专利名称:用于x射线产生的系统和方法
技术领域：
本发明通常涉及一种X射线源，并且具体涉及一种基于逆康普顿散射用于产生X 射线的技术。
背景技术：
对于X射线产生，传统的X射线源通常基于Brehmsstrahlimg辐射或同步加速器 辐射。在前一种情况中，当通过作为一般X射线管的重型材料减速高能电子时产生辐射。 在同步加速器辐射是理想的情况下，通过经过磁波纹机的极高能电子束或存储环同步加速 器源中的偶极子产生辐射。一般X射线管产生的X射线具有在它们的使用中造成限制的缺 陷。例如，Brehmsstrahlung辐射通常具有相对较低的功率，并包括长脉冲或连续波。此外， 这种辐射典型地包括固定的偏振、不可调的不相干辐射。同步加速器产生的X射线也具有 某些限制。例如，通过同步加速器源产生的X射线通常是宽带、不相干、低功率、固定偏振和 不可调的。此外，这种源需要高能电子束，其又需要大和昂贵的设施。
逆康普顿散射(ICS)是另一种技术，通过利用线性加速器和大的高功率激光器， 其已成功地用于产生X射线。实际上，由于它们的相干性和频谱特性，基于X射线源的ICS 比传统的X射线管技术在较低的剂量、较高的对比度和较好的分辨率方面提供了有效的益 处。然而，当前的基于X射线源的ICS典型地非常大和复杂。例如，已知典型地用于这种处 理的激光器为T3 (桌上兆兆瓦)激光器，并产生极高能的短脉冲。这些激光器非常复杂，并 需要大量的光学元件进行操作。
因此期望提供一种需要较低功率激光器和较少光学元件的紧凑和有效的ICS系 统。
发明内容
简而言之，依据本发明的一个方面，提供一种用于产生X射线的系统。该系统包括 在激光腔中以第一方向产生高能光脉冲的高重复率激光器和用于在激光腔中以与第一方 向相反的第二方向提供电子束的电子束源。电子束在激光腔中与光脉冲中的光子交互，以 在第二方向产生X射线。
依据本发明的另一方面，提供一种用于产生X射线的技术。该技术包括通过高重 复率激光器在激光腔中产生高能光脉冲，产生电子束，以第一方向导引光脉冲，并以与第一 方向相反的第二方向导引电子束进入激光腔，电子束在激光腔中与光脉冲中的光子交互， 以在第二方向产生X射线。
当参照附图阅读下面的详细说明时，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变 得更容易理解，其中在附图中，相同的符号表示相同的部分，其中
图1是依据本发明的示范性实施例、利用ICS用于X射线产生的系统的示意性说明；
图2是在用于X射线产生的技术中采用的ICS处理的简图；
图3是利用电子存储环、基于X射线系统的ICS的示范性实施例的简图；以及
图4是利用作为激光器的再生式放大器、基于X射线系统的ICS的另一示范性实 施例的简图。
具体实施方式
现在参照图1，基于ICS的系统10包括激光器系统12和电子束源14。激光器系 统12产生光脉冲16，同时电子束源14产生并加速脉冲电子束18至相对论性速度。如下面 更详细之所述，以与脉冲电子束18的方向相反的方向导引激光器系统12的光脉冲16，从而 使两者在激光器系统12的激光腔中碰撞，通过ICS产生X射线。
具体地，在所示的实施例中，激光器系统12包括激光腔20，其中如下面所述地产 生X射线辐射。将光脉冲16引进腔20，并与来自脉冲电子束源14的电子束18碰撞。然后 通过ICS，从激光腔20产生并导引通常以参考数字22表示的X射线。再次在图1所示的 实施例中，光脉冲16在激光腔20中以通过图1中箭头24代表的第一方向行进，同时电子 束18以第二方向26行进通过激光腔的一部分，以交叉光脉冲16的路径，从而在腔20中的 交互区域28中撞击光脉冲16。如下面更详细之所述，在一实施例中，一个或多个偏转磁体 30可以用于在交互区域28中导引电子束18。本领域的技术人员可以理解，可以从系统中 除去磁体30，其中可以另外导引电子束18进入光脉冲16的路径。在当前预期的构造中，电 子束18和光脉冲16正面或接近正面(即，以非常浅的角度)地彼此撞击。
在所示的实施例中，激光器系统12包括包含在包括一组反射镜32的高精密光环 腔20中的部件。可以部分或完全抽空激光腔20。隔离器34用于强制光脉冲16在期望的 第一方向24中循环。有源锁模(activemode-locking)装置36提供超快的锁模光脉冲16 的流。在当前预期的实施例中，锁模装置36可以例如是声光单元或电光单元和布儒斯特 (Brewster)板。
