基于碳納米管場(chǎng)致發(fā)射陰極的可變焦X射線管

唐華平 陳志強(qiáng) 劉 昂 秦占峰 何 武 張慶輝

1（新鴻電子有限公司 常州213000）

2

（清華大學(xué)工程物理系 北京100084）

3（粒子技術(shù)與輻射成像教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京100084）

移動(dòng)數(shù)字化X射線攝影（Digital Radiography，DR）技術(shù)由于其高效快捷的特性，為很多急診病人爭(zhēng)取了寶貴的救治時(shí)間，是目前醫(yī)療成像領(lǐng)域熱門的研究方向［1-2］。移動(dòng)DR設(shè)備需要進(jìn)入急癥室等狹小病房，甚至不同樓層的病房進(jìn)行床旁攝片，所以要盡量小巧輕便且環(huán)境輻射劑量低；移動(dòng)DR設(shè)備多采用電池作為備用能源以提升其靈活性，這就要求其中的X射線管能耗小以提升其續(xù)航能力。傳統(tǒng)熱陰極X射線管以燈絲作為陰極，需要將燈絲加熱到較高溫度才能發(fā)射大量電子，所以熱陰極X射線管存在啟動(dòng)慢、時(shí)間分辨率低、無效輻射劑量大、工作溫度高等問題［3-4］。所以許多研究機(jī)構(gòu)將目光轉(zhuǎn)向了冷陰極射線管。

新鴻電子基于全球領(lǐng)先的碳納米管陰極技術(shù)，提出了一種適合移動(dòng)DR設(shè)備的小巧冷陰極X射線管。該管基于場(chǎng)致發(fā)射，室溫下就可直接發(fā)射電子，無需耗費(fèi)時(shí)間和功率加熱陰極，所以具有啟動(dòng)快、功耗低的優(yōu)勢(shì)；同時(shí)冷陰極場(chǎng)致發(fā)射還具有瞬間開通和關(guān)斷的特點(diǎn)，使其具有高時(shí)間分辨率、可控發(fā)射、無效輻射劑量小等優(yōu)勢(shì)［5-9］。本文提出的X射線管進(jìn)一步按照醫(yī)用成像的國際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了焦斑設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)不同工作模式下的管電壓/管電流/焦斑大小的靈活調(diào)整。射線管重量小于2 kg，有利于移動(dòng)醫(yī)療DR設(shè)備的小型化、輕型化和靈活性。

1 設(shè)計(jì)方案

1.1 碳納米管陰極

碳納米管具有大長(zhǎng)徑比、優(yōu)異的導(dǎo)電性能、良好的機(jī)械性能和化學(xué)穩(wěn)定性，被認(rèn)為是最理想的場(chǎng)致發(fā)射材料之一［10］。本文所使用的碳納米管材料是通過化學(xué)氣相沉積法制備，制備的碳納米管直徑分布均勻，碳納米管直徑為5 nm左右，碳納米管長(zhǎng)度大于10 μm。通過電泳沉積的方法將制備好的碳納米管材料固定在導(dǎo)電基底上制得碳納米管陰極。使用掃描電鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）對(duì)碳納米管陰極的表面形貌進(jìn)行觀察，如圖1所示。圖中毛發(fā)狀的細(xì)長(zhǎng)物為碳納米管，具有較好的密度和分布均勻性，在高壓電場(chǎng)中，每一個(gè)碳納米管的尖端形成一個(gè)電子發(fā)射體。

