶膜的材料为钨、钼、钽或铬；所述导热基底的材料为金刚石；所述水冷通道层的材料为铜。

进一步的，所述偏转系统控制电子束偏转方向及角度，使电子束依次入射到所述靶膜的不同区域，产生对静止的待扫描对象多角度成像的X射线。

进一步的，所述电子束入射到所述靶膜的轨迹为圆形轨迹，产生对静止的待扫描对象环形扫描成像的X射线。

进一步的，所述环形反射靶的中心设有透射靶。

进一步的，所述偏转系统包括两套正交的偏转磁铁；通过调整两套偏转磁铁的电流，实现电子束任意角度偏转。

一种基于上述电子束高亮度微焦点射线源的成像方法，其步骤包括：

1)将待扫描对象放置在所述环形反射靶与所述环形探测器之间；

2)利用所述电子枪产生电子束流并依次经所述聚焦线圈、偏转系统入射到所述环形反射靶；

3)所述环形反射靶被电子束轰击后产生对待扫描对象成像的X射线并投射到所述环形探测器上，得到待扫描对象的投影数据；

4)调整所述偏振系统，改变电子束偏转方向及角度，得到待扫描对象不同角度的投影数据；

5)对所述投影数据进行处理得到该待扫描对象的内部结构。

本发明中电子束在偏转磁铁工作下，可以实现分区轰击环形反射靶内壁的不同位置，因此靶散热问题相对易解决，从而可以提高靶功率，提高靶寿命。

本发明可以让检测样品处于静态，减少机械运动系统带来的成像伪影问题。通过电子束轰击不同靶材产生不同的X射线能谱，即可实现能量分辨成像(多能谱源+非能谱探测器)。

本发明可以实现现有射线源结构不使用能量分辨探测器，实现吸收边成像。

本发明环形反射靶发射的环形出射的X射线，比固定式反射靶相比可以得到多角度的环形X射线，比常规透射靶的束流功率高，尤其适用于大尺寸板状CL成像。

本发明的优点如下：

(1)电子束在偏转磁铁工作下可以偏转任意角度，轰击靶面后可以得到多角度出射的X射线，解决传统的静态CT靠机械运动扫描方式带来伪影问题，可实现高速在线检测。

(2)非连续离散形式打靶，解决靶功率密度限制问题，提高靶功率从而提高亮度。

(3)不同靶材分区设置，同时得到多种特征X射线，利于不同成像需求。

(4)基于电子束扫描X射线源的环形反射靶，适用于大尺寸板状CL成像系统。

附图说明

图1为CL系统工作示意图。

图2为电子束高亮度微焦点射线源结构原理图。

图3为电子束高亮度微焦点射线源扫描原理图。

图4为环形反射靶结构图。

图5为靶膜材料分区示意图。

图6为环形反射靶加透射靶的复合靶结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步详细描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图2所示，电子束高亮度微焦点射线源各部分工作关系：电子枪用来产生电子束流；聚焦线圈用来聚焦电子束，使得束斑尺寸尽量小；偏转磁铁用来对控制电子束偏转方向及角度；环形反射靶面的重金属靶膜被电子束轰击后产生用来成像的X射线。

扫描成像过程：电子枪的阴极灯丝加热发射电子后经过高压加速至工作电压(100kV-160kV)，经过聚焦线圈进行聚束，再经过X和Y方向两套正交的偏转磁铁偏转后，通过调整两套偏转磁铁的电流，可以实现电子束任意角度偏转，最后电子束打在环形反射靶面上的任意位置，靶面可以分区设置不同材料，电子束与不同靶材料作用后产生不同特性的X射线，出射的X射线经过静止的样品，最后投射到探测器上，探测器得到样品多个位置角度的投影数据后经过处理可以得到样品内部结构，如图3所示。

环形反射靶由靶膜、导热基底和水冷通道组成，其中靶膜用于与电子束反应产生X射线，靶膜材料包括钨、钼、钽、铬等；导热基底用以传导靶膜上沉积的热量，材料主要为金刚石；水冷通道用以冷却导热基底，一般采用铜，由于铜与靶膜热膨胀系数不同，因此需要中间过度的导热基底材料进行热传导(如图4所示)。

内部靶膜可以分区域设置不同的材料，通过电子束轰击不同靶材产生不同的X射线能谱，即可实现多能谱成像(如图5所示)。

环形反射靶还可以和透射靶组合成为复合靶，扫描电子束在中心就可以打透射靶，扫描电子束控制偏转到环形反射靶上，就可以出多角度的环形X射线束(如图6所示)。

本发明还提供一种基于上述电子束高亮度微焦点射线源的成像方法，其步骤包括：

1)将待扫描对象放置在所述环形反射靶与所述环形探测器之间；

2)利用所述电子枪产生电子束流并依次经所述聚焦线圈、偏转系统入射到所述环形反射靶；

3)所述环形反射靶被电子束轰击后产生对待扫描对象成像的X射线并投射到所述环形探测器上，得到待扫描对象的投影数据；

4)调整所述偏振系统，改变电子束偏转方向及角度，得到待扫描对象不同角度的投影数据；

5)对所述投影数据进行处理得到该待扫描对象的内部结构。

尽管为说明目的公开了本发明的具体实施例，其目的在于帮助理解本发明的内容并据以实施，本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于最佳实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (8)

1.一种基于环形靶的动态扫描的电子束高亮度微焦点射线源，其特征在于，包括电子枪、聚焦线圈、偏转系统和环形反射靶；

所述电子枪，用于产生电子束流并依次经所述聚焦线圈、偏转系统入射到所述环形反射靶；

所述聚焦线圈， 用于聚焦入射的电子束， 减小电子束的束斑尺寸；

所述偏转系统，用于控制电子束偏转方向及角度，使电子束沿多角度轰击所述环形反射靶；

所述环形反射靶， 用于被电子束轰击后产生对待扫描对象成像的X射线； 其中所述环形反射靶由外向内依次为靶膜、 导热基底和水冷通道层， 所述靶膜用于与入射的电子束反应产生X射线，所述导热基底用于将所述靶膜上沉积的热量传递给所述水冷通道层，所述导热基底的热膨胀系数介于所述靶膜的热膨胀系数与水冷通道层的热膨胀系数之间。

2.根据权利要求1所述的电子束高亮度微焦点射线源，其特征在于，所述靶膜包括多个分区设置不同的材料， 通过电子束轰击不同分区产生不同的X射线能谱。

3.根据权利要求2所述的电子束高亮度微焦点射线源， 其特征在于， 所述靶膜的材料为钨、钼、钽或铬； 所述导热基底的材料为金刚石； 所述水冷通道层的材料为铜。

4.根据权利要求1或2或3所述的电子束高亮度微焦点射线源，其特征在于，所述偏转系统控制电子束偏转方向及角度，使电子束依次入射到所述靶膜的不同区域，产生对静止的待扫描对象多角度成像的X射线。

5.根据权利要求4所述的电子束高亮度微焦点射线源，其特征在于，所述电子束入射到所述靶膜的轨迹为圆形轨迹， 产生对静止的待扫描对象环形扫描成像的X射线。

6.根据权利要求1或2或3所述的电子束高亮度微焦点射线源，其特征在于，所述环形反射靶的中心设有透射靶。

7.根据权利要求1或2或3所述的电子束高亮度微焦点射线源，其特征在于，所述偏转系统包括两套正交的偏转磁铁； 通过调整两套偏转磁铁的电流， 实现电子束任意角度偏转。

8.一种基于权利要求1所述电子束高亮度微焦点射线源的成像方法， 其步骤包括：

1)将待扫描对象放置在所述环形反射靶与探测器之间；

2)利用所述电子枪产生电子束流并依次经所述聚焦线圈、偏转系统入射到所述环形反射靶；

3)所述环形反射靶被电子束轰击后产生对待扫描对象成像的X射线并投射到所述探测器上， 得到待扫描对象的投影数据；

4)调整所述偏振系统，改变电子束偏转方向及角度，得到待扫描对象不同角度的投影数据；

5)对所述投影数据进行处理得到该待扫描对象的内部结构。