在所示的实施例中，激光器系统12进一步包括泵激光器38。泵激光器38产生高能 脉冲或连续波激光束40，该激光束40可以被激光棒42聚集和吸收并且其依次又产生高能 光脉冲16。在当前预期的实施例中，激光棒42包括固态增益介质，比如Yb:YAG或Nd:YAG。 高能光脉冲16以预定方向24在激光腔20中行进。隔离器34充当栅，并仅允许以预定方 向24运动的那些光脉冲16，而阻挡所有其它的光脉冲。预定方向24可以是顺时针方向或 反时针方向。
选择和设置反射镜32，以便在激光棒42中形成收敛部分。在收敛部分上聚集和强 化光脉冲16，以在激光棒42的增益介质中获得高增益。其后，在激光腔20中的交互区域 28中形成第二收敛部分，其中发生电子-光子交互作用。例如，在一个实施例中，矩形结构 的四个曲面反射镜32可以用于形成激光腔20，从而在闭环中限定光脉冲16。在可替代的 实施例中，可以以三角形或其它结构设置反射镜，以形成激光腔20。反射镜32可以是离轴 抛物面(parabaloid)凹面反射镜，以在上面提到的位置聚集和强化光脉冲16。本领域的技 术人员可以理解，与其中一个反射镜仅是部分反射性的、而且激光器输出从其中发散的传 统激光器系统不同，该实施例中的全部反射镜都是高反射性的，从而在产生激光的波长处没有输出产生。
如上面提到的，比如声光单元或电光单元和布儒斯特板的有源锁模装置36用于 产生高重复率、适度高能的锁模光脉冲16。通过多个高重复率和低能交互(也就是每脉冲 较低的X射线光子，但更快速的交互脉冲)取代一个单独的大交互，采用高重复率锁模激光 器设计来产生足够的X射线通量(光子/秒)。
如上面所述，电子束源14产生被引进激光腔20以与光脉冲16交互的电子束18。 在当前预期的实施例中，脉冲电子束源14可以是射频(rf)线性加速器(LINIAC)、X-波段 LINIAC或加速电子束至10到250MeV能量的激光器加速器。然后以与光脉冲16的传播方 向24相反的方向26操纵来自电子束源14的电子束18进入激光腔20，从而使电子束18以 非常浅的角度与光脉冲16的路经相交。
电子束18在激光腔20中与光脉冲16碰撞以通过ICS过程产生X射线22。下文 中将参照图2更详细地说明ICS过程。在与光脉冲16交互之后，然后导引电子束18离开 激光腔20。在一个实施例中，一个或多个偏转磁体30可以用于导引电子束18进入或离开 激光腔20。通过参考数字44表示的离开电子束可以再循环于源14中，或在石墨块或其它 散布或吸收介质中处理。在当前预期的实施例中，X射线通过可以由铍或其它X射线可透 过材料构成的X射线透射窗口离开激光腔20，并通过一个或多个布拉格反射器46以预定方 向对其导引。如下所述，可以这样导引X射线至其中采用它们以用于各种用途的位置。
图2说明了如上面所述的、在激光腔20中通过ICS过程的X射线的产生。通常通 过参考数字50表示该过程。高能光脉冲16中的光子正向或接近正向地撞击比光脉冲16 中的光子具有更大动能的电子束18中的进入的相对论的电子。该碰撞导致从电子至光子 的能量转移，其向上转换光子至频谱的X射线区域。具体地，散射的光子增加能量，并在波 长上短于入射光子。离开的电子束44具有比入射电子束18低的动能。如上所述，通过ICS 过程发射的X射线22是脉冲的、可调的和近似单色的。
在可替代的实施例中，如图3所示，可以以然后驱动电子存储环54的较小的源取 代电子束源14(比如rf LINIAC或X-波段LINIAC)。在该实施例中，将来自电子束源14的 脉冲电子束18提供进入电子存储环54。操纵通过电子存储环54限定的路径的一部分，以 便以在电子存储环54中循环的脉冲电子束56与光脉冲16交互这种方式与激光腔20重叠， 从而通过如上面所述的ICS过程产生X射线22。如在上面所述的先前实施例中，在交互区 域28中，脉冲电子束56与光脉冲16在相反方向上近似是共线的。
电子存储环54可以包括用于重新激励循环电子束56的放大器58。此外，电子存 储环54中的电子束56的往返行程循环时间可以与激光腔20中的光脉冲16的往返行程循 环时间同步，以最大化电子束56和高能光脉冲16之间的交互作用。该设置可以比引入新 的电子脉冲更具能量效率，并减小了对大电子束源的依赖。例如，通过在电子束源14的主 振荡器信号的次谐波处驱动锁模振荡器36，可以获得光脉冲16和电子束56之间的同步。