1.2 冷陰極射線管

圖1 碳納米管陰極SEM圖Fig.1 SEM image of the nanostructures of CNTs cathode

圖2 X射線管結(jié)構(gòu)Fig.2 Schematic of the X-ray tube

冷陰極射線管是由管殼、陰極、陽極組件三個(gè)主要部分組成，圖2展示了X射線管的內(nèi)部具體結(jié)構(gòu)。圖中展示了陰極（Cathode）、柵極（Grid）、聚焦極（Focus）、陽極（Anode）、射線窗口（Window）等關(guān)鍵部件的相對(duì)位置關(guān)系。射線管殼體（Tube Housing）材料采用不銹鋼，具有很好的機(jī)械強(qiáng)度和超高真空適用性，同時(shí)也考慮了其無磁和易于精密加工與焊接的性能。殼體主體是一個(gè)不銹鋼圓桶，直徑為90 mm，長(zhǎng)度為95 mm，壁厚為2 mm。殼體上端是圓形的陽極陶瓷組件（Anode Feedthrough），該陶瓷組件是用于和陽極高壓發(fā)生器的接頭進(jìn)行電氣連接，給焊接在陶瓷組件正中央的陽極組件（Anode）提供高壓。圓桶壁上焊有射線窗（Window），采用鋁材料，在射線出射位置鋁層的厚度為2.3 mm。陽極靶是一片直徑18 mm、厚度1.1 mm的鎢片，設(shè)計(jì)為14°傾角，構(gòu)成反射靶結(jié)構(gòu)。陰極（Cathode）是通過在金屬塊上沉積碳納米管層實(shí)現(xiàn)，陰極引線端子（Cathode Feedthrough）連接到金屬塊。陰極正上方是柵極（Grid），柵級(jí)的結(jié)構(gòu)為一系列條狀柵格，柵格的寬度為60 μm，各個(gè)柵格之間的間距為170 μm，從面積占比的角度，柵極設(shè)計(jì)的理論透過率為74%，實(shí)際透過率還會(huì)還會(huì)受到陰柵間距、柵極厚度、形狀上的細(xì)微結(jié)構(gòu)等影響。柵極上方是聚焦極，二者之間通過陶瓷支撐塊絕緣開。聚焦極和陰極引線端子都從管體殼底板上引出。射線管內(nèi)部安裝有兩個(gè)吸氣劑（Getter），可以用來吸附氣體，用于維持射線管內(nèi)部的高真空度。

X射線管需要于超高真空狀態(tài)下工作，因此組成射線管的不銹鋼零部件表面除精密加工外，還經(jīng)歷了多重超聲清洗，去除表面的各種雜質(zhì)；然后進(jìn)行了拋光處理，提高表面光潔度，降低吸氣面積；各零部件在裝配前也針對(duì)各種材料特性進(jìn)行了烘烤去氣，射線管整管在潔凈間內(nèi)進(jìn)行組裝焊接，然后對(duì)整管進(jìn)行高溫烘烤排氣，內(nèi)部達(dá)到超高真空后通過對(duì)排氣管（Pinch-off Tube）冷壓剪斷進(jìn)行真空密封。

射線管的工作還需要配備陰極電源（Cathode Power Supply）、聚焦極電源（Focus Power Supply）、以及陽極高壓電源（Anode Power Supply），形成射線源系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 X射線源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure diagram of the X-ray source system

陰極電源接可以最高提供負(fù)2 kⅤ高壓，最大120 mA電流，脈寬在5～500 ms可變。陰極負(fù)電壓接通時(shí)，在陰極和柵極之間形成一個(gè)強(qiáng)電場(chǎng)將電子拉向柵極，形成場(chǎng)致發(fā)射。陰極電源可以通過改變施加在陰極上的電壓的大小和時(shí)間，對(duì)陰極電流的大小和脈寬進(jìn)行精確的控制。陽極電源用于在陽極和柵極之間形成一個(gè)強(qiáng)電場(chǎng)，對(duì)透過柵極的電子束進(jìn)行加速，然后這些加速后的電子轟擊陽極產(chǎn)生X射線。本文使用的陽極高壓電源選用了一款Spellman120 kⅤ/12 kW的標(biāo)準(zhǔn)電源。聚焦極電源用于在聚焦極上施加電壓，來實(shí)現(xiàn)射線管的主動(dòng)聚集，本文使用的聚焦極電源可以在6 kⅤ以內(nèi)連續(xù)可調(diào)。

