X射線球管電子束聚焦系統(tǒng)設計

胡 強 王 鵬 呂向英

（北京真空電子技術研究所，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，電子游離在陰極表面，同時，在陰極和陽極之間施加100 kV 以上的電壓，可使電子從陰極加速向陽極運動。當電子達到陽極位置時，其已經(jīng)達到了0.7 倍光速以上的速度，然后轟擊陽極靶產(chǎn)生X 射線。產(chǎn)生的X 射線通過一個X 射線透射窗口射出，從而被運用于各種場合。

醫(yī)療檢測是X 射線管的一個典型用途，醫(yī)療檢測設備的分辨率是一項非常重要的指標，其與X 射線球管的焦點尺寸有直接關系。減小焦點尺寸，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)設計是保證焦點內(nèi)電流面密度，提高X 射線利用率的一個有效措施，一直以來都是X 射線管設計中的重要內(nèi)容，更是醫(yī)療設備性能提升的重要保障。

1 電子束聚束系統(tǒng)設計

聚焦極采用傳統(tǒng)意義上的電子束聚焦方式，它通過改變陰極周圍空間的電場來使電子束在產(chǎn)生時就趨于壓縮，以抵消電子飛躍陰—陽極之間距離時的空間電荷力，達到聚束效果。傳統(tǒng)X 射線管由于焦點尺寸較大、壓縮比很小且陰—陽極之間的距離很短，僅依靠聚焦極就可以實現(xiàn)電子束的聚焦。但是對于新型醫(yī)療設備使用的X 射線球管來說，這種聚焦方式已經(jīng)不能滿足使用要求。新型醫(yī)療設備為了獲得更高質(zhì)量的影像，要求X 射線管的焦點更小、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)空間電荷力會增大、電子束壓縮比也會增大，這使得新型X射線球管的電子槍和聚焦設計比較困難。

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 個由4 個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，以聚焦極作為初始聚束裝置，使電子發(fā)射出來時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。電磁線圈通電時四極透鏡內(nèi)部會產(chǎn)生強磁場，電子在通過雙磁四極透鏡系統(tǒng)內(nèi)部區(qū)域時，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路徑上設置聚束裝置[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電磁線圈在通電時形成一個磁極，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 個線圈中通直流電，使4 個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 所示的對稱磁場[2]。該磁場大小相等的點呈比較規(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 軸方向為例，磁場從靠近鐵心的位置開始逐漸增大，達到峰值后下降，在進入正方形分布區(qū)域之后，線性地下降，直到達到透鏡幾何中心時下降到0。從其他方向觀察時也以類似的情況變化。電子進入透鏡之后應處于線性區(qū)域，以使得對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強度在中心的線性區(qū)，最大值一般在100 Gs～300 Gs（0.01 T～0.03 T），該磁場強度能夠使電子在磁場中具有足夠的速度進行方向變化。

圖2 雙磁四極透鏡聚焦系統(tǒng)磁場分布及沿X 方向的磁場大小分布

雙磁四極透鏡系統(tǒng)聚束下的電子束流形狀如圖3 所示，電子束進入第一級磁四極透鏡后，磁場使電子束在一個方向上（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程中逐步聚焦（或發(fā)散），在電子束進入第二級磁四極透鏡時，電子束的截面被拉長。第二級磁四極透鏡與第一級磁四極透鏡相比旋轉(zhuǎn)了90°，從而電子發(fā)散的方向會被聚焦，并且由于中心區(qū)域的磁場強度具有沿徑向線性增大的趨勢，因此被發(fā)散的電子受到的聚焦效果會大很多，從而被強力壓縮。在電子聚焦的方向上電子會被發(fā)散，但是由于其更靠近中心軸線，磁場強度線性下降，其發(fā)散效果遠不如在第一級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)散的電子束不應超出磁場的線性變化區(qū)域。這樣電子在經(jīng)過雙磁四極透鏡系統(tǒng)之后，各個方向上都是聚焦的，可以形成截面很小的電子束，轟擊陽極靶面產(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，從而在陽極靶上形成一個很小焦斑（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)療檢測設備的使用要求，焦點的尺寸可以通過調(diào)節(jié)電磁線圈的電流來實現(xiàn)。由于雙磁四極透鏡聚焦下的焦點尺寸可以在2個相互垂直的方向進行調(diào)節(jié)，因此還可以產(chǎn)生類似長矩形形狀的焦斑，如圖4 所示，這種電子束可以廣泛應用于許多類型的X射線管中。并且由于雙磁四極透鏡的高壓縮比，其可以擴大陰極發(fā)射面，從而擴大陰極尺寸、降低陰極發(fā)射面密度，解決小的焦點尺寸和大電流要求之間的矛盾，一方面降低了陰極的設計難度，另一方面提升了X 射線管的工作性能。表1 給出了該設計結(jié)構(gòu)下，不同焦斑尺寸對應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。通過調(diào)節(jié)雙磁四極透鏡聚焦線圈的電流大小，可以動態(tài)調(diào)節(jié)焦點尺寸，并且還可以獲得長矩形形狀的焦點，以滿足更多X 射線管的應用場景。

致謝：感謝國家重點研發(fā)計劃“數(shù)字診療裝備研發(fā)”重點專項“高熱容量CT 球管研發(fā)”（項目編號：2017YFC0111500）的支持。