在另一替代实施例中，如图4所示，再生放大器可被用作激光器系统12。在该实施 例中，伸展、放大和再压缩光脉冲以产生高能光脉冲16。以与上面所述类似的方式，泵激光 器38将依次又产生高能光脉冲16的高能脉冲或连续波激光束40提供到激光棒42。以布 儒斯特角度切割激光棒42，从而最小化损失，并最大化激光棒42中的增益。在布儒斯特角 度处，完全没有反射损失地传送与入射角度平行偏振的光脉冲16。该技术也避免了产生的峰值功率损伤激光棒42。
反射镜32用于在激光腔20中限定这些高能光脉冲16。通过使用光学装置60选 通光脉冲16，比如允许第一偏振状态中的光脉冲16通过的普克尔盒。进入的种子光脉冲 62用于在激光腔20中启动高能光脉冲16的形成。偏振波束分离器64发送进入的种子光 脉冲62进入激光腔20。然后通过光学装置60改变种子光脉冲62的偏振，以匹配腔中光脉 冲16的极性，从而在激光腔20中限定种子光脉冲62。利用光栅66(比如衍射光栅)，进一 步伸展、放大和再压缩光脉冲16，并由此成倍增大光脉冲16的能量。衍射光栅由具有一系 列临近间隔的线或沟槽(典型地，每英寸几千个/每毫米几百个)的板或薄膜组成，并且可 以是透射或反射类型。后者类型将被涂覆象铝或金的反射性材料的薄膜。在一个特定实施 例中，放大之前，在全反射两光间脉冲伸展器中伸展光脉冲16，然后在两光栅压缩器中对其 进行再压缩。伸展器和压缩器全部由反射性光学元件构成，以最小化较高阶相位项的影响， 由此保持光脉冲16的逼真度。然后导引这些高能光脉冲16至交互区域28，在其中它们与 电子束18交互以通过ICS过程50产生X射线22。操纵来自电子源14的进入电子束18进 入激光腔20，并且该电子束与高能光脉冲16在相反方向上是近似共线的。光脉冲16在激 光腔20中循环，并在每一次往返行程中释放它们能量的一小部分，以产生X射线22。当通 过激光棒42时，通过光脉冲释放的能量就会再生。简而言之，一旦系统10被进入的种子光 脉冲62播种，只要ICS过程不提取超过激光棒42能够补充的能量，则它就是可操作的。
在上面所述的实施例中，激光器系统12具有在与产生激光波长不同的波长处的 输出。这类似于激光器中腔内倍增器的结合，其中激光器不具有在产生激光波长处的输出， 但相反其具有通过腔中的非线性光学元件中的非线性频率转换过程所产生的不同波长处 的输出。此外，在上面所述的实施例中，电子束18充当非线性光学元件，并且激光器系统12 的输出位于X射线频谱中。
通过将共振腔和激光器源折叠成单独的激光器系统12，以及利用X射线22发射作 为激光器系统12的输出耦合，系统10及其在产生X射线方面的功能减小了传统系统的复 杂性。此外，激光腔20中的光脉冲16的数量级高于在激光器源的输出处产生的数量级。
通过如上面的各种实施例中所述的ICS过程产生的X射线具有如与传统的 Brehmsstrahlimg过程的宽能量分布相反的近似单色的频谱特征，并具有准-相干特性。这 些特征在多个应用方面提供了有效的益处，比如医学成像界，其包括较低的剂量、提高的对 比度、提高的分辨率和诊断成像的新类型。例如，可以施加这些X射线以用于包括癌症的胸 部疾病的诊断。当利用单色X射线研究时，患癌症的胸部组织比正常的组织展示了较高的 线性衰减特性。该特性可以用于提供更好对比度的图像。成像中的这些改进不局限于胸部， 其也可以施加至任何解剖学组织和各种检查程序，比如冠状动脉博造影术。
可能应用的其它领域是细胞生物学和材料科学，比如结晶学和X射线平版印 刷术。这些X射线的单色性和狭窄发散角不仅允许布拉格反射器将波束从拱顶转向拱 顶之上的成像实验室，而且允许以圆形形式对波束重新定向，比如用于利用锥形束反向 投射算法产生CT图像。以皮秒(PS)猝发脉冲X射线的事实允许它们被用于飞行时间 (time-of-flight)成像，其中通过仅成像从曝光起始直到ISOps的弹道光子以及忽略离开 超过多个纳秒的散射来收集数据。因此，我们相信该技术能够导致在亮度方面显著的提高。 此外，X射线束的小的有效光点大小能够利用在传统成像中的通常废弃的信息来执行相位对比度成像。此外，由于波束的可调性和传递到被成像部分的有限的带宽/狭窄能量范围， 从而减小了散射。