2 模擬和測(cè)試

2.1 焦斑尺寸模擬

焦點(diǎn)尺寸是X射線管的重要參數(shù)。本文采用電磁場(chǎng)模擬軟件Opera 3D進(jìn)行了射線管的靶點(diǎn)大小仿真，模擬了不同的射線管工作狀態(tài)中電子束從陰極經(jīng)柵極和聚焦極到達(dá)陽極靶的運(yùn)動(dòng)軌跡，得到電子束在陽極靶表面上的相對(duì)電流密度分布，計(jì)算出靶點(diǎn)尺寸。計(jì)算中，以沿著管體中心向上的方向?yàn)閆軸，垂直于窗體向外的方向?yàn)閄軸，建立一個(gè)右手坐標(biāo)系，陰極發(fā)射體的尺寸設(shè)為19 mm×4.3 mm，分別模擬了5種不同的陽極電壓（Va）和聚焦極電壓（Vf）的情況。圖4給出了Va=55 kⅤ、Vf=500Ⅴ情況下模擬所得的X軸和Y軸方向上的電子軌跡圖和相對(duì)線性電流密度分布，并根據(jù)相對(duì)線性電流密度分布圖計(jì)算出焦斑長(zhǎng)度（focal spot length）L和焦斑寬度（focal spot width）W，計(jì)算焦斑大小取的是15%相對(duì)線性電流密度最大值的全寬。其他4種情況下的模擬得出的模擬焦斑大小總結(jié)在表1中。

表1 不同情況下的模擬焦斑尺寸Table 1 Simulated focal spot sizes in different situations

2.2 管體測(cè)試

為了提高測(cè)試精度，設(shè)計(jì)了如圖5所示的測(cè)試工裝進(jìn)行射線管與探測(cè)器之間的相對(duì)定位。進(jìn)行焦斑大小測(cè)試時(shí)，射線管（X-ray Tube）位于工裝最上面一層，窗口朝下固定；在工裝中層有一個(gè)凹槽，用于放置狹縫相機(jī)（Pro-Slit）或劑量探頭；工裝最下層放置平板探測(cè)器（X-ray Detector）；最終保證窗的正中心、狹縫的中心、平板探測(cè)器的中心在一條直線上。此外，在狹縫和平板探測(cè)器之間還有鉛筒屏蔽，盡量減少散射線對(duì)成像的干擾。

圖4 Va=55 kⅤ,Vf=500Ⅴ時(shí)，X軸(a)和Y軸(b)方向上，電子軌跡圖和相對(duì)線性電流密度分布Fig.4 Simulated electron beam trajectories and profiles of the relative linear current density in X-axes(a)and Y-axes(b)when Va=55 kⅤ,Vf=500Ⅴ

圖5 焦斑和劑量測(cè)試工裝照片F(xiàn)ig.5 Photo of the focal spot and dose measurement tooling

對(duì)5種不同情況下的焦斑大小進(jìn)行測(cè)試，以Va=75 kⅤ、Vf=1 250Ⅴ情況為例，首先將狹縫平行于Y軸擺放來測(cè)量焦斑長(zhǎng)度L，在探測(cè)器上得到如圖6（a）所示的圖像，然后根據(jù)圖像得到長(zhǎng)度方向上的灰度值分布，以灰度最大值的15%為焦斑邊緣計(jì)算焦斑大小，然后根據(jù)每個(gè)像素點(diǎn)的大小和放大倍數(shù)，計(jì)算出焦斑長(zhǎng)度L=1.72 mm。然后再將狹縫平行于Z軸擺放來測(cè)量焦斑寬度W，在探測(cè)器上得到如圖6（b）所示的圖像，計(jì)算出焦斑寬度W=1.62 mm。類似地，測(cè)量出其他幾種情況下的焦斑尺寸。結(jié)果總結(jié)在表2中，實(shí)測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果大致符合。此外，根據(jù)實(shí)測(cè)焦斑大小和ⅠEC 60336標(biāo)準(zhǔn)，給出了5種情況下對(duì)應(yīng)的ⅠEC焦斑尺寸。

圖6 狹縫平行于Y軸(a)放置和平行于Z軸(b)放置時(shí)，射線穿過狹縫在平板探測(cè)器上形成的圖像Fig.6 Ⅰmages detected by X-ray detector when the slit is parallel to the Y axis(a)and parallel to the Z axis(b)

但是在各種不同陽極高壓和聚焦電壓狀態(tài)下，實(shí)際測(cè)試結(jié)果均比模擬計(jì)算結(jié)果略為偏大，回顧設(shè)計(jì)階段完成的模擬計(jì)算，和封管后的實(shí)測(cè)結(jié)果，考慮加工與裝配時(shí)的精度控制，這種單向偏離的原因，分析可能的因素包括：（1）陰極發(fā)射體的實(shí)際尺寸比設(shè)計(jì)尺寸略大；（2）聚焦極的加工精度或安裝精度與理想值有偏差。

為了確定該射線管在不同工作環(huán)境下的適用情況，本文還對(duì)該射線管不同工作狀態(tài)下的性能進(jìn)行了測(cè)試。對(duì)于圖5所示的測(cè)試狀態(tài)，將狹縫相機(jī)換為Raysafe劑量探頭（劑量探頭的感光面到靶點(diǎn)的距離為18.25 cm），詳細(xì)測(cè)試結(jié)果見表3。此外還進(jìn)行了陽極電壓70 kⅤ、陽極電流50 mA、脈寬400 ms情況下的透過率測(cè)試，實(shí)際測(cè)得的陰極電流為74 mA，實(shí)測(cè)的陽極電流為50.7 mA，得到透過率為68.5%。

表2 不同情況下的實(shí)測(cè)焦斑尺寸對(duì)比及實(shí)測(cè)焦斑對(duì)應(yīng)的IEC標(biāo)準(zhǔn)焦斑值Table 2 Measured focal spot sizes and the corresponding IEC focal spot values in different situations.

表3 不同工作模式下，陽極電壓、脈寬、劑量等參數(shù)的指標(biāo)和實(shí)測(cè)結(jié)果Table 3 The targets and the measured results of the anode voltages,pulse width,and dose in different situations

3 研制實(shí)物和整體指標(biāo)參數(shù)

圖7 射線管樣機(jī)實(shí)物照片F(xiàn)ig.7 Photo of the prototype of the X-ray tube

表4 射線管整體參數(shù)指標(biāo)Table 4 Technical data of the X-ray tube

圖7給出的是X射線管的實(shí)物圖。表4是射線管主要指標(biāo)參數(shù)，列出了射線管的尺寸、重量、關(guān)鍵部件的材料、以及各種特征參數(shù)的具體可調(diào)范圍。表5給出了是建議的4種典型醫(yī)療應(yīng)用場(chǎng)景下的射線管工作參數(shù)，主要包括新生兒ⅠCU檢查、骨盆檢查、腹部檢查、胸部檢查。

表5 不同應(yīng)用場(chǎng)景下的射線管工作參數(shù)Table 5 The working parameters of the X-ray tube in different clinical applications

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于移動(dòng)DR設(shè)備中的基于碳納米管陰極的可變焦X射線管。通過模擬和實(shí)際測(cè)試，優(yōu)化了多種不同工作模式下的焦斑尺寸，給出了不同工作模式下ⅠEC標(biāo)準(zhǔn)焦斑值。在射線管制成后，實(shí)測(cè)了不同工作模式下管電壓、脈寬、劑量等參數(shù)，并根據(jù)測(cè)試結(jié)果，給出了射線管整體指標(biāo)參數(shù)和建議的4種具體應(yīng)用場(chǎng)景下的射線管工作參數(shù)。這種小巧輕便且應(yīng)用場(chǎng)景廣泛的可變焦射線管是移動(dòng)醫(yī)療DR設(shè)備的新選擇。