光阴极分布式X射线发生装置及具有该装置的CT设备的制作方法

本发明涉及X射线技术领域，特别涉及一种光阴极分布式X射线发生装置，以及包含该光阴极分布式X射线发生装置的X射线发生系统，以及包含该X射线发生系统的CT设备。

背景技术：

X射线在工业无损检测、安全检查、医学诊断和治疗等领域具有广泛的应用。特别是，利用X射线的高穿透能力制成的X射线透视成像设备在人们日常生活的方方面面发挥着重要作用。这类设备早期的是胶片式的平面透视成像设备，目前的先进技术是数字化、多视角并且高分辨率的立体成像设备，例如CT(computed tomography)，可以获得高清晰度的三维立体图形或切片图像，是先进的高端应用。

在现有的CT设备中，X射线发生装置需要在滑环上运动，为了提高检查速度，通常X射线发生装置的运动速度非常高，导致设备整体的可靠性和稳定性降低，此外，受运动速度的限制，CT的检查速度也受到了限制，因此检查效率较低。另外，此类设备的X射线源在滑环上运动，导致等效的X射线源焦点变大，从而使得的成像的图片存在运动伪影，清晰度差，对一些较小的违禁品存在漏检的可能性。并且此类设备只能检查静止(或者缓慢运动)的物体，对于运动的物体，几乎无法成三维立体图。

采用碳纳米管做为冷阴极，并且对冷阴极进行阵列排布，利用阴极栅极间的电压控制场发射，从而控制每一个阴极按顺序发射电子，在阳极上按相应顺序位置轰击靶点，成为分布式X射线源。但是，存在生产工艺复杂、碳纳米管的发射能力与寿命不高的不足之处。

采用热阴极作为电子发射单元，并且对热阴极进行阵列排布，利用热阴极栅极间的电压控制电子的发射，从而控制每一个阴极按顺序发射电子，在阳极上按相应顺序位置轰击靶点，成为分布式X射线源。但是，存在生产工艺复杂、阴极热管理复杂的不足之处。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明的一个目的是提供一种光阴极分布式X射线发生装置，该X射线发生装置无需移动光源就能产生多个视角的X射线源从而提高检查效率和图像清晰度，且可靠性和稳定性高。

本发明的另一个目的是提供一种包含上述光阴极分布式X射线发生装置的光阴极分布式X射线发生系统。

本发明的再一个目的是提供一种包含光阴极分布式X射线发生系统的CT设备。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种光阴极分布式X射线发生装置，其中，包括：

电子发射单元，该电子发射单元包括驱动光源、光学组件以及光阴极，所述驱动光源用于发射光线，所述光学组件用于对所述驱动光源发射的光线进行反射和角度调制，所述光阴极受到所述光学组件反射和角度调制后的光线的激发后发射电子；

阳极靶，该阳极靶受到光阴极发射的电子束的轰击而产生X射线；

真空容器，该真空容器用于封装光阴极及阳极靶，在真空容器上设置有用于透过光线的光线入射窗和用于透过X射线的X射线出射窗；

控制系统，该控制系统分别与电子发射单元的驱动光源和光学组件连接；

其中，驱动光源发射的光线，经过光学组件反射和角度调制后，透过光线入射窗而按照预定顺序照射到光阴极上不同的位置，使得所述光阴极在不同的位置发射电子，以按照预定顺序变换阳极靶上的焦点位置，从而在所述阳极靶上不同的位置发射X射线。

其中，所述光学组件为高速扫描振镜。

其中，所述高速扫描振镜包括振镜镜片，与振镜镜片连接并带动振镜镜片运动的高速扭摆电机，与高速扭摆电机连接用于控制高速扭摆电机的频率和角度的伺服控制系统，用于实时监测振镜镜片的频率和扫描角度的位置传感器，以及从所述位置传感器获取振镜镜片的频率和扫描角度并反馈给伺服控制系统的负反馈系统。

其中，还包括位于真空容器内的补偿电极，用于给光阴极提供合适的场强。

其中，还包括位于真空容器内的聚焦电极，用于对所述光阴极产生的电子束进行聚焦。

其中，所述光阴极与阳极靶之间接有高压，所述高压接法为光阴极接地，阳极靶接正高压。

其中，所述光阴极与阳极靶之间接有高压，所述高压接法为阳极靶接地，光阴极接负高压。

本发明还公开了一种光阴极分布式X射线发生系统，其包括多个上述的光阴极分布式X射线发生装置。

其中，多个所述光阴极分布式X射线发生装置呈直线排列或圆形排列。

本发明还公开了一种CT设备，其包括上述的光阴极分布式X射线发生系统。

(三)有益效果

本发明提供的光阴极分布式X射线发生装置，通过改变光学组件的扫描角度来调制光线的入射角，使得光线按照预定顺序打在光阴极上不同的位置，从而间接改变阳极靶上焦点的位置，使得该分布式X射线发生装置无需移动光源就能产生多个视角的X射线，从而提高检查效率和图像清晰度，该装置结构简单、系统稳定、可靠性高。此外，该装置能够对小的违禁物品清晰地分辩出来；而且能够对运动的物体进行快速三维立体成像。

附图说明

图1为根据本发明的光阴极分布式X射线发生装置的一个实施例的结构示意图；

图2为根据本发明的光阴极分布式X射线发生装置的另一个实施例的结构示意图；

图3为根据本发明的光阴极分布式X射线发生装置的高速扫描振镜的工作示意图；

图4为根据本发明的按照直线排布的光阴极分布式X射线发生系统的及其控制系统的示意图；

图5为根据本发明的按照环形排布的光阴极分布式X射线发生系统的示意图；以及

图6为根据本发明的光阴极分布式X射线发生系统的工作时序图。

图中，100：激光器；110：高速扫描振镜；111：振镜镜片；112：伺服控制系统；113：高速扭摆电机；120：光阴极；130：阳极靶；140：真空室；150：激光；160：电子束；170：X射线；180：补偿电极；190：聚焦电极；200：补偿聚焦电源；210：高压电源；220：高压连接装置。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1示出了根据本发明的光阴极分布式X射线发生装置的一个优选实施例，如图1所示，该X射线发生装置包括电子发射单元、阳极靶130、真空容器140及控制系统(未示出)。其中，电子发射单元包括激光器100、高速扫描振镜110以及光阴极120。激光器100用于发射光线150，在该实施例中，激光器也可用其它发射光线的驱动光源代替，具体视光阴极120的材料而定；该高速扫描振镜110用于对驱动光源发射的光线150进行反射和角度调制，以使光线照射到光阴极120上不同的位置；光阴极120用于受到高速扫描振镜110反射和角度调制后的光线激发电子；阳极靶130受到光阴极120产生的电子束160的轰击而产生X射线170；该真空容器140用于封装光阴极120和阳极靶130，在真空容器140上设置有用于透过光线的光线入射窗和用于透过X射线170的X射线出射窗；控制系统分别与电子发射单元的激光器100和高速扫描振镜110连接，用于控制激光器100和高速扫描振镜110的协调工作，使得激光器100发射出的光线能够打在光阴极120上预先设定的位置；其中，激光器100发射的光线150，经过高速扫描振镜110反射和角度调制后，透过光入射窗而按照预定顺序照射到光阴极120上不同的位置，光阴极120不同的位置发射电子，以按照预定顺序变换阳极靶130上的焦点位置，从而在所述阳极靶130上不同的位置发射X射线170。

本发明所提供的光阴极分布式X射线发生装置通过调整高速扫描振镜110的扫描角度来调制光线150的入射角，使得激光打在光阴极120上不同的位置，从而间接改变阳极靶130上焦点的位置。这样就可以在不移动光源的情况下，产生多个视角的X射线170。

控制系统包括与高速扫描振镜110连接的光学组件控制模块和与激光器100连接的驱动光源控制模块，光学组件控制模块主要控制光学组件的协调工作，驱动光源控制模块主要根据高速扫描振镜110给出的同步信号控制激光器100的协调工作，如图4所示。

该高速扫描振镜包括振镜镜片111，与振镜镜片111连接并带动振镜镜片111运动的高速扭摆电机113，伺服控制系统112，位置传感器(未示出)，负反馈系统(未示出)，如图3所示。其中，伺服控制系统112控制高速扭摆电机113，高速扭摆电机113带动振镜镜片111按照伺服控制系统112给定的频率和角度高速振动起来，位置传感器用于实时监测振镜镜片111的振动角度和频率等工作状态参数，并通过负反馈系统将振镜镜片111的实时工作状态参数反馈给伺服控制系统112，伺服控制系统112根据振镜镜片111的实时工作状态参数对控制参数做相应的调整，从而确保振镜镜片111的振动精度。该光阴极分布式X射线发生装置通过控制高速扫描振镜的振动角度和频率等工作参数可以使振镜镜片111对所述驱动光源110发射的光线进行角度调制，以使光线照射在光阴极120上不同的位置，从而在光阴极120不同的位置发射电子，实现多光源。