在这里已经说明和描述了本发明的仅仅某些特征的同时，对于本领域的技术人员 来说，可以进行多种修改和改变。因此，可以理解，所附的权利要求
意图覆盖落入本发明的 真实精神的所有这种修改和改变。
部件列表[0031]10系统[0032]12激光器系统[0033]14电子束源[0034]16光脉冲[0035]18进入的脉冲电子束[0036]20激光腔[0037]22X射线[0038]24第一方向[0039]26第二方向[0040]28交互区域[0041]30导向磁体/偏转磁体[0042]32反射镜[0043]34隔离器[0044]36锁模装置[0045]38泵激光器[0046]40激励激光束[0047]42固态激光棒[0048]44输出电子束[0049]46布拉格反射器[0050]50逆康普顿散射过程[0051]52具有电子存储环的系统[0052]54电子存储环[0053]56循环脉冲电子束[0054]58再生放大器[0055]60普克尔盒[0056]62进入的种子光脉冲[0057]64偏振束分离器[0058]66光栅
权利要求
1.一种用于产生X射线(22)的系统(10)，该系统(10)包括高重复率激光器系统(12)，放置在环腔内并适于在环腔(20)中以第一方向(24)产生 和导引高能光脉冲(16)；以及适于在环腔(20)中产生脉冲电子束并以与第一方向(24)相反的第二方向(26)导引 脉冲电子束的脉冲电子束(18)的源(14)，脉冲电子束(18)在环腔(20)中撞击光脉冲(16) 中的光子，以便以第二方向(26)产生X射线(22)。
2.权利要求
1的系统(10)，进一步包括位于环腔(20)中用于以第一方向(24)导引光 脉冲(16)的隔离器(34)。
3.权利要求
1的系统(10)，其中高能光脉冲(16)包括高重复率的锁模光脉冲。
4.权利要求
3的系统(10)，进一步包括位于环腔(20)中用于产生高重复率的锁模光 脉冲的声光单元。
5.权利要求
3的系统(10)，进一步包括位于环腔(20)中用于产生高重复率的锁模光 脉冲的电光单元和布儒斯特板。
6.权利要求
1的系统(10)，其中所述高重复率激光器系统包括用于产生光脉冲(16) 的固态激光棒(42)。
7.一种用于产生X射线(22)的系统(52)，该系统(52)包括锁模激光器系统(12)，其置于环腔内并适于在环腔(20)中以第一方向(24)产生和导 引高能光脉冲(16)；适于在与环腔(20)重叠的电子存储环(54)中供给脉冲电子束的脉冲电子束(18)的 源(14)，电子存储环(54)适于在环腔(20)中以与第一方向(24)相反的第二方向(26)循 环脉冲电子束(56)，脉冲电子束(56)在环腔(20)中撞击光脉冲(16)中的光子，以便以第 二方向(26)产生X射线(22)。
8.权利要求
7的系统(52)，其中电子存储环(54)适于存储和循环脉冲电子束(56)。
9.权利要求
7的系统(52)，其中电子存储环(54)中脉冲电子束(56)的往返行程循环 时间基本上等于环腔(20)中光脉冲(16)的往返行程时间。
10.一种用于产生X射线(22)的方法，该方法包括通过置于环腔中的高重复率激光器系统(12)在环腔(20)中产生高能光脉冲(16)，以 第一方向(24)导引该光脉冲(16)；产生脉冲电子束(18)；以及以与第一方向(24)相反的第二方向(26)导引脉冲电子束(18)进入环腔(20)，光脉冲 (16)中的光子撞击脉冲电子束(18)，以便以第二方向(26)产生X射线(22)。
专利摘要
本发明提供一种用于通过逆康普顿散射过程来产生X射线(22)的系统(10)。该系统包括适于在激光腔(20)中以第一方向(24)导引高能光脉冲(16)的高重复率激光器(12)和适于在激光腔中以与第一方向相反的第二方向(26)导引电子束(18)的脉冲电子束(18)的源(14)。电子束(18)在激光腔(20)中与光脉冲(16)中的光子相交互，以便以第二方向(26)产生X射线(22)。
文档编号H05H1/00GKCN1678163 B发布类型授权 专利申请号CN 200510059554
公开日2011年7月6日 申请日期2005年3月29日
发明者B·L·劳伦斯, P·W·洛兰, R·J·菲尔金斯 申请人:通用电气公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan