[发明专利]带对位孔控制片的集束尖端阵面场致发射冷阴极X线管

说明书

技术领域

 本发明主要涉及一种带对位孔控制片的集束尖端阵面场致发射冷阴极X线管，本发明属于致电离辐射辐照设备技术领域。

背景技术

利用致电离辐射的强穿透性及对生物体的辐照剂量生物效应，人类从上世纪随着和平利用核能口号开始广泛把核辐照技术应用于诸如：食品保鲜，物品消毒灭菌杀虫，辐照生物效应研究，血液制品处理（防止输血反应）等等各种应用领域，也取得很大社会经济效益，辐照用核辐射源因而被广泛应用。由于核辐射的不可控特性，核辐射源在制造，运输，储存以及最终报废后都一直产生对周围的辐射，可能对周围人员安全造成危害。所以环境保护人士和广大关心环境保护的公众通过各种立法，一开始就把核辐射源作为具有对环境产生放射性核污染潜在威胁的危险品严加管控。随着公众环保意识的不断加强，以及所发生过的核物质泄漏事故的严重后果产生恶劣影响，这种管控还在不断加强，从而限制了辐照产业的发展。从上世纪80年代以来，人们开始用可控致电离辐射技术例如加速器和X线装置产生的致电离辐射来替代核辐射用于辐照产业，希望最终彻底摆脱对核辐照源的依赖，消除对环境产生放射性核污染潜在威胁。但是，加速器存在设备体积大，价格昂贵，管理复杂，运行成本高等缺点。从技术上分析，虽然其能量高，但束流强度有限且截面有限，如要求大面积照设需要扫描也降低了辐照强度。而X线发生装置传统上是被广泛应用于医学影像诊断，工业成像无损检测和公共安全影像检查，至今还在不断发展推广。从上世纪90年代起，美国，日本等国不少制造商开始设计生产专用生物样品辐照的X线设备替代铯137放射源，由于辐射完全可控，不存在放射性核处理问题，辐照腔体积小，防护完善，受到用户和环保部门普遍欢迎，至今已在全球包括我国市场得到推广。但是由于至今这些辐照X线设备大都直接采用工业成像X线发生器装置，只是加了辐照屏蔽室。所采用关键核心部件X线管，都是工业成像用的水冷或油冷钨靶反射式阳极较小焦点X线管。

这种X线管用作为辐照时存在的技术缺陷是：射线出射方向主轴与电子束成90度，其有效照射角度必须小于靶角度2倍，一般最大在40度左右，无法扩大，用于工业X线成像没问题，用于辐照则显著减少了照射面积。由于出射束个方向在靶内过滤减弱长度变化大，出射束的强度分布不均均，即所谓“足跟效应”，在工业成像时可用过滤来改善，用于辐照则降低了辐照强度。由于工业X线检测需要随时灵活转动X线管照射方向，目前X线管大都通过高压电缆与固定的高压发生器相联，而目前配套高压电缆的耐压等级最大225kV，限制了X线管的工作电压提高（目前最高用正负压两条电缆为450kV）。根据辐射物理原理，在靶材靶角及工作电压确定后，其在于电子束90度方向产生X线能量转换效率已经固定，无法提高。这个转化效率与管电压数值及靶材原子序数之积成正比。在多种因素确定钨是唯一可选靶材后，这个转换效率的提高只能靠提高管电压来取得，而医学工业影像要求射线光子能量，并不是越高越好。虽然增大管电流可以直接增加X线输出功率，但医学工业成像要求X管焦点不能太大，而尽管采用水冷可以承受4-6千瓦功率，由于焦点尺寸较小的限制，水冷效率较低，阳极最大负荷也无法提高。所以现有工业X线管及其工作电压，并没有实现更高辐射能转换效率的要求，现有管的阳极负荷功率，也不能满足更强辐照功率的要求，目前还很难取代现有高活度核辐照源。要广泛用X线发生装置作辐照源完全替代核辐照源，就需要研制新型专用辐照X线管，就在改善辐照面均匀性，增大出射辐照角度以增大辐照面积，尽量提高辐射能转换效率，尽量增大辐照X线管功率等等各方面对专用辐照X线管提出一系列创新改进的要求。

本发明人的另一项发明“辐照专用透射式直接水冷阳极超大焦点X线管”从物理原理和工艺技术上对现有工业X线管做了用透射式阳极替代反射式阳极，采用大面积阴极发射片在透射阳极上产生超大面积焦点，在透射式阳极片后面采用直接的水冷等3方面实质性改变。使阴极发射片至透射阳极靶片距离小于两片直径尺寸，从而获得超大面积焦点（焦点尺寸为普通工业成像X管焦点尺寸数十倍以上），使得阳极负荷功率也相应提高数十倍。此外，出射X线的有效辐照角度也比前述发明以及普通工业成像X管大得多，可大于100度锥角。使得与电子束方向从40度至15度的出射的最大韧致辐射均在可用射束范围，比起反射式阳极90度出射的X线传统反射式阳极X线管，产生X线转换效率，在高工作电压下有显著提高。同时其辐射场均匀性也远高于反射式阳极辐射场的均匀性。