需要说明的是，高速扫描振镜110也可采用其它能够调整扫描角度的光学组件。

具体地，振镜镜片111在不同角度反射出的激光光束在空间上位于一个平面内，如图3中三条虚线所在的平面。假设激光反射光束所在的平面中从振镜镜片111到光阴极120最近的激光光束为中轴线，那么其他角度的激光光束是关于中轴线对称的，假设其他激光光束与中轴线的夹角为(图3所示，由振镜镜片111决定，通常激光反射光束所在的平面与光阴极120入射面之间的夹角为θ(图1所示，0°<θ<90°)，激光的初始光斑为直径Φ的圆，那么激光光束打在光阴极120上不同位置的光斑形状将会变成一个(正/斜)椭圆，该椭圆的长半轴尺寸为：

短轴半尺寸为：

当为0°时，激光光束沿中轴线反射，激光光束打在光阴极120上的斑点是一个正椭圆；当不为0°时，激光光束打在光阴极120上的斑点是一个斜椭圆，并且斜椭圆的倾角随角的变化而改变。因此电子发射面可能是一个正椭圆也可能是一个斜椭圆。当角的变化在-20°到20°之间，可以近似认为因此角的变化实际上对电子束焦斑尺寸的影响是很小的，可以不考虑。因此，优选

该光阴极分布式X射线发生装置还包括位于真空容器140内的补偿电极180，补偿电极180用于给光阴极120表面提供一个合适的场强，保证从光阴极120发射出来的电子能尽快地被加速，漂移离开光阴极120表面，减小空间电荷力对电子发射的影响。

进一步地，该光阴极分布式X射线发生装置还包括位于真空容器140内的聚焦电极190，该聚焦电极190以静电透镜的形式聚焦发散的光电子，从而约束电子束，以在阳极靶130上获得适度尺寸和形状的焦点。光阴极120发射的电子束在聚焦电极190的作用下被调制成特定形状的电子束，该电子束与阳极靶130相互作用产生特定焦点大小的X射线。

在该实施例中，光阴极120与阳极靶130之间接有高压，所述高电压的高压接法为光阴极120接地，补偿电极180与聚焦电极190处于正低压(约20kV)，阳极靶130处于正高压。具体地，聚焦电极190、补偿电极180通过高压连接装置220与补偿聚焦电源200连接，阳极靶130通过另一高压连接装置220与高压电源210连接。

在本发明的另一实施例中，阳极靶130接地，光阴极120、补偿电极180、聚焦电极190均处于负高压端(如图2所示)。具体地，光阴极120、补偿电极180、聚焦电极190通过高压连接装置220与高压电源210连接。

由于激光器100的功率限制以及高速扫描振镜110扫描角度(通常为±20°)和速度的限制，采用一个光阴极分布式X射线发生装置实现的光源数量有限，为了获得更多的光源，本发明还公开了一种光阴极分布式X射线发生系统，其包括多个光阴极分布式X射线发生装置拼接而成。可选地，这多个光阴极分布式X射线发生装置呈直线排列，如图4所示。可选地，这多个光阴极分布式X射线发生装置呈环形排列，如图5所示。为了简洁，图4和图5中只给出了激光器100、高速扫描振镜110、光阴极120之间的相对关系，补偿电极180、聚焦电极190、阳极靶130、高压电源210等器件未给出，但其布置方法与图1一致。优选地，上述多个光阴极分布式X射线发生装置等间隔排列。

在图4和图5中，我们称激光打在光阴极120上发射电子的点为激光光斑，为了方便叙述，图4中对激光光斑、激光器100和高速扫描振镜110进行了编号。图4给出了采用5个光阴极分布式X射线发生装置拼接而成的分布式X射线发生系统，每个光阴极分布式X射线发生装置的激光光斑数量为20，那么图4所示的结构总共包含100个光源。

其工作流程大致如下，控制系统的光学组件控制模块先按使用要求配置高速扫描振镜110的振动频率和扫描角度，启动所有的高速扫描振镜110高速振动起来，并给出同步信号；当所有的高速扫描振镜110工作稳定后，光源控制模块首先打开激光器100a，控制激光器100a根据高速扫描振镜110a给出的同步信号按照高速扫描振镜110a的频率(或者高速扫描振镜频率的整数倍)发射激光脉冲，并扫描完成高速扫描振镜110a所覆盖区域的光斑，然后关闭激光器100a，紧接着打开激光器100b，重复激光器100a的扫描工作，然后打开激光器100c……。当所有的激光光斑全部完成扫描后，就实现了一个周期的光源出光。接下来重复上述工作进行下一个周期的出光。

理论计算如下。

对于现有的CT装置以及探测技术，在10mA电子束流打靶产生X射线的条件下，通常要求成像的时间不低于50μs，此时需要电子束流的总电荷量为：

Q＝I·τ＝5.0×10^-7C (3)

如果采用铅(不限于)作为阴极材料，假设其量子效率QE＝5×10^-4，振镜镜片的反射效率η≈1，则需要的激光光子数为：

如果采用波长λ＝266nm的紫外激光来驱动该光阴极，则单个激光光子的能量为：

那么在一个成像脉冲内需要的激光能量为：

W＝N₀·ε＝4.67mJ (6)

如果选用单脉冲能量W_L＝1.0mJ、脉宽t_L＝50ns、频率f_L＝20kHz、波长λ＝266nm、激光直径Φ＝2mm的激光，那么一个成像脉冲(打在同一个激光光斑上)需要的激光脉冲数为：

假设光源数(激光光斑数)为N＝100，采用5个激光器与5个高速扫描振镜，那么一个激光器与一个高速扫描振镜需要配合打出20个电子发射点(激光光斑)，如图4所示。同时，完成一次全光源扫描的时间为：

此时激光器的总功率为：

P_L＝W_L·f_L＝20W (9)

此外，还可以通过提高光阴极120表面的粗糙度，或者在光阴极120表面镀膜等方法来提高光阴极的量子效率，那么完成一次全光源扫描的时间会更短，同时还可以降低激光的功率。因此采用光阴极120制作光阴极分布式X射线发生装置的方案是可行的。

另外，由于光阴极120的量子效率QE通常在10^-4量级，激光倾斜入射到光阴极120上的反射率较低，可以近似地认为几乎激光所有的功率均沉积在光阴极120上并产生热量，那么光阴极120的总发热功率P_H即为激光器100的功率P_L≈20W。而如果采用热阴极制作100个分布式光源，假设每个热阴极的加热功率约为8W，那么总的加热功率高达800W，因此使用光阴极120制作分布式X射线光源在阴极热管理方面将会简单很多。

下面估算一下激光作用在光阴极120上的光斑尺寸参数以及激光与光阴极120之间的夹角θ的大小。由于激光的单脉冲能量W_L＝1.0mJ、脉宽t_L＝50ns，那么激光脉冲作用于光阴极120瞬间的光电流I_L为

假设光阴极120材料的饱和光电流密度I_m＝60A/cm²。那么激光光斑作用于光阴极120表面的面积S不小于：

由于激光与光阴极120作用的光斑为一个椭圆，椭圆的长半轴和短半轴为别为a、b，那么有：

π·a·b≥S (12)

将式(1)、(2)带入上式可得：

式中直径Φ＝2mm为入射激光的光斑直径。

当激光在不同角度反射时，角度θ需要满足：

即：

θ≤61.75° (15)

图6给出了采用5个光阴极分布式X射线发生装置，每个光阴极分布式X射线发生装置有20个激光光斑的光阴极分布式X射线发生系统工作的时序图。系统初始化后，首先启动所有的高速扫描振镜110工作起来，然后根据高速扫描振镜110的同步信号启动激光器110a工作，控制激光器110a发出的第1到第5个激光脉冲都打在激光光斑1的位置，从而驱动光阴极120发射电子，该电子在高压电场的加速作用下，撞击在阳极靶130上产生X射线170，用作第一次成像，这里也称作第一个成像脉冲，即图5中的成像脉冲1。然后系统控制激光器100a发出的第6到第10个激光脉冲都打在激光光斑2的位置，重复上述工作，完成第二次成像。当光源单元100a的所有激光光斑都扫描完后，关闭激光器100a，打开激光器100b，重复激光器100a的工作，然后打开激光器100c……，直到5个激光器都工作了一遍，把所有的激光光斑都扫描完，此时就完成了第一次全光源扫描。接下来再从光源单元1开始下一个周期的扫描工作。

另外，图4和图5所示的系统是采用的5个激光器轮流切换工作，实际上每个激光器的平均功率为：

本发明还公开了一种CT设备，其包括如上所述的光阴极分布式X射线发生系统。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。